LDPE與DOP復合改性瀝青及其混合料性能研究

程培峰，薛劍龍

（東北林業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著我國交通的迅速發(fā)展及軸載的日益加重，越來越多性能優(yōu)良的改性瀝青被應(yīng)用于工程實際當中。目前，改性瀝青大多通過在基質(zhì)瀝青中摻入聚合物改性劑獲得[1]。聚合物改性劑可分為3類：（1）熱塑性橡膠類，如SBS、SBS改性瀝青對改善瀝青的高低溫性能及疲勞性能均具有顯著效果；（2）橡膠類，如丁苯橡膠（SBR），橡膠類改性瀝青的優(yōu)勢在于具有較好的低溫性能，但高溫性能改善不明顯；（3）塑性樹脂類，如聚乙烯（PE）、EVA等，這類改性瀝青能在高溫性能上取得較好的效果，但低溫抗裂性較差[2-5]。值得注意的是，低密度聚乙烯（LDPE）應(yīng)用廣泛，根據(jù)我國塑料工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，以低密度聚乙烯（LDPE）為原料的塑料廢棄物在環(huán)境問題上很嚴峻，是造成白色污染的一大源頭。如果將LDPE作為瀝青的改性劑，不但可以科學地解決環(huán)境污染問題，而且還能起到廢棄物再利用的作用。但是，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示，LDPE改性瀝青存在著高溫性能表現(xiàn)良好，而低溫性能不能滿足使用要求的這一棘手問題[6]。瀝青作為瀝青混合料一部分，它的低溫變形能力對瀝青路面的低溫抗裂性能有極大影響，提高瀝青的低溫延展性有利于瀝青混合料抵抗低溫開裂的能力。DOP可以顯著提高塑料產(chǎn)品的柔韌性。楊希旺[7]和孔志峰[8]將增塑劑作為改性劑添加到瀝青中并研究其改性效果，結(jié)果表明增塑劑可以顯著提升瀝青結(jié)合料的低溫性能。本文將增塑劑DOP摻入到LDPE改性瀝青中，研究其對LDPE改性瀝青性能的影響，為瀝青改性材料的研究提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青：盤錦90#道路瀝青，其主要技術(shù)指標見表1。

表1 盤錦90#基質(zhì)瀝青的性能指標

（2）低密度聚乙烯（LDPE）：2426 H型，山東優(yōu)索華工科技有限公司生產(chǎn)，其主要技術(shù)指標見表2。

表2 LDPE的主要技術(shù)指標

（3）鄰苯二甲酸二辛脂（DOP）：天津福晨化學試劑廠生產(chǎn)，其關(guān)技術(shù)指標見表3。

表3 鄰苯二甲酸二辛脂的主要技術(shù)指標

根據(jù)2種改性劑的特點，參考相關(guān)研究成果[9-11]，經(jīng)分析，選擇復合改性瀝青中LDPE摻量分別為瀝青質(zhì)量的3%、4%、5%、6%，DOP摻量分別為瀝青質(zhì)量的2%、2.5%、3%、3.5%。

1.2 復合改性瀝青的制備

按照所選擇的摻量制備改性瀝青，具體制備步驟如下：

（1）DOP改性瀝青的制備：取500 g基質(zhì)瀝青加熱到140℃，添加所需質(zhì)量的DOP，使用機械攪拌機以600 r/min攪拌10 min，攪拌過程需保持140℃溫度不變，攪拌完成后即得到DOP改性瀝青。

（2）LDPE/DOP復合改性瀝青的制備：取500 g基質(zhì)瀝青加熱到170℃，按照試驗要求添加所需質(zhì)量的LDPE，用機械攪拌機以600 r/min攪拌1 h。攪拌完成后將所得混合物以5000 r/min高速剪切30～40 min。攪拌與剪切過程需保持170℃溫度不變。待剪切完成后，得到LDPE改性瀝青。將剪切完成后的混合物溫度降低到155℃，加入所需質(zhì)量的DOP，使用機械攪拌機進行攪拌，以600 r/min攪拌10 min，攪拌完成后即得到LDPE/DOP復合改性瀝青。

