PE塑料改性瀝青試驗(yàn)研究

敖清文，田永婭

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽　510001； 2.貴州省公路勘察設(shè)計(jì)院，貴陽　510001)

PE塑料改性瀝青試驗(yàn)研究

敖清文1，田永婭2

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽510001； 2.貴州省公路勘察設(shè)計(jì)院，貴陽510001)

摘要：為改善瀝青的技術(shù)指標(biāo)，增加廢舊塑料的回收利用率，以PE塑料顆粒與基質(zhì)瀝青高溫剪切制備改性瀝青，通過3因素3水平的正交試驗(yàn)確定以高溫剪切乳化機(jī)制備PE改性瀝青的最佳工藝，并分析PE塑料顆粒摻量對瀝青3大指標(biāo)的影響以確定最佳摻量。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；PE塑料；瀝青性能；高溫剪切

廢舊PE塑料對環(huán)境的污染性不言而喻，如何回收、利用廢舊PE塑料已成為我國亟需解決的問題。國內(nèi)外學(xué)者針對PE塑料的特點(diǎn)進(jìn)行了大量研究，近期有研究成果表明PE塑料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、絕熱性、耐腐蝕性、彈性，可與瀝青在高溫條件下相融，提升瀝青的高溫性能等特點(diǎn)[1]。本文以此為方向，以常見的PE塑料為載體，通過正交試驗(yàn)來研究PE塑料摻量對瀝青高低溫性能的影響，確定制備工藝及最佳摻量，解決PE塑料的回收利用及瀝青自身缺陷與路面實(shí)際使用性能相矛盾的問題[2]，提升瀝青自身的各項(xiàng)性能。

1PE塑料改性瀝青制備工藝選擇

通過查閱已有的文獻(xiàn)資料，初擬以6%的PE塑料摻量為基準(zhǔn)[3]，以剪切時(shí)間、剪切溫度、剪切速率為因素，以軟化點(diǎn)、針入度指數(shù)PI、老化前后的針入度比為評價(jià)水平，進(jìn)行正交試驗(yàn)，以研究制備工藝對PE塑料改性瀝青技術(shù)性能的影響，優(yōu)化制備工藝。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1，試驗(yàn)方案及結(jié)果[4]見表2，極差計(jì)算見表3。

1.1軟化點(diǎn)影響因素分析

根據(jù)表1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對PE塑料改性瀝青的軟化點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)性分析見表4、表5。

表1　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

表2　正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

注：A、B、C分別代表剪切時(shí)間、剪切溫度和剪切速率，剪切時(shí)間的3種水平為30、60、90 min，剪切溫度的3種水平為170、180、190 ℃，剪切速率的3種水平為 3 000、4 000、5 000 r/min；Yi為i試驗(yàn)方案下的試驗(yàn)結(jié)果；

表3　正交試驗(yàn)極差計(jì)算

由表4、表5數(shù)據(jù)可知，剪切溫度因素的極差最大，即剪切溫度對軟化點(diǎn)的影響最大。剪切溫度為170 ℃時(shí)，制備的PE塑料改性瀝青軟化點(diǎn)較其他剪切溫度時(shí)的要大，故在170 ℃溫度時(shí)制備PE塑料改性瀝青最佳。

1.2針入度指數(shù)PI影響因素分析

依據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對PE塑料改性瀝青制備工藝對針入度指數(shù)的影響進(jìn)行分析，結(jié)果見表6、表7。

表4　PE塑料改性瀝青軟化點(diǎn)正交試驗(yàn)結(jié)果

表5　PE塑料改性瀝青軟化點(diǎn)影響因素分析

表6　PE塑料改性瀝青針入度指數(shù)PI正交試驗(yàn)結(jié)果

分析表6、表7數(shù)據(jù)可知，剪切時(shí)間因素的極差最大，即剪切時(shí)間對PE塑料改性瀝青針入度指數(shù)PI的影響最大。當(dāng)剪切時(shí)間為30 min時(shí)，PE塑料改性瀝青的針入度指數(shù)PI較大，故應(yīng)采用高剪切混合乳化機(jī)剪切30 min來制備PE塑料改性瀝青。

表7　PE塑料改性瀝青針入度指數(shù)PI影響因素分析

1.3老化前后針入度比影響因素分析

為保證制備的PE塑料改性瀝青具有較好的耐久性，本文以不同剪切時(shí)間、剪切溫度、剪切速率對PE塑料改性瀝青老化前后的針入度比進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)性分析見表8、表9。

表8　PE塑料改性瀝青老化前后針入度比正交試驗(yàn)結(jié)果

表9　PE塑料改性瀝青老化前后針入度比影響因素分析

由表8、表9數(shù)據(jù)可知，剪切速率因素的極差最大，即剪切速率對PE塑料改性瀝青老化前后針入度的影響最大。另外，以3 000 r/min的剪切速率制備PE塑料改性瀝青老化前后的針入度比較其他剪切速率要大，故制備PE塑料改性瀝青的最佳剪切速率應(yīng)為3 000 r/min。

綜上所述，制備PE塑料改性瀝青的最優(yōu)工藝為：剪切溫度 170 ℃，剪切時(shí)間 30 min，剪切速率 3 000 r/min。

2PE塑料摻量對PE塑料改性瀝青性能的影響

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對PE塑料類改性瀝青的技術(shù)性能作了具體要求，見表10。

