废胶粉/聚乙烯复合改性沥青性能研究

李活 李瑞娇 黄东海

摘要：文章以废旧轮胎橡胶粉及聚乙烯颗粒为改性剂原料，70#基质沥青为沥青原料，以高温性能、低温性能及施工性能为评价指标，利用高速剪切法以及正交实验设计，分别制备了不同掺量的复合改性沥青，得出适合聚乙烯/废胶粉复合改性沥青的加工工艺指标，并研究了聚乙烯及废胶粉在不同掺量条件下的复合改性沥青性能。实验结果表明：建议的加工温度为180 ℃～190 ℃，剪切速率为4 500 rad/min，剪切时间为1.5 h，废胶粉和聚乙烯掺量分别为10%和2%。

关键词：聚乙烯;废胶粉;复合改性沥青;正交试验

0 引言

废旧轮胎以及废旧塑料是人类在社会生活过程中产生的废弃物，两者在自然界均是作为一种产量巨大且难以降解消耗的物质存在，已经带来了严重的环境污染。而道路相关工作者的研究表明，无论是废旧轮胎制成的废胶粉还是废旧塑料回收的聚乙烯，都可以作为沥青中的改性剂进行回收利用。张巨松等人通过高速剪切法将LDPE分散在沥青当中进行研究，发现制备的LDPE沥青韧性与抗老化性较好[1]。颜可珍等人也利用正交试验原理，以废轮胎橡胶粉和LDPE为改性剂，通过高速剪切法制备了不同工艺条件下的废胶粉/聚乙烯复合改性沥青，并给出了推荐掺量[2]。

本文在参考相关研究基础上[3-5]，将聚乙烯中的LLDPE与废胶粉复配进行研究，以高温性能、低温性能以及施工性能为评价指标，通过正交试验设计进行分析确定最佳加工条件，再进一步分析其掺量对性能的影响。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

本文采用国产某品牌70#基质沥青进行沥青的加工，其技术指标如下页表1所示，其各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG E20-2004）中规范要求。聚乙烯采用的是产自大庆石化的线性低密度聚乙烯（LLDPE），其技术指标如下页表2所示。废胶粉为常温粉碎法制成的30～60目废轮胎橡胶粉，其技术指标如下页表3所示。稳定剂为常规硫化物。

1.2 试验方案

将废胶粉及聚乙烯作为改性剂加入到基质沥青中制备复合改性沥青。其制备流程如下：将沥青加热至预定温度下的流动状态，依次加入废胶粉及聚乙烯进行普通搅拌混溶，一定时间后再接着进行高速剪切，剪切完毕后在一定温度下加入穩定剂进行普通搅拌发育完全即可。通过综合相关研究发现，在加工过程中，加工温度、剪切速率以及剪切时间为三个主要加工影响因素。为确保加工效果，在固定废胶粉、聚乙烯、稳定剂的掺配比例下（采用外掺法，分别为基质沥青的15%、3%、1.5%），采用正交设计方法对三个加工因素进行试验设计（如表4所示），以针入度、软化点为高温性能评价指标，延度为低温性能评价指标，180 ℃旋转黏度为施工性能评价指标，最终得出聚乙烯/废胶粉复合改性沥青的最佳加工工艺。在最佳加工工艺基础上，通过调整废胶粉及聚乙烯的掺量条件并观察其性能变化，以确定改性剂的最佳掺量。

2 试验结果及分析

2.1 加工工艺结果与分析

正交因素设计如表4所示，相关试验结果及数据直观分析如表5、表6所示。

在正交试验结果的直观分析中，极差大小代表了各因素对指标结果的影响程度，极差越大表示影响越大。而均值Ki则表示该水平下的平均值，在不同水平下，选取与指标相对应的K值为该因素下水平最佳取值。以针入度为例，不同因素对针入度指标的影响程度为：加工温度=剪切时间>剪切速率。而K值越大意味着针入度值越大，其最佳组合为A1C3B1。依据此原理，可以得出不同指标下各因素影响程度及其最优参数组合，具体如表7表示。

从表7可以看出，无论是针入度、软化点、延度还是180 ℃旋转黏度，其各因素影响程度均为：加工温度>剪切时间>剪切速率。但针对不同指标，在其具体水平参数上仍然有些许不同。为确定一个最佳的参数组合，需要再综合各项原则进行平衡选取。如将某指标作为主要影响因素，应取该因素作为主因素选取其最优水平组合，若某因素对各指标影响程度相差均不大，则按“少数服从多数”的原则，取出现次数较多的水平组合，同时也需要兼顾考虑成本等因素。综合各项因素，选取A3 C3 B3这个参数水平为最佳加工工艺，即加工温度为180 ℃～190 ℃，剪切速率为4 500 r/min，剪切时间为1.5 h。

2.2 复合改性沥青性能

在确定了复合改性沥青加工的最佳工艺基础上，分别对不同掺量的废胶粉与聚乙烯进行复配，并研究其性能变化。废胶粉的掺量分别为0%、10%、15%、20%，每种掺量废胶粉均分别加入0%、2%、3%、4%的低密度聚乙烯。其具体结果如下：

