摘要：為研究再生聚乙烯（PE）對硫瀝青高溫性能的影響，文章通過制備不同摻量下的PE改性硫瀝青（PSA），將其與同摻量下的PE改性瀝青進(jìn)行性能比較分析，并通過常規(guī)試驗和不同老化條件下的流變試驗，探討了PSA的基本特性和高溫流變特性，同時開展了毒性浸出試驗對PSA進(jìn)行環(huán)境評價研究。試驗結(jié)果表明，與PE改性瀝青相比，PSA的針入度、黏度和軟化點差值更低，而軟化點和車轍因子更高，這說明在高溫下PSA的物理性能、流變性能和儲存穩(wěn)定性均優(yōu)于普通PE改性瀝青，這是因為硫磺的結(jié)晶效益有助于PE在瀝青基體中的性能表征；環(huán)境評價分析表明PSA浸出液中的金屬元素和硫元素滿足規(guī)范要求，PSA有作為可持續(xù)性瀝青路面材料的潛力。

關(guān)鍵詞：道路工程；硫瀝青；聚乙烯；流變性能；高溫性能；環(huán)境評價

中圖分類號：U414.1

0 引言

隨著柔性路面建設(shè)的飛速發(fā)展，作為不可再生資源的瀝青消耗巨大，基于可持續(xù)發(fā)展理念，尋找瀝青的部分或完全替代材料是目前的研究熱點［1］。之前的研究表明，硫瀝青可作為一種可持續(xù)性的瀝青路面材料［2-3］。硫磺屬于可再生資源，能通過回收含硫的廢氣和廢渣得到，硫瀝青中的硫磺可取代30%～40%的瀝青膠結(jié)料。因硫磺成本遠(yuǎn)低于瀝青，硫瀝青的使用還能降低工程成本。與傳統(tǒng)道路石油瀝青相比，硫瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能更高，硫瀝青還可明顯改善瀝青與石料的粘附性問題［4］。

再生聚乙烯（PE）是一種低成本且可回收的瀝青改性劑，將其作為路面材料能緩解廢棄塑料的處置問題［5］。許多研究表明PE能明顯改善瀝青的高溫流變性能［6-7］。然而，以往的研究大多集中在分析硫瀝青或PE改性瀝青的流變性能，而PE改性硫瀝青（PSA）的路用性能尚未有充分的研究，并且關(guān)于PSA在路面施工中環(huán)境影響的研究也仍不足，限制了PSA在綠色瀝青路面材料中的實際應(yīng)用。因此，有必要對PAS的常規(guī)性能、流變性能和環(huán)境影響進(jìn)行綜合研究，拓展硫瀝青和PE改性劑在實際工程中的應(yīng)用。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

采用寶利國際70#道路石油瀝青和硫瀝青作為基質(zhì)瀝青。基于參考文獻(xiàn)［4］，硫瀝青的硫磺摻量選為30%。其中，硫磺由湖南某化工有限公司提供，呈粉末狀且純度達(dá)99%。70#石油瀝青的基本特性如表1所示。PE由上海某材料有限公司供應(yīng)，屬于低密度聚乙烯，其物理性質(zhì)如表2所示。

1.2 瀝青制備

（1）硫瀝青的制備：將70#道路石油瀝青加熱至熔融態(tài)，向瀝青加入定量的硫磺，采用高速剪切儀對其高速剪切30 min，剪切溫度和剪切速率分別控制在140 ℃和800 r/min。

（2）PE改性瀝青的制備：將70#道路石油瀝青加熱至熔融態(tài)，向瀝青加入定量的PE，先用玻璃棒手動攪拌10 min，再采用高速剪切儀對其高速剪切45 min，剪切溫度和剪切速率分別控制在175 ℃和5 000 r/min。

（3）PSA的制備：完成PE改性瀝青的制備后，將定量的硫磺加入改性瀝青中，在140 ℃的剪切溫度和800 r/min的剪切速率下，采用高速剪切儀對PSA試樣高速剪切30 min。

