增塑剂DOP对LDPE改性沥青混合料路用性能影响研究

李志刚， 李文凯

(河南交院工程技术有限公司， 河南 郑州 450000)

高分子聚合物的兴起不仅对人民生活带来了巨大方便，同时产生了大量聚合物生活垃圾，其中塑料产品占比最大。这类生活垃圾存在自身降解能力弱、分解周期漫长等特点，会造成环境污染，危害人类健康。如何对这些高分子聚合物进行回收利用，已成为现阶段大家关注的焦点。现有研究表明，将塑料及橡胶等高分子聚合物通过一定工艺添加到道路石油沥青中，能改善沥青在高温及低温环境下的性能及耐久性能。掺有聚合物LDPE改性剂的沥青混合料虽然高温抗车辙性能较好，但低温抗开裂能力不足。而DOP增塑剂能对塑料产品进行增塑，改善LDPE改性沥青混合料的低温抗开裂能力。该文将不同掺量组合的改性剂LDPE及增塑剂DOP掺入90#道路石油沥青中制成改性沥青，进行高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损害等路用性能研究，为LDPE改性剂及DOP增塑剂在沥青路面中的应用提供理论基础。

1 原材料

1.1 沥青

选用90#A级道路石油沥青开展研究，其主要技术指标试验结果见表1。

表1 90#A级基质沥青的主要技术指标试验结果

1.2 LDPE改性剂及DOP增塑剂

LDPE的主要成分为低密度聚乙烯，是常用沥青改性剂，与沥青有很好的相容性，能改善沥青路面的高温抗车辙能力。LDPE的主要技术指标试验结果见表2。

表2 LDPE改性剂的主要技术指标试验结果

DOP增塑剂能对聚合物材料起到增塑效果，增塑后材料的韧性、力学性能及抗冲击能力得到增强，黏度降低。DOP增塑剂的主要技术指标试验结果见表3。

表3 DOP增塑剂主要技术指标试验结果

2 DOP对LDPE改性沥青性能的影响

2.1 复合改性沥青制备

将90#道路石油沥青放入165 ℃烘箱内，待沥青达到熔融状态时，将沥青放在电炉上，使沥青温度保持165 ℃，加入所需掺量的LDPE，用机械搅拌机以600 r/min的转速搅拌25 min，然后以5 000 r/min的转速高速剪切15 min，得到LDPE改性沥青。将LDPE改性沥青温度降至150 ℃，加入所需掺量的DOP，用机械搅拌机以600 r/min的转速搅拌10 min，得到LDPE+DOP复合改性沥青。

2.2 老化前复合改性沥青试验

将不同DOP、LDPE掺量(占沥青质量)的复合改性沥青分别进行针入度、软化点、黏度、低温延度及弹性恢复试验，分析不同DOP、LDPE掺量对90#道路石油沥青技术指标的影响，试验结果见图1～5。

图1 沥青针入度试验结果

图2 沥青软化点试验结果

图3 沥青旋转黏度试验结果

图4 沥青低温延度试验结果

图5 沥青弹性恢复试验结果

由图1和图4可知：DOP掺量相同时，随着LDPE掺量的增加，沥青的针入度及低温延度降低；LDPE掺量相同时，随着DOP掺量的增加，沥青的针入度及低温延度升高。

由图2和图3可知：DOP掺量相同时，随着LDPE掺量的增加，沥青的软化点及黏度升高；LDPE掺量相同时，随着DOP掺量的增加，沥青的软化点及黏度降低。

由图5可知：DOP掺量相同时，随着LDPE掺量的增加，沥青的弹性恢复率先升高后降低，且均在LDPE掺量为6%时达到峰值；LDPE掺量相同时，DOP掺量越大，沥青的弹性恢复率越高。

2.3 老化后复合改性沥青试验

沥青在长期光照、雨水、轮胎揉搓及冻融循环综合作用下会发生老化，老化后沥青路面的使用性能及车辆行驶安全性能发生退化。选用旋转薄膜加热试验对不同LDPE、DOP掺量的改性沥青分别进行针入度及延度试验，试验结果见图6、图7。

