废胶粉和塑料(EVA)双改性沥青性能研究

2022-06-07茆一鸣田永静沈菊男

公路工程 2022年2期

茆一鸣,田永静,沈菊男

(苏州科技大学，江苏苏州 215000)

0 引言

近年来，因为道路交通量的急剧增加，造成沥青路面的破坏较为严重，所以要想满足现代交通的要求必须改善基础沥青的性能。目前，国内外学者采用聚合物作为改性剂以达到提高沥青的路用性能的研究越来越多[1-5]，而废旧材料是最常用的改性剂之一。随着我国居民生活质量水平的提高,垃圾的产生量也逐年增加，尤其是废轮胎和塑料的堆积填埋对环境的地下水产生严重污染，而废胶粉凭借固废重利用，成本低，且降低路面噪音而被广泛研究[6-7]。但研究者发现单掺废胶粉改性沥青在低温环境下容易产生裂缝，且在高温时抵抗永久变形的性能不足，这阻碍了废胶粉在沥青中的普遍使用[8-10]。乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)是具有较好的弹性，且与沥青有较好相容性的一种热塑性塑料。研究表明[11-13]EVA聚合物通过其链段在沥青中形成空间网络结构来提高沥青的抗剪切性能，并且有效地提高了沥青的高温性能。范维玉[14]等研究了不同EVA含量对基质沥青相容性，研究结果发现EVA能够与沥青相溶，提高了沥青的抗车辙因子，改性沥青的综合性能相对较好。

尽管近年来已有研究者对废胶粉与EVA复合改性沥青制备工艺的研究并且表明不同制备工艺对其性能影响较为明显[15]，但缺少对其低温柔韧性、高温流变性能的研究，尤其是缺少抵抗热氧老化性能的研究。因此，基于废胶粉和EVA分别对沥青改性的优缺点，本文提出使用EVA与废胶粉复合改性2种不同的基质沥青，从常规指标、弯曲梁流变测试(BBR)、动态剪切流变测试(DSR)、旋转薄膜老化测试和傅立叶红外光谱等方面对这种新型复合改性沥青的性能和机理分析，以便于对研究后续的混合料性能提供基础研究。

1 材料与测试方法

1.1 沥青

本研究采用的70#基质沥青分别是双龙和壳牌，相关技术指标见表1。

表1 70#基质沥青指标Table 1 70# base asphalt indicators 类别针入度(25 ℃)/(0.1 mm)软化点/℃动力黏层(60 ℃)/(Pa·s)延度(5 cm/min,15 ℃)/mm双龙6548182107壳牌6751214106规范要求60 ～ 80≥46≥180≥100

1.2 废胶粉

本试验使用的废胶粉购买于苏州某公司生产的80目胶粉，其物理性质如下：灰分含量7.9%,水分0.8%,表观密度0.377 g /cm3。

1.3 乙烯醋酸-乙烯共聚物(EVA)

VA质量分数28%，购于广东某公司。

1.4 试样制备工艺

首先准备试验材料(废胶粉、塑料EVA、基质沥青)，基质沥青400 g，8%废胶粉(占沥青质量比， 32 g)、2%、4%、6%的塑料EVA(占沥青质量比， 8、 16、 24 g)。将基质沥青加热融化，添加相应掺量的废胶粉搅拌5 min，待温度达到180 ℃后，在高速剪切机以4 500 r/min的转速下剪切40min，再添加EVA同样的转速剪切20 min后低速搅拌10 min，最后放入160 ℃的烘箱发育1 h，制得不同掺量的废胶粉/废塑料EVA复合改性沥青。为了方便记录对复合改性沥青编号如表2所示。

表2 复合改性沥青编号Table 2 Hybrid modified bindersnumber编号废胶粉质量比/%EVA质量比/%8-0808-2828-4848-686

2 试验结果与讨论

2.1 针入度

在温度25 ℃下，针入度值大于3 mm时，路面则表现出较好的抵抗剪切破坏的能力。试验采用双龙和壳牌2种不同的基质沥青改性，各改性沥青的针入度值如图1所示。

图1 25 ℃针入度变化趋势图Figure 1 25 ℃ Penetration change trend graph

结合图1中分析得出，2种不同的基质沥青改性所得复合改性沥青的针入度值整体变化规律相似，在添加8%的废胶粉后，2种不同品牌的改性沥青的针入度值均下降。随着EVA含量上升，复合改性沥青的针入度值继续降低，原因是废胶粉在沥青中形成了三维网络结构，EVA填充了该网络结构从而提高了沥青的黏层，所以最终复合改性沥青的针入度值降低，但当EVA掺量达到6%时，针入度值过低，反而会影响路面的抗低温性能，不能够满足路用性能的要求。

