橡膠粉/廢塑料復(fù)合改性瀝青的性能研究

次仁拉姆

(西藏自治區(qū)交通勘察設(shè)計研究院，西藏 拉薩 850000)

1 前言

瀝青作為混合料的黏結(jié)材料已廣泛應(yīng)用于道路路面，但瀝青混合料路面由于具有嚴(yán)重的溫度敏感性和應(yīng)力敏感性，極易出現(xiàn)高溫車轍。因此，有必要對瀝青進(jìn)行改性，而廢膠粉作為廢棄物在瀝青改性中得到了廣泛的應(yīng)用，橡膠瀝青(CRM)的研究和應(yīng)用可以追溯到幾十年前的美國、加拿大等國家，過去的研究和應(yīng)用表明：CRM瀝青具有高軟化點(diǎn)、抗變形能力以及抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)。但橡膠瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性不是很好，這在一定程度上阻礙了橡膠瀝青的應(yīng)用。

廢舊聚乙烯(PE)也長期用于瀝青的改性，研究發(fā)現(xiàn)橡膠、聚乙烯復(fù)合改性瀝青也可以改善瀝青的高溫性能，并大幅度改善復(fù)合改性瀝青的溫度敏感性。韓君等研究了PE和CR含量對瀝青力學(xué)性能的影響，但對PE和CR含量對瀝青流變性能的影響研究尚不詳細(xì)；陳昌鑫等研究了CR/PE改性瀝青的組成配比與其相應(yīng)的力學(xué)性能，但并未對復(fù)合改性瀝青的儲存穩(wěn)定性進(jìn)行分析；歐陽春發(fā)建議在瀝青中復(fù)合使用接枝LLDPE、CR、高密度聚乙烯(HDPE)，并指出通過接枝反應(yīng)進(jìn)一步改善聚合物與瀝青的相容性。然而，在聚乙烯改性瀝青的大規(guī)模生產(chǎn)中，接枝聚乙烯很難批量制備。基于此，該文采用廢舊膠粉、廢塑料和裂解劑制備不同的復(fù)合改性瀝青，并基于溫度掃描和多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，分析復(fù)合改性瀝青的溫度敏感性和應(yīng)力敏感性。最后，利用動態(tài)剪切流變儀測試的性能指標(biāo)，分析橡膠粉/廢塑料復(fù)合改性瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性，并與常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，推薦出最優(yōu)的評價指標(biāo)，以期為準(zhǔn)確合理地評價橡膠復(fù)合改性瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性提供指導(dǎo)依據(jù)。

2 原材料和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)選用克拉瑪依70#瀝青，主要性能指標(biāo)見表1，滿足規(guī)范要求。

表1 克拉瑪依70#瀝青技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)選用常溫粉碎加工而成的40目廢舊橡膠粉，其主要物理性能指標(biāo)見表2。

表2 40目橡膠粉的物理性能指標(biāo)檢測結(jié)果

試驗(yàn)采用的PE為咸陽市某塑料廠回收加工的廢舊塑料，其主要物理性能指標(biāo)見表3。

表3 PE的物理性能檢測結(jié)果

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用專用高速剪切機(jī)制備不同改性瀝青，首先將瀝青加熱至185 ℃左右，再加入40目橡膠粉、LDPE和裂解劑，并以4 500 r/min的速率高速剪切1 h；最后再用機(jī)械攪拌機(jī)在185 ℃條件下攪拌1 h，以確保改性劑在瀝青中充分膨脹。之后澆筑試樣并進(jìn)行性能測試。該文選用磷酸銨類裂解劑，其最佳摻比用量為基質(zhì)瀝青的0.3%。表4為每種改性瀝青的配比。

表4 CR/PE復(fù)合改性瀝青的配比

3 橡膠粉/廢塑料復(fù)合改性瀝青高溫性能評價

3.1 常規(guī)技術(shù)指標(biāo)

對制備出的CRM、CRLM、CRLCM 3種改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能測試，結(jié)果如表5所示。

表5 不同改性瀝青的性能對比

從表5可以看出：加入低密度聚乙烯后，橡膠復(fù)合改性瀝青整體性質(zhì)偏硬，使其高溫性能和儲存穩(wěn)定性能有所提高，但其低溫性能下降。當(dāng)添加裂解劑之后，橡膠/廢塑料復(fù)合改性瀝青的黏韌性增強(qiáng)，低溫性能得到改善。

3.2 溫度掃描試驗(yàn)

為了研究3種改性瀝青對溫度的敏感性，試驗(yàn)測試模式選用應(yīng)變控制，測試頻率選擇10 Hz，試驗(yàn)溫度范圍為60～84 ℃，以分析其高溫抗變形性能，3種改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角隨溫度的變化情況如圖1所示。