图6 沥青老化后针入度比试验结果

图7 沥青老化后延度比试验结果

从图6和图7可以看出：DOP掺量相同时，随着LDPE掺量的增加，沥青的针入度比及延度比均呈现先升高后降低的趋势。LDPE掺量为5%～6%时，沥青的针入度比及延度比增幅较大；掺量超过6%时，沥青的针入度比及延度比降低。这主要是因为LDPE掺量过大会导致LDPE分散不均匀，老化后出现结皮现象，影响试验结果。LDPE掺量相同时，当DOP掺量为1.5%～2.5%时，针入度比及延度比增幅较大；DOP掺量超过2.5%时，针入度比及延度比增幅降低。这主要是因为DOP作为油状液体能增加沥青中轻质成分含量，改善沥青的抗老化能力，但掺量过高时，改善效果趋近饱和甚至降低。综上，LDPE的最佳掺量为5%～6%，DOP的最佳掺量为1.5%～2.5%。

3 路用性能分析

3.1 矿料级配及马歇尔试验结果

选用混合料级配类型AC-13C，粗集料为3～5、5～10、10～15 mm石灰岩碎石，细集料为0～3 mm石灰岩机制砂，填料为石灰岩磨细的矿粉。矿料级配设计见表4，不同LDPE、DOP掺量时混合料最佳油石比及马歇尔试验结果见表5。

表4 AC-13C矿料级配设计

表5 AC-13C沥青混合料的最佳油石比及马歇尔试验结果

3.2 高温稳定性

夏季炎热环境下，沥青路面在车辆轴载作用下极易出现车辙病害。选用车辙试验评价混合料的高温抗车辙能力，不同LDPE、DOP掺量时AC-13C混合料的动稳定度试验结果见图8。

图8 AC-13C沥青混合料动稳定度试验结果

由图8可知：LDPE能显著改善混合料的高温抗车辙能力，而DOP的掺入会降低混合料的高温抗车辙能力。这主要是因为LDPE能改善沥青的黏韧性，增强沥青与矿料之间的黏聚力，DOP对沥青的作用效果则相反。综合考虑，AC-13C(6%LDPE)混合料的高温抗车辙能力最优。

3.3 低温抗裂性

低温环境下，沥青脆性增强，韧性降低，这是北方季节性冰冻区沥青路面裂缝产生的主要原因。当混合料内部产生的温缩应力大于极限容许拉应力时，沥青路面会出现裂缝，这些裂缝如果不能及时处治就会形成龟裂、坑槽等严重病害。通过小梁弯曲试验评价混合料的低温抗开裂能力，不同LDPE、DOP掺量时AC-13C混合料弯曲破坏应变试验结果见图9。

图9 AC-13C沥青混合料弯曲破坏应变试验结果

由图9可知：DOP能显著改善混合料的低温抗开裂能力，而LDPE的掺入会降低混合料的低温抗开裂能力。这主要是因为LDPE分散到沥青中后会吸附沥青中的轻质组分，导致低温抗开裂性能削弱；而DOP能降低沥青组分之间的相互吸附能力，增强混合料的流变能力，改善混合料的低温抗开裂能力。综合考虑，AC-13C(1.5%DOP)混合料的低温抗开裂能力最优。

3.4 水稳定性

水损害是沥青路面破坏的主要形式之一，主要表现为松散、坑槽等病害。沥青路面在车辆轴载及雨水的共同作用下沥青与矿料之间的黏附性会降低，造成沥青胶浆从混合料孔隙中脱落。通过浸水马歇尔试验及冻融劈裂强度试验评价混合料的抗水损害能力，不同LDPE、DOP掺量时AC-13C混合料的浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验结果见图10、图11。

图10 AC-13C沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度试验结果

图11 AC-13C沥青混合料冻融劈裂残留强度比试验结果

由图10、图11可知：LDPE、DOP的掺入均能显著改善混合料的抗水损害能力，掺量越大改善效果越明显，且浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比均满足改性沥青混合料不小于85%、80%的要求。综合考虑，AC-13C(2.5%DOP+6%LDPE)混合料的抗水损害能力最优。

4 结论

(1) 根据老化前、后LDPE+DOP复合改性沥青的室内试验结果，LDPE的最佳掺量为5%～6%，DOP的最佳掺量为1.5%～2.5%。

(2) LDPE能显著改善沥青混合料的高温抗车辙能力，而DOP的掺入会降低沥青混合料的高温抗车辙能力，AC-13C(6%LDPE)沥青混合料的高温抗车辙能力最优；DOP能显著改善沥青混合料的低温抗开裂能力，而LDPE的掺入会降低沥青混合料的低温抗开裂能力，AC-13C(1.5%DOP)沥青混合料的低温抗开裂能力最优；LDPE、DOP的掺入均能显著改善混合料的抗水损害能力，掺量越大改善效果越明显，AC-13C(2.5%DOP+6%LDPE)沥青混合料的抗水损害能力最优。