廢舊PE/橡膠粉復合改性瀝青性能研究

韓君 于曉飛 周德洪

摘 要：為提高廢舊聚乙烯（PE）改性瀝青的路用性能，采用橡膠粉對PE瀝青進行復合改性。通過高溫性能、彈性恢復、低溫性能、溫度敏感性等指標，評價PE/橡膠粉復合改性瀝青的性能。在橡膠粉含量為15%時，通過改變廢舊PE摻量研究廢舊PE/橡膠粉復合改性瀝青的路用性能，綜合考慮并確定最佳廢舊PE摻量為5%。試驗證明，橡膠粉和廢舊PE的復合改性使瀝青路面的抗病害能力和使用壽命均得到提高。

關鍵詞：復合改性瀝青；廢舊PE；橡膠粉；路用性能

中圖分類號：U414.7 文獻標志碼：B

Research on Performance of Asphalt Modified by Waste Polyethylene and Rubber Powder

HAN Jun1，2，YU Xiaofei3，ZHOU Dehong1

（1. Jiangsu Baoli International Investment Co. Ltd.， Jiangyin 214422， Jiangsu， China；

2. School ofCivil Engineering andArchitecture， Zhejiang University， Hangzhou 310013， Zhejiang， China；

3. School of Chemistry and Chemical Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： In order to improve the pavement performance of waste polyethylene （PE） modified asphalt， rubber powder was brought in for complex modification. The performance of the complex modified asphalt was evaluated by indices of high temperature performance， elastic recovery， low temperature performance and temperature sensibility. With the content of rubber powder being 15%， the pavement performance of the complex modified asphalt was studied by changing the amount of waste PE， and the optimum amount was determined to be 5%. It is proved that the diseaseresistant ability and service time of asphalt pavement modified by the waste PE and rubber powder are improved.

Key words： complex modified asphalt； waste polyethylene； rubber powder； pavement performance

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，廢舊塑料和廢舊橡膠的數(shù)量在以超過10%的速度逐年增加，這些廢舊材料會給自然環(huán)境帶來巨大污染；如何綜合利用數(shù)量巨大的廢舊塑料和橡膠高分子材料，緩解環(huán)境污染，已成為社會的焦點問題之一。采用廢舊橡膠和塑料對瀝青進行改性應用于道路工程，不僅可以減少環(huán)境中的黑色污染和白色污染，還能夠提高瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐久性和彈性性能，同時復合改性瀝青混合料鋪筑的路面具有降低路面噪音、減少路面反光、提高路面抗滑性能、降低道路建設成本的效果[15]，有很好的社會效益和發(fā)展前景[68]。

為了提高瀝青混合料的路用性能，在瀝青混合料中添加外摻劑已經(jīng)成了一種最普遍且有效的方法[910]。本文采用廢舊橡膠粉和廢PE（聚乙烯）材料作為改性劑對基質(zhì)瀝青進行復合改性，在廢舊橡膠粉摻量為15%的條件下，摻入不同質(zhì)量分數(shù)的廢PE復合改性瀝青，研究PE摻量對路用性能的影響，并確定最佳改性劑摻量。

1 材料及制備

1.1 原材料

本文采用的基質(zhì)瀝青為韓國雙龍70#瀝青，廢橡膠是40～80目的細碎橡膠粉顆粒，廢舊PE為廢舊鮮奶軟包裝塑料袋和廢舊塑料袋。廢舊塑料使用前應先清洗，除去塵土雜物，并于60 ℃下干燥至含水量低于1%，然后將其剪成約為025 cm2的碎片（圖1）備用。

1.2 廢舊PE/橡膠粉復合改性瀝青的制備

用廢舊PE碎料和40～80目的橡膠粉對韓國雙龍70#基質(zhì)瀝青進行復合改性。首先將基質(zhì)瀝青加熱到160 ℃并保持溫度恒定，然后加入不同摻量的PE碎料，以800 r·min-1的速度攪拌30 min；再加入15%的膠粉，繼續(xù)攪拌30 min至分散均勻；初始高速剪切攪拌15 h，最后再普通攪拌30 min，趕走高速剪切中帶入瀝青中的大量氣泡，并灌模測定其性質(zhì)。具體流程如圖2所示。

2 試驗結果與討論

2.1 高溫性能

本文將廢舊PE材料按不同的摻入量（3%、5%、7%）摻入廢舊橡膠粉改性瀝青制備廢舊PE/橡膠粉改性瀝青，并根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 051—2000）規(guī)定的方法對廢舊PE/橡膠粉改性瀝青進行相關試驗，評價其性能。采用針入度和當量軟化點T800兩個指標來評價改性瀝青的高溫性能，試驗結果如圖3、4所示。

