聚丙烯/廢膠粉復(fù)合改性瀝青的性能研究

摘要：為評(píng)價(jià)聚丙烯/廢膠粉共聚物作為瀝青改性劑的潛力，文章通過制備不同摻量下的聚丙烯/廢膠粉復(fù)合改性瀝青（PRMA），采用旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）、彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)、線性振幅掃描（LAS）試驗(yàn)和離析試驗(yàn)，將SBS改性瀝青和膠粉改性瀝青作為對(duì)照組，研究PRMA的物理性能與流變性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：聚丙烯的添加使得PRMA的旋轉(zhuǎn)黏度和軟化點(diǎn)差值降低，說明PRMA的施工和易性增強(qiáng)，且其離析現(xiàn)象減弱；與對(duì)照組相比，PRMA的車轍因子、m值和疲勞壽命更高，且蠕變勁度和老化因子更低，這說明聚丙烯/廢膠粉對(duì)瀝青的復(fù)合改性效果優(yōu)于單一改性。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；聚丙烯；廢膠粉；流變性能；老化性能

中圖分類號(hào)：U414.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4874（2024）04-0095-04

0 引言

瀝青作為路用材料，對(duì)路面的路用性能與耐久性起關(guān)鍵作用，但瀝青作為熱塑性材料，其流動(dòng)性能受溫度變化的影響較大［1-3］，因此改善瀝青的流變特性，以減少瀝青路面的病害并提高耐久性，是目前的研究熱點(diǎn)。由廢輪胎制備的廢膠粉可與瀝青制備出膠粉改性瀝青，不僅能節(jié)能、降噪和保黑等，還能改善瀝青路面的路用性能［4］。由于廢輪胎成分的不同，廢膠粉的組分差異很大，膠粉改性瀝青的性能表征也有差異，因此不少學(xué)者提出將廢膠粉與其他改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性［5-6］。

聚丙烯是一種廢棄塑料的副產(chǎn)品，屬于熱塑性碳?xì)浠衔?，其晶體水平介于低聚乙烯和高密度聚乙烯之間［7-8］。有研究表明聚丙烯能用于瀝青復(fù)配改性技術(shù)，有效提升瀝青的路用性能［9-11］。本文目的是評(píng)價(jià)聚丙烯/廢膠粉共聚物代替SBS作為瀝青改性劑的適用性，以開發(fā)廢棄塑料和廢膠粉綜合利用的綠色改性技術(shù)。因此，選擇不同摻量下的廢膠粉（10%和15%）、聚丙烯（0、0.2%、0.4%、0.6%），制備聚丙烯/廢膠粉復(fù)合改性瀝青（PRMA），同時(shí)選擇4.5%SBS改性瀝青作為對(duì)照組。為評(píng)價(jià)PRMA的性能指標(biāo)，采用旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗(yàn)、彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)、線性振幅掃描（LAS）試驗(yàn)和離析試驗(yàn)，研究PRMA在各溫頻下的流變性能，以此來證明該增值型固廢利用改性技術(shù)的可行性。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 原材料

采用中石化牌70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其性能指標(biāo)如表1所示。選擇廢膠粉和聚丙烯作為瀝青改性劑，廢膠粉和聚丙烯均由湖南某化工公司提供，其中廢膠粉和聚丙烯的目數(shù)分別為40目和20目，其性能指標(biāo)分別如表2～3所示。本文采用SBS改性瀝青作為對(duì)照組，SBS的性能指標(biāo)如表4所示。

