廢膠粉和塑料(EVA)雙改性瀝青性能研究

茆一鳴,田永靜,沈菊男

(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

近年來，因?yàn)榈缆方煌康募眲≡黾樱斐蔀r青路面的破壞較為嚴(yán)重，所以要想滿足現(xiàn)代交通的要求必須改善基礎(chǔ)瀝青的性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者采用聚合物作為改性劑以達(dá)到提高瀝青的路用性能的研究越來越多[1-5]，而廢舊材料是最常用的改性劑之一。隨著我國居民生活質(zhì)量水平的提高,垃圾的產(chǎn)生量也逐年增加，尤其是廢輪胎和塑料的堆積填埋對環(huán)境的地下水產(chǎn)生嚴(yán)重污染，而廢膠粉憑借固廢重利用，成本低，且降低路面噪音而被廣泛研究[6-7]。但研究者發(fā)現(xiàn)單摻廢膠粉改性瀝青在低溫環(huán)境下容易產(chǎn)生裂縫，且在高溫時抵抗永久變形的性能不足，這阻礙了廢膠粉在瀝青中的普遍使用[8-10]。乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)是具有較好的彈性，且與瀝青有較好相容性的一種熱塑性塑料。研究表明[11-13]EVA聚合物通過其鏈段在瀝青中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來提高瀝青的抗剪切性能，并且有效地提高了瀝青的高溫性能。范維玉[14]等研究了不同EVA含量對基質(zhì)瀝青相容性，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)EVA能夠與瀝青相溶，提高了瀝青的抗車轍因子，改性瀝青的綜合性能相對較好。

盡管近年來已有研究者對廢膠粉與EVA復(fù)合改性瀝青制備工藝的研究并且表明不同制備工藝對其性能影響較為明顯[15]，但缺少對其低溫柔韌性、高溫流變性能的研究，尤其是缺少抵抗熱氧老化性能的研究。因此，基于廢膠粉和EVA分別對瀝青改性的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出使用EVA與廢膠粉復(fù)合改性2種不同的基質(zhì)瀝青，從常規(guī)指標(biāo)、彎曲梁流變測試(BBR)、 動態(tài)剪切流變測試(DSR)、旋轉(zhuǎn)薄膜老化測試和傅立葉紅外光譜等方面對這種新型復(fù)合改性瀝青的性能和機(jī)理分析，以便于對研究后續(xù)的混合料性能提供基礎(chǔ)研究。

1 材料與測試方法

1.1 瀝青

本研究采用的70#基質(zhì)瀝青分別是雙龍和殼牌，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 70#基質(zhì)瀝青指標(biāo)Table 1 70# base asphalt indicators 類別針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃動力黏層(60 ℃)/(Pa·s)延度(5 cm/min,15 ℃)/mm雙龍6548182107殼牌6751214106規(guī)范要求60 ～ 80≥46≥180≥100

1.2 廢膠粉

本試驗(yàn)使用的廢膠粉購買于蘇州某公司生產(chǎn)的80目膠粉，其物理性質(zhì)如下：灰分含量7.9%,水分0.8%,表觀密度0.377 g /cm3。

1.3 乙烯醋酸-乙烯共聚物(EVA)

VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%，購于廣東某公司。

1.4 試樣制備工藝

首先準(zhǔn)備試驗(yàn)材料(廢膠粉、 塑料EVA、 基質(zhì)瀝青)，基質(zhì)瀝青400 g，8%廢膠粉(占瀝青質(zhì)量比， 32 g)、2%、4%、6%的塑料EVA(占瀝青質(zhì)量比， 8、 16、 24 g)。將基質(zhì)瀝青加熱融化，添加相應(yīng)摻量的廢膠粉攪拌5 min，待溫度達(dá)到180 ℃后，在高速剪切機(jī)以4 500 r/min的轉(zhuǎn)速下剪切40min，再添加EVA同樣的轉(zhuǎn)速剪切20 min后低速攪拌10 min，最后放入160 ℃的烘箱發(fā)育1 h，制得不同摻量的廢膠粉/廢塑料EVA復(fù)合改性瀝青。為了方便記錄對復(fù)合改性瀝青編號如表2所示。

