不同摻量EVA改性瀝青流變性能研究

譚瀝東

(廈門市水務中心，福建廈門 201001)

隨著聚合物在生活中廣泛使用，廢品處理是不可避免的難題。一些廢舊聚合物因降解性差，成為“白色污染”[1-2]。目前處理廢舊聚合物有3個途徑：填埋、焚燒、回收[3]。填埋會對土地資源造成不可避免的污染，焚燒過程中產生大量有毒有害氣體，因此回收是最有效的處理方式。在道路工程領域，可用回收的EVA制備改性瀝青，因此該研究具有重要意義。

國內外已有大量針對于EVA改性瀝青的研究，沈化榮[4]研究發現EVA和瀝青相容性好，EVA改性瀝青的高溫穩定性、低溫柔韌性、彈性都有明顯改善。李立寒等[5]將EVA瀝青和PE、SBR瀝青對比分析，發現EVA改性瀝青適應溫度范圍更廣，能夠滿足年最低氣溫高于-9 ℃區域重交通道路瀝青的技術要求。范維玉等[6]對不同VA含量的改性瀝青進行研究，發現隨著VA含量的增加，EVA改性瀝青的相位角δ增大，黏性成分逐漸增加，車轍因子G*/sinδ減小，抗車轍能力逐漸減弱，相容性先增強后減弱;在測定VA含量范圍內，當VA含量為25%時，EVA改性瀝青的綜合性能達到最好。Mahmoud Ameri等[7]人通過對EVA改性瀝青混合料永久變形、疲勞和低溫開裂性能的測試，發現EVA改性瀝青比基質瀝青具有更好的抗車轍性能和抗疲勞開裂性能，且在EVA含量較低或者中等時(2%和4%)，EVA改性瀝青具有更好的耐低溫能力。Jing Jin等[8]通過將2種VA含量(14%，18%)的EVA進行紫衰減紅外光譜(ATR-FTIR)、凝膠含量和高溫凝膠滲透色譜(HTGPC)試驗，對其降解機理進行了分析，發現氧的滲透、不穩定氧化產物和自由基的形成進一步促進了EVA的自然催化降解。Gordon[9]將EVA改性瀝青的形態、熱特性和基本流變性能進行了研究，發現EVA將自身結構中的半結晶質帶入到瀝青中，使得改性瀝青在不同溫度下，存在不同的晶體結構。

現今針對EVA改性瀝青本身性能和EVA結構對改性瀝青性能影響有了大量成果，盡管大家認為EVA和瀝青相容性好，但在研究中EVA摻量少有超過10%。本文致力于不同EVA摻量對改性瀝青性能影響，以三大指標、蠕變恢復率(R)、不可恢復蠕變柔量(Jnr)、應力敏感指數(Jnr-diff)、勁度模量(S)、m值作為技術指標，以此探究不同摻量EVA對改性瀝青流變性能影響規律。

1 試驗材料

1.1 基質瀝青

試驗選用2種組分不同的70#基質瀝青，性能參數如表1所示。ES瀝青在我國使用廣泛，膠體結構優異。SK基質瀝青各方面性能與ES基質瀝青相似，但性能略差。

表1 基質瀝青主要技術指標

1.2 EVA改性劑

本研究選取2種(由阿拉丁公司提供)不同VA質量分數EVA改性劑，性能參數如表2所示。

表2 EVA共聚物主要技術指標

1.3 改性瀝青制備工藝

選用埃東BME100LT高速剪切機制備改性瀝青。等瀝青溫度上升到170 ℃時，將設計好摻量(5%，10%，15%，20%)的EVA改性劑分批加入基質瀝青中，并用玻璃棒緩慢攪拌。等EVA改性劑全部加入后，先低速速攪拌10 min，再使用4 000 r/min的轉速剪切30 min，由此制得EVA改性瀝青。

1.4 瀝青性能評價指標

1.4.1 三大指標

根據JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程》，以軟化點(T0606-2011)為技術指標測試其高溫性能，以延度試驗(T0605-2011)評價其低溫性能，以針入度值(T0604-2011)評價改性瀝青軟硬性。

