熊 濤 伍乾坤 高玉慧 和四勇

橡塑復(fù)合改性瀝青制備及工藝研究

熊 濤 伍乾坤 高玉慧 和四勇

（云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650228）

為更大程度上改善瀝青的高、低溫及其他性能，同時(shí)解決廢舊橡膠及塑料的處置問題，選擇不同脫硫程度的廢舊橡膠粉、不同種類的PE材料制備橡塑復(fù)合改性瀝青，通過對(duì)橡塑復(fù)合改性瀝青進(jìn)行性能分析，確定其制備及工藝。

復(fù)合改性；脫硫橡膠；聚乙烯

0 概述

已有諸多研究和應(yīng)用表明，廢舊橡膠作為改性劑加入到瀝青中，可顯著提高瀝青低溫抗裂性能、耐久性及抗老化性能，相應(yīng)地，橡膠瀝青混合料用于路面層，可顯著減少反射裂縫的形成，路面使用壽命延長，節(jié)約建設(shè)成本，但同樣存在一些性能不足，如儲(chǔ)存穩(wěn)定性差、高粘度、難壓實(shí)等，一定程度上限制其推廣及應(yīng)用。普通橡膠瀝青使用的是未脫硫橡膠粉，使得橡膠顆粒在瀝青中相容性較差，而廢舊橡膠經(jīng)脫硫處理后，表面活性增強(qiáng)，更易與瀝青組分結(jié)合，但脫硫程度并非越高越好。此外，對(duì)瀝青高溫性能改善常用PE改性劑，結(jié)合來看，橡膠和塑料復(fù)合改性瀝青可同時(shí)改善瀝青的高、低溫及其他性能。

本文選擇不同脫硫程度的廢舊橡膠粉、不同種類的PE材料制備橡塑復(fù)合改性瀝青，通過對(duì)橡塑復(fù)合改性瀝青進(jìn)行性能分析，確定其制備及工藝。

1 試驗(yàn)原材料性能

1.1 瀝青

制備改性瀝青，基質(zhì)瀝青的性能將對(duì)改性瀝青的性能產(chǎn)生一定的影響1。為取得較好的改性效果，本研究選用基質(zhì)瀝青為廣東茂名70#瀝青，SBS改性瀝青選用廣東茂名SBS（I-D）。

1.2 改性劑

為改善基質(zhì)瀝青性能，同時(shí)考慮到改性劑應(yīng)來源廣泛且價(jià)格低廉，本研究選用的改性劑主要有聚乙烯（PE）材料以及脫硫橡膠粉，均由貴州省某材料公司提供。有研究表明，如果兩種材料的溶解度參數(shù)相近，兩種材料則有較好的相容性，王飛2研究發(fā)現(xiàn)廢舊塑料與橡膠粉的溶解度參數(shù)相差很小，因此認(rèn)為兩者之間有較好的相容性。

由于PE材料具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部分子鏈結(jié)構(gòu)規(guī)整、排列緊密，分子間存在較大作用力，只有外界溫度達(dá)到其熔點(diǎn)之后內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)才開始破壞，PE材料發(fā)生溶解。因此使用PE材料制備改性瀝青可改善瀝青的高溫性能，提高路面在高溫、重載作用下抵抗變形的能力3。本文同時(shí)采用三種不同種類的PE材料進(jìn)行改性瀝青制備，以研究PE改性劑種類對(duì)改性瀝青性能影響。

表1 PE材料性能指標(biāo)

本研究使用廢舊橡膠粉主要由廢舊回收輪胎經(jīng)粉碎磨細(xì)得到，目數(shù)為30目，技術(shù)性能指標(biāo)如下表2所示。

表2 膠粉化學(xué)及物理技術(shù)指標(biāo)