表2 復(fù)合改性瀝青編號Table 2 Hybrid modified bindersnumber編號廢膠粉質(zhì)量比/%EVA質(zhì)量比/%8-0808-2828-4848-686

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 針入度

在溫度25 ℃下，針入度值大于3 mm時，路面則表現(xiàn)出較好的抵抗剪切破壞的能力。試驗(yàn)采用雙龍和殼牌2種不同的基質(zhì)瀝青改性，各改性瀝青的針入度值如圖1所示。

圖1 25 ℃針入度變化趨勢圖Figure 1 25 ℃ Penetration change trend graph

結(jié)合圖1中分析得出，2種不同的基質(zhì)瀝青改性所得復(fù)合改性瀝青的針入度值整體變化規(guī)律相似，在添加8%的廢膠粉后，2種不同品牌的改性瀝青的針入度值均下降。隨著EVA含量上升，復(fù)合改性瀝青的針入度值繼續(xù)降低，原因是廢膠粉在瀝青中形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，EVA填充了該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而提高了瀝青的黏層，所以最終復(fù)合改性瀝青的針入度值降低，但當(dāng)EVA摻量達(dá)到6%時，針入度值過低，反而會影響路面的抗低溫性能，不能夠滿足路用性能的要求。

2.2 軟化點(diǎn)

結(jié)合圖2可以看出改性劑摻量的增加，瀝青軟化點(diǎn)都是升高的趨勢，說明廢膠粉和EVA能改善瀝青高溫性能。使用雙龍的8-6復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)從雙龍基質(zhì)瀝青的48.3 ℃升高至68.8 ℃，提高近42%，且比8-0改性瀝青的57.8 ℃提高了19%，其根本原因是EVA摻入比例增加，阻礙了瀝青分子在加熱條件下運(yùn)動，從而改善了復(fù)合改性瀝青的熱穩(wěn)定性，但8-4復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)與8-6的復(fù)合改性瀝青僅相差1%，乙烯-共聚物-醋酸乙烯鏈相互連接，其極性可能允許一定程度的聚合物溶脹，但分析表明聚合物與瀝青的相互作用程度仍然有限。而在同一摻量8-6復(fù)合改性瀝青，殼牌的改性瀝青軟化點(diǎn)比雙龍的改性瀝青高約5%，殼牌的改性效果在高溫變形能力方面依舊優(yōu)于雙龍改性效果。

圖2 軟化點(diǎn)趨勢圖Figure 2 Softening point trend graph

2.3 延度

5 ℃延度是表征瀝青低溫延展性的指標(biāo)，是指瀝青受水平荷載致其破裂前的最大拉伸長度。各復(fù)合改性瀝青的延度值如圖3所示。

圖3 5 ℃延度變化趨勢圖Figure 3 5 ℃ductility change trend graph

從圖3中可以看出：不同改性瀝青的延度值呈先上升后下降趨勢。8%廢膠粉雙龍改性瀝青的延度值比雙龍基質(zhì)瀝青增大約1.1 cm，原因是廢膠粉與瀝青的密度不同，高溫加熱時廢膠粉在瀝青中上浮使得膠粉顆粒在瀝青表面中積聚，從而應(yīng)力集中導(dǎo)致斷裂。雙龍的8-2的改性瀝青比單摻8-0雙龍改性瀝青的延度值提高了約49%，而殼牌的8-2改性瀝青延度值比8-0殼牌改性瀝青增大約46%，說明EVA的摻入可以改善在低溫情況下瀝青的柔韌性，但當(dāng)EVA摻量達(dá)到6%時，延度值下降。殼牌的復(fù)合改性瀝青在低溫抗開裂性能方面改性效果更佳。

