LDPE与DOP复合改性沥青及其混合料性能研究

程培峰，薛剑龙

（东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

随着我国交通的迅速发展及轴载的日益加重，越来越多性能优良的改性沥青被应用于工程实际当中。目前，改性沥青大多通过在基质沥青中掺入聚合物改性剂获得[1]。聚合物改性剂可分为3类：（1）热塑性橡胶类，如SBS、SBS改性沥青对改善沥青的高低温性能及疲劳性能均具有显著效果；（2）橡胶类，如丁苯橡胶（SBR），橡胶类改性沥青的优势在于具有较好的低温性能，但高温性能改善不明显；（3）塑性树脂类，如聚乙烯（PE）、EVA等，这类改性沥青能在高温性能上取得较好的效果，但低温抗裂性较差[2-5]。值得注意的是，低密度聚乙烯（LDPE）应用广泛，根据我国塑料工业的发展现状，以低密度聚乙烯（LDPE）为原料的塑料废弃物在环境问题上很严峻，是造成白色污染的一大源头。如果将LDPE作为沥青的改性剂，不但可以科学地解决环境污染问题，而且还能起到废弃物再利用的作用。但是，根据实验数据显示，LDPE改性沥青存在着高温性能表现良好，而低温性能不能满足使用要求的这一棘手问题[6]。沥青作为沥青混合料一部分，它的低温变形能力对沥青路面的低温抗裂性能有极大影响，提高沥青的低温延展性有利于沥青混合料抵抗低温开裂的能力。DOP可以显著提高塑料产品的柔韧性。杨希旺[7]和孔志峰[8]将增塑剂作为改性剂添加到沥青中并研究其改性效果，结果表明增塑剂可以显著提升沥青结合料的低温性能。本文将增塑剂DOP掺入到LDPE改性沥青中，研究其对LDPE改性沥青性能的影响，为沥青改性材料的研究提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）基质沥青：盘锦90#道路沥青，其主要技术指标见表1。

表1 盘锦90#基质沥青的性能指标

（2）低密度聚乙烯（LDPE）：2426 H型，山东优索华工科技有限公司生产，其主要技术指标见表2。

表2 LDPE的主要技术指标

（3）邻苯二甲酸二辛脂（DOP）：天津福晨化学试剂厂生产，其关技术指标见表3。

表3 邻苯二甲酸二辛脂的主要技术指标

根据2种改性剂的特点，参考相关研究成果[9-11]，经分析，选择复合改性沥青中LDPE掺量分别为沥青质量的3%、4%、5%、6%，DOP掺量分别为沥青质量的2%、2.5%、3%、3.5%。

1.2 复合改性沥青的制备

按照所选择的掺量制备改性沥青，具体制备步骤如下：

（1）DOP改性沥青的制备：取500 g基质沥青加热到140℃，添加所需质量的DOP，使用机械搅拌机以600 r/min搅拌10 min，搅拌过程需保持140℃温度不变，搅拌完成后即得到DOP改性沥青。

（2）LDPE/DOP复合改性沥青的制备：取500 g基质沥青加热到170℃，按照试验要求添加所需质量的LDPE，用机械搅拌机以600 r/min搅拌1 h。搅拌完成后将所得混合物以5000 r/min高速剪切30～40 min。搅拌与剪切过程需保持170℃温度不变。待剪切完成后，得到LDPE改性沥青。将剪切完成后的混合物温度降低到155℃，加入所需质量的DOP，使用机械搅拌机进行搅拌，以600 r/min搅拌10 min，搅拌完成后即得到LDPE/DOP复合改性沥青。

1.3 测试仪器

主要测试仪器：上海昌吉地质仪器有限公司生产的SYD-2801E1针入度试验仪器、SYD-2806F全自动沥青软化点试验仪器、上海昌吉地质仪器有限公司生产的NDJ-1C布洛克菲尔德旋转粘度仪、SYD-4508F沥青延度试验仪以及北京蓝航中科测控技术研究所生产的85型沥青旋转薄膜烘箱。

