橡塑復合改性瀝青性質影響因素研究

呂文姝，王金勤，藺習雄，彭煜

（1.中石油克拉瑪依石化有限責任公司煉油化工研究院，克拉瑪依 834000；2.中石油云南石化有限公司，昆明 650000）

目前，我國對橡膠瀝青的研究已自成體系。21世紀初，在國內多家高校及專業化企業的推動下，更是加速了橡膠瀝青的研發，這些研究表明，廢橡膠粉能夠有效改善瀝青及混合料的低溫性能，但是對高溫性能的改善有限[1-4]。提高橡膠粉的加入量可以進一步的改善路面性能同時能降低路面施工成本，但是高摻量的橡膠瀝青黏度非常大，會增大施工難度。因此越來越多的研究開始向復合改性瀝青方面發展。廢舊塑料的污染問題同廢舊橡膠一樣尤為嚴重，眾多學者努力嘗試將廢舊塑料加入到瀝青中，發現廢舊塑料可以較大程度上改善瀝青高溫性，且在一定程度上減少路面低溫開裂現象，但與瀝青的相容性差[5-6]。本研究以克拉瑪依瀝青為基質瀝青，綜合廢橡膠粉和廢舊聚乙烯的各自優勢對瀝青進行復合改性，考察最合適的改性劑配比，以期制備出同時兼備兩種改性劑優點的橡塑復合改性瀝青。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗采用的基質瀝青為克拉瑪依70# 瀝青。40 目廢輪胎脫硫膠粉、廢舊聚乙烯和SBS為改性劑，改性助劑由實驗室自制。其中，基質瀝青和廢輪胎脫硫膠粉的基本性能分別見表1、2。

表1 基質瀝青基本性質

表2 膠粉技術指標

1.2 樣品的制備

將500 g 基質瀝青和一定量的油性外摻劑加熱到170～180 ℃，高速攪拌剪切下加入一定量的廢橡膠粉和SBS，達到規定時間后，再加入一定量的廢舊聚乙烯和自制的反應助劑，在一定溫度下恒溫攪拌反應一定時間，得到橡塑復合改性瀝青樣品。綜合剪切效果和剪切機允許負荷，選擇剪切機轉速為5 000～6 000 r/min。

2 試驗結果與分析

2.1 改性劑的加入量對瀝青的影響

廢橡膠粉、廢舊聚乙烯對改性瀝青針入度、軟化點、延度的影響見圖1～3。從圖1可以看出：隨著橡膠粉添加量的增加，針入度也隨之增大。這是由于由于橡膠粉的加入，使得瀝青膠體結構進一步向溶凝膠型及凝膠型結構發育，改變了原有瀝青組分結構，從而使得針入度增加；當廢舊聚乙烯加入量增加，改性瀝青的針入度下降幅度很大，這是由于聚乙烯的增加，瀝青體系結構變化，整體變硬，使得針入度減小。

從圖2可以看出：隨著橡膠粉添加量的增加，改性瀝青軟化點也隨之緩慢增加。橡膠瀝青主要由溶脹后的橡膠顆粒和瀝青組成，橡膠顆粒之間沒有強的化學粘結，隨著橡膠粉的增加，吸收瀝青中輕質組分后的橡膠顆粒逐漸增多，顆粒間相互靠攏、搭接，使得原有瀝青組分的結構更加緊密，軟化點越來越大；當廢舊聚乙烯的加入量提高，改性瀝青的軟化點明顯升高。有研究指出，130 ℃以上的聚乙烯顆粒呈線性聚合物的特性[7]。聚乙烯在熔融狀態下與瀝青中的輕質組分相互融合吸收，形成較之前更加嚴密的結構，最終改性瀝青的高溫性能顯著改善。

由圖3可見，橡膠粉的加入對改性瀝青的低溫性能有所改善。說明橡膠粉吸收瀝青中的輕質組分而發生溶脹，再經過充分地攪拌剪切后，形成均勻分散體系，具有較好的延展性。當廢橡膠粉添加量從7%提高至10%時，改性瀝青的延度增加趨勢越來越緩和，這是因為隨著橡膠粉的增加，單位體積內的橡膠顆粒越來越多，逐漸達到飽和，所以對于延度的影響力逐漸減小，增加趨勢變緩；聚乙烯的加入對改性瀝青的影響與橡膠粉截然相反，隨著聚乙烯的增加，改性瀝青的延度顯著減小，這是由聚乙烯性質決定的，在低溫狀態下，聚乙烯的抗變形能力大大減弱，加入到瀝青中，與瀝青輕質組分相互融合后形成的結構在5 ℃時脆性大大增強，因此聚乙烯的量越多，融合后的改性瀝青在5 ℃的情況下拉伸試件越容易斷裂。

