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user: 3. 结果与分析 废旧胶粉-再生PE复合改性沥青的制备影响因素主要有：沥青品种、改性剂的细度及溶解度、胶粉掺量、PE掺量、剪切温度、剪切时间、存储条件等。综合相关文献和已有研究成果，对70号基质沥青进行单组分废旧胶粉、单组份再生PE、双组份的废旧胶粉/再生PE复合改性性能试验。运用极差分析法分析废旧胶粉、再生PE两因素的各水平对软化点、针入度、延度、劲度模量的影响程度，探讨废旧胶粉、再生PE的单组份掺入量和双组份不同掺入量复合后对改性沥青高温稳定性能、低温抗裂性能的影响规律。 表3为基质沥青和不同改性剂掺量下改性沥青的25℃针入度、软化点、15℃延度和−18℃劲度模量和m值的试验数据。从表中数据可以得出，相比于基质沥青，复合改性沥青的针入度、劲度模量显著降低，软化点显著提高，说明与基质沥青相比通过复合改性可以对沥青的高温稳定性和低温抗裂性进行较大的改善。 Table 3 Main performance indexes of matrix asphalt and modified asphal 试验号 胶粉掺量/% 再生PE掺量/% 针入度(25℃)/0.1 mm 延度(15℃)/mm 软化点/℃ 劲度模量 m值 1 0 0 68.2 110.7 46.2 259 0.331 2 4 0 57.2 10.3 50.3 230 0.333 3 7 0 56.2 13.2 51.0 205 0.336 4 11 0 56.3 15.2 51.8 181 0.342 5 15 0 55.9 15.3 52.0 164 0.351 6 0 4 49.2 15.4 53.8 282 0.315 7 0 5 43.0 11.2 58.0 295 0.310 8 0 6 39.4 9.3 61.3 330 0.304 9 0 7 33.3 7.5 64.0 364 0.293 10 7 5 42.8 9.6 57.2 222 0.318 11 7 6 37.1 8.7 58.2 237 0.310 12 7 7 35.0 7.2 61.0 248 0.299 13 11 5 42.7 11.8 55.4 195 0.323 14 11 6 37.0 9.7 57.2 213 0.313 15 11 7 35.0 8.3 61.1 221 0.303 16 15 5 44.0 12.3 56.5 184 0.331 17 15 6 38.6 10.2 57.7 196 0.327 18 15 7 36.3 8.5 61.0 205 0.314 表3. 基质沥青和改性沥青的主要性能指标 3.1. 针入度试验结果 针入度是表征沥青软硬程度、粘稠度以及抵抗剪切破坏能力的指标，在一定程度上也反映沥青的相对黏度。针入度是条件粘度指标(等温粘度)，粘度的提高说明沥青材料在高温条件下具有较强的抗剪切能力，故针入度在一定程度表征了沥青的高温稳定性 [ 10 ]。 图2. 废旧胶粉掺入量对改性沥青针入度的影响 从图2可以看出单组份废旧胶粉的掺量从0%~4%时针入度不断降低，掺量为4%~15%时针入度变化幅度很小，说明在废旧胶粉掺入量较小时沥青由硬变软，随着掺入量增加沥青软硬程度几乎无变化，表明加入废旧胶粉后在一定程度上提高了沥青高温稳定性，继续增加胶粉掺量高温稳定性无明显变化。