2.4 彎曲梁流變試驗(yàn)

由于大氣溫度的溫差變化使面層的抗拉強(qiáng)度小于來自基層的約束力，造成路面的開裂，嚴(yán)重縮短了瀝青路面的壽命。本文根據(jù)美國SHRP計劃中的低溫彎曲梁流變試驗(yàn)來評價瀝青的低溫開裂性能。通過式(1)計算得出的蠕變勁度S和蠕變速率m來評價改性瀝青的性能。

(1)

式中：S(t)為隨時間變化的蠕變勁度，t=60 s;P為施加的恒定荷載，980 mN；b為小梁寬度，m;h為小梁高度，m;L為簡支梁跨徑，m;δ為隨時間t變化的跨中撓度，m[16]。

圖4 12 ℃不同瀝青低溫蠕變勁度S和蠕變速率mFigure 4 S and m of different modified asphalt at-12 ℃

由圖4分析可知，所有瀝青的蠕變勁度S值和蠕變速率m值都在規(guī)范要求范圍內(nèi)，說明該復(fù)合改性瀝青滿足了在低溫下的性能要求。添加8%廢膠粉改性瀝青的S值增加，蠕變速率m值降低，是因?yàn)閺U膠粉在瀝青中分散集中應(yīng)力的能力減弱，廢膠粉添加降低了瀝青的應(yīng)力松弛能力。然而隨著EVA摻量的增加，復(fù)合改性瀝青S值相對降低再上升，蠕變速率m值先上升再下降趨勢，當(dāng)EVA摻量達(dá)到6%時，復(fù)合改性瀝青的S值上升和m值下降，復(fù)合改性瀝青的柔韌性與應(yīng)力松弛性能相對減弱，因?yàn)镋VA主鏈中存在來自短乙烯序列的結(jié)晶，它在嵌段彈性體中充當(dāng)剛性，所以過多的EVA摻量會影響改性的效果[17]。

2.5 復(fù)合改性瀝青的老化性能及微觀分析

瀝青在攪拌攤鋪過程中會產(chǎn)生一定程度的老化，會對瀝青的路用性能產(chǎn)生影響，因此，選用動態(tài)剪切流變儀評價EVA對廢膠粉改性瀝青的抗老化性能，最后利用紅外光譜對改性瀝青微觀分析。

2.5.1基于流變性能評價老化影響

瀝青樣品短期熱氧老化前后的流變性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，由于抗車轍因子隨著EVA的摻量的增加而提高，所以此處只對比8-6雙改性瀝青。根據(jù)表3可分析得出，相同的溫度下，添加8%廢膠粉能夠提高瀝青的抗車轍因子G*/sinδ值，同時在8%的廢膠粉基礎(chǔ)上再添加6%的EVA能夠顯著增加改性瀝青的抗車轍因子G*/sinδ值，使用雙龍改性的8-6復(fù)合改性瀝青比雙龍的單摻8%的廢膠粉改性瀝青的抗車轍因子G*/sinδ值提高約58.8%，而使用殼牌改性的改性瀝青其8-6的復(fù)合改性瀝青抗車轍因子值提高約1倍，因此EVA的摻入對改善瀝青的高溫性能具有積極作用，且使用殼牌基質(zhì)瀝青改性的效果更佳。同時，隨著溫度的升高，所有復(fù)合改性瀝青抗車轍因子G*/sinδ值都呈現(xiàn)下降的趨勢，可得出溫度升高對改性瀝青的抗車轍性能具有消極作用。

表3 改性瀝青老化前后抗車轍因子試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of anti-rutting factor of modified asphalt before and after aging瀝青種類不同溫度下(℃)老化前G*/sin δ/kPa不同溫度下(℃)老化后G*/sin δ/kPa586470765864707670#基質(zhì)瀝青2.891.310.610.384.892.291.110.73雙龍8-05.302.531.200.528.163.981.940.878-68.475.152.741.3811.106.903.751.9470#基質(zhì)瀝青2.551.160.560.324.201.981.000.60殼牌8-07.353.631.770.9310.005.042.531.358-614.918.955.303.1616.5410.296.523.95