2 LDPE/DOP复合改性沥青的性能研究

2.1 LDPE、DOP掺量对复合改性沥青性能的影响

按照JTGE20—2011《公路工程沥青及混合料试验规程》对不同LDPE与DOP配比下复合改性沥青的25℃针入度、软化点、5℃延度、135℃旋转黏度、弹性恢复率等指标进行测试，试验结果如图1所示。

由图1可见：（1）从沥青的黏度、针入度、软化点来看，当DOP掺量一定时，增加LDPE的掺量，沥青的黏度、软化点呈上升趋势，针入度逐渐减小，表明LDPE掺量的增多有利于沥青的高温性能；LDPE掺量一定时，增加DOP的掺量，沥青的针入度变大，软化点、黏度减小，说明加入DOP会弱化沥青的高温性能，并且掺入DOP越多，弱化影响越明显。（2）从沥青的延度与弹性恢复率来看：DOP掺量一定时，增加 LDPE的掺量，沥青的延度逐渐下降，弹性恢复率逐渐上升。由此推测增大LDPE掺量会降低沥青的延性，同时会增强沥青的弹性，使沥青混合料在抵抗疲劳破坏后拥有更好的自愈能力；LDPE掺量一定时，增加DOP掺量，沥青的低温延度、弹性恢复率逐渐增大。DOP掺量从0增至3%时，LDPE/DOP改性沥青延度、弹性恢复率增幅较大，DOP掺量超过3%后，延度与弹性恢复变化并不明显。考虑到沥青的低温性能和经济性，DOP掺量最大值为3%。

图1 LDPE、DOP掺量对复合改性沥青性能的影响

2.2 LDPE/DOP复合改性沥青老化后性能变化

按照JTGE 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对复合改性沥青进行旋转薄膜烘箱老化（RTFOT）试验，通过测试老化前后的针入度、延度的变化情况来评价复合改性沥青老化后的性能，试验结果见图2。

图2 不同LDPE和DOP掺量下沥青老化后性能变化

由图2可见，从沥青老化后的针入度比和延度比来看，相同DOP掺入量下，老化后复合改性沥青的残留延度比和残留针入度比随LDPE掺量的增加而逐渐增大；将LDPE与DOP复配后，沥青的抗老化性能较不掺DOP时提高，原因可能是DOP的加入能够降低老化对沥青轻质组分变化的影响。考虑到LDPE与DOP掺量对沥青性能的影响，推荐合适的DOP掺量为2%～3%，LDPE掺量为5%～6%。

2.3 LDPE/DOP复合改性沥青改性机理分析

在沥青中加入LDPE后，沥青的高温性能明显增强，低温性能下降。这是由于将沥青与LDPE混合后，沥青中的分子会与 LDPE分子相结合，经过机械搅拌与高速剪切，LDPE分子充分扩散，随着LDPE掺量增加，分散的质点也逐步增多，分散的质点阻碍了沥青胶体的流动[12]，使沥青的黏度增大，最终提升了沥青的高温性能，但这一过程对沥青的低温性能不利。加入DOP后，沥青的低温延性明显增大，同时高温性能受到弱化的影响。这是因为增塑剂DOP作为一种油分添加到沥青后，使沥青的轻组分比例增大，轻质组分所占比重的增加使得沥青的低温延展性得到提升[7]。另一方面，DOP分子会聚集在聚合物分子之间，从而减弱其互相吸引力，有利于聚合物分子的移动，从而提高聚合物的柔性，使得沥青的在低温下的延展性得到提升，实现了对沥青的增塑。DOP的加入降低了聚合物分子间的相互作用力，同时也降低了对高温性能有利的重组分在沥青中所占比重，高温性能也随之降低。

