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有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

聚合物改性瀝青技術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生的一種技術，通常聚合物占瀝青質量約為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用。另一方面，聚乙烯工業的快速發展勢必產生大量的廢舊材料，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，數量充足，可促進廢舊材料資源化應用[2]。牛冬瑜等人通過應用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、水穩定性、力學性能、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、維修養護起到提升路面質量、減小車轍病害、改善行車環境、降低交通事故作用，同時減輕廢舊塑料對環境的影響[4-5]。目前，廢舊聚乙烯對瀝青混合料改性的相關報道文獻已有很多，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瀝青主要技術指標 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1.689 g/10 min、灰分7.516%，萊州梓羽進出口有限公司。

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

集料 石灰巖、礦粉，山西喜躍發道路建設養護有限公司。

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程》制得試件并進行相關測試。

表1 礦料級配表

2 結果與討論

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分子結構中僅包含C-C、C-H，需較高能量才能斷裂。而LLDPE屬線性結構，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極易分子鏈斷裂產生新的極性基團，同時LLDPE分子結構中本身含有少量的C-O-C、C=O，前者醚鍵中的兩個C原子只能與H結合，石料表面中含有H，彼此作用發生化學反應增強了與石料之間的黏結強度，且LLDPE中的活潑基團也與瀝青發生化學交聯反應，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系

2.2 HDPE、LLDPE對試件馬歇爾穩定度的影響

從圖2可知，改性劑含量在0.00%～0.30%范圍之內，HDPE、LLDPE對瀝青混合料的動穩定度影響趨勢一致，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、結晶度（HDPE結晶度65%～85%，LLDPE結晶度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定度值。LLDPE改性瀝青混合料馬歇爾穩定度值在0.30%達到最大值為22.33 kN，而HDPE改性劑在0.40%含量時達到最大值。

圖2 改性劑含量與馬歇爾穩定度關系

在0.30%～1.00%之間，LLDPE馬歇爾穩定度值基本保持不變，HDPE在0.40%～1.00%之間馬歇爾穩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對試件浸水殘留穩定度、凍融劈裂強度的影響

浸水殘留穩定度和凍融劈裂強度比可以體現瀝青混合料抵御水損壞和凍融循環的能力，有效地評價瀝青混合料的抗老化能力。由于浸水殘留穩定度和凍融劈裂循環試驗的隨機性，數據離散性大，必須將二者結合分析。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是具有一定數量支鏈的長線性分子，適量支鏈的存在使其具有優良的韌性，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%達到最大差距，隨后在0.6%～1.0%含量之間高溫穩定性差距逐漸下降，大于等于0.8%時保持二者高溫穩定性能差距基本保持不變為1.55倍。產生上述差距的主要原因在于，與LLDPE相比，HDPE所含支鏈較少，導致HDPE結晶度較高（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濟成本，合理添加量應在0.4%～0.6%之間。

圖5 改性劑含量對試件高溫穩定性的影響

3 結論

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定度隨著含量的增加而增大，當分別大于0.4%、0.3%時，馬歇爾穩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，根據動穩定度性能測試，總體分析合理的添加量為0.4%～0.6%之間。