聚乙烯蜡温拌剂改性沥青复合材料的制备及性能研究

Preparation and Performance Study of Polyethylene Wax Warm-mix Additive Modified Asphalt Composites

摘要

为解决传统沥青在高低温性能及施工效率上的不足，采用聚乙烯（PE）蜡温拌剂作为改性沥青复合材料的关键组分，探讨其对复合材料性能的影响。通过熔融共混法制备PE蜡温拌剂，结合高温高剪切技术制备改性沥青复合材料，系统研究温拌剂掺量对材料高低温性能、微观结构及储存稳定性的调控效果。结果表明：适量掺入PE蜡温拌剂可以显著改善改性沥青的性能。PE蜡温拌剂质量分数为1%~3%时，改性沥青的高温性能显著提升，软化点最高可达54.7 ℃；低温抗裂性能优异，在-10 ℃下延度达15.2 cm。PE蜡温拌剂在提升改性沥青高低温性能及施工效率方面具有显著效果。研究可以为道路材料的绿色低碳发展提供技术支持。

Abstract

To address the deficiencies of traditional asphalt in high and low-temperature performance and construction efficiency, polyethylene (PE) wax was used as a warm-mix additive, which was a key component of the modified asphalt composites, to investigate its influence on the performance of the composites. The PE wax warm-mix additive was prepared by melt blending, and the modified asphalt composites was prepared by combining high-temperature and high-shear techniques. The effects of the warm-mix additive dosage on the high and low-temperature performance, microstructure, and storage stability of the material were systematically studied. The results show that the appropriate addition of PE wax warm-mix additive can significantly improve the performance of the modified asphalt. When the mass fraction of PE wax warm-mix additive is 1%~3%, the high-temperature performance of the modified asphalt is significantly improved, with the softening point reaching up to 54.7 ℃. The low-temperature crack resistance is excellent, with a ductility of 15.2 cm at -10 ℃. The PE wax warm-mix additive has a significant effect on improving the high and low-temperature performance and construction efficiency of the modified asphalt, and the study can provide technical support for the green and low-carbon development of road materials.

Graphical abstract

关键词

聚乙烯蜡 / 温拌剂 / 改性沥青 / 复合材料

Key words

Polyethylene wax / Warm-mix additive / Modified asphalt / Composites

随着道路工程对沥青材料性能要求的不断提高，传统石油沥青在高温抗车辙性、低温抗裂性以及施工性能方面的不足已限制其在复杂气候条件和绿色低碳施工中的应用^[1-3]。近年来，聚合物改性和温拌剂技术因能够有效改善沥青性能而备受关注。聚乙烯(PE)蜡作为一种新型温拌剂，凭借其高结晶度和低熔点特性，在降低施工温度和优化路用性能方面表现出显著优势^[4-6]。周合轻等^[7]研究PE蜡掺量对橡胶沥青性能的影响，发现其不仅能够显著提高沥青的柔韧性，还能够增强其低温抗裂性能。程滢等^[8]研究表明，PE蜡在改善沥青储存稳定性方面也具有重要作用。尽管已有研究探讨了PE蜡的性能提升效果，但关于其掺量与改性沥青综合性能之间关系的系统性研究仍较少。本研究通过系统的实验设计，结合微观结构表征与性能测试，深入分析PE蜡温拌剂在改性沥青中的作用机制。采用熔融共混法制备PE蜡温拌剂，并采用高温、高剪切技术制备改性沥青材料，从软化点、黏度、低温延展性及储存稳定性等方面探讨温拌剂掺量对材料高低温性能和施工性能的影响。本研究旨在为温拌剂技术的工程应用提供依据，同时为绿色低碳道路材料的研发提供技术参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PE蜡，分子量2 000~4 000，熔点100~110 ℃，山东道恩高分子材料股份有限公司、山东科润生物化工有限公司；道路石油沥青，针入度7 mm，软化点46~48 ℃，延度(5 ℃)>15 cm，中国石化股份有限公司；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)，YH-791，分子量≥100 000，苯乙烯质量分数30%，韩国LG化学；壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)，HLB值13~15，阿克苏诺贝尔化工公司；2,6-二叔丁基对甲酚(BHT)，阿克苏诺贝尔化工公司；邻苯二甲酸二丁酯(DBP)，阿克苏诺贝尔化工公司；氢氧化铝(ATH)，阻燃级H-30，阿克苏诺贝尔化工公司；硅烷偶联剂，KH-550，南京曙光化工有限公司。