在再生PE 5%、6%、7%三个掺量水平下，随着胶粉掺量的增加针入度略有升高，但变化不明显，说明较高胶粉掺量对沥青高温稳定性提升不明显。 随着胶粉含量的增加，沥青中的分散相胶质更容易与胶粉颗粒互相吸引粘结成立体网状结构，这就相当于在沥青中油分不变的情况下增加了固相胶粉，使沥青变硬变稠，因此针入度下降。随着胶粉掺量继续增加，胶粉粒子的分散性变差，改性效果变化不大，改性沥青的针入度变化不明显 [ 11 ]。 图3. 再生PE掺入量对改性沥青针入度的影响 从图3可以看出随着单组份PE掺量的增加针入度呈线性下降趋势，说明沥青逐渐变硬，高温稳定性明显提升。在废旧胶粉7%、11%、15%三个掺量水平下，随着PE掺量的增加针入度也呈下降趋势。 PE受热溶化后，由晶固态变为液态，在高速剪切作用下均匀地分布到沥青中，发生溶胀，原来褶叠规整的聚乙烯链随着沥青中的蜡分子的渗入逐渐伸展开来，冷却后聚乙烯和蜡分子结晶，增加了其抵抗外力的能力 [ 7 ]。因此沥青粘度提高，针入度降低，故高温稳定性提高。 Table 4 Range analysis of penetratio 项目 废旧胶粉 再生PE 水平1均值 38.3 43.2 水平2均值 38.2 37.6 水平3均值 39.6 35.4 极差 1.4 7.7 表4. 针入度的极差分析 通过极差分析两因素对改性沥青针入度的影响见表4。根据表4试验数据可以看出废旧胶粉在各水平下针入度变化不明显，再生PE在各水平下针入度明显降低。从极差值可以看出，再生PE对双组份复合改性沥青针入度的影响效果远大于废旧胶粉，即再生PE对针入度的影响占主导地位。 3.2. 延度试验结果分析 延度是评定沥青塑性的重要指标，可以反映材料的抗变形能力，延度越大，表明沥青的塑性变形性能越好。延度试验结果能间接反映出低温下的沥青黏度与剪切敏感性的关系，与路面的使用性能有一定的相关性。 图4. 废旧胶粉掺入量对改性沥青延度的影响 试验数据看出基质沥青15℃延度大于100，但加入4%胶粉后延度下降显著。图4可以看出胶粉掺量从4%增加到11%沥青延度不断增加，继续增加掺量延度无明显变化。在再生PE 5%、6%、7%三个掺量水平下，随着胶粉掺量的增加延度增加，掺量大于11%后延度增加不明显。说明随着胶粉掺量的增加改性沥青的低温性能有所改善，继续增加胶粉掺量改善效果不明显 [ 12 ]。 废旧胶粉加入到沥青中后，部分胶粉以微粒或丝状的形态分布在沥青基中。胶粉颗粒体积小，数量多，低温时它们与沥青基体的模量不同，受拉伸时在拉伸方向产生较大的应变，于是在胶粉颗粒和沥青基体界面处将发生高度应力集中，产生大量银纹和剪切带，所以与基质沥青相比低温延度大大降低。一定掺量下，一方面粗的废旧胶粉颗粒形成骨架结构，防止沥青在低温条件下产生破坏性裂纹，从而改善了沥青的低温柔韧性；另一方面微观上沥青胶体中的分散相胶质与部分胶粉颗粒由于相互之间的吸引力而结合在一起形成立体网状结构，进而会提高沥青的黏度和塑性变形，宏观表现出延性增加 [ 13 ]。 图5. 再生PE掺入量对改性沥青延度的影响 从图5可以看出随着单组份再生PE的掺量的增加沥青延度不断降低，在废旧胶粉7%、11%、15%三个掺量水平下，随着再生PE掺量的增加延度也不断降低。 延度的降低可以从两方面解释：一方面，当PE在高速剪切作用下分散于沥青中PE由晶态转为非晶态，为了降低表面能PE会吸附沥青中的部分轻质组分，并在这些轻质组分作用下发生溶胀，使沥青的聚集态结构组成由溶胶型、溶胶凝胶型转化为凝胶型结构，大大改变沥青的粘弹性质，使沥青变硬变脆 [ 14 ] ；另一方面，冷却后聚乙烯重新结晶成聚乙烯颗粒，在拉伸作用下颗粒会产生应力集中现象，产生大量银纹和剪切带。