1.3 測試儀器

主要測試儀器：上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的SYD-2801E1針入度試驗儀器、SYD-2806F全自動瀝青軟化點試驗儀器、上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的NDJ-1C布洛克菲爾德旋轉(zhuǎn)粘度儀、SYD-4508F瀝青延度試驗儀以及北京藍航中科測控技術(shù)研究所生產(chǎn)的85型瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱。

2 LDPE/DOP復合改性瀝青的性能研究

2.1 LDPE、DOP摻量對復合改性瀝青性能的影響

按照JTGE20—2011《公路工程瀝青及混合料試驗規(guī)程》對不同LDPE與DOP配比下復合改性瀝青的25℃針入度、軟化點、5℃延度、135℃旋轉(zhuǎn)黏度、彈性恢復率等指標進行測試，試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見：（1）從瀝青的黏度、針入度、軟化點來看，當DOP摻量一定時，增加LDPE的摻量，瀝青的黏度、軟化點呈上升趨勢，針入度逐漸減小，表明LDPE摻量的增多有利于瀝青的高溫性能；LDPE摻量一定時，增加DOP的摻量，瀝青的針入度變大，軟化點、黏度減小，說明加入DOP會弱化瀝青的高溫性能，并且摻入DOP越多，弱化影響越明顯。（2）從瀝青的延度與彈性恢復率來看：DOP摻量一定時，增加 LDPE的摻量，瀝青的延度逐漸下降，彈性恢復率逐漸上升。由此推測增大LDPE摻量會降低瀝青的延性，同時會增強瀝青的彈性，使瀝青混合料在抵抗疲勞破壞后擁有更好的自愈能力；LDPE摻量一定時，增加DOP摻量，瀝青的低溫延度、彈性恢復率逐漸增大。DOP摻量從0增至3%時，LDPE/DOP改性瀝青延度、彈性恢復率增幅較大，DOP摻量超過3%后，延度與彈性恢復變化并不明顯?？紤]到瀝青的低溫性能和經(jīng)濟性，DOP摻量最大值為3%。

圖1 LDPE、DOP摻量對復合改性瀝青性能的影響

2.2 LDPE/DOP復合改性瀝青老化后性能變化

按照JTGE 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對復合改性瀝青進行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化（RTFOT）試驗，通過測試老化前后的針入度、延度的變化情況來評價復合改性瀝青老化后的性能，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 不同LDPE和DOP摻量下瀝青老化后性能變化

由圖2可見，從瀝青老化后的針入度比和延度比來看，相同DOP摻入量下，老化后復合改性瀝青的殘留延度比和殘留針入度比隨LDPE摻量的增加而逐漸增大；將LDPE與DOP復配后，瀝青的抗老化性能較不摻DOP時提高，原因可能是DOP的加入能夠降低老化對瀝青輕質(zhì)組分變化的影響。考慮到LDPE與DOP摻量對瀝青性能的影響，推薦合適的DOP摻量為2%～3%，LDPE摻量為5%～6%。

2.3 LDPE/DOP復合改性瀝青改性機理分析

在瀝青中加入LDPE后，瀝青的高溫性能明顯增強，低溫性能下降。這是由于將瀝青與LDPE混合后，瀝青中的分子會與 LDPE分子相結(jié)合，經(jīng)過機械攪拌與高速剪切，LDPE分子充分擴散，隨著LDPE摻量增加，分散的質(zhì)點也逐步增多，分散的質(zhì)點阻礙了瀝青膠體的流動[12]，使瀝青的黏度增大，最終提升了瀝青的高溫性能，但這一過程對瀝青的低溫性能不利。加入DOP后，瀝青的低溫延性明顯增大，同時高溫性能受到弱化的影響。這是因為增塑劑DOP作為一種油分添加到瀝青后，使瀝青的輕組分比例增大，輕質(zhì)組分所占比重的增加使得瀝青的低溫延展性得到提升[7]。另一方面，DOP分子會聚集在聚合物分子之間，從而減弱其互相吸引力，有利于聚合物分子的移動，從而提高聚合物的柔性，使得瀝青的在低溫下的延展性得到提升，實現(xiàn)了對瀝青的增塑。DOP的加入降低了聚合物分子間的相互作用力，同時也降低了對高溫性能有利的重組分在瀝青中所占比重，高溫性能也隨之降低。

