廢膠粉/聚乙烯復(fù)合改性瀝青性能研究

李活 李瑞嬌 黃東海

摘要：文章以廢舊輪胎橡膠粉及聚乙烯顆粒為改性劑原料，70#基質(zhì)瀝青為瀝青原料，以高溫性能、低溫性能及施工性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用高速剪切法以及正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別制備了不同摻量的復(fù)合改性瀝青，得出適合聚乙烯/廢膠粉復(fù)合改性瀝青的加工工藝指標(biāo)，并研究了聚乙烯及廢膠粉在不同摻量條件下的復(fù)合改性瀝青性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：建議的加工溫度為180 ℃～190 ℃，剪切速率為4 500 rad/min，剪切時(shí)間為1.5 h，廢膠粉和聚乙烯摻量分別為10%和2%。

關(guān)鍵詞：聚乙烯;廢膠粉;復(fù)合改性瀝青;正交試驗(yàn)

0 引言

廢舊輪胎以及廢舊塑料是人類在社會(huì)生活過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，兩者在自然界均是作為一種產(chǎn)量巨大且難以降解消耗的物質(zhì)存在，已經(jīng)帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染。而道路相關(guān)工作者的研究表明，無(wú)論是廢舊輪胎制成的廢膠粉還是廢舊塑料回收的聚乙烯，都可以作為瀝青中的改性劑進(jìn)行回收利用。張巨松等人通過(guò)高速剪切法將LDPE分散在瀝青當(dāng)中進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)制備的LDPE瀝青韌性與抗老化性較好[1]。顏可珍等人也利用正交試驗(yàn)原理，以廢輪胎橡膠粉和LDPE為改性劑，通過(guò)高速剪切法制備了不同工藝條件下的廢膠粉/聚乙烯復(fù)合改性瀝青，并給出了推薦摻量[2]。

本文在參考相關(guān)研究基礎(chǔ)上[3-5]，將聚乙烯中的LLDPE與廢膠粉復(fù)配進(jìn)行研究，以高溫性能、低溫性能以及施工性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析確定最佳加工條件，再進(jìn)一步分析其摻量對(duì)性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

本文采用國(guó)產(chǎn)某品牌70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行瀝青的加工，其技術(shù)指標(biāo)如下頁(yè)表1所示，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG E20-2004）中規(guī)范要求。聚乙烯采用的是產(chǎn)自大慶石化的線性低密度聚乙烯（LLDPE），其技術(shù)指標(biāo)如下頁(yè)表2所示。廢膠粉為常溫粉碎法制成的30～60目廢輪胎橡膠粉，其技術(shù)指標(biāo)如下頁(yè)表3所示。穩(wěn)定劑為常規(guī)硫化物。

1.2 試驗(yàn)方案

將廢膠粉及聚乙烯作為改性劑加入到基質(zhì)瀝青中制備復(fù)合改性瀝青。其制備流程如下：將瀝青加熱至預(yù)定溫度下的流動(dòng)狀態(tài)，依次加入廢膠粉及聚乙烯進(jìn)行普通攪拌混溶，一定時(shí)間后再接著進(jìn)行高速剪切，剪切完畢后在一定溫度下加入穩(wěn)定劑進(jìn)行普通攪拌發(fā)育完全即可。通過(guò)綜合相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在加工過(guò)程中，加工溫度、剪切速率以及剪切時(shí)間為三個(gè)主要加工影響因素。為確保加工效果，在固定廢膠粉、聚乙烯、穩(wěn)定劑的摻配比例下（采用外摻法，分別為基質(zhì)瀝青的15%、3%、1.5%），采用正交設(shè)計(jì)方法對(duì)三個(gè)加工因素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)（如表4所示），以針入度、軟化點(diǎn)為高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，延度為低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度為施工性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終得出聚乙烯/廢膠粉復(fù)合改性瀝青的最佳加工工藝。在最佳加工工藝基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整廢膠粉及聚乙烯的摻量條件并觀察其性能變化，以確定改性劑的最佳摻量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加工工藝結(jié)果與分析

正交因素設(shè)計(jì)如表4所示，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)直觀分析如表5、表6所示。

在正交試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析中，極差大小代表了各因素對(duì)指標(biāo)結(jié)果的影響程度，極差越大表示影響越大。而均值Ki則表示該水平下的平均值，在不同水平下，選取與指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的K值為該因素下水平最佳取值。以針入度為例，不同因素對(duì)針入度指標(biāo)的影響程度為：加工溫度=剪切時(shí)間>剪切速率。而K值越大意味著針入度值越大，其最佳組合為A1C3B1。依據(jù)此原理，可以得出不同指標(biāo)下各因素影響程度及其最優(yōu)參數(shù)組合，具體如表7表示。

從表7可以看出，無(wú)論是針入度、軟化點(diǎn)、延度還是180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度，其各因素影響程度均為：加工溫度>剪切時(shí)間>剪切速率。但針對(duì)不同指標(biāo)，在其具體水平參數(shù)上仍然有些許不同。為確定一個(gè)最佳的參數(shù)組合，需要再綜合各項(xiàng)原則進(jìn)行平衡選取。如將某指標(biāo)作為主要影響因素，應(yīng)取該因素作為主因素選取其最優(yōu)水平組合，若某因素對(duì)各指標(biāo)影響程度相差均不大，則按“少數(shù)服從多數(shù)”的原則，取出現(xiàn)次數(shù)較多的水平組合，同時(shí)也需要兼顧考慮成本等因素。綜合各項(xiàng)因素，選取A3 C3 B3這個(gè)參數(shù)水平為最佳加工工藝，即加工溫度為180 ℃～190 ℃，剪切速率為4 500 r/min，剪切時(shí)間為1.5 h。