本文采用中海油90#基質(zhì)瀝青制備PE塑料改性瀝青，90#基質(zhì)瀝青的3大指標(biāo)及脆點(diǎn)的檢測結(jié)果見表11。

表10　PE塑料改性瀝青交通部規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

注：Ⅲ-A為90#改性瀝青，Ⅲ-B為70#改性瀝青，Ⅲ-C為50#改性瀝青，Ⅲ-D為30#改性瀝青。

表11　中海油90#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

本文以市場常見的PE塑料顆粒為外摻劑，摻量分別為2%、4%、6%、8%、10%(與瀝青質(zhì)量的比)。運(yùn)用高溫剪切混合乳化機(jī)，以170 ℃剪切溫度、30 min剪切時(shí)間、3 000 r/min剪切速率制備PE塑料改性瀝青，并針對不同摻量下PE塑料改性瀝青進(jìn)行3大指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12　不同PE塑料摻量下PE塑料改性瀝青的3大指標(biāo)

圖1　隨PE塑料摻量變化PE改性瀝青3大指標(biāo)的變化規(guī)律

由表12及圖1可知：1) PE塑料摻入后，瀝青的高溫性能指標(biāo)即軟化點(diǎn)和25 ℃時(shí)的針入度均有明顯改善，而表征瀝青低溫性能的延度則有所降低，從而表明PE塑料的加入有利于改善瀝青的高溫性能，但對其低溫性能有一定的不利影響；2) 在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，隨著PE塑料摻量的增加，5 ℃延度呈現(xiàn)先緩慢降低后急劇降低的趨勢，拐點(diǎn)摻入量約為6%。

PE塑料的摻入對瀝青的高低溫性能指標(biāo)均產(chǎn)生影響，主要是因?yàn)镻E塑料顆粒在高溫下能夠熔融流動(dòng)。有研究指出，PE塑料在130 ℃以上時(shí)呈現(xiàn)線性聚合物的特性[6]。在PE塑料改性瀝青制備過程中，PE塑料顆粒經(jīng)過高溫剪切作用，與瀝青中的芳香性成分互溶并相互滲透吸附，且隨著PE塑料逐漸摻入，瀝青與塑料形成一個(gè)互穿網(wǎng)絡(luò)，形成2個(gè)連續(xù)相，致使改性瀝青熱穩(wěn)性提升且瀝青中的分子流動(dòng)性降低，從而導(dǎo)致瀝青變硬、粘度顯著變大、軟化點(diǎn)增大，針入度減小[7]。

但PE塑料的摻入使瀝青在低溫條件下變得更脆，尤其是受到拉應(yīng)力作用時(shí)，瀝青表面、內(nèi)部的一些不均勻部分產(chǎn)生細(xì)微的空穴，并逐漸發(fā)展成為微細(xì)紋，在5 ℃延度試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生了分子鏈的斷裂[8]。

因此，根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)兼顧高低溫性能，筆者認(rèn)為PE塑料改性瀝青中PE塑料顆粒的最佳摻量為6%，且不得超過6%。

3結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了PE塑料改性瀝青的性能，通過正交試驗(yàn)確定了以高溫剪切乳化機(jī)制備PE塑料改性瀝青的最優(yōu)工藝條件，并以PE塑料顆粒的摻量為變量研究PE塑料摻量對PE塑料改性瀝青3大指標(biāo)的影響。基于PE塑料改性瀝青試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論。

1) 以高溫剪切乳化機(jī)制備PE塑料改性瀝青的最優(yōu)工藝為：剪切溫度 170 ℃、剪切時(shí)間 30 min、剪切速率 3 000 r/min。

2) 為提升瀝青的高溫穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧低溫性能，PE塑料改性瀝青中PE塑料顆粒的最佳摻量為6%，且不得超過6%。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]肖川，蔣興華，楊錫武.廢舊塑料改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，30(5)：943-947.

[2]黃彬，馬麗萍，許文娟.改性瀝青的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2010，24(1)：137-141.

[3]李玉環(huán).廢舊塑料改性瀝青的研究[D].青島：中國石油大學(xué)，2010.

[4]李慧川.廢舊包裝PE改性道路瀝青的試驗(yàn)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[5]交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.JTJ E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[6]方長青.包裝廢PE改性瀝青的研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2005.

[7]王瑋，王榃，陳候杰.廢塑料改性瀝青相容性與穩(wěn)定性[J].西南公路，2013(3)：20-23.

[8]楊錫武，劉克.對研究廢舊塑料改性瀝青的思考[J].西藏大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(1)：68-75.

Experimental Study on PE Plastic Modified Asphalt

AO Qingwen1, TIAN Yongya2

Abstract:In order to improve technical indices of asphalt and increase recovery rate of waste plastics, this paper prepares the modified asphalt with PE plastic particles and matrix asphalt through high-temperature shear, determines the optimal process in preparation of PE modified asphalt with high-temperature shear emulsifying machine via the orthogonal test of 3-factor-3-level, and analyzes the influences of dosage of PE plastic particles on 3 indices of asphalt to determine the optimal dosage.

Keywords:road project; modified asphalt; PE plastic; asphalt performance; high-temperature shear

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.009

收稿日期：2015-11-23

作者簡介：敖清文(1983-)，男，湖南省益陽市人，碩士，高工。

文章編號：1009-6477(2016)03-0035-04中圖分類號：U414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A