基于正交試驗(yàn)設(shè)計制備抗車轍劑及其對AC-13高溫性能影響

張文才

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

瀝青屬于黏彈性材料，它的力學(xué)性能主要依賴于外部環(huán)境溫度變化，當(dāng)溫度升高時，變得柔軟，可能形成永久性變形，出現(xiàn)車轍病害，影響路面使用壽命，產(chǎn)生行車安全隱患。近年來許多聚合物改性瀝青的應(yīng)用，使得瀝青混合料高、低溫性能，彈性恢復(fù)，剪切模量，使用壽命等方面得到進(jìn)一步改善，尤其聚合物改性瀝青在改善車轍病害方面尤為明顯[1]。目前廣泛應(yīng)用的幾種抗車轍劑都是由不同的高分子聚合物組成的單一物質(zhì)或混合物，且相關(guān)研究也主要集中在單一聚合物或混合物對瀝青混合料性能的影響方面，最常見高分子聚合物有SBS、SBR、PE、PP、EVA等[2]。與新聚合物相比，廢舊聚合物因其價格較低，來源充足，同時減輕了廢舊聚合物對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，“變廢為寶”，逐漸在瀝青混合料改性中得到廣泛研究與應(yīng)用。

隨著塑料工業(yè)的快速發(fā)展，勢必產(chǎn)生大量的廢舊塑料，作為改性劑，廢舊LLDPE可提高瀝青混合料彈性模量、抗疲勞壽命，較大幅度增加了瀝青混合料抗車轍能力，增強(qiáng)了瀝青與石料之間的黏結(jié)力[3-5]。LLDPE接枝MAH（LLDPE-g-MAH）與沒有接枝的改性瀝青混合料相比，在高溫性能方面改善不太顯著，但改善了其與瀝青的相容性，對低溫抗開裂性能有所提升[6]。

廢舊PP改性瀝青混合料已有工業(yè)化應(yīng)用，添加量一般為瀝青混合料質(zhì)量的4‰～6‰，即使在瀝青混合料中添加量較高，也不影響施工和易性，同時還對高溫性能改善明顯[7]。廢舊聚合物L(fēng)LDPE、PP來源廣泛，二者分離成本較高，因此將二者按比例混合使用可大大降低改性劑生產(chǎn)成本，有利于在瀝青混合料中推廣應(yīng)用[8]。

截至目前，相關(guān)研究主要集中在單獨(dú)廢舊LLDPE、廢舊PP改性瀝青及瀝青混合料方面，對于兩種原材料同時進(jìn)行接枝、共混改性相關(guān)研究未見文獻(xiàn)報道，本文借助數(shù)理統(tǒng)計原理中的正交試驗(yàn)設(shè)計方法，得出影響AC-13瀝青混合料動穩(wěn)定度的主要控制性因素，對今后廢舊聚合物制備抗車轍劑及對瀝青混合料高溫性能研究、應(yīng)用，以及廢舊聚合物再生利用，改善環(huán)境污染具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 原材料

殼牌AH-90瀝青主要技術(shù)指標(biāo)：針入度（25℃，5 s，0.1 mm）89，軟化點(diǎn)47 ℃，15 ℃延度122 cm，南京華納工貿(mào)實(shí)業(yè)有限公司；再生線性低密度聚乙烯（以下簡稱：LLDPE）：相對密度0.932，熔融指數(shù)1.687 g/10 min，灰分7.526%，如皋市益大塑料有限公司；再生聚丙烯（以下簡稱：PP）：相對密度0.995，熔融指數(shù)0.745 g/10 min，灰分2.866%，綏德泰禾廢舊塑料再生顆粒廠；鄰苯二甲酸二辛酯（以下簡稱：DOP）：分析純，雷邦化工科技有限公司；馬來酸酐（以下簡稱：MAH）：熔點(diǎn)52.8℃，沸點(diǎn)202℃，東莞市宸宇化工科技有限公司；過氧化二異丙苯（以下簡稱：DCP）:純度大于等于99%，熔點(diǎn)大于等于39℃，總揮發(fā)物小于等于0.20%；集料：石灰?guī)r、礦粉，山西喜躍發(fā)道路建設(shè)養(yǎng)護(hù)有限公司。