2.2 软化点

结合图2可以看出改性剂掺量的增加，沥青软化点都是升高的趋势，说明废胶粉和EVA能改善沥青高温性能。使用双龙的8-6复合改性沥青的软化点从双龙基质沥青的48.3 ℃升高至68.8 ℃，提高近42%，且比8-0改性沥青的57.8 ℃提高了19%，其根本原因是EVA掺入比例增加，阻碍了沥青分子在加热条件下运动，从而改善了复合改性沥青的热稳定性，但8-4复合改性沥青的软化点与8-6的复合改性沥青仅相差1%，乙烯-共聚物-醋酸乙烯链相互连接，其极性可能允许一定程度的聚合物溶胀，但分析表明聚合物与沥青的相互作用程度仍然有限。而在同一掺量8-6复合改性沥青，壳牌的改性沥青软化点比双龙的改性沥青高约5%，壳牌的改性效果在高温变形能力方面依旧优于双龙改性效果。

图2 软化点趋势图Figure 2 Softening point trend graph

2.3 延度

5 ℃延度是表征沥青低温延展性的指标，是指沥青受水平荷载致其破裂前的最大拉伸长度。各复合改性沥青的延度值如图3所示。

图3 5 ℃延度变化趋势图Figure 3 5 ℃ductility change trend graph

从图3中可以看出：不同改性沥青的延度值呈先上升后下降趋势。8%废胶粉双龙改性沥青的延度值比双龙基质沥青增大约1.1 cm，原因是废胶粉与沥青的密度不同，高温加热时废胶粉在沥青中上浮使得胶粉颗粒在沥青表面中积聚，从而应力集中导致断裂。双龙的8-2的改性沥青比单掺8-0双龙改性沥青的延度值提高了约49%，而壳牌的8-2改性沥青延度值比8-0壳牌改性沥青增大约46%，说明EVA的掺入可以改善在低温情况下沥青的柔韧性，但当EVA掺量达到6%时，延度值下降。壳牌的复合改性沥青在低温抗开裂性能方面改性效果更佳。

2.4 弯曲梁流变试验

由于大气温度的温差变化使面层的抗拉强度小于来自基层的约束力，造成路面的开裂，严重缩短了沥青路面的寿命。本文根据美国SHRP计划中的低温弯曲梁流变试验来评价沥青的低温开裂性能。通过式(1)计算得出的蠕变劲度S和蠕变速率m来评价改性沥青的性能。

(1)

式中：S(t)为随时间变化的蠕变劲度，t=60 s;P为施加的恒定荷载，980 mN；b为小梁宽度，m;h为小梁高度，m;L为简支梁跨径，m;δ为随时间t变化的跨中挠度，m[16]。

图4 12 ℃不同沥青低温蠕变劲度S和蠕变速率mFigure 4 S and m of different modified asphalt at-12 ℃

由图4分析可知，所有沥青的蠕变劲度S值和蠕变速率m值都在规范要求范围内，说明该复合改性沥青满足了在低温下的性能要求。添加8%废胶粉改性沥青的S值增加，蠕变速率m值降低，是因为废胶粉在沥青中分散集中应力的能力减弱，废胶粉添加降低了沥青的应力松弛能力。然而随着EVA掺量的增加，复合改性沥青S值相对降低再上升，蠕变速率m值先上升再下降趋势，当EVA掺量达到6%时，复合改性沥青的S值上升和m值下降，复合改性沥青的柔韧性与应力松弛性能相对减弱，因为EVA主链中存在来自短乙烯序列的结晶，它在嵌段弹性体中充当刚性，所以过多的EVA掺量会影响改性的效果[17]。

2.5 复合改性沥青的老化性能及微观分析

沥青在搅拌摊铺过程中会产生一定程度的老化，会对沥青的路用性能产生影响，因此，选用动态剪切流变仪评价EVA对废胶粉改性沥青的抗老化性能，最后利用红外光谱对改性沥青微观分析。