综合这两个方面的因素，宏观表现出PE改性沥青延度降低。 Table 5 Range analysis of ductilit 项目 废旧胶粉 再生PE 水平1均值 8.5 11.2 水平2均值 9.9 9.5 水平3均值 10.3 8.0 极差 1.8 3.2 表5. 延度的极差分析 通过极差分析两因素对改性沥青延度的影响见表5。根据表5试验数据可以看出废旧胶粉在各水平下延度呈升高趋势，再生PE在各水平下延度明显降低趋势。从极差值可以看出，再生PE对双组份复合改性沥青延度降低作用的影响大于废旧胶粉对延度升高的影响。 3.3. 软化点试验结果分析 温度敏感性是沥青性质的重要指标之一，而沥青软化点是反应沥青温度敏感性的重要指标。沥青随着温度的升高会逐渐变软，当达到规定黏度时的温度称之为沥青软化点。一般来说高温稳定性越好的沥青，软化点会越高。因此，在我国乃至国际上，沥青软化点均是衡量沥青性能的一项重要指标 [ 15 ]。 图6. 废旧胶粉掺入量对改性沥青软化点的影响 从图6可以看出单组份废旧胶粉的掺量从0%~7%时软化点不断升高，掺量为7%~15%时软化点升高幅度较小，说明在废旧胶粉掺入量较小时沥青温度敏感性下降，表明加入废旧胶粉后在一定程度上提高了沥青高温稳定性，继续增加胶粉掺量高温稳定性提升不显著。在再生PE 5%、6%、7%三个掺量水平下，每个水平随着胶粉掺量的增加软化点变化不明显，说明胶粉掺量大于7%对沥青高温稳定性提升不明显。 胶粉对沥青软化点影响原理是：一方面胶粉颗粒的网状结构在高温高速剪切搅拌条件下会在一定程度上氧化裂解，变成分子量小的网状结构和链状物。随着剪切搅拌的继续，胶粉颗粒中的硫、炭黑、氧化硅、氧化铁等活性成分物质进入沥青胶体体系中与沥青发生物质交换，从而改善沥青温度敏感性以及低温性能。另一方面胶粉颗粒在沥青胶体中随机分布并互相连接与普通沥青形成加筋结构，从而提高了高温稳定性 [ 12 ]。但当胶粉掺量增加到一定值时，由于胶粉颗粒会逐渐团聚在一起，难以起到改善沥青性能的作用，此时除了对软化点没有提高作用，可能对改性沥青的延度产生负面影响。 图7. 再生PE掺入量对改性沥青软化点的影响 从图7可以看出随着单组份再生PE掺量的增加沥青软化点不断增加，在废旧胶粉7%、11%、15%三个掺量水平下，每个水平下随着再生PE掺量的增加软化点也不断升高，但每个水平均小于单组份PE时的软化点。 上述现象做如下解释：颗粒越小，比表面积越大，因此PE的表面能会随着剪切机的高速剪切而急剧增大。为保持表面能平衡，PE颗粒会吸附沥青中与其结构相近的轻质组分，以降低表面能。由于轻质组分的溶胀作用会约束沥青的移动，从而改善了沥青的高温性能，导致沥青的温度敏感性降低、软化点增高。PE/胶粉复合改性沥青中由于胶粉的加入改变了沥青的连续网状结构使沥青向溶胶型转化，温度敏感性下降，黏度降低，导致软化点有所减小。 Table 6 Range analysis of softening poin 项目 废旧胶粉 再生PE 水平1均值 58.8 56.4 水平2均值 57.9 57.7 水平3均值 58.4 61.0 极差 0.4 4.7 表6. 软化点的极差分析 通过极差分析两因素对改性沥青软化点的影响见表6。根据表6试验数据可以看出废旧胶粉在各水平下软化点变化不明显，再生PE在各水平下软化点明显升高。从极差值可以看出，废旧胶粉在7%~15%掺量下对复合改性沥青软化点几乎无影响。