2.2.1 高温性能

针入度是用来评价沥青软硬程度的指标，而软化点是一个等粘温度的概念，与沥青的高温稳定性有关，两者均是沥青三大指标中的关键指标之一。从图1及图2的结果来看，在沥青中掺入废胶粉和聚乙烯后，随着掺量逐渐增多，针入度逐渐减小，而软化点逐渐增加。固定某一改性剂的掺量后，随着另一种改性剂的掺量增加也呈现出相同规律。针入度及软化点的指标变化表明改性剂的加入在基质沥青中产生反应导致空间结构变化，进而对性能产生影响。废胶粉/聚乙烯复合改性沥青的针入度比单一掺入改性剂的要低，而软化点要更高。这是因为LDPE加入到预定温度的沥青后，由于热力和机械剪切力的共同作用，其状态由晶态变为非晶态，同时均匀地分布在沥青中，在吸收沥青中的轻质组分后发生溶胀，与橡胶粉溶胀后形成的絮状结构连接在一起形成交联网状结构，限制了沥青胶体的流动，增加了其抵抗外力的能力，从而提高沥青的稠度、高温稳定性和抵抗变形的能力。

2.2.2 低温性能

延度是沥青三大指标中评价沥青低温性能的关键指标之一，具有简单、直观、有效的特点。本文采用5 ℃温度条件下，拉伸速度为5 cm/min进行试验。由图3可知，复合改性沥青的延度随着废胶粉和聚乙烯的加入增加而逐渐减小。单一改性剂的加入也是呈现出相同的变化规律，这主要是因为胶粉在沥青中的反应是以溶胀为主，而废胶粉掺量比例过大，在充分吸收了沥青中的轻质组分后，使得沥青变硬，导致其延度降低。而相关研究表明，聚乙烯本身对高温稳定性起促进作用，但对5 ℃左右的低温性能改善不明显。两者复配在一起后，随着掺量的增加，这一趋势表现得更加明显。

2.2.3 施工性能

橡膠改性沥青的黏度试验通常采用180 ℃作为试验温度，主要是考虑胶粉与沥青混溶过程中的脱硫反应过程特点，在该温度下的旋转黏度测试值较为平稳，更具备工程适用性。废胶粉/聚乙烯复合改性沥青中胶粉比例占主要部分，且暂无废胶粉/聚乙烯复合改性沥青的相关规范，考虑将180 ℃旋转黏度作为其施工性能评价指标是较为合适的。如图4所示，复合改性沥青的180 ℃旋转黏度随着废胶粉和聚乙烯的加入增大而逐渐增大，就单一改性剂的加入而言，也是呈现出相同的规律。沥青黏度是一种流变学性能的反映，与高温性能有很大联系，这点从之前的软化点指标分析中得到了印证。除此之外，旋转黏度试验也可用来评价改性沥青的泵送能力，沥青黏度过大，施工时可能会导致施工困难，因此必须设置一定的黏度上限要求。橡胶改性沥青相关规范的规定通常是2～5 Pa·s，而从施工实际效果来看，黏度值在3 Pa·s左右泵送效果更好。从图4的数据来看，15%及20%废胶粉掺量下的各复合改性沥青普遍超出了这个范围，综合前述三大指标的分析，在考虑实际施工情况下，10%的废胶粉掺量是较为合适的。

3 结语

（1）以沥青性能三大指标及180 ℃旋转黏度评价指标，通过正交试验设计及其数据分析，废胶粉/聚乙烯复合改性沥青的影响因素排序为：加工温度>剪切时间>剪切速率，其最佳加工条件为加工温度180 ℃～190 ℃，剪切速率4 500 r·min-1，剪切时间为1.5 h。

（2）废胶粉/聚乙烯复合改性沥青与掺加单一改性剂的改性沥青相比，其针入度更小、软化点更高，180 ℃旋转黏度更大，并且这种趋势随着掺量的增加更加明显，这表明其高温性能更好。但是另一方面对其延度改善作用不大，甚至呈负相关性，对其低温性能有一定影响。同时施工性能是一项决定性因素，180 ℃旋转黏度过大将导致其泵送效果差。综合各项性能指标，建议废胶粉/聚乙烯复合改性沥青的废胶粉掺量为10%、聚乙烯掺量为2%。

参考文献：

[1]张巨松，王文军，赵宏伟，等.聚乙烯和聚乙烯胶粉复合改性沥青的实验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2007，106（2）：267-270.

[2]颜可珍，胡 玥，王曾光，等.废胶粉/再生低密度聚乙烯复合改性沥青研究[J].建筑材料学报，2017，101（1）：145-149.

[3]许洪彬.废胶粉及再生低密度聚乙烯复合改性沥青性能研究[D].长沙：湖南大学，2015.

[4]富丽萍，冯国辉，宋成军，等.废旧聚乙烯/废胶粉复合改性沥青性能研究[J].中国石油和化工标准与质量，2012，281（15）：40-41.

[5]吕智超，张宏雷，张 勇，等.热剪切对聚乙烯/胶粉共混物结构演变及性能的影响[J].合成橡胶工业，2012，35（2）：128-132.