聚乙烯對降解膠粉復配橡膠瀝青性能的影響

覃潤浦，胡松山，劉斌清

(1.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

傳統(tǒng)橡膠瀝青因施工黏度過大易造成橡膠瀝青混合料難以現(xiàn)場壓實等質量問題，在一定程度上不僅難以充分發(fā)揮橡膠瀝青固有的天然特性，也限制了橡膠瀝青的推廣與應用。因此，通過物理作用或化學改性等方法對傳統(tǒng)膠粉進行復配改性是新材料研發(fā)的主推方向。雙螺桿擠出機是利用螺桿擠出機的剪切擠壓功能，使橡膠粉在剪切、熱壓及脫硫技術的綜合作用下，短時間內(nèi)深度降解的一種機械方法。葉奮針對傳統(tǒng)橡膠瀝青混溶速度慢、黏度大、加工難度高和摻量低等問題，采用螺桿反應擠出機對橡膠粉深度降解，結合常規(guī)測試和動態(tài)流變學分析出深度降解橡膠粉摻量可達50%以上。雙螺桿擠出機在300 ℃高溫條件下對橡膠粉降解1～2 min后，所得深度降解橡膠粉與瀝青具有良好的相容性。由雙螺桿擠出機深度降解的橡膠粉能夠使橡膠粉有效脫硫，加工過程中煙氣顯著減少，環(huán)境污染較小。

本文采用雙螺桿擠出機對傳統(tǒng)橡膠粉進行物理降解處理得到深度降解膠粉，并采用不同類型聚乙烯改性劑對降解膠粉進行復配改性。經(jīng)過測試橡膠瀝青常規(guī)指標和高溫流變粘彈特性來評價聚乙烯改性劑對深度降解橡膠瀝青復配改性的影響，從而為工廠化橡膠瀝青的應用推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與設備

1.1 基質瀝青

本文試驗采用泰普克基質瀝青進行研究，按《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG E20-2004)的要求對該瀝青的各項性能指標進行測試得出所選基質瀝青符合道路石油瀝青1-4區(qū)70#A級的技術要求，如表1所示。

表1 泰普克基質瀝青性質參數(shù)表

1.2 礦粉

礦粉采用石灰?guī)r磨制，檢測指標滿足規(guī)范要求，具體如表2所示。

表2 礦粉檢測指標表

1.3 試驗儀器

1.3.1 雙螺桿擠出機

采用南京杰恩特生產(chǎn)，德國先進技術支持下的SHJ-20雙螺桿擠出機。SHJ系列同向平行雙螺桿擠出機技術數(shù)：螺桿直徑21.7 mm，槽深3.85 mm，螺桿長徑比32∶40，螺桿轉速600 rpm，主機功率3 kW，生產(chǎn)能力2～12 kg/h，如圖1所示。將傳統(tǒng)橡膠粉勻速投入150 r/min的雙螺桿擠出機當中，在300 ℃高溫條件下運轉1～2 min后擠出，即可獲得深度降解橡膠粉。

圖1 SHJ-20雙螺桿擠出機現(xiàn)場圖

1.3.2 動態(tài)剪切流變儀

動態(tài)剪切流變儀(DSR)通過振蕩模量將周期應力或應變施加于橡膠瀝青試樣，并得到不同頻率、溫度、時間等條件下的材料響應。本文擬對不同類型PE改性劑復配橡膠瀝青進行常規(guī)性能檢測和常規(guī)動態(tài)剪切流變試驗，其中動態(tài)剪切流變儀(見圖2)廠家為英國Malvern公司，型號為Bolin ADS CVO-100。

圖2 動態(tài)剪切流變儀現(xiàn)場圖

1.4 膠粉種類

傳統(tǒng)膠粉與利用雙螺桿擠出機生產(chǎn)出來的深度降解膠粉，指標測試均達到交通運輸部行業(yè)標準《路用廢胎硫化橡膠粉》(JT/T 797-2011)中規(guī)定的技術指標，具體如表3～4及圖3所示。

表3 橡膠粉的物理檢測指標及技術要求表

表4 橡膠粉的化學指標及技術要求表(%)

圖3 40-60目膠粉示例圖

1.5 聚乙烯改性劑

室內(nèi)選取MPC型、昆侖型、3B型和4C型四種不同類型聚乙烯改性劑復配降解膠粉，其物理指標略。

2 常規(guī)性能測試

本文采用雙螺桿擠出機對傳統(tǒng)橡膠粉進行物理降解形成降解膠粉，室內(nèi)采用傳統(tǒng)剪切加工工藝，以泰普克基質瀝青為原材料，分別添加瀝青質量的0.5%的MPC型、昆侖型、3B型和4C型等不同型號聚乙烯改性劑和橡膠顆粒PR產(chǎn)品、路耐特產(chǎn)品等兩種工廠化產(chǎn)品，以外摻法摻加20%降解膠粉并在高溫條件(185 ℃)下制備不同類型的橡膠瀝青。本文擬對比聚乙烯復配降解膠粉改性瀝青與工廠化橡膠瀝青的性能差異，對室內(nèi)制備而得的不同類型橡膠瀝青進行常規(guī)性能檢測，測試指標如表5所示。