圖1 不同改性瀝青的G*和δ隨溫度變化曲線

由圖1可知：隨著溫度的升高，3種改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*不斷降低，而相位角δ不斷增大，且對溫度的變化較為敏感；在相同溫度條件下，CRLM瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量較高，相位角相對較小，表明低密度聚乙烯替代部分橡膠粉可以改善橡膠瀝青的高溫抗變形能力，并具有較高的黏彈性；其原因在于聚乙烯高聚物的溶脹降解程度要高于橡膠粉，瀝青中的輕質(zhì)組分在相同時間內(nèi)更容易滲透到聚乙烯高聚物中，并形成以高聚物主、支鏈為核心的膠團(tuán)，從而進(jìn)一步改善了橡膠瀝青的高溫抗車轍能力。CRLCM瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量相對于CRLM瀝青有所減小，并趨近CRM瀝青；而相位角相對最大；說明添加裂解劑之后，橡膠/廢塑料復(fù)合改性瀝青的黏彈性能有所降低，主要是因?yàn)榱呀鈩┐龠M(jìn)了橡膠顆粒和聚乙烯膠團(tuán)外圍聚合物的降解，促使高聚物中的長分子鏈降解成更小、更短的分子鏈，從而減少聚合物與瀝青組分之間的黏彈性，降低了其抗變形能力。

3.3 MSCR試驗(yàn)

多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(Multiple Stress Creep Recover，簡稱MSCR)試驗(yàn)是采用DSR對試樣進(jìn)行“加載-卸載”的間歇式循環(huán)加載方式，先加載0.1 kPa的應(yīng)力，間歇循環(huán)加載10個周期，1個周期10 s，其中前1 s為加載變形階段，后9 s為卸載恢復(fù)階段；再按同樣的程序加載3.2 kPa的應(yīng)力，試驗(yàn)總時間為200 s，試驗(yàn)溫度64 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：在低應(yīng)力水平0.1 kPa加載方式下，3種改性瀝青的剪切應(yīng)變變化大小排序?yàn)椋篊RLCM>CRM>CRLM，其變化情況與溫度掃描中相位角的排序一致；而在高應(yīng)力水平3.2 kPa作用下，循環(huán)加載的前期3種改性瀝青的區(qū)分度不大，循環(huán)加載后期三者的剪切應(yīng)變的變化大小排序變?yōu)椋篊RLCM> CRLM>CRM，與低應(yīng)力作用條件有所不同。這是因?yàn)樵诟邞?yīng)力作用下，隨著加載循環(huán)作用的次數(shù)增加，低密度聚乙烯抵抗高應(yīng)力疲勞能力逐漸降低，黏彈性下降，變形增加。

考慮到改性瀝青的恢復(fù)性能對于評價改性瀝青的高溫抗變形能力尤為重要，因此進(jìn)一步計算出3種改性瀝青在不同應(yīng)力條件下的恢復(fù)率，如圖3所示。

圖2 不同改性瀝青的MSCR曲線變化圖

圖3 3種改性瀝青的平均恢復(fù)百分率

由圖3可知：應(yīng)力為0.1 kPa時，CRLM的平均恢復(fù)率最大，說明采用低密度聚乙烯替代部分膠粉可以改善其低載作用下的抗變形能力，這是由于聚乙烯膠團(tuán)在低應(yīng)力下處于線性黏彈狀態(tài)，具有較好的恢復(fù)變形能力；而裂解劑的加入降低了改性瀝青的抗變形能力，與前面分析相一致，主要在于裂解劑促進(jìn)了橡膠顆粒和聚乙烯膠團(tuán)的降解剝落，降低了其黏彈特性。加載應(yīng)力為3.2 kPa時，3種改性瀝青的變化趨勢并不顯著，總體趨勢為：CRM>CRLCM>CRLM，與應(yīng)力為0.1 kPa的變化趨勢相同。

同時，3種改性瀝青的應(yīng)變恢復(fù)率相對差異以及不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬Σ町惖淖兓闆r見圖4。

圖4 不同改性瀝青的Rdiff和Jnr-diff變化情況

由圖4可知：3種改性瀝青的應(yīng)變恢復(fù)率相對差異的變化趨勢為：CRLCM>CRLM>CRM；說明聚乙烯和裂解劑的加入增加了改性瀝青對應(yīng)力的敏感性，而應(yīng)變恢復(fù)率相對差異主要體現(xiàn)了改性瀝青中彈性成分對應(yīng)力的敏感性，表明聚乙烯膠團(tuán)在高應(yīng)力下處于非線性黏彈狀態(tài)，其變形會大幅度增加。此外，CRLCM的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬Σ町愐沧畲?，其次是CRLM和CRM，說明CRLCM瀝青對應(yīng)力最為敏感，表明應(yīng)力的大幅度提高致使其抗變形能力顯著降低。而改性瀝青中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃矿w現(xiàn)在黏性成分，在加入裂解劑后，促進(jìn)了橡膠顆粒和聚乙烯膠團(tuán)外圍聚合物的降解剝落，促使橡膠顆粒內(nèi)部的輕質(zhì)組分被釋放出來，使得基質(zhì)瀝青變軟，從而增加了CRLCM對應(yīng)力的敏感性。