1.2 仪器与设备

高温反应釜，ZR-5L，上海莱北科学仪器有限公司；高剪切均质机，E·S·B-500X，上海易勒机电设备有限公司；恒温搅拌器，ZNCL-BS，上海越众仪器设备有限公司；动态剪切流变仪(DSR)，TA Instruments DHR-2，天津市港源试验仪器厂；布氏黏度计，NDJ-1D，上海昌吉地质仪器有限公司；软化点测试仪，SYD-2806F，上海昌吉地质仪器有限公司；低温延度仪，SYD-4508G-1，上海昌吉地质仪器有限公司；荧光显微镜(FM)，Axioscope 5，蔡司光学仪器(上海)有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 PE蜡温拌剂的制备

采用熔融共混法制备PE蜡温拌剂。将PE蜡与以下辅助成分混合：NP-10按温拌剂总质量的0.5%添加，作为表面活性剂，改善温拌剂在沥青中的分散性；BHT按温拌剂总质量的0.2%添加，作为抗氧化剂，防止材料氧化；KH-550按温拌剂总质量的0.1%添加，作为增强剂，提高温拌剂的抗老化性能和与沥青的相容性；DBP按温拌剂总质量的0.3%添加，作为增塑剂，改善低温性能。

将反应釜加热至180 ℃，启动磁力搅拌系统，设置搅拌转速为500 r/min，持续搅拌30 min，直至PE蜡完全熔化，确保其他成分均匀分散。采用高剪切均质机对混合体系进行均化处理，剪切转速为6 000 r/min，剪切10 min，以提高温拌剂的均匀性和稳定性。最后，将制备好的PE蜡温拌剂迅速冷却至室温，并置于真空干燥箱中(60 ℃，12 h)进行干燥，最终得到流动性良好的固态PE蜡温拌剂。

1.3.2 改性沥青的制备

表1为改性沥青样品配方。PE蜡温拌剂的添加比例为基础沥青总质量(道路石油沥青+SBS)的1%、2%、3%、4%，并设置PE蜡温拌剂添加量为0的对照样品。采用高温、高剪切共混法制备改性沥青。将道路石油沥青加热至150 ℃，使其完全熔化并保持液态。按照预定比例缓慢加入PE蜡温拌剂和SBS。将混合体系加热至180 ℃，采用高剪切均质机进行高速剪切处理，转速为5 000 r/min，剪切60 min，确保SBS和PE蜡温拌剂均匀分散在沥青基质中。为促进改性剂与沥青的相互作用，混合后采用恒温搅拌器(160 ℃，300 r/min)进行低速搅拌，搅拌1 h，完成改性沥青的稳定化处理。制备完成后，将改性沥青样品迅速冷却至室温，并使用真空干燥箱去除可能残留的水分或挥发物。将制备好的改性沥青样品装入经预处理(烘干、清洗)的金属容器中，密封后储存于恒温干燥箱中，储存温度控制在25 ℃。