3 LDPE/DOP復合改性瀝青混合料配合比設(shè)計

本文采用“濕法”工藝生產(chǎn)LDPE/DOP復合改性瀝青混合料，選擇AC-16級配，級配中的集料為破碎卵石，礦粉由石灰石磨細制成，混合料級配如表4所示。采用5種不同的瀝青配比方案，對比組采用4.5%SBS改性瀝青。按照JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》通過馬歇爾試驗來確定5種配比方案下的最佳瀝青用量，5種不同的瀝青配比及最佳瀝青用量下的馬歇爾試驗結(jié)果如表5所示。

表4 AC-16混合料級配組成

表5 不同改性劑方案AC-16混合料馬歇爾試驗結(jié)果

4 LDPE/DOP復合改性瀝青混合料路用性能

4.1 高溫穩(wěn)定性

通過車轍試驗評價5種方案混合料的高溫穩(wěn)定性，按照JTGE20—2011，使用輪壓法制作車轍板（300 mm×300 mm×50 mm），采用自行車轍儀進行試驗，結(jié)果見表6。

表6 不同改性瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果

從表6可見，2＃（6%LDPE）的動穩(wěn)定度達到5280次/mm，相比1＃（2.5%DOP），摻加LDPE可以明顯提高混合料的動穩(wěn)定度；4＃（2%DOP+6%LDPE）、5＃（3%DOP+6%LDPE）的動穩(wěn)定度均大于對比組4.5%SBS改性瀝青混合料，可見，適量的LDPE與DOP復合改性瀝青混合料具有良好的高溫性能。

4.2 低溫抗裂性

按照JTGF40—2004，采用-10℃條件下的小梁彎曲試驗比較5種不同配比改性瀝青混合料的低溫抗裂能力，結(jié)果見表7。

表7 不同改性瀝青混合料的低溫彎曲試驗結(jié)果

從表7可以看出：2＃（6%LDPE）的低溫抗裂性能較差，彎拉應(yīng)變僅為1870με，不符合規(guī)范要求（＞2800με）。將LDPE與DOP復配后，瀝青混合料的彎拉應(yīng)變和抗彎拉強度均增大，且彎拉應(yīng)變提升幅度超過100%，表明DOP能夠大幅度提高LDPE改性瀝青混合料低溫下的抗裂性能；在復配條件下，當DOP摻量一定時，隨著LDPE摻量增多，瀝青混合料的抗彎拉強度增大，彎拉應(yīng)變減小。由此推斷加入LDPE會降低混合料的柔韌性，同時削弱了混合料分散應(yīng)力的能力，表明LDPE對混合料的低溫性能有不利影響，這與2.1的針入度試驗結(jié)果一致；3＃（2%DOP+5%LDPE）、5＃（3%DOP+6%LDPE）瀝青混合料的彎拉應(yīng)變均大于對比組4.5%SBS改性瀝青混合料相比，，表明適量的LDPE與DOP復合改性瀝青混合料具有良好的低溫性能。

4.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試件制備和試驗方法嚴格按照 JTGF40—2004和JTGE20—2011執(zhí)行，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 不同改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

從表8可以看出，復配方案下的混合料水穩(wěn)定性優(yōu)于單摻方案，且隨著改性劑摻量的增加，馬歇爾殘試驗留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗殘留強度比TSR均升高。4＃（2%DOP+6%LDPE）、5＃（3%DOP+6%LDPE）的水穩(wěn)性優(yōu)于4.5%SBS改性瀝青混合料。表明適量的LDPE與DOP復合改性瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性能。

5 結(jié)論

（1）瀝青性能測試結(jié)果表明，LDPE可明顯改善瀝青的高溫性能和感溫性能，但不利于低溫性能；LDPE與DOP復合改性瀝青的低溫延展性得到大幅度提升，感溫性能與抗老化能力也有一定提升，但DOP的摻量過大會使瀝青的高溫性能下降，綜合考慮，DOP的最大摻量為3%。

（2）路用性能試驗結(jié)果表明，LDPE/DOP復合改性瀝青混合料兼具高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，通過調(diào)整摻配比例，復配改性瀝青的路用性能可以優(yōu)于4.5%SBS改性瀝青，表明LDPE/DOP復合改性瀝青具有良好的路用性能。綜合考慮LDPE與DOP摻量對復配改性瀝青及瀝青混合料性能的影響，推薦最佳改性劑摻量為6%LDPE+3%DOP。