廢膠粉/聚乙烯復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#基質瀝青為瀝青原料，以高溫性能、低溫性能及施工性能為評價指標，利用高速剪切法以及正交實驗設計，分別制備了不同摻量的復合改性瀝青，得出適合聚乙烯/廢膠粉復合改性瀝青的加工工藝指標，并研究了聚乙烯及廢膠粉在不同摻量條件下的復合改性瀝青性能。實驗結果表明：建議的加工溫度為180 ℃～190 ℃，剪切速率為4 500 rad/min，剪切時間為1.5 h，廢膠粉和聚乙烯摻量分別為10%和2%。

關鍵詞：聚乙烯;廢膠粉;復合改性瀝青;正交試驗

0 引言

廢舊輪胎以及廢舊塑料是人類在社會生活過程中產生的廢棄物，兩者在自然界均是作為一種產量巨大且難以降解消耗的物質存在，已經帶來了嚴重的環境污染。而道路相關工作者的研究表明，無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行回收利用。張巨松等人通過高速剪切法將LDPE分散在瀝青當中進行研究，發現制備的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原理，以廢輪胎橡膠粉和LDPE為改性劑，通過高速剪切法制備了不同工藝條件下的廢膠粉/聚乙烯復合改性瀝青，并給出了推薦摻量[2]。

本文在參考相關研究基礎上[3-5]，將聚乙烯中的LLDPE與廢膠粉復配進行研究，以高溫性能、低溫性能以及施工性能為評價指標，通過正交試驗設計進行分析確定最佳加工條件，再進一步分析其摻量對性能的影響。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

本文采用國產某品牌70#基質瀝青進行瀝青的加工，其技術指標如下頁表1所示，其各項指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG E20-2004）中規范要求。聚乙烯采用的是產自大慶石化的線性低密度聚乙烯（LLDPE），其技術指標如下頁表2所示。廢膠粉為常溫粉碎法制成的30～60目廢輪胎橡膠粉，其技術指標如下頁表3所示。穩定劑為常規硫化物。

1.2 試驗方案

將廢膠粉及聚乙烯作為改性劑加入到基質瀝青中制備復合改性瀝青。其制備流程如下：將瀝青加熱至預定溫度下的流動狀態，依次加入廢膠粉及聚乙烯進行普通攪拌混溶，一定時間后再接著進行高速剪切，剪切完畢后在一定溫度下加入穩定劑進行普通攪拌發育完全即可。通過綜合相關研究發現，在加工過程中，加工溫度、剪切速率以及剪切時間為三個主要加工影響因素。為確保加工效果，在固定廢膠粉、聚乙烯、穩定劑的摻配比例下（采用外摻法，分別為基質瀝青的15%、3%、1.5%），采用正交設計方法對三個加工因素進行試驗設計（如表4所示），以針入度、軟化點為高溫性能評價指標，延度為低溫性能評價指標，180 ℃旋轉黏度為施工性能評價指標，最終得出聚乙烯/廢膠粉復合改性瀝青的最佳加工工藝。在最佳加工工藝基礎上，通過調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 試驗結果及分析

2.1 加工工藝結果與分析

正交因素設計如表4所示，相關試驗結果及數據直觀分析如表5、表6所示。

在正交試驗結果的直觀分析中，極差大小代表了各因素對指標結果的影響程度，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，選取與指標相對應的K值為該因素下水平最佳取值。以針入度為例，不同因素對針入度指標的影響程度為：加工溫度=剪切時間>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。依據此原理，可以得出不同指標下各因素影響程度及其最優參數組合，具體如表7表示。

從表7可以看出，無論是針入度、軟化點、延度還是180 ℃旋轉黏度，其各因素影響程度均為：加工溫度>剪切時間>剪切速率。但針對不同指標，在其具體水平參數上仍然有些許不同。為確定一個最佳的參數組合，需要再綜合各項原則進行平衡選取。如將某指標作為主要影響因素，應取該因素作為主因素選取其最優水平組合，若某因素對各指標影響程度相差均不大，則按“少數服從多數”的原則，取出現次數較多的水平組合，同時也需要兼顧考慮成本等因素。綜合各項因素，選取A3 C3 B3這個參數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，剪切時間為1.5 h。

2.2 復合改性瀝青性能

在確定了復合改性瀝青加工的最佳工藝基礎上，分別對不同摻量的廢膠粉與聚乙烯進行復配，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。其具體結果如下：