其中，PSA的制備順序的選定是因為PE的剪切溫度較高，為避免硫磺在高溫剪切過程揮發(fā)，因此先添加PE后添加硫磺。硫磺的摻量為基質(zhì)瀝青重量的30%，而PE摻量分別為基質(zhì)瀝青重量的2%、4%、6%和8%?；谝酝难芯浚?］，考慮到高摻量硫磺的重結(jié)晶效應(yīng)，對添加硫磺的瀝青試樣，先在常溫下養(yǎng)生15 d后再對其進(jìn)行性能測試。

1.3 試驗方案

將基質(zhì)瀝青、硫瀝青、PE改性瀝青作為對照組，而PSA作為試驗組，基于針入度試驗和軟化點試驗，研究PSA的常規(guī)物理性能。采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗和布氏黏度試驗，分別研究PSA的高溫流變性能和高溫抗剪切性能。開展聚合物離析試驗，分析PSA的高溫儲存穩(wěn)定性。最后，采用浸出毒性試驗評價PSA對環(huán)境的影響。其中，針入度試驗、軟化點試驗、離析試驗和黏度試驗的試樣均為未老化瀝青，DSR試驗試樣為未老化瀝青和短期老化瀝青，浸出毒性試驗的試樣均為未老化瀝青。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)物理性能

如圖1和圖2所示為PE摻量對基質(zhì)瀝青和硫瀝青的針入度和軟化點的影響情況。從圖1可知，PE的添加均使得基質(zhì)瀝青與硫瀝青的針入度下降。隨著PE摻量的增加，PE改性瀝青的針入度持續(xù)下降，而PSA的針入度先顯著下降后趨于穩(wěn)定，且PSA的針入度均低于PE改性瀝青。這說明PE改性劑的加入使得瀝青的物理交聯(lián)作用更強(qiáng)，且在硫瀝青基體中PE的改善效果高于基質(zhì)瀝青。由圖2可知，PE使得瀝青的軟化點增加，即在2%PE摻量下瀝青的軟化點有顯著改善。對于PE改性瀝青，可以發(fā)現(xiàn)隨著PE摻量的增加，瀝青的軟化點增長速率變緩；與PE改性瀝青相比，隨著PE摻量的增加，PSA的軟化點增長速率更大，這說明硫瀝青中的硫使得高摻量下的PE在瀝青中均勻性增強(qiáng)，有助于PE在瀝青基體中的性能表征。

2.2 高溫抗剪切性能

圖3顯示了135 ℃測試溫度下PE摻量對瀝青布氏黏度的影響情況。由圖3可知，隨著PE摻量的增加，PE改性瀝青的黏度顯著提升。與PE改性瀝青相比，在相同PE摻量下，PSA的布氏黏度值更低。例如，在6%PE摻量下PE改性瀝青的黏度值已超過3 Pa·s，不利于瀝青混合料施工過程中的和易性，而6%PE摻量下PAS的黏度值低于規(guī)定值。該現(xiàn)象說明PSA中的高摻量硫磺能起到降黏效果，即硫磺能降低瀝青混合料的拌和與壓實溫度。同時可以發(fā)現(xiàn)，硫瀝青（PE摻量為0的PSA）的黏度高于基質(zhì)瀝青（PE摻量為0的PE改性瀝青），這說明硫磺能改善瀝青的高溫抗剪切性能，這是因為高摻量的硫磺能通過結(jié)晶效益，均勻分散于瀝青基體中，即以顆粒形式來增大瀝青分子的內(nèi)摩擦阻力。

