不同工艺的HDPE改性沥青混合料的高温性能比较

郑　茂

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川成都 610017)

聚乙烯(Polyethylene，下简称PE)，一种高分子聚合物，在SBS改性沥青的大规模应用之前经常被用到。PE改性后的沥青及其混合料具有优异的高温稳定性，但综合改性效果相对不足，逐渐被SBS改性剂取代[1]，不过仍保持着相对SBS的成本优势。考虑到此前大规模研究和应用是针对低密度PE，对于高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，以下简称HDPE)研究较少，本文将对其进行沥青改性试验研究，主要针对分湿法和干法两种工艺。湿法是在试验室将改性剂加入基质沥青拌制成为改性沥青[2]，改性剂掺量为基质沥青质量比，沥青加工温度定为180 ℃，利用小型对流式拌和设备进行搅拌，拌和时间为1.5 h。干法是在基质沥青混合料拌制时外掺投入拌合锅拌合，改性剂掺量为混合料的质量比。

1　材料、级配与试验设计

1.1　沥青

为了全面地比较研究改性剂类型和掺量变化对沥青混合料高温稳定性的影响规律[3]，本文进行多种掺量下两种工艺的全面设计试验，选用70#基质沥青。其基本指标如表1所示。

表1　基质沥青常规指标测试结果

1.2　集料

根据JTGF 40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》 要求取AC-13，采用较细的级配，表2为本文选取一种AC-13的级配。

表2　选用的AC-13级配

集料为市面常用集料，产自浙江安吉。粗集料(≥2.36 mm)与细集料(0.075～1.18 mm)都采用玄武岩，矿粉是用石灰石研磨，密度与其他性能指标见表3、表4。

表3　集料密度

表4　集料性能指标

1.3　试验设计

由于影响PE改性沥青高温稳定性最重要的工艺即改性沥青混合料的制备工艺(即干法或湿法)和高分子聚合物的掺量。本文进行全面设计，2种制备工艺均涵盖3个档次的掺量。

试验中沥青的改性剂掺量及沥青编号见表5。

2　车辙试验过程及结果

2.1　混合料拌和与成型

采用室内沥青混合料拌合机进行混合料拌和，拌和后放置于163 ℃的烘箱中2 h以模拟施工现场混合料在运输、等待摊铺及摊铺等环节的短期老化[4]。

表5　沥青的改性剂掺量及沥青编号

用于汉堡车辙的试件采用旋转压实仪成型(SGC)，见图1件制(62 mm)的方式成型试件，以保证试件的高度和空隙率满足试验要求，成型后的目标空隙率为7 %±1 %。成型完成的汉堡车辙试件如图1所示。

图1　部分试件车辙试验前表观

2.2　试验结果

去除试验结果变异系数大于15 %和意外破坏试件，保证同一条件下获取2个平行试验结果[5]。不同聚乙烯掺量下的HDPE改性沥青混合料汉堡车辙高温评价指标结果见表6，不同聚乙烯掺量下的混合料汉堡车辙试验曲线图见图2，汉堡车辙试验后部分试件表观图见图3。

图2　不同聚乙烯掺量下的HDPE改性沥青混合料汉堡车辙试验曲线

3　结果分析

3.1　蠕变速率Cr的对比

将干法和湿法两种方法下制备的PE改性沥青混合料在不同HDPE掺量下的蠕变速率数值汇入图4。

(1)无论干法或湿法，在试验选用的改性剂区间范围内，蠕变速率均随改性剂掺量的增加而增大，混合料蠕变阶段的高温性能随HDPE用量的增多而增强。

(2)从趋势线斜率看，湿法小于干法。采用湿法工艺制备混合料的Cr值随改性剂掺量变化的敏感度相对更低。根据此次试验，仅蠕变速率指标而言，干法生产工艺更能突出表现HDPE对混合料高温性能的影响趋势。

表6　不同聚乙烯掺量下的HDPE改性沥青混合料汉堡车辙高温评价指标

图3　汉堡车辙试验后部分试件表观

图4　干法和湿法条件下的混合料Cr值对比情况

(3)从趋势线分布情况看，HDPE掺量小于8 %时，湿法制备的混合料蠕变阶段高温性能好于干法。HDPE掺量大于8 %时，干法制备的混合料蠕变速率数值更高。

(4)试验选用的改性剂掺量范围有限，上述规律有待进一步验证。

3.2　总变形速率Dr的对比

将干法和湿法两种方法下制备的PE改性沥青混合料在不同HDPE掺量下的总变形速率数值汇入图5。

图5　干法和湿法条件下的混合料Cr值对比情况

(1)在湿法所选用的改性剂掺量范围内，Dr出现先减小后增大的趋势，存在一个最佳改性剂掺量值(5.2 %)使得Dr出现最小值，混合料总变形速率最小，有水条件下的高温性能最佳；但干法条件下，Dr随HDPE掺量的增大而减小，并未出现趋势线的拐点，这可能和试验选用的改性剂掺量范围不足有关。从现有结果看，干法条件下即使存在最佳改性剂掺量值使得Dr出现最小值，该最佳改性剂掺量值也大于5.2 %。

(2)从趋势线分布看，HDPE掺量小于7 %时，湿法制备的混合料在有水条件下高温性能好于干法。

4　结论

本文通过汉堡车辙试验对采用干法改性和湿法改性的HDPE改性沥青混合料进行了高温性能比较，研究了不同工艺对HDPE改性沥青混合料高温性能的影响，主要结论如下：

(1)无论干法或湿法，在试验选用的改性剂区间范围内，蠕变速率均随改性剂掺量的增加而增大，混合料蠕变阶段的高温性能随HDPE用量的增多而增强。

(2)湿法制备的混合料的Cr值随改性剂掺量变化的敏感度相对更低；从蠕变速率指标来看，干法工艺更能突出表现HDPE对混合料高温性能的影响趋势。

(3)HDPE掺量小于8 %时，湿法制备的混合料蠕变阶段高温性能好于干法。HDPE掺量大于8 %时，干法制备的混合料蠕变速率数值更高。

(4)湿法工艺下，Dr先减小后增大，存在一个最佳改性剂掺量(5.2 %)使得混合料总变形速率最小，干法工艺下，Dr随HDPE掺量的增大而减小，并未出现趋势线的拐点，即使存在拐点，该最佳改性剂掺量值也大于5.2 %。

(5)从趋势线分布看，HDPE掺量小于7 %时，湿法制备的混合料在有水条件下高温性能好于干法。