1.4.2 MSCR試驗

本文選用TA公司的DHR-3型動態剪切流變儀，根據規范AASHTO M 332進行試驗，選用25 mm平板，試件厚度1 mm。MSCR試驗過程：先在0.1 kPa的作用力下預加載10次，正式加載為先在0.1 kPa作用下加載10次，接著在3.2 kPa作用下加載10次(力的作用過程為1 s加載，9 s卸載恢復)。蠕變恢復率(R)，不可恢復蠕變柔量(Jnr)，應力敏感指標(Jnr-diff)由規范AASHTO M 332中公司計算得到。本文以64 ℃的R，Jnr，Jnr-diff為技術指標評價改性瀝青高溫性能。

1.4.3 BBR試驗

BBR試驗被廣泛用于評價瀝青低溫性能，根據規范AASHTO M 320-10經行試件制備及試驗操作。以-18 ℃時，加載60 s測得的勁度模量(S)和蠕變速率(m值)做為技術指標。S和m值由自帶軟件計算得到。

2 結果分析

2.1 三大指標

為探究不同摻量EVA對改性瀝青常規性能影響，進行了三大指標試驗，結果如圖1所示。

圖1 不同摻量EVA改性瀝青三大指標

基質瀝青的延度在5 ℃時幾乎為0，而加入EVA后顯著提升了瀝青的延度，說明基質瀝青經過EVA改性后延展性大幅提升。但隨EVA著摻量增加，幾種改性瀝青的延度都呈下降趨勢，說明過多的EVA改變了改性瀝青黏彈性能占比，延展能力被削弱。基質瀝青為ES70#的改性瀝青延度大于SK70#。2種25%VA質量分數的改性瀝青延度都大于30%VA質量分數的改性瀝青，說明VA質量分數對延度的影響大于基質瀝青種類對延度的影響。

加入EVA后，改性瀝青針入度明顯減小，說明EVA和基質瀝青共混后使瀝青在常溫下更硬。隨著EVA摻量增加，幾種改性瀝青針入度都呈下降的趨勢，說明EVA摻量越大改性瀝青的硬度越大。在相同EVA摻量時，32%VA質量分數的改性瀝青針入度大于25%VA質量分數的改性瀝青，說明25%質量分數的EVA改性瀝青硬度更大。ES因自身針入度更小，導致制備的EVA改性瀝青針入度小于SK制備的改性瀝青。

基質瀝青在加入EVA后，軟化點明顯上升，說明加入EVA能顯著提升瀝青高溫性能。隨著EVA摻量增加，幾種改性瀝青軟化點都呈上升的趨勢，說明EVA摻量越大，對其改性瀝青高溫性能提升越大。EVA摻量和軟化點連成的曲線為凸函數，說明隨著摻量增加，對高溫性能的提升越來越小。25%VA質量分數的改性瀝青軟化點高于32%VA質量分數的改性瀝青，且ES制備的改性瀝青性軟化點高于SK制備的，說明25%VA質量分數的改性劑和ES基質更適用于制備EVA改性瀝青。

2.2 MSCR試驗

MSCR試驗測得的R和Jnr被證實和車轍試驗有很好的相關性[10]，現今研究傾向于使用R和Jnr評價瀝青高溫性能。不同摻量的EVA改性瀝青MSCR測試結果如圖2所示。

64 ℃時，幾種改性瀝青在0.1 kPa和3.2 kPa作用下，蠕變恢復率如圖2(a)、圖2(b)所示。基質瀝青在64 ℃的蠕變恢復率接近0，摻入EVA后蠕變恢復率明顯增加，說明EVA能有效改善瀝青變形恢復能力，使彈性變形比例增加，黏性變形比例減少。隨著EVA摻量的增加，蠕變恢復率也逐漸升高，更多的EVA摻量能使改性瀝青擁有更好的變形恢復能力。而在3.2 kPa作用下的蠕變恢復率小于0.1 kPa，說明EVA改性瀝青彈性恢復性能隨著作用力提高而迅速減小。

