橡塑复合改性沥青性质影响因素研究

吕文姝，王金勤，蔺习雄，彭煜

（1.中石油克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院，克拉玛依 834000；2.中石油云南石化有限公司，昆明 650000）

目前，我国对橡胶沥青的研究已自成体系。21世纪初，在国内多家高校及专业化企业的推动下，更是加速了橡胶沥青的研发，这些研究表明，废橡胶粉能够有效改善沥青及混合料的低温性能，但是对高温性能的改善有限[1-4]。提高橡胶粉的加入量可以进一步的改善路面性能同时能降低路面施工成本，但是高掺量的橡胶沥青黏度非常大，会增大施工难度。因此越来越多的研究开始向复合改性沥青方面发展。废旧塑料的污染问题同废旧橡胶一样尤为严重，众多学者努力尝试将废旧塑料加入到沥青中，发现废旧塑料可以较大程度上改善沥青高温性，且在一定程度上减少路面低温开裂现象，但与沥青的相容性差[5-6]。本研究以克拉玛依沥青为基质沥青，综合废橡胶粉和废旧聚乙烯的各自优势对沥青进行复合改性，考察最合适的改性剂配比，以期制备出同时兼备两种改性剂优点的橡塑复合改性沥青。

1 实验

1.1 实验原料

实验采用的基质沥青为克拉玛依70# 沥青。40 目废轮胎脱硫胶粉、废旧聚乙烯和SBS为改性剂，改性助剂由实验室自制。其中，基质沥青和废轮胎脱硫胶粉的基本性能分别见表1、2。

表1 基质沥青基本性质

表2 胶粉技术指标

1.2 样品的制备

将500 g 基质沥青和一定量的油性外掺剂加热到170～180 ℃，高速搅拌剪切下加入一定量的废橡胶粉和SBS，达到规定时间后，再加入一定量的废旧聚乙烯和自制的反应助剂，在一定温度下恒温搅拌反应一定时间，得到橡塑复合改性沥青样品。综合剪切效果和剪切机允许负荷，选择剪切机转速为5 000～6 000 r/min。

2 试验结果与分析

2.1 改性剂的加入量对沥青的影响

废橡胶粉、废旧聚乙烯对改性沥青针入度、软化点、延度的影响见图1～3。从图1可以看出：随着橡胶粉添加量的增加，针入度也随之增大。这是由于由于橡胶粉的加入，使得沥青胶体结构进一步向溶凝胶型及凝胶型结构发育，改变了原有沥青组分结构，从而使得针入度增加；当废旧聚乙烯加入量增加，改性沥青的针入度下降幅度很大，这是由于聚乙烯的增加，沥青体系结构变化，整体变硬，使得针入度减小。

从图2可以看出：随着橡胶粉添加量的增加，改性沥青软化点也随之缓慢增加。橡胶沥青主要由溶胀后的橡胶颗粒和沥青组成，橡胶颗粒之间没有强的化学粘结，随着橡胶粉的增加，吸收沥青中轻质组分后的橡胶颗粒逐渐增多，颗粒间相互靠拢、搭接，使得原有沥青组分的结构更加紧密，软化点越来越大；当废旧聚乙烯的加入量提高，改性沥青的软化点明显升高。有研究指出，130 ℃以上的聚乙烯颗粒呈线性聚合物的特性[7]。聚乙烯在熔融状态下与沥青中的轻质组分相互融合吸收，形成较之前更加严密的结构，最终改性沥青的高温性能显著改善。

由图3可见，橡胶粉的加入对改性沥青的低温性能有所改善。说明橡胶粉吸收沥青中的轻质组分而发生溶胀，再经过充分地搅拌剪切后，形成均匀分散体系，具有较好的延展性。当废橡胶粉添加量从7%提高至10%时，改性沥青的延度增加趋势越来越缓和，这是因为随着橡胶粉的增加，单位体积内的橡胶颗粒越来越多，逐渐达到饱和，所以对于延度的影响力逐渐减小，增加趋势变缓；聚乙烯的加入对改性沥青的影响与橡胶粉截然相反，随着聚乙烯的增加，改性沥青的延度显著减小，这是由聚乙烯性质决定的，在低温状态下，聚乙烯的抗变形能力大大减弱，加入到沥青中，与沥青轻质组分相互融合后形成的结构在5 ℃时脆性大大增强，因此聚乙烯的量越多，融合后的改性沥青在5 ℃的情况下拉伸试件越容易断裂。

