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(shí)，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(duì)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(jià)格較低，來源充足，同時(shí)減輕了廢舊聚合物對(duì)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(duì)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(shí)還對(duì)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(duì)于兩種原材料同時(shí)進(jìn)行接枝、共混改性相關(guān)研究未見文獻(xiàn)報(bào)道，本文借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理中的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得出影響AC-13瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的主要控制性因素，對(duì)今后廢舊聚合物制備抗車轍劑及對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)配表

按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jí)配（未去粉、礦料級(jí)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(jì)

2.2.1 原理依據(jù)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是一種應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(duì)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(jì)[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(shí)還能夠做很多進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，本正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟如下。

2.2.2 確定影響因素及水平

根據(jù)研究問題對(duì)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(hào)，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?cái)?shù)，當(dāng)大于影響因素?cái)?shù)個(gè)數(shù)時(shí)，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(gè)原材料配方體系中所用量作為水平數(shù)，將抗車轍劑對(duì)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(dòng)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(jì)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(jì)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(dòng)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(hào)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(hào)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(duì)AC-13瀝青混合料高溫性能的影響情況。

極差分析采取先計(jì)算Mij，其代表第j列中相應(yīng)水平號(hào)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(duì)上述正交試驗(yàn)測試結(jié)果中抗車轍劑對(duì)AC-13瀝青混合料高溫性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)見表3，對(duì)于高溫性能（即動(dòng)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(duì)混合料中石料起到加筋作用，從而提高了AC-13混合料的動(dòng)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(duì)AC-1混合料動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)上升的趨勢，而隨著LLDPE含量的增大，動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)減小的趨勢，但減小幅度不大。DOP的含量對(duì)動(dòng)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(duì)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(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)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(duì)AC-13瀝青混合料高溫性能改善效果顯著。

b）原材料對(duì)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。