3 橡塑復(fù)合改性瀝青工藝研究

3.1 脫硫橡膠改性瀝青制備

改性瀝青制備工藝主要包括：溶脹、剪切和發(fā)育等步驟，考慮到橡膠粉改性劑的特殊性，本次試驗(yàn)采用高速剪切+高溫發(fā)育的方法制備橡膠改性瀝青，脫硫橡膠粉摻量取16%~20%，步長為1%。脫硫橡膠瀝青制備工藝為：首先將基質(zhì)瀝青放入到135℃烘箱中加熱到流動(dòng)狀態(tài)，稱取樣品500g到杯子中，然后通過油浴鍋加熱，使瀝青樣品溫度達(dá)到170℃，緩慢加入脫硫橡膠粉；利用電動(dòng)攪拌器在400r/min的速率下勻速攪拌20min，使脫硫橡膠粉在基質(zhì)瀝青中分散均勻；攪拌完成之后，再移至高速剪切機(jī)上進(jìn)行剪切，剪切工藝選擇為剪切溫度170℃，剪切時(shí)間50min，剪切速率4500r/min。最后將樣品放入165℃烘箱中保溫1小時(shí)，脫硫橡膠改性瀝青制備完成。

指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如下圖1所示：

圖1 脫硫橡膠粉摻量對(duì)瀝青性能影響

分析圖1可得，脫硫橡膠瀝青各項(xiàng)性能隨脫硫橡膠粉摻量不同而發(fā)生顯著變化。在基質(zhì)瀝青中加入脫硫橡膠粉后，改性瀝青針入度變小，表明改性劑可使瀝青稠度增加，高溫性能增強(qiáng)；脫硫橡膠粉摻量越大，改性瀝青針入度值越小，瀝青粘稠性越高。5℃延度值、軟化點(diǎn)以及彈性恢復(fù)值隨著脫硫橡膠粉摻量增加而逐漸增大。此外，此四個(gè)指標(biāo)變化均表現(xiàn)為當(dāng)摻量大于18%之后，變化幅度減緩。因此，綜合考慮脫硫橡膠瀝青的高低溫性能及延展性，最終確定脫硫橡膠粉最優(yōu)摻量為18%。

2.2 橡塑復(fù)合改性瀝青制備及工藝研究

2.2.1 橡塑復(fù)合改性瀝青制備

對(duì)制備得到的脫硫橡膠改性瀝青進(jìn)行性能分析可知，脫硫橡膠粉可同時(shí)改善瀝青的高、低溫性能，但是對(duì)低溫性能改善效果比對(duì)高溫性能改善效果明顯，同時(shí)彈性恢復(fù)性能較差。因此可在脫硫橡膠改性瀝青中添加PE改性劑，改善瀝青的高溫性能及彈性恢復(fù)能力。選用不同種類PE材料分別對(duì)脫硫橡膠瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，可研究不同PE材料對(duì)改性瀝青性能改善情況。

有研究指出，由于PE材料密度小于瀝青，并且在高溫環(huán)境下容易粘結(jié)成團(tuán)，若制備工藝不佳，將在改性瀝青表面產(chǎn)生結(jié)塊成團(tuán)等現(xiàn)象，無法進(jìn)行剪切等后續(xù)工藝，影響改性瀝青制備。本研究在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，向脫硫橡膠改性瀝青中添加PE材料的同時(shí)，要對(duì)改性瀝青進(jìn)行低速攪拌，在添加完畢之后，立即進(jìn)行高速攪拌，可減少PE材料的結(jié)塊成團(tuán)現(xiàn)象。攪拌20min之后進(jìn)行高速剪切，工藝參數(shù)設(shè)置為剪切速率5500r/min，剪切時(shí)間60min，剪切溫度170℃。

PE材料摻量選擇為基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2%、3%、4%、5%、6%。下圖為橡塑復(fù)合改性瀝青隨PE材料摻量增加的性能變化情況，通過分析試驗(yàn)結(jié)果，選擇最優(yōu)的PE材料及摻量。