3 LDPE/DOP复合改性沥青混合料配合比设计

本文采用“湿法”工艺生产LDPE/DOP复合改性沥青混合料，选择AC-16级配，级配中的集料为破碎卵石，矿粉由石灰石磨细制成，混合料级配如表4所示。采用5种不同的沥青配比方案，对比组采用4.5%SBS改性沥青。按照JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》通过马歇尔试验来确定5种配比方案下的最佳沥青用量，5种不同的沥青配比及最佳沥青用量下的马歇尔试验结果如表5所示。

表4 AC-16混合料级配组成

表5 不同改性剂方案AC-16混合料马歇尔试验结果

4 LDPE/DOP复合改性沥青混合料路用性能

4.1 高温稳定性

通过车辙试验评价5种方案混合料的高温稳定性，按照JTGE20—2011，使用轮压法制作车辙板（300 mm×300 mm×50 mm），采用自行车辙仪进行试验，结果见表6。

表6 不同改性沥青混合料的车辙试验结果

从表6可见，2＃（6%LDPE）的动稳定度达到5280次/mm，相比1＃（2.5%DOP），掺加LDPE可以明显提高混合料的动稳定度；4＃（2%DOP+6%LDPE）、5＃（3%DOP+6%LDPE）的动稳定度均大于对比组4.5%SBS改性沥青混合料，可见，适量的LDPE与DOP复合改性沥青混合料具有良好的高温性能。

4.2 低温抗裂性

按照JTGF40—2004，采用-10℃条件下的小梁弯曲试验比较5种不同配比改性沥青混合料的低温抗裂能力，结果见表7。

表7 不同改性沥青混合料的低温弯曲试验结果

从表7可以看出：2＃（6%LDPE）的低温抗裂性能较差，弯拉应变仅为1870με，不符合规范要求（＞2800με）。将LDPE与DOP复配后，沥青混合料的弯拉应变和抗弯拉强度均增大，且弯拉应变提升幅度超过100%，表明DOP能够大幅度提高LDPE改性沥青混合料低温下的抗裂性能；在复配条件下，当DOP掺量一定时，随着LDPE掺量增多，沥青混合料的抗弯拉强度增大，弯拉应变减小。由此推断加入LDPE会降低混合料的柔韧性，同时削弱了混合料分散应力的能力，表明LDPE对混合料的低温性能有不利影响，这与2.1的针入度试验结果一致；3＃（2%DOP+5%LDPE）、5＃（3%DOP+6%LDPE）沥青混合料的弯拉应变均大于对比组4.5%SBS改性沥青混合料相比，，表明适量的LDPE与DOP复合改性沥青混合料具有良好的低温性能。

4.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性能，试件制备和试验方法严格按照 JTGF40—2004和JTGE20—2011执行，试验结果如表8所示。

表8 不同改性沥青混合料的水稳定性试验结果

从表8可以看出，复配方案下的混合料水稳定性优于单掺方案，且随着改性剂掺量的增加，马歇尔残试验留稳定度和冻融劈裂试验残留强度比TSR均升高。4＃（2%DOP+6%LDPE）、5＃（3%DOP+6%LDPE）的水稳性优于4.5%SBS改性沥青混合料。表明适量的LDPE与DOP复合改性沥青混合料具有良好的水稳定性能。

5 结论

（1）沥青性能测试结果表明，LDPE可明显改善沥青的高温性能和感温性能，但不利于低温性能；LDPE与DOP复合改性沥青的低温延展性得到大幅度提升，感温性能与抗老化能力也有一定提升，但DOP的掺量过大会使沥青的高温性能下降，综合考虑，DOP的最大掺量为3%。

（2）路用性能试验结果表明，LDPE/DOP复合改性沥青混合料兼具高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，通过调整掺配比例，复配改性沥青的路用性能可以优于4.5%SBS改性沥青，表明LDPE/DOP复合改性沥青具有良好的路用性能。综合考虑LDPE与DOP掺量对复配改性沥青及沥青混合料性能的影响，推荐最佳改性剂掺量为6%LDPE+3%DOP。