從圖3、4中可以看出，隨著PE摻量的增加，廢舊橡膠粉改性瀝青的針入度和當量軟化點T800都產(chǎn)生了較大的變化。在不同溫度下，PE對橡膠粉瀝青的針入度影響不同：對于15 ℃和25 ℃的復合改性瀝青，隨著PE摻量的增加，膠粉瀝青的針入度幾乎呈線性遞減；對于30 ℃的復合改性瀝青，隨著PE摻量的增加，其針入度由793（01 mm）減至407（01 mm），減小了50%。當PE摻量在0～5%時，膠粉瀝青針入度增加速率較快；當摻量大于5%時，膠粉瀝青針入度增加速率減緩，這與其當量軟化點的升高速率相似。在PE摻量為0～5%時，膠粉瀝青的當量軟化點由525 ℃增加到62 ℃，增加了18%；當PE摻量大于5%后，膠粉瀝青的當量軟化點上升速率減緩，在PE摻量為7%時，復合瀝青當量軟化點為63 ℃，增加速率僅為摻0～5%PE時的20%。隨著PE摻量的增加，膠粉瀝青的針入度降低，軟化點升高，表明聚合物PE的加入的確不同程度地使瀝青稠度增加，提高了高溫性能。這是因為聚乙烯加入熔融的瀝青后，由晶態(tài)轉變?yōu)榉蔷B(tài)，在機械攪拌的作用下，聚乙烯均勻地分布到瀝青中，瀝青中的蠟分子滲入聚乙烯結構內(nèi)部，使聚乙烯體積膨脹（即溶脹），原來摺疊規(guī)整的聚乙烯鏈伸展開來，冷卻后聚乙烯鏈重新結晶，并形成網(wǎng)狀結構，與橡膠粉溶脹后形成的絮狀結構聯(lián)結在一起，約束了瀝青質(zhì)點之間的位移，限制了瀝青膠體的流動，增加了其抵抗外力的能力，從而提高瀝青的稠度、高溫穩(wěn)定性和抵抗變形的能力[11]。

圖5為復合改性瀝青軟化點與PE摻量的關系曲線。從圖5可以看出：隨PE含量的增加，改性瀝青的軟化點呈線性增加，當PE摻量為3%時，瀝青的軟化點為65 ℃，較膠粉瀝青的575 ℃提高了13%；當PE摻量為5%時，瀝青的軟化點增至72 ℃，PE摻量為7%時，瀝青的軟化點為785 ℃。分析認為，這是由于PE在機械作用下分散于瀝青中時，由晶態(tài)轉為非晶態(tài)，為了降低表面能會吸附瀝青中的飽和分，并在這些輕質(zhì)組分作用下發(fā)生溶脹，通過吸附和溶脹，使瀝青的聚集態(tài)結構由溶膠型、溶凝膠型向凝膠型結構轉化，大大改變?yōu)r青的粘彈性質(zhì)，導致軟化點升高，改善了瀝青的高溫性能。對于單一的橡膠粉改性瀝青而言，由于膠粉的加入改變了瀝青的結構，使瀝青向溶膠型轉化，所以粘度降低，軟化點增幅較小。

綜上分析，橡膠粉改性瀝青中摻入廢舊PE能夠較好地提高復合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能。

2.2 低溫性能

按照試驗規(guī)程對復合改性瀝青進行延度試驗，采用復合瀝青延度和當量脆點（T1.2）來評價復合改性瀝青的低溫性能。試驗結果如圖6、7所示。

2.3 溫度敏感性

本文采用針入度指數(shù)PI來評價改性瀝青的溫度敏感性。用已測得的復合改性瀝青針入度值計算的針入度指數(shù)PI值結果如圖8所示。從圖8可以看出，PE摻量在0～5%時，

隨PE摻量的增加，PI值由-077增加至034，且呈線性變化，表明PE顯著改善了復合改性瀝青的溫度敏感性。這是由于加入PE后，瀝青中的一部分飽和分、芳香分和蠟分子進入到PE分子網(wǎng)絡，使瀝青組分和膠體結構發(fā)生變化，表現(xiàn)為瀝青質(zhì)含量相對增多，PI值增大。然而，當PE的摻量超過5%后，PI值開始降低，這可能是PE的添加量太多導致其與瀝青的相容性較差造成的。

2.4 彈性恢復性能

根據(jù)相應的試驗規(guī)程對廢舊PE/橡膠粉復合改性瀝青進行25 ℃的彈性恢復試驗，結果如圖9所示。

從圖9可以看出：在PE摻量為0～5%時，隨PE摻量的增加，PE/橡膠粉復合改性瀝青的彈性恢復率基本呈線性增大；PE摻量為5%時，彈性恢復率為68%，并達到最大值，較膠粉瀝青的63%提高了近8%，這表明PE的加入使膠粉瀝青的彈性恢復能力增強，路面耐久性得到改善，這也與PE的彈性性質(zhì)是吻合的；當PE摻量較多（大于5%）時，彈性恢復率急劇減小，這表明過多的PE對改性瀝青的彈性恢復性能是無益的。

3 結 語

（1）廢舊PE與廢舊橡膠粉復合改性瀝青可提高瀝青的高溫穩(wěn)定性、溫度敏感性及彈性恢復性能，但是對瀝青的低溫抗裂性能沒有較大改善。

（2）廢舊PE的摻量對橡膠粉瀝青的各種路用性能影響較大。本文綜合考慮復合改性瀝青的高低溫性能、溫度敏感性及彈性恢復性能等，確定在廢舊橡膠粉摻量為15%的條件下，廢舊PE的最佳摻量為5%。

（3）廢舊PE/橡膠粉復合改性瀝青不僅提高了基質(zhì)瀝青的路用性能和路面的抗病害能力，延長了道路的使用壽命，還可以有效回收廢舊橡膠和塑料，在降低道路工程造價的同時保護自然環(huán)境，有著良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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[責任編輯：王玉玲]