2.5.1基于流变性能评价老化影响

沥青样品短期热氧老化前后的流变性能试验结果如表3所示，由于抗车辙因子随着EVA的掺量的增加而提高，所以此处只对比8-6双改性沥青。根据表3可分析得出，相同的温度下，添加8%废胶粉能够提高沥青的抗车辙因子G*/sinδ值，同时在8%的废胶粉基础上再添加6%的EVA能够显著增加改性沥青的抗车辙因子G*/sinδ值，使用双龙改性的8-6复合改性沥青比双龙的单掺8%的废胶粉改性沥青的抗车辙因子G*/sinδ值提高约58.8%，而使用壳牌改性的改性沥青其8-6的复合改性沥青抗车辙因子值提高约1倍，因此EVA的掺入对改善沥青的高温性能具有积极作用，且使用壳牌基质沥青改性的效果更佳。同时，随着温度的升高，所有复合改性沥青抗车辙因子G*/sinδ值都呈现下降的趋势，可得出温度升高对改性沥青的抗车辙性能具有消极作用。

表3 改性沥青老化前后抗车辙因子试验结果Table 3 Test results of anti-rutting factor of modified asphalt before and after aging沥青种类不同温度下(℃)老化前G*/sin δ/kPa不同温度下(℃)老化后G*/sin δ/kPa586470765864707670#基质沥青2.891.310.610.384.892.291.110.73双龙8-05.302.531.200.528.163.981.940.878-68.475.152.741.3811.106.903.751.9470#基质沥青2.551.160.560.324.201.981.000.60壳牌8-07.353.631.770.9310.005.042.531.358-614.918.955.303.1616.5410.296.523.95

本文采用指数Gratio衡量EVA对复合改性沥青抵抗热氧老化的影响，其中Gratio[18]按式(2)计算得出，Gratio值越低表明沥青抵抗热氧老化的能力越佳，反之，则越差。

(2)

式中：G*为复数模量；δ为相位角。

不同类型的改性沥青样品在4种温度下Gratio值如图5所示。从图5中很明显看出基质沥青随着温度的增加，Gratio值变大且变化趋势较为明显，且在4个温度下基质沥青Gratio值都大于其他改性沥青，说明基质沥青抵抗热氧老化能力最差。而相比较8%的废胶粉改性沥青Gratio值，无论是使用双龙还是壳牌的8-6复合改性沥青时Gratio值都处于较低水平，且随着温度的增加而增大。由此可得废胶粉改性沥青的抗老化性能被EVA有效改善，且壳牌的复合改性沥青效果更佳，这与其他试验结果也较为吻合。

图5 不同温度下沥青样品Gratio值Figure 5 Gratio value of asphalt samples at different temperatures

2.5.2改性沥青微观分析

采用红外光谱测试不同掺量的复合改性沥青化学成分进行评价对于研究微观改性机理是至关重要的。为了便于分析，此处选用改性效果较好的壳牌的复合改性沥青作为分析对象。

基质沥青和复合改性沥青的红外光谱图如图6所示，其中基质沥青和8%废胶粉改性沥青在3 440 cm-1附近产生单个且较为宽的峰，分析其原因是

图6 改性沥青的红外光谱图Figure 6 Infrared spectrum of modified asphalt

空气湿度较大，KBr吸收水分而产生的吸收峰。而最显著和吸收强度最高的是2 925 cm-1和2 853 cm-1处的特征峰，可以肯定是沥青里面的饱和烃，以及其衍生物官能团C-H的伸缩振动，但是这2处的特征峰在老化以后增强，是因为复合改性沥青在老化过程中因高分子长链化合物的链段发生分解同时与小分子脱氢缩合反应导致这2个基团含量均增多[19]。相比较基质沥青，复合改性沥青在1 738 cm-1和1 244 cm-1处产生特征峰，这是EVA的C=O键伸缩振动和C-H键弯曲振动所造成的。在2300～1 500 cm-1波段之间是芳香分的不饱和键振动引起的特征峰，而掺加废胶粉和EVA的复合改性沥青在该波段的特征峰吸收降低，说明该复合改性沥青是EVA、胶粉与沥青同时吸收芳香分达到平衡状态所形成物理混溶的胶态结构。