1.2 改性瀝青制備

廢膠粉的摻量分別為10%和15%，SBS的摻量為4.5%，聚丙烯的摻量分別為0、0.2%、0.4%、0.6%，改性劑摻量均為其與基質(zhì)瀝青的重量比。將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)以保證其流動(dòng)性，隨后在盛著瀝青的容器中加入聚丙烯，先以500 r/min的低速剪切20 min，然后將剪切溫度和剪切速率分別升高到190 ℃和3 500 r/min，在此剪切條件下剪切30 min，使聚丙烯在瀝青中均勻分布。保持相同的剪切條件，將廢膠粉添加到瀝青中剪切40 min。SBS改性瀝青的制備方法為：將SBS添加到基質(zhì)瀝青中，剪切溫度和剪切速率分別設(shè)置為170 ℃和3 500 r/min，剪切時(shí)間為30 min。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）黏度試驗(yàn)：根據(jù)AASHTO-TP48標(biāo)準(zhǔn)，基于布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，對(duì)瀝青試樣按試驗(yàn)溫度180 ℃進(jìn)行測(cè)試，且進(jìn)行三次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中黏度儀扭矩保持在10%～98%。

（2）離析試驗(yàn)：將熔融態(tài)的PRMA倒入直徑為25 mm且高為140 mm的鋁管中，然后密封以減少空氣氧化。將鋁管豎直放立在163 ℃的烘箱中儲(chǔ)存48 h后，在-7 ℃的冰箱內(nèi)冷卻4 h，然后水平切成三等分，再計(jì)算鋁管的頂部和底部試樣的軟化點(diǎn)差值。

（3）DSR試驗(yàn)：根據(jù)AASHTO T315標(biāo)準(zhǔn)，采用DSR試驗(yàn)的溫度掃描模式評(píng)價(jià)瀝青試樣的高溫性能，溫度區(qū)間設(shè)置為46 ℃～82 ℃。

（4）LAS試驗(yàn)：采用AASHTO TP101-14標(biāo)準(zhǔn)在25 ℃的測(cè)試溫度下進(jìn)行LAS試驗(yàn)，計(jì)算瀝青的疲勞壽命以表征其抗疲勞性能。

（5）BBR試驗(yàn)：根據(jù)AASHTO T313-09規(guī)范，采用BBR試驗(yàn)來表征PRMA的低溫性能。BBR瀝青試件的尺寸為125 mm×12.7 mm×6.35 mm，試驗(yàn)溫度分別設(shè)置為-6 ℃、-12 ℃和-18 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏度試驗(yàn)結(jié)果

不同改性劑摻量下PRMA的180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度結(jié)果如圖1所示?？紤]到180 ℃條件下，SBS改性瀝青與膠粉改性瀝青相比黏度值較低，因此本次黏度試驗(yàn)僅針對(duì)PRMA與膠粉改性瀝青。由圖1可知，隨著廢膠粉摻量的增加，PRMA的黏度值也隨之增加。與膠粉改性瀝青相比，PRMA的黏度值均明顯降低，且廢膠粉摻量為20%時(shí)聚丙烯對(duì)瀝青的黏度影響最大，即使用0.2%的聚丙烯降低了20%膠粉改性瀝青黏度的39%，這說明聚丙烯的添加對(duì)膠粉改性瀝青具有降黏效果，對(duì)廢膠粉摻量高的膠粉改性瀝青降黏效果更加明顯。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚丙烯的摻量增加，PRMA的黏度值略微增加，這是因?yàn)殡S著聚丙烯摻量的增加，在瀝青介質(zhì)中增強(qiáng)了廢膠粉形成的彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 離析試驗(yàn)結(jié)果

圖2顯示了在聚合物離析試驗(yàn)中膠粉改性瀝青與PRMA的軟化點(diǎn)差值。由圖2可知，膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)差值較大（＞4 ℃），且隨著膠粉摻量的增加，膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)差值增加，這是由于Stokes定律下廢膠粉沉聚在鋁管底部，導(dǎo)致廢膠粉在瀝青基體中分散不均而影響其性能表征。從圖2還可發(fā)現(xiàn)，加入聚丙烯減小了PRMA的軟化點(diǎn)差值，且隨著聚丙烯摻量的增加，PRMA的軟化點(diǎn)差值不斷減少。這一結(jié)果表明，由于瀝青基體與聚合物的比重不同，聚合物離析試驗(yàn)中，聚丙烯顆?？梢愿纳颇z粉在瀝青基體的分散性和均勻性，減少膠粉顆粒在底部的沉降趨勢(shì)。同時(shí)，聚丙烯增加了PRMA中膠粉的粘聚力，從而使PRMA的改性劑與瀝青組成的體系更穩(wěn)定。在聚丙烯摻量最高時(shí)，膠粉顆粒的分離潛力最小化，聚丙烯可以增強(qiáng)膠粉的吸油性。