再生PE对复合改性沥青软化点升高作用起决定性作用。 3.4. 劲度模量试验结果分析 沥青材料是一种粘-弹-塑性材料，在荷载的作用下，应力与应变之间呈现非线性关系。劲度模量是表示沥青材料的这种特性的概念，计算方法是在规定的时间(t)和温度(T)条件下，应力与总应变的比值，即： S ( t ， T ) = σ ε t ， T 在一定温度下，通过在沥青小梁试件上施加980 mN荷载240 s，计算60 s时的劲度模量和蠕变曲线的斜率m两个主要的技术指标。其中m值表征沥青劲度随时间的变化及应力松弛能力大小的指标，m值越大沥青的应力松弛性能越好；m值越小则沥青越脆，越容易开裂。而劲度模量越大沥青材质越硬，这是因为沥青劲度模量越大则产生单位应变所需的应力就会越大。根据SHRP规定要求，劲度模量不大于300 MPa，m值不小于0.3。 图8. 废旧胶粉掺入量对改性沥青劲度模量的影响 图9. 再生PE掺入量对改性沥青劲度模量的影响 由图8、图9可以看出，单组份和双组份各水平PE掺量下，随着废旧胶粉掺量的增加改性沥青的劲度模量均减小，这说明在相同的低温环境下沥青材质会随着胶粉掺量的增加而变软相应的抗低温开裂的能力会提高；单组份和双组份各水平胶粉掺量下，改性沥青的劲度模量均随着再生PE掺量的增加而升高，表明增加PE掺量沥青材质变硬。−18℃下，单组份胶粉和双组份改性沥青蠕变劲度模量均小于300 MPa，满足SHRP规定要求；单组份PE掺量大于6%劲度模量大于300 MPa，不满足SHRP规定要求。 Table 7 Range analysis of stiffness modulu 项目 废旧胶粉 再生PE 水平1均值 236 200 水平2均值 210 215 水平3均值 195 225 极差 41 24 表7. 劲度模量的极差分析 通过表7对各水平废旧胶粉和再生PE劲度模量的极差分析可以得出：随着废旧胶粉掺量从水平1到水平3的增加，沥青劲度模量不断减小，沥青变软；而再生PE掺量从水平1到水平3的增加，沥青劲度模量不断增加，沥青变硬。比较极差的数值大小可得：胶粉对复合改性沥青劲度模量的影响效果大于再生PE。 图10. 废旧胶粉掺入量对改性沥青m值的影响 图11. 再生PE掺入量对改性沥青m值的影响 由图10可以看出，单组份和双组份各水平PE掺量下，改性沥青的m值均随着废旧胶粉掺量的增加而增加，表明增加胶粉掺量沥青在同一低温环境下应力松弛能力升高，低温抗裂能力提高。由图11所示，单组份和双组份各水平胶粉掺量下，改性沥青的m值均随着再生PE掺量的增加而降低，表明增加PE掺量沥青应力松弛能力升高，低温抗裂能力下降。−18℃下，单组份胶粉和双组份改性沥青m值均大于0.3，满足SHRP规定要求；单组份PE掺量大于6%劲度模量小于0.3，不满足SHRP规定要求。 Table 8 Range analysis of m valu 项目 废旧胶粉 再生PE 水平1均值 0.309 0.324 水平2均值 0.313 0.309 水平3均值 0.324 0.305 极差 0.015 0.019 表8. m值的极差分析 通过表8对各水平废旧胶粉和再生PE m值的极差分析可以得出：随着废旧胶粉掺量从水平1到水平3的增加，m值不断增加，沥青应力松弛能力提高，抗开裂能力提高；而再生PE掺量从水平1到水平3的增加，m值不断减小，沥青应力松弛能力下降，抗开裂能力下降。比较极差的数值大小可得：胶粉对复合改性沥青m值的影响效果和再生PE相当，再生PE影响效果稍大。