4 橡膠粉/廢塑料復(fù)合改性瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性

目前，主要是采用離析法分析橡膠瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性，一般采用軟化點(diǎn)指標(biāo)來分析其離析程度，而影響軟化點(diǎn)評價指標(biāo)的因素相對較多，因此對其高溫儲存穩(wěn)定性的評價還有待進(jìn)一步商榷。為了能夠更好地評價橡膠瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性，該研究選用動態(tài)剪切流變儀DSR來進(jìn)行分析，具體方法如下：

首先通過離析試驗(yàn)制備試樣，并取離析管上部和底部1/3段瀝青待用。最后通過DSR試驗(yàn)測出瀝青試樣在60 ℃下的動態(tài)剪切模量G*和相位角δ。

選擇離析管上部和底部橡膠瀝青試樣的動態(tài)剪切模量G*、相位角δ和車轍因子的比率來分析橡膠瀝青的離析情況，并設(shè)計S1、S2、S33個評價指標(biāo)來分析其高溫儲存穩(wěn)定性，具體計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計算的原始數(shù)據(jù)見表6。

表6 不同改性瀝青評價指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)

由表6可知：對于軟化點(diǎn)離析差值來說，CRLCM和CRLM兩種改性瀝青的離析差值并無顯著差別，區(qū)分度不明顯；而S1、S2和S33個評價指標(biāo)的變化規(guī)律相一致，其中CRLCM瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性最好，其次是CRLM瀝青，主要在于低密度聚乙烯的密度比較小，降低了橡膠瀝青的密度差；同時聚乙烯中的長分子鏈與橡膠顆粒相互纏繞，進(jìn)一步阻礙了橡膠顆粒的沉聚。當(dāng)裂解劑添加后，促進(jìn)了橡膠顆粒和聚乙烯膠團(tuán)的溶脹降解，改善了它們與瀝青的結(jié)合能力。整體而言，添加低密度聚乙烯和裂解劑之后，可以改善橡膠瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性，有利于實(shí)際工程的應(yīng)用。

為進(jìn)一步分析S1、S2和S33個指標(biāo)與離析差值的關(guān)聯(lián)程度，該文采用灰色關(guān)聯(lián)分析來尋求3種評價指標(biāo)與離析差值的關(guān)聯(lián)程度。通過對表6原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度見表7、8。

表7 不同改性瀝青各指標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

表8 各指標(biāo)灰關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

由表8可知：3種指標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)度排序?yàn)椋篠1>S3>S2，表明動態(tài)剪切模量G*與離析差值的關(guān)聯(lián)程度最為顯著，其次是車轍因子。因此，采用動態(tài)剪切模量G*來評價橡膠瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性是合理有效的。

5 結(jié)論

(1) 低密度聚乙烯替代部分橡膠粉可以提高橡膠瀝青的高溫抗車轍能力并具有較高的黏度，隨著裂解劑的加入，橡膠粉/廢塑料復(fù)合改性瀝青的高溫抗車轍能力會有所降低。

(2) 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明：橡膠粉/廢塑料改性瀝青在低應(yīng)力條件下具有較高的變形恢復(fù)能力；但在高應(yīng)力條件下，橡膠粉/廢塑料改性瀝青處于非線性黏彈狀態(tài)，其變形會大幅度增加，從而表現(xiàn)出對應(yīng)力變化的敏感性，因此，對于重載交通并不適合橡膠粉/廢塑料改性瀝青的應(yīng)用。

(3) 基于動態(tài)剪切流變儀DSR分析結(jié)果，結(jié)合S1、S2和S33個評價指標(biāo)的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)：低密度聚乙烯替代部分橡膠粉可以提高橡膠瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性，加入裂解劑后，橡膠粉/廢塑料復(fù)合改性瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性又進(jìn)一步改善。最后通過灰色關(guān)聯(lián)分析法探究了3種評價指標(biāo)與離析差值的關(guān)聯(lián)程度，結(jié)果表明動態(tài)剪切模量G*的S1評價指標(biāo)與離析差值具有較好的相關(guān)性，并且通過S1指標(biāo)更能區(qū)分出3種改性瀝青儲存穩(wěn)定性的差異，具有較好的應(yīng)用性和可行性。