不同工藝的HDPE改性瀝青混合料的高溫性能比較

鄭　茂

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610017)

聚乙烯(Polyethylene，下簡(jiǎn)稱PE)，一種高分子聚合物，在SBS改性瀝青的大規(guī)模應(yīng)用之前經(jīng)常被用到。PE改性后的瀝青及其混合料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，但綜合改性效果相對(duì)不足，逐漸被SBS改性劑取代[1]，不過仍保持著相對(duì)SBS的成本優(yōu)勢(shì)。考慮到此前大規(guī)模研究和應(yīng)用是針對(duì)低密度PE，對(duì)于高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，以下簡(jiǎn)稱HDPE)研究較少，本文將對(duì)其進(jìn)行瀝青改性試驗(yàn)研究，主要針對(duì)分濕法和干法兩種工藝。濕法是在試驗(yàn)室將改性劑加入基質(zhì)瀝青拌制成為改性瀝青[2]，改性劑摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量比，瀝青加工溫度定為180 ℃，利用小型對(duì)流式拌和設(shè)備進(jìn)行攪拌，拌和時(shí)間為1.5 h。干法是在基質(zhì)瀝青混合料拌制時(shí)外摻投入拌合鍋拌合，改性劑摻量為混合料的質(zhì)量比。

1　材料、級(jí)配與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1　瀝青

為了全面地比較研究改性劑類型和摻量變化對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響規(guī)律[3]，本文進(jìn)行多種摻量下兩種工藝的全面設(shè)計(jì)試驗(yàn)，選用70#基質(zhì)瀝青。其基本指標(biāo)如表1所示。

表1　基質(zhì)瀝青常規(guī)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

1.2　集料

根據(jù)JTGF 40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》 要求取AC-13，采用較細(xì)的級(jí)配，表2為本文選取一種AC-13的級(jí)配。

表2　選用的AC-13級(jí)配

集料為市面常用集料，產(chǎn)自浙江安吉。粗集料(≥2.36 mm)與細(xì)集料(0.075～1.18 mm)都采用玄武巖，礦粉是用石灰石研磨，密度與其他性能指標(biāo)見表3、表4。

表3　集料密度

表4　集料性能指標(biāo)

1.3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于影響PE改性瀝青高溫穩(wěn)定性最重要的工藝即改性瀝青混合料的制備工藝(即干法或濕法)和高分子聚合物的摻量。本文進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，2種制備工藝均涵蓋3個(gè)檔次的摻量。

試驗(yàn)中瀝青的改性劑摻量及瀝青編號(hào)見表5。

2　車轍試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1　混合料拌和與成型

采用室內(nèi)瀝青混合料拌合機(jī)進(jìn)行混合料拌和，拌和后放置于163 ℃的烘箱中2 h以模擬施工現(xiàn)場(chǎng)混合料在運(yùn)輸、等待攤鋪及攤鋪等環(huán)節(jié)的短期老化[4]。

表5　瀝青的改性劑摻量及瀝青編號(hào)

用于漢堡車轍的試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型(SGC)，見圖1件制(62 mm)的方式成型試件，以保證試件的高度和空隙率滿足試驗(yàn)要求，成型后的目標(biāo)空隙率為7 %±1 %。成型完成的漢堡車轍試件如圖1所示。

圖1　部分試件車轍試驗(yàn)前表觀

2.2　試驗(yàn)結(jié)果

去除試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)大于15 %和意外破壞試件，保證同一條件下獲取2個(gè)平行試驗(yàn)結(jié)果[5]。不同聚乙烯摻量下的HDPE改性瀝青混合料漢堡車轍高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果見表6，不同聚乙烯摻量下的混合料漢堡車轍試驗(yàn)曲線圖見圖2，漢堡車轍試驗(yàn)后部分試件表觀圖見圖3。