2 試驗(yàn)方法

2.1 抗車轍劑及改性瀝青混合料試件制備

表1 礦料級配表

按正交試驗(yàn)設(shè)計的配比要求稱取LLDPE、PP、MAH、DCP、DOP各量，按此順序依次加入高速混合機(jī)中進(jìn)行混合，混合工藝為：低速750～1 200 r/min運(yùn)行8～10 min，高速1 600～2 000 r/min運(yùn)行3～6 min，混合均勻后用雙螺桿擠出機(jī)在190℃～220℃下擠出直徑為2～4 mm的柱狀產(chǎn)品并經(jīng)常溫循環(huán)冷卻水冷卻后，依次經(jīng)吹干、烘烤、切粒、包裝，即制得抗車轍劑。

選用AC-13級配（未去粉、礦料級配見表1），油石比按4.5%，并將上述方法制備的16種抗車轍劑按瀝青混合料質(zhì)量的0.4%分別加入制得16種改性瀝青混合料，其制備過程為：先將已制得的抗車轍劑與190℃～200℃的集料干拌90 s，后加入160℃～165℃的瀝青拌和90 s，最后加入礦粉，在180℃下拌和90 s，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》制得試件并進(jìn)行相關(guān)測試。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計

2.2.1 原理依據(jù)

正交試驗(yàn)設(shè)計方法是一種應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計原理，采用一種排列整齊的規(guī)格化表——“正交表”來分析多因素對研究結(jié)果影響程度問題的科學(xué)方法，由于正交表的組構(gòu)是基于正交拉丁方法設(shè)計[9]，它能夠通過少量的試驗(yàn)次數(shù)，找到較好的配比或生產(chǎn)條件，同時還能夠做很多進(jìn)一步的統(tǒng)計分析，本正交試驗(yàn)設(shè)計步驟如下。

2.2.2 確定影響因素及水平

根據(jù)研究問題對象，選取試驗(yàn)指標(biāo)、影響因素及影響水平，選取合適的正交表，記為Ln(tm),該式中L為正交試驗(yàn)記號，n為試驗(yàn)次數(shù)，t為水平數(shù)，m為正交表列數(shù)，m不小于影響因素數(shù)，當(dāng)大于影響因素數(shù)個數(shù)時，可將多余的列數(shù)作為誤差列。

在本試驗(yàn)中將LLDPE、PP、DOP、MAH、DCP五種原材料作為生產(chǎn)抗車轍劑的主要原材料，本正交試驗(yàn)中選取其為影響因素，其中每個原材料配方體系中所用量作為水平數(shù)，將抗車轍劑對AC-13瀝青混合料產(chǎn)生主要影響的車轍性能（該指標(biāo)用“動穩(wěn)定度”表示）作為試驗(yàn)指標(biāo)，將上述5因素4水平記為L16(45)，共設(shè)計16組試驗(yàn)，具體如下：

LLDPE（配方質(zhì)量，kg）:70（1）、80（2）、90（3）、95（4）；

PP（配方質(zhì)量，kg）:5（1）、10（2）、20（3）、30（4）；

DOP（配方質(zhì)量，kg）:1（1）、4（2）、7（3）、10（4）；

MAH（配方質(zhì)量，kg）:0.6（1）、0.8（2）、1.0（3）、1.2（4）；

DCP（配方質(zhì)量，kg）:0.25（1）、0.5（2）、0.75（3）、1.0（4）。

3 結(jié)果與分析

3.1 測試結(jié)果

依據(jù)上述試驗(yàn)方法及正交試驗(yàn)設(shè)計方案，按照表2配方方案制得16種不同原材料配比的抗車轍劑，并根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》制得16種改性AC-13瀝青混合料試件進(jìn)行動穩(wěn)定度測試，測試結(jié)果記為yi（單位：次/mm）結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)方案及測試結(jié)果