图1 改性剂的掺入量对改性沥青针入度的影响

图2 改性剂的掺入量对改性沥青软化点的影响

图3 改性剂掺入量对改性沥青延度的影响

采用橡胶粉对沥青进行改性，发现其对沥青的高低温性能均有所改善，综合来看，选择橡胶粉的用量为7%为宜。废旧聚乙烯对沥青的影响程度大于橡胶粉，故需要在添加橡胶粉的基础上再次考察废旧聚乙烯对改性沥青的影响。

2.2 确定废旧聚乙烯的加入量

在7%橡胶粉、3%SBS 的基础上，改变废旧聚乙烯掺量，考察其对改性沥青的影响。为改善改性沥青的稳定性，在改性沥青中适当添加SBS，借助SBS 的网状结构，来限制橡胶粉颗粒和聚乙烯在沥青中的移动，从而提高改性沥青的各项性能，见图4～6。

图4 废旧聚乙烯加入量对沥青针入度的影响

图5 废旧聚乙烯加入量对沥青软化点的影响

图6 废旧聚乙烯加入量对沥青延度的影响

由图4可见，随着废旧聚乙烯加入量的增加，改性沥青针入度也随之减小，当废旧聚乙烯的加入量从1%到3%时，改性沥青的针入度下降趋势减缓。由图5可以看出，随着废旧聚乙烯加入量的增加，改性沥青软化点逐渐升高，在废旧聚乙烯的加入量由1%增加至3%时，改性沥青的软化点上升趋势变缓。从图6可以看出，废旧聚乙烯加入量对改性沥青延度的影响与其对针入度的影响基本保持一致，也是随着废旧聚乙烯的增加延度减小，在废旧聚乙烯的加入量由1%增加至3%时，改性沥青延度的下降趋势变缓。综合图4～6 来看，在SBS、橡胶粉存在的情况下，在沥青中添加废旧聚乙烯改善了改性沥青的高温性能。当橡胶粉吸收沥青中的轻质组分溶胀后，形成的均匀分散体系改善了沥青的低温性能；在添加废旧聚乙烯后，其同样与沥青中的轻质组分相互融合，再与橡胶颗粒形成的网状结构相互重组，形成了新的结构，SBS 的存在适当加固了橡胶颗粒和聚乙烯形成的新结构，从而改善了改性沥青的高温性能。而当废旧聚乙烯继续增加，又因为沥青中的轻质组分数量有限，造成沥青中的橡胶颗粒和聚乙烯达到饱和，因此对改性沥青的影响逐渐减缓。综上所述，最适宜的改性剂添加量为：SBS 3%，橡胶粉7%，废旧聚乙烯1%。

2.3 复合改性沥青性质

采用3%的SBS，7%的废橡胶粉和1%的废旧聚乙烯对克拉玛依70#沥青进行改性，试验结果见表3。

表3 橡塑复合改性沥青性质

从表3可以看出，以3%的SBS、7%的废橡胶粉和1%的废旧聚乙烯制备的橡塑复合改性沥青，关键分析指标基本可以达到SBS（I-D）的技术标准，且高低温性能均有一定的改善。

由于改性沥青的助剂、试验条件、各种类型的塑料等因素影响，橡塑复合改性沥青的结果还有许多可能，因此对于橡塑复合改性沥青的研究有待试验室进一步深入。

3 结论

a）研究了橡胶粉和废旧聚乙烯对沥青的改性情况，据试验数据优化出最适宜的添加量：3%的SBS，7%的废橡胶粉，1%的废旧聚乙烯。

b）以最适宜的改性剂加入量制备的橡塑复合改性沥青的关键数据基本可以达到SBS（I-D）的技术标准，说明废橡胶粉和废旧聚乙烯可以有效改善克拉玛依沥青的高低温性能。