1.4 性能测试与表征

软化点测试：采用软化点测试仪，根据JTG E20—2011进行测试。

黏度测试：使用布氏黏度计在135 ℃和165 ℃下进行黏度测试。

低温延展性测试：使用低温延度仪在-10 ℃和-20 ℃条件下测试改性沥青的低温延展性。

软化点差值测试：采用管式加热法将改性沥青装入标准铝管于163 ℃静置48 h，冷却后分别取上、下段样品，用软化点测试仪测定软化点，记录差值。

FM测试：采用荧光显微镜观察基质中分散相的相分离与均匀性。使用蓝光激发通道与明场图像叠加，获得分散相面积分数与平均粒径。每个配比至少选取三处视场并用ImageJ进行测量与统计。

DSR测试：在60 ℃条件下通过动态剪切流变仪测量改性沥青的流变性能，包括剪切模量(G*)和相位角(δ)，计算G*/sin δ。

2 结果与讨论

2.1 改性沥青高温性能分析

表2为PE蜡温拌剂掺量对改性沥青软化点和黏度的影响。从表2可以看出，当PE蜡温拌剂质量分数为3%时，黏度在135 ℃下从2 500 mPa·s降至2 050 mPa·s。这表明该掺量范围内，材料的高温稳定性与施工性能达到较优平衡。然而，当PE蜡温拌剂质量分数增加至4%时，黏度略有上升，这是由于PE蜡过多引起的结晶相累积增加了材料内部的摩擦阻力。PE蜡温拌剂的加入提高了改性沥青的高温性能。当PE蜡温拌剂质量分数达到3%时，软化点从基础沥青的47.2 ℃提高至54.7 ℃。PE蜡在沥青中的主要作用是凭借其高结晶度和高熔点特性，在高温条件下形成稳定的晶体网络，限制沥青基质分子链的运动，从而显著提高材料的抗车辙性能^[9]。然而，高温性能的改善并不是无限制的。当PE蜡温拌剂质量分数超过3%时，软化点的增幅逐渐减小。原因在于过量的蜡相晶体不仅难以进一步提高网络结构的密度，还会导致网络的过度硬化，降低材料的韧性^[10]。未来，可通过优化温拌剂的分子结构设计降低其过量添加后的负面效应，进一步提升材料的高温性能。

2.2 改性沥青低温性能分析

表3为PE蜡温拌剂掺量对改性沥青低温延展性的影响。从表3可以看出，当温拌剂质量分数达到3%时，改性沥青在-10 ℃下的延度为15.2 cm，在-20 ℃下的延度为6.3 cm，均为最大值。这表明在该掺量下，材料的低温抗裂性能达到最佳。PE蜡温拌剂对低温抗裂性能具有显著提升作用。适量的PE蜡通过均匀分散的结晶网络，分散应力集中点，增强沥青基质的弹性储能能力，从而有效提高材料的柔韧性，降低低温条件下的开裂风险^[11]。然而，当PE蜡温拌剂质量分数超过3%后，延度略有下降。主要因为过量的PE蜡在低温下形成较脆的晶体结构，过量的结晶相形成，导致蜡相晶体在低温下脆性失效，降低了材料的柔韧性，不利于材料的低温延展性^[12]。

上述结果表明，PE蜡温拌剂的掺入提升了改性沥青的高温和低温性能。在高温性能方面，PE蜡温拌剂提高了软化点，降低了施工温度下的黏度，显著强化了沥青基质。在低温性能方面，适量的PE蜡温拌剂可以有效增强材料的延展性和低温抗裂性能。然而，过量的PE蜡温拌剂可能导致材料的黏弹特性恶化，因此在实际工程应用中，PE蜡温拌剂质量分数应选择1%~3%，以实现性能的最优平衡。PE蜡温拌剂对改性沥青性能的影响表现出显著的掺量依赖性^[13]。当PE蜡温拌剂质量分数处于1%~3%时，材料的高温性能、低温抗裂性能以及微观分散性均表现优异。在此范围内，PE蜡能够均匀分布于沥青基质中，形成完整的微观网络结构，提高基质的结晶相比例^[14]。然而，当PE蜡温拌剂质量分数超过3%后，由于PE蜡在沥青中的溶解能力有限，导致蜡相晶体聚集和分布不均，进而降低材料的储存稳定性，并对高低温性能产生负面影响。在实际应用中，PE蜡温拌剂的最佳掺量需要综合考虑施工工艺、改性目标及沥青基质类型等因素^[15]。