圖2　不同聚乙烯摻量下的HDPE改性瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)曲線

3　結(jié)果分析

3.1　蠕變速率Cr的對(duì)比

將干法和濕法兩種方法下制備的PE改性瀝青混合料在不同HDPE摻量下的蠕變速率數(shù)值匯入圖4。

(1)無論干法或濕法，在試驗(yàn)選用的改性劑區(qū)間范圍內(nèi)，蠕變速率均隨改性劑摻量的增加而增大，混合料蠕變階段的高溫性能隨HDPE用量的增多而增強(qiáng)。

(2)從趨勢(shì)線斜率看，濕法小于干法。采用濕法工藝制備混合料的Cr值隨改性劑摻量變化的敏感度相對(duì)更低。根據(jù)此次試驗(yàn)，僅蠕變速率指標(biāo)而言，干法生產(chǎn)工藝更能突出表現(xiàn)HDPE對(duì)混合料高溫性能的影響趨勢(shì)。

表6　不同聚乙烯摻量下的HDPE改性瀝青混合料漢堡車轍高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖3　漢堡車轍試驗(yàn)后部分試件表觀

圖4　干法和濕法條件下的混合料Cr值對(duì)比情況

(3)從趨勢(shì)線分布情況看，HDPE摻量小于8 %時(shí)，濕法制備的混合料蠕變階段高溫性能好于干法。HDPE摻量大于8 %時(shí)，干法制備的混合料蠕變速率數(shù)值更高。

(4)試驗(yàn)選用的改性劑摻量范圍有限，上述規(guī)律有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2　總變形速率Dr的對(duì)比

將干法和濕法兩種方法下制備的PE改性瀝青混合料在不同HDPE摻量下的總變形速率數(shù)值匯入圖5。

圖5　干法和濕法條件下的混合料Cr值對(duì)比情況

(1)在濕法所選用的改性劑摻量范圍內(nèi)，Dr出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，存在一個(gè)最佳改性劑摻量值(5.2 %)使得Dr出現(xiàn)最小值，混合料總變形速率最小，有水條件下的高溫性能最佳；但干法條件下，Dr隨HDPE摻量的增大而減小，并未出現(xiàn)趨勢(shì)線的拐點(diǎn)，這可能和試驗(yàn)選用的改性劑摻量范圍不足有關(guān)。從現(xiàn)有結(jié)果看，干法條件下即使存在最佳改性劑摻量值使得Dr出現(xiàn)最小值，該最佳改性劑摻量值也大于5.2 %。

(2)從趨勢(shì)線分布看，HDPE摻量小于7 %時(shí)，濕法制備的混合料在有水條件下高溫性能好于干法。

4　結(jié)論

本文通過漢堡車轍試驗(yàn)對(duì)采用干法改性和濕法改性的HDPE改性瀝青混合料進(jìn)行了高溫性能比較，研究了不同工藝對(duì)HDPE改性瀝青混合料高溫性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)無論干法或濕法，在試驗(yàn)選用的改性劑區(qū)間范圍內(nèi)，蠕變速率均隨改性劑摻量的增加而增大，混合料蠕變階段的高溫性能隨HDPE用量的增多而增強(qiáng)。

(2)濕法制備的混合料的Cr值隨改性劑摻量變化的敏感度相對(duì)更低；從蠕變速率指標(biāo)來看，干法工藝更能突出表現(xiàn)HDPE對(duì)混合料高溫性能的影響趨勢(shì)。

(3)HDPE摻量小于8 %時(shí)，濕法制備的混合料蠕變階段高溫性能好于干法。HDPE摻量大于8 %時(shí)，干法制備的混合料蠕變速率數(shù)值更高。

(4)濕法工藝下，Dr先減小后增大，存在一個(gè)最佳改性劑摻量(5.2 %)使得混合料總變形速率最小，干法工藝下，Dr隨HDPE摻量的增大而減小，并未出現(xiàn)趨勢(shì)線的拐點(diǎn)，即使存在拐點(diǎn)，該最佳改性劑摻量值也大于5.2 %。

(5)從趨勢(shì)線分布看，HDPE摻量小于7 %時(shí)，濕法制備的混合料在有水條件下高溫性能好于干法。