2.2 復(fù)合改性瀝青性能

在確定了復(fù)合改性瀝青加工的最佳工藝基礎(chǔ)上，分別對(duì)不同摻量的廢膠粉與聚乙烯進(jìn)行復(fù)配，并研究其性能變化。廢膠粉的摻量分別為0%、10%、15%、20%，每種摻量廢膠粉均分別加入0%、2%、3%、4%的低密度聚乙烯。其具體結(jié)果如下：

2.2.1 高溫性能

針入度是用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青軟硬程度的指標(biāo)，而軟化點(diǎn)是一個(gè)等粘溫度的概念，與瀝青的高溫穩(wěn)定性有關(guān)，兩者均是瀝青三大指標(biāo)中的關(guān)鍵指標(biāo)之一。從圖1及圖2的結(jié)果來(lái)看，在瀝青中摻入廢膠粉和聚乙烯后，隨著摻量逐漸增多，針入度逐漸減小，而軟化點(diǎn)逐漸增加。固定某一改性劑的摻量后，隨著另一種改性劑的摻量增加也呈現(xiàn)出相同規(guī)律。針入度及軟化點(diǎn)的指標(biāo)變化表明改性劑的加入在基質(zhì)瀝青中產(chǎn)生反應(yīng)導(dǎo)致空間結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而對(duì)性能產(chǎn)生影響。廢膠粉/聚乙烯復(fù)合改性瀝青的針入度比單一摻入改性劑的要低，而軟化點(diǎn)要更高。這是因?yàn)長(zhǎng)DPE加入到預(yù)定溫度的瀝青后，由于熱力和機(jī)械剪切力的共同作用，其狀態(tài)由晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài)，同時(shí)均勻地分布在瀝青中，在吸收瀝青中的輕質(zhì)組分后發(fā)生溶脹，與橡膠粉溶脹后形成的絮狀結(jié)構(gòu)連接在一起形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了瀝青膠體的流動(dòng)，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。

2.2.2 低溫性能

延度是瀝青三大指標(biāo)中評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，具有簡(jiǎn)單、直觀、有效的特點(diǎn)。本文采用5 ℃溫度條件下，拉伸速度為5 cm/min進(jìn)行試驗(yàn)。由圖3可知，復(fù)合改性瀝青的延度隨著廢膠粉和聚乙烯的加入增加而逐漸減小。單一改性劑的加入也是呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，這主要是因?yàn)槟z粉在瀝青中的反應(yīng)是以溶脹為主，而廢膠粉摻量比例過(guò)大，在充分吸收了瀝青中的輕質(zhì)組分后，使得瀝青變硬，導(dǎo)致其延度降低。而相關(guān)研究表明，聚乙烯本身對(duì)高溫穩(wěn)定性起促進(jìn)作用，但對(duì)5 ℃左右的低溫性能改善不明顯。兩者復(fù)配在一起后，隨著摻量的增加，這一趨勢(shì)表現(xiàn)得更加明顯。

2.2.3 施工性能

橡膠改性瀝青的黏度試驗(yàn)通常采用180 ℃作為試驗(yàn)溫度，主要是考慮膠粉與瀝青混溶過(guò)程中的脫硫反應(yīng)過(guò)程特點(diǎn)，在該溫度下的旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試值較為平穩(wěn)，更具備工程適用性。廢膠粉/聚乙烯復(fù)合改性瀝青中膠粉比例占主要部分，且暫無(wú)廢膠粉/聚乙烯復(fù)合改性瀝青的相關(guān)規(guī)范，考慮將180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度作為其施工性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是較為合適的。如圖4所示，復(fù)合改性瀝青的180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度隨著廢膠粉和聚乙烯的加入增大而逐漸增大，就單一改性劑的加入而言，也是呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。瀝青黏度是一種流變學(xué)性能的反映，與高溫性能有很大聯(lián)系，這點(diǎn)從之前的軟化點(diǎn)指標(biāo)分析中得到了印證。除此之外，旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)也可用來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青的泵送能力，瀝青黏度過(guò)大，施工時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致施工困難，因此必須設(shè)置一定的黏度上限要求。橡膠改性瀝青相關(guān)規(guī)范的規(guī)定通常是2～5 Pa·s，而從施工實(shí)際效果來(lái)看，黏度值在3 Pa·s左右泵送效果更好。從圖4的數(shù)據(jù)來(lái)看，15%及20%廢膠粉摻量下的各復(fù)合改性瀝青普遍超出了這個(gè)范圍，綜合前述三大指標(biāo)的分析，在考慮實(shí)際施工情況下，10%的廢膠粉摻量是較為合適的。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）以瀝青性能三大指標(biāo)及180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其數(shù)據(jù)分析，廢膠粉/聚乙烯復(fù)合改性瀝青的影響因素排序?yàn)椋杭庸囟?剪切時(shí)間>剪切速率，其最佳加工條件為加工溫度180 ℃～190 ℃，剪切速率4 500 r·min-1，剪切時(shí)間為1.5 h。

（2）廢膠粉/聚乙烯復(fù)合改性瀝青與摻加單一改性劑的改性瀝青相比，其針入度更小、軟化點(diǎn)更高，180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度更大，并且這種趨勢(shì)隨著摻量的增加更加明顯，這表明其高溫性能更好。但是另一方面對(duì)其延度改善作用不大，甚至呈負(fù)相關(guān)性，對(duì)其低溫性能有一定影響。同時(shí)施工性能是一項(xiàng)決定性因素，180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度過(guò)大將導(dǎo)致其泵送效果差。綜合各項(xiàng)性能指標(biāo)，建議廢膠粉/聚乙烯復(fù)合改性瀝青的廢膠粉摻量為10%、聚乙烯摻量為2%。

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