圖1 改性劑的摻入量對改性瀝青針入度的影響

圖2 改性劑的摻入量對改性瀝青軟化點的影響

圖3 改性劑摻入量對改性瀝青延度的影響

采用橡膠粉對瀝青進行改性，發現其對瀝青的高低溫性能均有所改善，綜合來看，選擇橡膠粉的用量為7%為宜。廢舊聚乙烯對瀝青的影響程度大于橡膠粉，故需要在添加橡膠粉的基礎上再次考察廢舊聚乙烯對改性瀝青的影響。

2.2 確定廢舊聚乙烯的加入量

在7%橡膠粉、3%SBS 的基礎上，改變廢舊聚乙烯摻量，考察其對改性瀝青的影響。為改善改性瀝青的穩定性，在改性瀝青中適當添加SBS，借助SBS 的網狀結構，來限制橡膠粉顆粒和聚乙烯在瀝青中的移動，從而提高改性瀝青的各項性能，見圖4～6。

圖4 廢舊聚乙烯加入量對瀝青針入度的影響

圖5 廢舊聚乙烯加入量對瀝青軟化點的影響

圖6 廢舊聚乙烯加入量對瀝青延度的影響

由圖4可見，隨著廢舊聚乙烯加入量的增加，改性瀝青針入度也隨之減小，當廢舊聚乙烯的加入量從1%到3%時，改性瀝青的針入度下降趨勢減緩。由圖5可以看出，隨著廢舊聚乙烯加入量的增加，改性瀝青軟化點逐漸升高，在廢舊聚乙烯的加入量由1%增加至3%時，改性瀝青的軟化點上升趨勢變緩。從圖6可以看出，廢舊聚乙烯加入量對改性瀝青延度的影響與其對針入度的影響基本保持一致，也是隨著廢舊聚乙烯的增加延度減小，在廢舊聚乙烯的加入量由1%增加至3%時，改性瀝青延度的下降趨勢變緩。綜合圖4～6 來看，在SBS、橡膠粉存在的情況下，在瀝青中添加廢舊聚乙烯改善了改性瀝青的高溫性能。當橡膠粉吸收瀝青中的輕質組分溶脹后，形成的均勻分散體系改善了瀝青的低溫性能；在添加廢舊聚乙烯后，其同樣與瀝青中的輕質組分相互融合，再與橡膠顆粒形成的網狀結構相互重組，形成了新的結構，SBS 的存在適當加固了橡膠顆粒和聚乙烯形成的新結構，從而改善了改性瀝青的高溫性能。而當廢舊聚乙烯繼續增加，又因為瀝青中的輕質組分數量有限，造成瀝青中的橡膠顆粒和聚乙烯達到飽和，因此對改性瀝青的影響逐漸減緩。綜上所述，最適宜的改性劑添加量為：SBS 3%，橡膠粉7%，廢舊聚乙烯1%。

2.3 復合改性瀝青性質

采用3%的SBS，7%的廢橡膠粉和1%的廢舊聚乙烯對克拉瑪依70#瀝青進行改性，試驗結果見表3。

表3 橡塑復合改性瀝青性質

從表3可以看出，以3%的SBS、7%的廢橡膠粉和1%的廢舊聚乙烯制備的橡塑復合改性瀝青，關鍵分析指標基本可以達到SBS（I-D）的技術標準，且高低溫性能均有一定的改善。

由于改性瀝青的助劑、試驗條件、各種類型的塑料等因素影響，橡塑復合改性瀝青的結果還有許多可能，因此對于橡塑復合改性瀝青的研究有待試驗室進一步深入。

3 結論

a）研究了橡膠粉和廢舊聚乙烯對瀝青的改性情況，據試驗數據優化出最適宜的添加量：3%的SBS，7%的廢橡膠粉，1%的廢舊聚乙烯。

b）以最適宜的改性劑加入量制備的橡塑復合改性瀝青的關鍵數據基本可以達到SBS（I-D）的技術標準，說明廢橡膠粉和廢舊聚乙烯可以有效改善克拉瑪依瀝青的高低溫性能。