兩種廢舊聚合物HDPE、LLDPE對AC-20混合料性能的影響

張文才

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

聚合物改性瀝青技術(shù)源于提高瀝青材料性能、延長路面使用壽命、增強聚合物改性瀝青與石料之間的黏附性等功能所需而產(chǎn)生的一種技術(shù)，通常聚合物占瀝青質(zhì)量約為3～7wt%，目前所使用的改性劑有三大類，占比大約為75%彈性體、15%塑料、10%橡膠[1]。對于塑料類聚乙烯改性劑，雖新料性能穩(wěn)定，但與再生聚乙烯料相比價格相差較大，限制了其在瀝青混合料路面中的推廣應(yīng)用。另一方面，聚乙烯工業(yè)的快速發(fā)展勢必產(chǎn)生大量的廢舊材料，廢舊聚乙烯對提升瀝青混合料路面剛度、降低車轍影響效果顯著，而且價格低廉，數(shù)量充足，可促進(jìn)廢舊材料資源化應(yīng)用[2]。牛冬瑜等人通過應(yīng)用HDPE、LDPE、LLDPE三種廢舊聚乙烯改性橡膠瀝青混合料，得出在高溫性能、水穩(wěn)定性、力學(xué)性能、低溫性能等方面不同程度的定性影響比較[3]。廢舊聚乙烯作為瀝青混合料改性劑對道路建設(shè)、維修養(yǎng)護(hù)起到提升路面質(zhì)量、減小車轍病害、改善行車環(huán)境、降低交通事故作用，同時減輕廢舊塑料對環(huán)境的影響[4-5]。目前，廢舊聚乙烯對瀝青混合料改性的相關(guān)報道文獻(xiàn)已有很多，但大都主要集中在HDPE、EVA、PET、PP等方面[6-8],而未見關(guān)于HDPE與LLDPE兩種常見廢舊塑料在瀝青混合料改性方面不同含量的對比性研究。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

殼牌AH-90瀝青主要技術(shù)指標(biāo) 針入度（25℃，5 s，0.1 mm）89、軟化點46 ℃、15 ℃延度120 cm，殼牌新粵（佛山）瀝青有限公司。

LLDPE 相對密度0.922、熔融指數(shù)1.689 g/10 min、灰分7.516%，萊州梓羽進(jìn)出口有限公司。

HDPE 相對密度0.955、熔融指數(shù)0.945 g/10 min、灰分2.837%，北京某塑膠貿(mào)易公司。

集料 石灰?guī)r、礦粉，山西喜躍發(fā)道路建設(shè)養(yǎng)護(hù)有限公司。

1.2 試驗方法

選用AC-20級配（未去粉、礦料級配見表1），油石比按4.4%。分別通過添加瀝青混合料質(zhì)量的0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%的LLDPE、HDPE改性劑進(jìn)行瀝青混合料試件成型。試驗工序為：先將LLDPE、HDPE改性劑與加熱的集料干拌90 s，使改性劑均勻分散在礦料中，然后將瀝青按照預(yù)定油石比用量加入并拌和90 s，最后加入礦粉，再拌和90 s，瀝青加熱溫度控制在160℃～165℃，礦料加熱溫度為190℃～200℃，混合料拌和溫度180℃，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》制得試件并進(jìn)行相關(guān)測試。

表1 礦料級配表

2 結(jié)果與討論

2.1 HDPE、LLDPE對試件孔隙率的影響

瀝青混合料試件的孔隙率主要取決于集料的級配組成、顆粒形狀、瀝青含量以及瀝青混合料的壓實情況等因素，其中最重要的就是石料的級配[9]，本文僅討論在石料級配與油石比相同情況下，改性劑HDPE、LLDPE對試件孔隙率的影響。

HDPE分子結(jié)構(gòu)中僅包含C-C、C-H，需較高能量才能斷裂。而LLDPE屬線性結(jié)構(gòu)，支鏈、短鏈較多，需較少能量即可斷裂。兩種改性劑在與石料拌和過程中，與HDPE相比LLDPE極易分子鏈斷裂產(chǎn)生新的極性基團(tuán)，同時LLDPE分子結(jié)構(gòu)中本身含有少量的C-O-C、C=O，前者醚鍵中的兩個C原子只能與H結(jié)合，石料表面中含有H，彼此作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng)增強了與石料之間的黏結(jié)強度，且LLDPE中的活潑基團(tuán)也與瀝青發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，從而降低了瀝青混合料的孔隙率。

HDPE軟化點125℃～135℃，LLDPE軟化點94℃～108℃，在瀝青混合料拌和過程中溫度180℃～200℃，相比而言，LLDPE的黏度較低、流動性更好，有利于填充石料空隙，從而降低孔隙率，且孔隙率達(dá)恒定值所需LLDPE含量較低為0.6%，HDPE為0.8%。