圖2 不同密度PE-脫硫橡膠復(fù)合改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果

分析試驗(yàn)結(jié)果可得：雖然PE改性劑種類不同，但是在脫硫橡膠改性瀝青中加入PE材料之后，復(fù)合改性瀝青的性能變化趨勢(shì)基本相同。性能變化表現(xiàn)為：隨著PE改性劑摻量增加，復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸變小，延度值逐漸降低，說明PE改性劑可使瀝青稠度增大，硬度增加；軟化點(diǎn)結(jié)果與針入度變化趨勢(shì)相反，隨著PE摻量增大，復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)逐漸增大，表明PE改性材料可改善瀝青高溫性能。

對(duì)比看來，使用高密度聚乙烯（HDPE）制備復(fù)合改性瀝青，雖然對(duì)改性瀝青高溫穩(wěn)定性改善效果明顯，但是也會(huì)顯著影響復(fù)合改性瀝青低溫性能；而使用線性低密度聚乙烯（LLDPE）制備復(fù)合改性瀝青，可以兼顧高、低溫兩方面的性能改善。同時(shí)結(jié)合日常工程經(jīng)驗(yàn)，若改性瀝青中PE摻量過大，將使改性瀝青粘度增加，影響施工和易性，存儲(chǔ)穩(wěn)定性變差，低溫條件下，變硬速度加快。因此，選擇使用線性低密度聚乙烯作為PE改性劑，同時(shí)考慮到改性效果以及成本經(jīng)濟(jì)性兩方面的因素，PE改性劑摻量取4%。

2.2.2 橡塑復(fù)合改性瀝青制備工藝研究

根據(jù)以上研究，脫硫橡膠粉的摻量選擇為18%，PE改性劑種類選擇為線性低密度聚乙烯（LLDPE），最佳摻量為4%。本節(jié)采用高速剪切攪拌方法制備橡塑復(fù)合改性瀝青，為降低制備工藝對(duì)復(fù)合改性瀝青性能影響，改善改性劑在基質(zhì)瀝青中的分散效果，通過正交試驗(yàn)，對(duì)制備工藝中剪切溫度、剪切時(shí)間以及剪切速率三因素進(jìn)行研究，以橡塑復(fù)合改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度等性能作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定橡塑復(fù)合改性瀝青制備工藝，具體正交試驗(yàn)組合如下表3所示。

表3 工藝優(yōu)化正交表

制備橡塑復(fù)合改性瀝青操作過程為：將基質(zhì)瀝青放到烘箱中加熱，待瀝青軟化后，稱取500g樣品到鋁杯中，然后放到油浴鍋中加熱至175℃。首先摻入瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的LLDPE材料，使用攪拌器慢速攪拌二十分鐘，攪拌完成之后，再添加基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%的脫硫橡膠粉，然后開始進(jìn)行剪切，工藝按照正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行，待剪切完畢后，將改性瀝青放置在165℃的烘箱中1小時(shí)進(jìn)行發(fā)育，以備性能檢測(cè)使用。

采用直觀分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究出各工藝因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度，挑選出滿足技術(shù)要求的工藝組合。

表4 工藝參數(shù)對(duì)各指標(biāo)影響

1）工藝參數(shù)對(duì)針入度的影響

從上表可以看出，剪切工藝對(duì)針入度值影響程度為：剪切溫度＞剪切時(shí)間＞剪切速率。針入度越小，表明復(fù)合改性瀝青的高溫性能越好。以針入度試驗(yàn)結(jié)果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)該選擇的工藝參數(shù)為剪切溫度160℃，剪切時(shí)間50min，剪切速率5000r/min。

2）工藝參數(shù)對(duì)延度的影響

工藝參數(shù)對(duì)瀝青延度值的影響程度為：剪切速率＞剪切時(shí)間＞剪切溫度。相關(guān)研究顯示改性瀝青延度越大，說明復(fù)合改性瀝青的低溫性能越好。以延度試驗(yàn)結(jié)果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)該選擇的工藝參數(shù)為剪切溫度170℃，剪切時(shí)間60min，剪切速率5500r/min。

3）工藝參數(shù)對(duì)軟化點(diǎn)的影響

根據(jù)極差值大小，得出工藝參數(shù)對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)值影響程度為：剪切溫度＞剪切速率＞剪切時(shí)間。研究認(rèn)為改性瀝青軟化點(diǎn)越大，復(fù)合改性瀝青高溫性能越好。以軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)該選擇的工藝參數(shù)為剪切溫度170℃，剪切時(shí)間40min，剪切速率5000r/min。