2.3 高溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

由前文離析試驗(yàn)結(jié)果可知，15%廢膠粉+0.6%聚丙烯的復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)差值<2.5 ℃，該改性劑摻量下的PRMA具有良好的施工和易性。下頁圖3顯示了該改性劑摻量下的PRMA、15%膠粉改性瀝青和4.5%SBS改性瀝青老化前后的車轍因子。從流變學(xué)指標(biāo)車轍可以看出，分別加入聚丙烯/廢膠粉共聚物、廢膠粉和SBS改性劑后，改性瀝青的車轍因子均有所提高，且彈性響應(yīng)對(duì)瀝青的粘彈性性質(zhì)起主導(dǎo)作用，聚合物改性的瀝青車轍敏感性降。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)在相同測(cè)試溫度和老化條件下，改性瀝青的車轍因子大小順序?yàn)镻RMA＞SBS改性瀝青＞膠粉改性瀝青，這是因?yàn)榫郾┡c廢膠粉組合的共聚物改變了瀝青各組分比例，使得瀝青與改性劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，增強(qiáng)了膠粉在瀝青基體的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖3中車轍因子的變化程度，可以發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青老化前后變化較大，而PRMA的變化較小，說明PRMA的抗老化性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

2.4 中溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

下頁表5顯示了三種改性瀝青在不同應(yīng)變水平下（2.5%和5%）的LAS試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，這三種改性瀝青的C1值排序?yàn)镾BS改性瀝青＞PRMA＞膠粉改性瀝青，而C2值排序?yàn)槟z粉改性瀝青＞PRMA＞SBS改性瀝青。在疲勞壽命方面，三種聚合物都能增加瀝青的疲勞壽命，且三種改性瀝青的疲勞壽命排序?yàn)镻RMA＞膠粉改性瀝青＞SBS改性瀝青。與對(duì)照組相比，聚丙烯對(duì)PRMA的疲勞性能改善顯著，這是因?yàn)榫郾┠芪找徊糠值淖杂蔀r青，使得結(jié)構(gòu)瀝青的比例增加，從而降低了瀝青的疲勞敏感性。

2.5 低溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

采用BBR試驗(yàn)評(píng)價(jià)未老化與長(zhǎng)期老化下的各種改性瀝青的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如表6～7所示?；谌渥儎哦龋⊿）與蠕變速率（m）來評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能，S值能評(píng)價(jià)瀝青材料在溫縮情況下的溫度應(yīng)力，而m值是表征瀝青材料應(yīng)力松弛速率的指標(biāo)。一般來說，S值越大，m值越小，說明瀝青在低溫下開裂的風(fēng)險(xiǎn)越大。由表6～7可知，在相同測(cè)試溫度下，改性瀝青的S值大小排序?yàn)镻RMA＞SBS改性瀝青＞膠粉改性瀝青，m值大小排序?yàn)槟z粉改性瀝青＞SBS改性瀝青＞PRMA，說明PRMA的低溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青與膠粉改性瀝青，這是因?yàn)榫郾┡c膠粉組成的彈性聚合物，能在瀝青基體中形成網(wǎng)狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得瀝青相中輕質(zhì)組分的比例增加，從而提高瀝青材料的彈性，以此改善瀝青的應(yīng)力松弛性能。