圖1 改性劑含量與瀝青混合料孔隙率關(guān)系

2.2 HDPE、LLDPE對試件馬歇爾穩(wěn)定度的影響

從圖2可知，改性劑含量在0.00%～0.30%范圍之內(nèi)，HDPE、LLDPE對瀝青混合料的動穩(wěn)定度影響趨勢一致，且偏差較小，隨著改性劑含量的增加馬歇爾穩(wěn)定度變化較大，增加率為119%，主要機理在于，與HDPE相比，LLDPE含有較多的短支鏈，支鏈越多，密度、結(jié)晶度（HDPE結(jié)晶度65%～85%，LLDPE結(jié)晶度55%～65%）、熔點、屈服強度、表面硬度和拉伸模量等均降低，從而影響到瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度值。LLDPE改性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度值在0.30%達(dá)到最大值為22.33 kN，而HDPE改性劑在0.40%含量時達(dá)到最大值。

圖2 改性劑含量與馬歇爾穩(wěn)定度關(guān)系

在0.30%～1.00%之間，LLDPE馬歇爾穩(wěn)定度值基本保持不變，HDPE在0.40%～1.00%之間馬歇爾穩(wěn)定度值基本保持不變，這說明兩種改性劑在此性能方面存在最佳添加量。

綜上所述，兩類廢舊聚乙烯的加入會提高瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度，在相同用量時，HDPE的作用比LLDPE顯著。

2.3 HDPE、LLDPE對試件浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度的影響

浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比可以體現(xiàn)瀝青混合料抵御水損壞和凍融循環(huán)的能力，有效地評價瀝青混合料的抗老化能力。由于浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂循環(huán)試驗的隨機性，數(shù)據(jù)離散性大，必須將二者結(jié)合分析。從圖3、圖4可知，LLDPE在抗水損、抗凍融方面比HDPE性能較好，可能原因在于LLDPE是具有一定數(shù)量支鏈的長線性分子，適量支鏈的存在使其具有優(yōu)良的韌性，其斷裂伸長率大于800%（HDPE斷裂伸長率為500%～600%）。HDPE、LLDPE改性瀝青混合料的最大浸水殘留穩(wěn)定度分別為未加添加劑混合料的13.17%、20.77%，而最大凍融劈裂強度比分別為未加添加劑混合料的4.58%、7.47%。可見，廢舊聚乙烯的加入會提高瀝青混凝土的抗水損和抗凍融能力，相同用量時，LLDPE的效果較HDPE明顯。

圖3 改性劑含量對試件浸水殘留穩(wěn)定度的影響

圖4 改性劑含量對試件凍融劈裂強度比的影響

2.4 HDPE、LLDPE對試件高溫穩(wěn)定性能的影響

從圖5可知：HDPE、LLDPE對瀝青混合料的高溫性能比較影響顯著，同等比例添加量時，HDPE效果更好，當(dāng)改性劑含量在0.1%～0.5%時，二者相差0.34～2.63倍之間，在0.5%達(dá)到最大差距，隨后在0.6%～1.0%含量之間高溫穩(wěn)定性差距逐漸下降，大于等于0.8%時保持二者高溫穩(wěn)定性能差距基本保持不變?yōu)?.55倍。產(chǎn)生上述差距的主要原因在于，與LLDPE相比，HDPE所含支鏈較少，導(dǎo)致HDPE結(jié)晶度較高（HDPE：125～136、LLDPE：108～125）、拉伸強度變大（HDPE：21～40、LLDPE：7～15），在與石料拌和過程中形成的加筋作用效果更明顯，但考慮到瀝青混合料的經(jīng)濟(jì)成本，合理添加量應(yīng)在0.4%～0.6%之間。

圖5 改性劑含量對試件高溫穩(wěn)定性的影響

3 結(jié)論

a）HDPE、LLDPE對瀝青混合料試件孔隙率的影響均隨著含量增加而增大，但HDPE增加較明顯，當(dāng)含量分別大于0.8%、0.6%時孔隙率保持不變。

b）HDPE、LLDPE在含量較低時，二者對瀝青混合料試件的馬歇爾穩(wěn)定度隨著含量的增加而增大，當(dāng)分別大于0.4%、0.3%時，馬歇爾穩(wěn)定度基本保持恒定值。在瀝青混合料抗水損、抗凍融性能方面，反而LLDPE效果較明顯。

c）兩種改性劑對瀝青混合料試件的高溫性能影響較大，根據(jù)動穩(wěn)定度性能測試，總體分析合理的添加量為0.4%～0.6%之間。