2.3 高溫儲存穩(wěn)定性能

如圖4所示為PE摻量對瀝青軟化點差值的影響情況。由圖4可知，隨著PE摻量的增加，PE改性瀝青的軟化點差值增加，8%PE改性瀝青的軟化點差值達(dá)到6 ℃以上，說明PE在瀝青基體中易出現(xiàn)離析現(xiàn)象。與PE改性瀝青相比，在相同PE摻量下，PSA的軟化點差值均低于PE改性瀝青，說明PE在瀝青基體中的離析現(xiàn)象得到改善。例如，8%PSA的軟化點差值為3.3 ℃，與8%PE改性瀝青相比，瀝青的軟化點差值降低50%，接近ASTM D5892規(guī)范的限值（2.2 ℃）。這一現(xiàn)象表明，硫瀝青的硫磺有助于改善PE改性瀝青的離析現(xiàn)象，這是由于硫磺可部分替代瀝青作為膠結(jié)料，能包裹瀝青中的PE顆粒，有利于維持和增強(qiáng)PE在瀝青基體中的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.4 高溫流變性能

64 ℃的測試溫度下，未老化與短期老化瀝青的車轍因子如圖5和圖6所示。由圖5可知，PE的添加使得瀝青的車轍因子有明顯提高，這說明PE分子能與瀝青分子形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使瀝青剛度增加，提高其高溫抗車轍性能。由圖6可知，與未老化瀝青相比，老化狀態(tài)下瀝青的車轍因子增大，這是因為老化后瀝青的輕質(zhì)組分揮發(fā)，使得瀝青剛度增加。盡管老化能使瀝青的車轍因子增大，但是其開裂風(fēng)險也隨之增大。與PE改性瀝青相比，在相同PE摻量下，PSA的車轍因子更高。這說明在硫磺的重結(jié)晶效益下，瀝青基體中的結(jié)晶硫?qū)E顆粒有促進(jìn)作用，使得PE顆粒在瀝青基體中的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，即PSA的高溫穩(wěn)定性越高。

2.5 浸出元素濃度

根據(jù)ASTM D3987規(guī)程，對基質(zhì)瀝青、硫瀝青和PSA開展浸出毒性試驗。將70 g瀝青試樣放入裝滿1.4 L蒸餾水的玻璃瓶中，將其在25 ℃的條件下水浴18 h。收集水樣并采用原子吸收光譜進(jìn)行分析。在3種瀝青試樣的滲濾液中，測定鎘、硒、鉻、銅、鋅和鉛6種金屬元素和硫化物的濃度，并與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)）的限定值進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，基質(zhì)瀝青不含上述6種有害金屬元素和硫元素，而與基質(zhì)瀝青和基準(zhǔn)液相比，硫瀝青和PSA含有鎘元素和硫化物。盡管PAS中存在少量鎘元素和硫化物，但其濃度低于《標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定值。這說明使用PSA進(jìn)行瀝青路面施工不會產(chǎn)生較大的環(huán)境問題，即不會嚴(yán)重污染水資源和土壤。

3 結(jié)語

（1）瀝青常規(guī)試驗結(jié)果表明，PE的添加能降低瀝青的針入度和軟化點差值，提高其軟化點，這說明PE有利于瀝青的物理性能和儲存穩(wěn)定性。同時，在硫磺作用下，PE顆粒在瀝青中的性能提升有進(jìn)一步增強(qiáng)。

（2）瀝青流變結(jié)果表明，與PE改性瀝青相比，PSA的黏度更低而車轍因子更大，說明硫磺對PE改性瀝青有降黏功能，可降低PE改性瀝青混合料的拌和與壓實溫度；硫磺的重結(jié)晶效益能有助于PE顆粒在瀝青中的均勻分布，進(jìn)一步提高瀝青的高溫抗車轍性能。

（3）毒性浸出試驗結(jié)果表明，PSA浸出液中的金屬元素與硫元素均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定值，說明這種瀝青材料對生態(tài)環(huán)境不會產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響。

（4）后續(xù)研究應(yīng)繼續(xù)開展PSA及其混合料的路用性能試驗，綜合評價PSA的短期性能和長期性能，并開展分子動力學(xué)模擬來揭示這種路面新材料的改性機(jī)理。

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收稿日期：2023-10-18

作者簡介：朱 皓（1990—），工程師，主要從事高速公路工程試驗管理工作。