3.2 分析討論

3.2.1 測試數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采取極差分析法，具體步驟為：首先分析因素LLDPE在配方中的量，該因素排在第1列，如果把包含LLDPE因素第1水平的4次試驗(yàn)，即上述表2中試驗(yàn)號1、2、3、4記做第1組；把包含LLDPE因素第2水平的4次試驗(yàn)，即上述表2中試驗(yàn)號5、6、7、8記做第2組，以此類推，16組試驗(yàn)分成4組。在第1組中LLDPE因素只出現(xiàn)1次，PP、DOP、MAH、DCP因素各出現(xiàn)1次，其他組情形類似，這將原本要做45=1024次試驗(yàn)用16次試驗(yàn)均勻、分散代替，大大降低試驗(yàn)工作量，且能較好地反映出5種原材料對AC-13瀝青混合料高溫性能的影響情況。

極差分析采取先計算Mij，其代表第j列中相應(yīng)水平號為i的各試驗(yàn)結(jié)果yi總和；mij=Mij/3；極差Rij=max(mij)-min(mij)。

3.2.2 高溫性能影響

采用極差分析法對上述正交試驗(yàn)測試結(jié)果中抗車轍劑對AC-13瀝青混合料高溫性能進(jìn)行分析評價見表3，對于高溫性能（即動穩(wěn)定度）而言，通過分析得出（僅從配方量的角度）各原材料量影響因素敏感性由小到大的順序?yàn)椋篋OP、DCP、MAH、LLDPE、PP，且PP影響程度是LLDPE的約4倍，可能的原因在于：

a）PP是部分結(jié)晶聚合物，其本身具有較高的強(qiáng)度、剛度、硬度和耐熱性能，熔點(diǎn)大于等于165℃[10]；

b）環(huán)境條件下濕熱氧老化PP產(chǎn)生活潑基團(tuán)，在雙螺桿擠出機(jī)180℃～200℃溫度條件下，通過DCP引發(fā)劑作用下與MAH發(fā)生接枝反應(yīng)，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更有利于提高瀝青的軟化點(diǎn)，對混合料中石料起到加筋作用，從而提高了AC-13混合料的動穩(wěn)定度，起到抗車轍的作用。

表3 高溫性能極差分析結(jié)果

3.2.3 高溫性能影響趨勢分析

圖1 影響因素水平變化趨勢圖

根據(jù)試驗(yàn)制得抗車轍劑并對AC-1混合料動穩(wěn)定度測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果mij數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，繪制圖1，由圖1可得，隨著PP含量的逐漸增大，混合料的動穩(wěn)定度呈現(xiàn)上升的趨勢，而隨著LLDPE含量的增大，動穩(wěn)定度呈現(xiàn)減小的趨勢，但減小幅度不大。DOP的含量對動穩(wěn)定度也產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響，這主要是因?yàn)镈OP材料屬于增塑劑，對瀝青混合料的低溫性能改善明顯。而MAH、DCP變化趨勢基本一致，主要原因在于，起初隨著MAH、DCP含量增大LLDPE、PP接枝率逐漸增大，更有利于形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對動穩(wěn)定度產(chǎn)生積極影響，但隨著這種反應(yīng)程度達(dá)到平衡狀態(tài)后，對動穩(wěn)定度基本保持不變。

4 結(jié)論

a）廢舊LLDPE、PP在190℃～220℃通過接枝共混改性制得新型抗車轍劑對AC-13瀝青混合料高溫性能改善效果顯著。

b）原材料對AC-13瀝青混合料高溫性能影響重要程度順序?yàn)镻P＞LLDPE＞MAH＞DCP＞DOP，且PP影響程度是LLDPE的4倍。