2.6 抗老化流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

車轍老化因子如式（1）所示，其采用老化前后車轍因子的變化程度反映瀝青的抗老化性能，在通常情況下，老化因子越低，抗老化性能越好。將圖3的車轍因子數(shù)據(jù)代入式（1），得到三種改性瀝青在不同溫度下的車轍老化因子，如圖4所示。由圖4可知，在各個(gè)測(cè)試溫度下，三種改性瀝青的車轍老化因子按大小排序?yàn)镾BS改性瀝青＞膠粉改性瀝青＞PRMA，這說明PRMA的抗老化性能優(yōu)于SBS改性瀝青和膠粉改性瀝青。這可能是因?yàn)镾BS在老化過程中會(huì)發(fā)生降解和分子鏈斷裂，使得瀝青的耐久性降低；同時(shí)，聚丙烯與膠粉組成的彈性聚合物能減少輕質(zhì)組分的揮發(fā)，能夠更快速吸收熱氧老化過程中的溫度，抑制短期老化過程中改性劑的性能衰減。

蠕變勁度老化因子如下頁式（2）所示，基于老化前后蠕變勁度的變化程度反映瀝青的抗老化性能。將表6和表7的蠕變勁度數(shù)據(jù)代入式（2），得到三種改性瀝青在不同溫度下的蠕變勁度老化因子，如下頁圖5所示。由圖5可知，在各個(gè)測(cè)試溫度下，三種改性瀝青的蠕變勁度老化因子按大小排序?yàn)镾BS改性瀝青＞膠粉改性瀝青＞PRMA，結(jié)果與圖4規(guī)律一致，說明在低溫條件下，與其他改性劑相比，PRMA的抗老化性能最優(yōu)。

3 結(jié)語

（1）聚丙烯的添加可以降低PRMA的黏度與軟化點(diǎn)差值，從而改善PRMA的施工和易性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

（2）根據(jù)瀝青的流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，聚丙烯改善了PRMA的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、中溫抗疲勞性和抗老化性能，且其性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

（3）本文研究了PRMA的物理性能與流變性，后續(xù)可開展相關(guān)微觀試驗(yàn)，揭示聚丙烯與膠粉的復(fù)合改性對(duì)瀝青性能的改性機(jī)理。

參考文獻(xiàn)

［1］郭 猛，任 鑫，焦峪波，等.瀝青及瀝青混合料老化與抗老化研究綜述［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2022，35（4）：41-59.

［2］崔國(guó)威.納米SiC復(fù)合膠粉改性瀝青的制備及其性能研究［J］.湖南交通科技，2023，49（1）：17-21，27.

［3］陳永鋒，耿德華，陸志紅，等.基于改進(jìn)MSCR試驗(yàn)的膠粉SBS復(fù)合改性瀝青高溫蠕變恢復(fù)特性研究［J］.湖南交通科技，2022，48（4）：15-19.

［4］馬 濤，陳蔥琳，張 陽，等.膠粉應(yīng)用于瀝青改性技術(shù)的發(fā)展綜述［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2021，34（10）：1-16.

［5］劉家慶，韋萬峰，蔡翼航，等.多聚磷酸—橡膠復(fù)合改性瀝青及其混合料性能研究［J］.公路，2023，68（3）：41-48.

［6］肖慶一，趙振超，范 津，等.基于響應(yīng)曲面法的ACVR改性瀝青配比設(shè)計(jì)及流變性能研究［J］.功能材料，2023，54（1）：1 194-1 201.

［7］張文才，郝曉剛，裴 強(qiáng)，等.廢棄聚乙烯、廢棄聚丙烯改性瀝青的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)塑料，2023，37（6）：91-98.

［8］張文華，原心紅，劉金妹，等.廢舊塑料在道路工程建設(shè)中的應(yīng)用［J］.塑料科技，2022，50（2）：93-97.

［9］張文才，郝曉剛，裴 強(qiáng)，等.廢棄聚乙烯/廢棄聚丙烯共混物功能化改性瀝青混合料性能研究［J］.中國(guó)塑料，2023，37（5）：40-47.

［10］徐青宇，任 夢(mèng)，賈倩茹，等.摻聚丙烯纖維的SBS改性瀝青性能［J］.信息記錄材料，2023，24（2）：233-235.

［11］程培峰，佟天宇.廢舊PP復(fù)配SBR改性瀝青及其混合料性能研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2021，54（10）：927-933.

作者簡(jiǎn)介：黃世庚（1991—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)監(jiān)理工作。