表5 不同橡膠瀝青技術性能指標表

由表5可知，傳統(tǒng)橡膠粉制備的橡膠瀝青針入度指標與5 ℃延度指標均難以滿足規(guī)范要求，添加聚乙烯改性劑后橡膠瀝青的各項性能指標均有較大改善，而180 ℃高溫條件下的布氏黏度基本保持穩(wěn)定，165 ℃和135 ℃布氏黏度較未添加聚乙烯改性劑的橡膠瀝青黏度小，體現(xiàn)出聚乙烯改性劑在一定程度上能增加橡膠瀝青的和易性。針對傳統(tǒng)橡膠瀝青低溫抗裂性能較弱的問題，分析對比各種橡膠瀝青5 ℃延度可知，聚乙烯復配橡膠瀝青的低溫延度較傳統(tǒng)橡膠瀝青偏高，且四種不同類型的橡膠瀝青5 ℃延度指標均不小于5 cm的指標要求。對比彈性恢復數(shù)據(jù)可知，聚乙烯復配橡膠瀝青彈性恢復性能較傳統(tǒng)橡膠瀝青好。工廠化橡膠瀝青PR產(chǎn)品和路耐特橡膠瀝青高溫黏度數(shù)值較小，在很大程度上解決了傳統(tǒng)橡膠瀝青施工黏度大、儲存不穩(wěn)定的施工難題，同時也表現(xiàn)出其他指標難以滿足規(guī)范要求的現(xiàn)象，如PR橡膠瀝青軟化點為54.7 ℃，難以滿足規(guī)范≥65 ℃的要求；路耐特橡膠瀝青彈性恢復指標為56%，不能滿足規(guī)范≥75%的要求。

3 高溫流變特性測試

為進一步區(qū)別不同類型聚乙烯改性劑對降解膠粉復配橡膠瀝青粘彈特性的影響，本文采用動態(tài)剪切流變儀對各類型橡膠瀝青進行溫度掃描試驗，系統(tǒng)分析復數(shù)模量、相位角及車轍因子等參數(shù)隨溫度變化的流變性能，從而達到有效甄別聚乙烯改性劑性能差異的目的。

3.1 復數(shù)彈性模量變化規(guī)律

復數(shù)彈性模量(G*)是反映材料彈性性能的參數(shù)，該值越大表明材料的彈性越好。對于橡膠瀝青路面，在高溫條件下，橡膠瀝青需具有足夠的彈性，以利于形變恢復。根據(jù)瀝青厚度對其性能的影響，選取瀝青厚度2.0 mm，各個試樣的G*隨溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 G*隨溫度變化曲線圖

由圖4可以看出，隨著溫度的增加，各類型橡膠瀝青復數(shù)模量呈弧形趨勢而減小。在同一溫度條件下，添加3B型聚乙烯改性劑復配雙螺桿擠出機制備出來的橡膠顆粒的復數(shù)彈性模量最好，說明該型號聚乙烯改性劑復配降解膠粉而得的橡膠瀝青彈性變形能力最強，故推薦選取3B型聚乙烯改性劑進行膠粉復合改性。

3.2 相位角變化規(guī)律

圖5 δ隨溫度變化曲線圖

在高溫條件下，δ越小，表明該材料彈性成分所占比例越大，即有較好的抵抗高溫變形的能力。由圖5可以看出，在同一基質瀝青制備條件下，添加3B型聚乙烯復配改性降解膠粉制備橡膠瀝青的δ最小，說明其材料彈性成分比例相對較大，具有較好的抵抗高溫變形能力。進一步說明選取3B型聚乙烯改性劑有助于提高橡膠瀝青高溫粘彈特性。

3.3 車轍因子的變化規(guī)律

車轍因子G*/sinδ能夠直接反映出瀝青高溫抗變形性能。本文對表5所列不同類型橡膠瀝青進行溫度掃描，并對比聚乙烯改性橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青的高溫抗變形性能，結果如圖6所示。

從圖6(a)可以看出，聚乙烯橡膠瀝青車轍因子G*/sinδ均隨著試驗溫度的升高而下降，即抗車轍能力降低；相同溫度條件下可以看出添加3B型聚乙烯改性劑制備的橡膠瀝青車轍因子最大，進一步說明可選用3B型聚乙烯改性劑進行膠粉改性。從圖6(b)可知，與工廠化橡膠瀝青高溫抗車轍性能對比發(fā)現(xiàn)，在同等溫度試驗條件下，路耐特橡膠瀝青表現(xiàn)出較好的抗車轍性能，而目前僅選用聚乙烯改性劑單純與降解膠粉復配改性所得橡膠瀝青的高溫抗車轍性能尚不理想，有必要進一步添加其他添加劑對降解膠粉進行復合改性，從而達到工廠化生產(chǎn)高性能橡膠瀝青的效果。

(a)聚乙烯改性橡膠瀝青

(b)聚乙烯橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青

4 結語

(1)通過雙螺桿擠出機對傳統(tǒng)膠粉進行物理降解，可有效解決橡膠瀝青施工黏度問題，提高橡膠瀝青施工和易性。

(2)聚乙烯改性劑可提高橡膠瀝青低溫抗裂性能和彈性恢復性能。由高溫動態(tài)流變試驗結果推薦采用3B型聚乙烯改性劑進行復配橡膠瀝青。

(3)與工廠化橡膠瀝青粘彈特性對比得出：單純采用聚乙烯復配改性降解膠粉的路用性能難以滿足工程應用需求，該結論為橡膠瀝青復合改性及工廠化生產(chǎn)提供理論指導。