4）工藝參數(shù)對(duì)彈性恢復(fù)性能的影響

各工藝參數(shù)對(duì)橡塑復(fù)合改性瀝青的彈性恢復(fù)影響程度為：剪切溫度＞剪切時(shí)間＞剪切速率。改性瀝青彈性恢復(fù)能力越好，說明其在抗疲勞和抗反射裂縫方面有較大優(yōu)勢(shì)。因此經(jīng)過綜合分析，應(yīng)該選擇的工藝參數(shù)為剪切溫度180℃，剪切時(shí)間40min，剪切速率5500r/min。

5）工藝參數(shù)優(yōu)化綜合分析

由前述分析可得到四組較優(yōu)的工藝組合，所對(duì)應(yīng)的改性瀝青性能指標(biāo)如下表8所示：

表5 較優(yōu)工藝組合統(tǒng)計(jì)表

考慮到制備的復(fù)合改性瀝青應(yīng)具有較好的高、低溫性能，同時(shí)降低制備過程中能源消耗，減少基質(zhì)瀝青在高溫情況下發(fā)生老化的風(fēng)險(xiǎn)。通過分析正交試驗(yàn)結(jié)果，最終確定橡塑復(fù)合改性瀝青的制備工藝為：剪切溫度為170℃，剪切時(shí)間60min，剪切速率5500r/min。

3 總結(jié)

本章對(duì)原材料性能進(jìn)行檢測(cè)，并且在脫硫橡膠改性瀝青基礎(chǔ)上制備橡塑復(fù)合改性瀝青，對(duì)其制備工藝進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

（1）通過綜合對(duì)比脫硫橡膠改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度及彈性恢復(fù)性能指標(biāo)，最終確定脫硫橡膠粉最優(yōu)摻量為18%。

（2）在脫硫橡膠改性瀝青基礎(chǔ)之上，添加不同種類PE材料制備橡塑復(fù)合改性瀝青，通過分析橡塑復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)、針入度、延度和彈性恢復(fù)等技術(shù)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)線性低密度聚乙烯（LLDPE）可兼顧對(duì)復(fù)合改性瀝青高溫、低溫性能改善。因此PE改性劑確定選用線性低密度聚乙烯（LLDPE），最優(yōu)摻量為4%。

（3）根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，分析制備工藝對(duì)復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)、針入度、延度以及彈性恢復(fù)性能影響程度，最終確定制備工藝為：在170℃的基質(zhì)瀝青樣品中，加入瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的LLDPE改性劑，使用攪拌器慢速均勻攪拌20min，隨后添加基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%的脫硫橡膠粉開始剪切，設(shè)置剪切溫度170℃，剪切時(shí)間60min，剪切速率5500r/min，最后將改性瀝青放置在165℃的烘箱中1小時(shí)進(jìn)行發(fā)育。

[1]公晉芳,閆超超.橡塑復(fù)合改性瀝青及其混合料性能研究[J].新型建筑材料,2019,46(12):85-89+104.

[2]任瑞波,耿立濤,徐強(qiáng),王鵬.廢舊橡塑改性瀝青及混合料的技術(shù)性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2016,19(06):1092-1096+1110.

[3]涂娟,陳穎娣,章波,張樹領(lǐng),鄒進(jìn)忠.70號(hào)道路石油瀝青與其SBS改性瀝青性能關(guān)聯(lián)研究[J].石油瀝青,2015,29(01):39-43.

[4]王飛.基于廢舊橡塑高分子合金的穩(wěn)定型改性瀝青的機(jī)理研究[D].山東建筑大學(xué),2014.

[5]Song Wang,Jian Cheng Sun. The Exploration of the Optimal Manufacturing Conditions of PE Modified Asphalt[J]. Advanced Materials Research,2014,3031.

G322

A

1007-6344（2021）04-0324-03