2.3 PE蜡温拌剂对改性沥青软化点差值的影响

图1为PE蜡温拌剂掺量对改性沥青软化点差值的影响。从图1可以看出，软化点差值随着PE蜡温拌剂掺量的增加而减小，PE蜡温拌剂质量分数为1%时软化点差值达到最大，PE蜡温拌剂质量分数增加至3%~4%时，软化点差值逐渐减少，这表明较高的温拌剂掺量可能导致沥青的高温稳定性降低。综上所述，PE蜡温拌剂质量分数最佳范围为1%~3%。

2.4 改性沥青复合材料微观分散性分析

改性沥青复合材料的微观结构影响其宏观性能。为研究PE蜡温拌剂掺量对改性沥青微观结构的影响，采用荧光显微镜观察材料的微观分散性。图2为PE蜡温拌剂掺量对材料微观分散性的影响。从图2a可以看出，蜡相晶体均匀分布于基质中，颗粒较小，表明PE蜡与沥青基质具有较好的相容性。从图2b可以看出，微观结构更均匀，蜡相晶体数量增加且分散良好，形成了稳定的网络结构。从图2c可以看出，当PE蜡温拌剂质量分数为3%时，晶体间的网络结构更紧密，结晶相比例提高，微观结构最为优化，有效提升改性沥青的储存稳定性和高低温性能。从图2d可以看出，当PE蜡温拌剂质量分数为4%时，基质中蜡相晶体聚集，部分区域晶体密度过高，导致微观分布均匀性降低，可能引发相分离，影响材料整体性能。分析表明，PE蜡温拌剂掺量显著影响改性沥青的相分散性和网络结构的完整性。当PE蜡温拌剂质量分数在1%~3%范围内时，PE蜡温拌剂能够与沥青基质兼容性好，形成均匀的微观网络结构；而PE蜡温拌剂质量分数超过3%时，晶体聚集可能降低材料柔韧性和储存稳定性^[16-18]。因此，PE蜡温拌剂质量分数最佳范围控制在1%~3%，以实现微观结构和宏观性能的最佳平衡。

2.5 PE蜡温拌剂改性沥青抗车辙性能的影响

表4为PE蜡掺量对改性沥青抗车辙性能的影响。从表4可以看出，基准样品(未加入PE蜡)的G*/sin δ在60 ℃时为3 600 Pa。当PE蜡温拌剂质量分数为1%时，该值升高至3 700 Pa，表明掺入少量PE蜡可增强沥青的抗车辙性能。随着掺量的继续增加，当PE蜡温拌剂质量分数为2%时，G*/sin δ在60 ℃时进一步上升至3 850 Pa，改性沥青的性能得到进一步改善。当PE蜡温拌剂质量分数为3%时，G*/sin δ在60 ℃时达到4 000 Pa；而PE蜡温拌剂质量分数为4%时，该值升至4 200 Pa，表明高掺量的PE蜡可以显著提高沥青的抗车辙性能。

3 结论

通过熔融共混法制备PE蜡温拌剂，并采用高温高剪切技术制备改性沥青复合材料，系统分析PE蜡温拌剂掺量对改性沥青高低温性能、微观结构和储存稳定性的影响。结果表明：PE蜡温拌剂质量分数为1%~3%可显著改善改性沥青的综合性能。当PE蜡温拌剂质量分数为3%时，改性沥青的软化点从基础沥青的47.2 ℃提高至54.7 ℃，135 ℃时的黏度从2 500 mPa·s降低至2 050 mPa·s，施工性能显著优化；其延度在-10 ℃和-20 ℃下分别达到15.2 cm和6.3 cm，体现了优异的低温抗裂性能。

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