两种废旧聚合物HDPE、LLDPE对AC-20混合料性能的影响

2021-03-31张文才

山西交通科技 2021年1期

张文才

（山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）

0 引言

聚合物改性沥青技术源于提高沥青材料性能、延长路面使用寿命、增强聚合物改性沥青与石料之间的黏附性等功能所需而产生的一种技术，通常聚合物占沥青质量约为3～7wt%，目前所使用的改性剂有三大类，占比大约为75%弹性体、15%塑料、10%橡胶[1]。对于塑料类聚乙烯改性剂，虽新料性能稳定，但与再生聚乙烯料相比价格相差较大，限制了其在沥青混合料路面中的推广应用。另一方面，聚乙烯工业的快速发展势必产生大量的废旧材料，废旧聚乙烯对提升沥青混合料路面刚度、降低车辙影响效果显著，而且价格低廉，数量充足，可促进废旧材料资源化应用[2]。牛冬瑜等人通过应用HDPE、LDPE、LLDPE三种废旧聚乙烯改性橡胶沥青混合料，得出在高温性能、水稳定性、力学性能、低温性能等方面不同程度的定性影响比较[3]。废旧聚乙烯作为沥青混合料改性剂对道路建设、维修养护起到提升路面质量、减小车辙病害、改善行车环境、降低交通事故作用，同时减轻废旧塑料对环境的影响[4-5]。目前，废旧聚乙烯对沥青混合料改性的相关报道文献已有很多，但大都主要集中在HDPE、EVA、PET、PP等方面[6-8],而未见关于HDPE与LLDPE两种常见废旧塑料在沥青混合料改性方面不同含量的对比性研究。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

壳牌AH-90沥青主要技术指标针入度（25℃，5 s，0.1 mm）89、软化点46 ℃、15 ℃延度120 cm，壳牌新粤（佛山）沥青有限公司。

LLDPE 相对密度0.922、熔融指数1.689 g/10 min、灰分7.516%，莱州梓羽进出口有限公司。

HDPE 相对密度0.955、熔融指数0.945 g/10 min、灰分2.837%，北京某塑胶贸易公司。

集料石灰岩、矿粉，山西喜跃发道路建设养护有限公司。

1.2 试验方法

选用AC-20级配（未去粉、矿料级配见表1），油石比按4.4%。分别通过添加沥青混合料质量的0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%的LLDPE、HDPE改性剂进行沥青混合料试件成型。试验工序为：先将LLDPE、HDPE改性剂与加热的集料干拌90 s，使改性剂均匀分散在矿料中，然后将沥青按照预定油石比用量加入并拌和90 s，最后加入矿粉，再拌和90 s，沥青加热温度控制在160℃～165℃，矿料加热温度为190℃～200℃，混合料拌和温度180℃，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制得试件并进行相关测试。

表1 矿料级配表

2 结果与讨论

2.1 HDPE、LLDPE对试件孔隙率的影响

沥青混合料试件的孔隙率主要取决于集料的级配组成、颗粒形状、沥青含量以及沥青混合料的压实情况等因素，其中最重要的就是石料的级配[9]，本文仅讨论在石料级配与油石比相同情况下，改性剂HDPE、LLDPE对试件孔隙率的影响。

HDPE分子结构中仅包含C-C、C-H，需较高能量才能断裂。而LLDPE属线性结构，支链、短链较多，需较少能量即可断裂。两种改性剂在与石料拌和过程中，与HDPE相比LLDPE极易分子链断裂产生新的极性基团，同时LLDPE分子结构中本身含有少量的C-O-C、C=O，前者醚键中的两个C原子只能与H结合，石料表面中含有H，彼此作用发生化学反应增强了与石料之间的黏结强度，且LLDPE中的活泼基团也与沥青发生化学交联反应，从而降低了沥青混合料的孔隙率。

HDPE软化点125℃～135℃，LLDPE软化点94℃～108℃，在沥青混合料拌和过程中温度180℃～200℃，相比而言，LLDPE的黏度较低、流动性更好，有利于填充石料空隙，从而降低孔隙率，且孔隙率达恒定值所需LLDPE含量较低为0.6%，HDPE为0.8%。

图1 改性剂含量与沥青混合料孔隙率关系

2.2 HDPE、LLDPE对试件马歇尔稳定度的影响

从图2可知，改性剂含量在0.00%～0.30%范围之内，HDPE、LLDPE对沥青混合料的动稳定度影响趋势一致，且偏差较小，随着改性剂含量的增加马歇尔稳定度变化较大，增加率为119%，主要机理在于，与HDPE相比，LLDPE含有较多的短支链，支链越多，密度、结晶度（HDPE结晶度65%～85%，LLDPE结晶度55%～65%）、熔点、屈服强度、表面硬度和拉伸模量等均降低，从而影响到沥青混合料的马歇尔稳定度值。LLDPE改性沥青混合料马歇尔稳定度值在0.30%达到最大值为22.33 kN，而HDPE改性剂在0.40%含量时达到最大值。

图2 改性剂含量与马歇尔稳定度关系

在0.30%～1.00%之间，LLDPE马歇尔稳定度值基本保持不变，HDPE在0.40%～1.00%之间马歇尔稳定度值基本保持不变，这说明两种改性剂在此性能方面存在最佳添加量。

综上所述，两类废旧聚乙烯的加入会提高沥青混凝土马歇尔稳定度，在相同用量时，HDPE的作用比LLDPE显著。

2.3 HDPE、LLDPE对试件浸水残留稳定度、冻融劈裂强度的影响

浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比可以体现沥青混合料抵御水损坏和冻融循环的能力，有效地评价沥青混合料的抗老化能力。由于浸水残留稳定度和冻融劈裂循环试验的随机性，数据离散性大，必须将二者结合分析。从图3、图4可知，LLDPE在抗水损、抗冻融方面比HDPE性能较好，可能原因在于LLDPE是具有一定数量支链的长线性分子，适量支链的存在使其具有优良的韧性，其断裂伸长率大于800%（HDPE断裂伸长率为500%～600%）。HDPE、LLDPE改性沥青混合料的最大浸水残留稳定度分别为未加添加剂混合料的13.17%、20.77%，而最大冻融劈裂强度比分别为未加添加剂混合料的4.58%、7.47%。可见，废旧聚乙烯的加入会提高沥青混凝土的抗水损和抗冻融能力，相同用量时，LLDPE的效果较HDPE明显。

图3 改性剂含量对试件浸水残留稳定度的影响

图4 改性剂含量对试件冻融劈裂强度比的影响

2.4 HDPE、LLDPE对试件高温稳定性能的影响

从图5可知：HDPE、LLDPE对沥青混合料的高温性能比较影响显著，同等比例添加量时，HDPE效果更好，当改性剂含量在0.1%～0.5%时，二者相差0.34～2.63倍之间，在0.5%达到最大差距，随后在0.6%～1.0%含量之间高温稳定性差距逐渐下降，大于等于0.8%时保持二者高温稳定性能差距基本保持不变为1.55倍。产生上述差距的主要原因在于，与LLDPE相比，HDPE所含支链较少，导致HDPE结晶度较高（HDPE：125～136、LLDPE：108～125）、拉伸强度变大（HDPE：21～40、LLDPE：7～15），在与石料拌和过程中形成的加筋作用效果更明显，但考虑到沥青混合料的经济成本，合理添加量应在0.4%～0.6%之间。