不可恢復蠕變柔量如圖2(c)、圖2(d)所示，其值越小說明瀝青高溫性能越好。基質瀝青在加入EVA改性劑后，Jnr都呈減小的趨勢，說明加入EVA使基質瀝青有更好的抗變形能力。且隨著EVA摻量增加，Jnr逐漸減小，說明EVA摻量越多，改性瀝青高溫性能改善效果越顯著。當應力從0.1 kPa增加到3.2 kPa時，不可恢復蠕變柔量變大，這和瀝青混凝土在更大承載時產生更大的車轍相符。

圖2 MSCR測試結果

應力敏感指數如圖2(e)所示，其值越大，瀝青應力敏感性越大。在加入EVA改性劑后，瀝青應力敏感指數降低，說明改性瀝青受應力變化的影響更小，承載能力更強。隨著EVA摻量增加，改性瀝青應力敏感指數進一步減小，說明更多的EVA摻量使改性瀝青承載能力進一步加強。

當選用相同的基質瀝青時，25%VA質量分數的改性瀝青蠕變恢復率更大，不可恢復蠕變柔量更小，說明25%VA質量分數的EVA改性瀝青高溫變形恢復能力更強。當VA質量分數相同時，E70制備的改性瀝青有更大的變形恢復能力，基質瀝青和VA質量分數共同影響了瀝青的變形恢復能力。

EVA中C2H4基團會形成骨架結晶體，可支撐分子空間結構。該結構不僅有利于變形恢復，同時也利于提升改性瀝青承載能力。因此當EVA摻量增加時，改性瀝青內部形成更多骨架晶體，體現出更佳的高溫性能。

2.3 BBR試驗

為探究不同摻量EVA對改性瀝青低溫性能影響，進行了BBR試驗，測得的勁度模量和m值如圖3所示。

圖3 不同摻量EVA改性瀝青BBR測試結果

加入EVA后，瀝青的勁度模量明顯減小，m值明顯升高，說明EVA使瀝青在低溫時更軟，進而提升瀝青延展性和抗開裂性能。隨著EVA摻量增加，勁度模量逐漸降低，m值逐漸增加。表明EVA摻量越大，改性瀝青低溫時抗開裂性能越好，應力松弛能力越好，低溫性能越佳。這和延度試驗結論有區別。

25%VA質量分數的改性瀝青有更小的勁度模量更大的m值，說明25%VA質量分數的EVA改性瀝青低溫性能優于32%VA質量分數的改性瀝青。當VA質量分數相同時，由SK制備的改性瀝青有更小的勁度模量，更大的m值，說明SK制備的改性瀝青性能優于ES制備的改性瀝青。

EVA加入瀝青后，C4H6O2基團會形成與橡膠類似的結構，因此在延度測試時更容易造成應力集中。當EVA摻量越高時，應力集中更突出，使得延度測試結果降低。而EVA模量在低溫時比基質瀝青更軟，且類似橡膠的結構有更好應力松弛能力，因此EVA摻量越多的改性瀝青，在BBR試驗中表現出更小的勁度模量和更大m值。

3 結論

(1)EVA在基質瀝青中形成結晶體，能顯著提升瀝青的變形恢復能力、高溫性能及低溫抗開裂能力。

(2)EVA摻量更高的改性瀝青，高溫性能更好(軟化點越高，變形恢復能力更強，應力敏感指數更小)，低溫性能也更好(勁度模量更小，m值更大)，但由于類似橡膠結構引起應力集中，對延度產生消極影響。

(3)25%VA質量分數的EVA比35%VA質量分數的EVA改性劑更適用于瀝青改性。

(4)ES70#基質瀝青和EVA制備的改性瀝青高溫性能優于SK70#制備的改性瀝青，但低溫性能不如SK70#制備的EVA改性瀝青。