2.2.1 高溫性能

針入度是用來評價瀝青軟硬程度的指標，而軟化點是一個等粘溫度的概念，與瀝青的高溫穩定性有關，兩者均是瀝青三大指標中的關鍵指標之一。從圖1及圖2的結果來看，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出相同規律。針入度及軟化點的指標變化表明改性劑的加入在基質瀝青中產生反應導致空間結構變化，進而對性能產生影響。廢膠粉/聚乙烯復合改性瀝青的針入度比單一摻入改性劑的要低，而軟化點要更高。這是因為LDPE加入到預定溫度的瀝青后，由于熱力和機械剪切力的共同作用，其狀態由晶態變為非晶態，同時均勻地分布在瀝青中，在吸收瀝青中的輕質組分后發生溶脹，與橡膠粉溶脹后形成的絮狀結構連接在一起形成交聯網狀結構，限制了瀝青膠體的流動，增加了其抵抗外力的能力，從而提高瀝青的稠度、高溫穩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中評價瀝青低溫性能的關鍵指標之一，具有簡單、直觀、有效的特點。本文采用5 ℃溫度條件下，拉伸速度為5 cm/min進行試驗。由圖3可知，復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出相同的變化規律，這主要是因為膠粉在瀝青中的反應是以溶脹為主，而廢膠粉摻量比例過大，在充分吸收了瀝青中的輕質組分后，使得瀝青變硬，導致其延度降低。而相關研究表明，聚乙烯本身對高溫穩定性起促進作用，但對5 ℃左右的低溫性能改善不明顯。兩者復配在一起后，隨著摻量的增加，這一趨勢表現得更加明顯。

2.2.3 施工性能

橡膠改性瀝青的黏度試驗通常采用180 ℃作為試驗溫度，主要是考慮膠粉與瀝青混溶過程中的脫硫反應過程特點，在該溫度下的旋轉黏度測試值較為平穩，更具備工程適用性。廢膠粉/聚乙烯復合改性瀝青中膠粉比例占主要部分，且暫無廢膠粉/聚乙烯復合改性瀝青的相關規范，考慮將180 ℃旋轉黏度作為其施工性能評價指標是較為合適的。如圖4所示，復合改性瀝青的180 ℃旋轉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，也是呈現出相同的規律。瀝青黏度是一種流變學性能的反映，與高溫性能有很大聯系，這點從之前的軟化點指標分析中得到了印證。除此之外，旋轉黏度試驗也可用來評價改性瀝青的泵送能力，瀝青黏度過大，施工時可能會導致施工困難，因此必須設置一定的黏度上限要求。橡膠改性瀝青相關規范的規定通常是2～5 Pa·s，而從施工實際效果來看，黏度值在3 Pa·s左右泵送效果更好。從圖4的數據來看，15%及20%廢膠粉摻量下的各復合改性瀝青普遍超出了這個范圍，綜合前述三大指標的分析，在考慮實際施工情況下，10%的廢膠粉摻量是較為合適的。

3 結語

（1）以瀝青性能三大指標及180 ℃旋轉黏度評價指標，通過正交試驗設計及其數據分析，廢膠粉/聚乙烯復合改性瀝青的影響因素排序為：加工溫度>剪切時間>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，剪切時間為1.5 h。

（2）廢膠粉/聚乙烯復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、軟化點更高，180 ℃旋轉黏度更大，并且這種趨勢隨著摻量的增加更加明顯，這表明其高溫性能更好。但是另一方面對其延度改善作用不大，甚至呈負相關性，對其低溫性能有一定影響。同時施工性能是一項決定性因素，180 ℃旋轉黏度過大將導致其泵送效果差。綜合各項性能指標，建議廢膠粉/聚乙烯復合改性瀝青的廢膠粉摻量為10%、聚乙烯摻量為2%。

參考文獻：

[1]張巨松，王文軍，趙宏偉，等.聚乙烯和聚乙烯膠粉復合改性瀝青的實驗[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2007，106（2）：267-270.

[2]顏可珍，胡 玥，王曾光，等.廢膠粉/再生低密度聚乙烯復合改性瀝青研究[J].建筑材料學報，2017，101（1）：145-149.

[3]許洪彬.廢膠粉及再生低密度聚乙烯復合改性瀝青性能研究[D].長沙：湖南大學，2015.

[4]富麗萍，馮國輝，宋成軍，等.廢舊聚乙烯/廢膠粉復合改性瀝青性能研究[J].中國石油和化工標準與質量，2012，281（15）：40-41.

[5]呂智超，張宏雷，張 勇，等.熱剪切對聚乙烯/膠粉共混物結構演變及性能的影響[J].合成橡膠工業，2012，35（2）：128-132.