本文采用指數(shù)Gratio衡量EVA對復(fù)合改性瀝青抵抗熱氧老化的影響，其中Gratio[18]按式(2)計算得出，Gratio值越低表明瀝青抵抗熱氧老化的能力越佳，反之，則越差。

(2)

式中：G*為復(fù)數(shù)模量；δ為相位角。

不同類型的改性瀝青樣品在4種溫度下Gratio值如圖5所示。從圖5中很明顯看出基質(zhì)瀝青隨著溫度的增加，Gratio值變大且變化趨勢較為明顯，且在4個溫度下基質(zhì)瀝青Gratio值都大于其他改性瀝青，說明基質(zhì)瀝青抵抗熱氧老化能力最差。而相比較8%的廢膠粉改性瀝青Gratio值，無論是使用雙龍還是殼牌的8-6復(fù)合改性瀝青時Gratio值都處于較低水平，且隨著溫度的增加而增大。由此可得廢膠粉改性瀝青的抗老化性能被EVA有效改善，且殼牌的復(fù)合改性瀝青效果更佳，這與其他試驗(yàn)結(jié)果也較為吻合。

圖5 不同溫度下瀝青樣品Gratio值Figure 5 Gratio value of asphalt samples at different temperatures

2.5.2改性瀝青微觀分析

采用紅外光譜測試不同摻量的復(fù)合改性瀝青化學(xué)成分進(jìn)行評價對于研究微觀改性機(jī)理是至關(guān)重要的。為了便于分析，此處選用改性效果較好的殼牌的復(fù)合改性瀝青作為分析對象。

基質(zhì)瀝青和復(fù)合改性瀝青的紅外光譜圖如圖6所示，其中基質(zhì)瀝青和8%廢膠粉改性瀝青在3 440 cm-1附近產(chǎn)生單個且較為寬的峰，分析其原因是

圖6 改性瀝青的紅外光譜圖Figure 6 Infrared spectrum of modified asphalt

空氣濕度較大，KBr吸收水分而產(chǎn)生的吸收峰。而最顯著和吸收強(qiáng)度最高的是2 925 cm-1和2 853 cm-1處的特征峰，可以肯定是瀝青里面的飽和烴，以及其衍生物官能團(tuán)C-H的伸縮振動，但是這2處的特征峰在老化以后增強(qiáng)，是因?yàn)閺?fù)合改性瀝青在老化過程中因高分子長鏈化合物的鏈段發(fā)生分解同時與小分子脫氫縮合反應(yīng)導(dǎo)致這2個基團(tuán)含量均增多[19]。相比較基質(zhì)瀝青，復(fù)合改性瀝青在1 738 cm-1和1 244 cm-1處產(chǎn)生特征峰，這是EVA的C=O鍵伸縮振動和C-H鍵彎曲振動所造成的。在2300～1 500 cm-1波段之間是芳香分的不飽和鍵振動引起的特征峰，而摻加廢膠粉和EVA的復(fù)合改性瀝青在該波段的特征峰吸收降低，說明該復(fù)合改性瀝青是EVA、膠粉與瀝青同時吸收芳香分達(dá)到平衡狀態(tài)所形成物理混溶的膠態(tài)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

本文通過添加EVA和廢膠粉對2種不同70#基質(zhì)瀝青(雙龍、 殼牌)進(jìn)行復(fù)配改性，通過相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

a.EVA、廢膠粉與瀝青之間形成了穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)，隨著EVA的增加復(fù)合改性瀝青的高溫性能呈持續(xù)升高的趨勢，但低溫性能受EVA摻量的影響，綜合來看，8-4復(fù)合改性瀝青是高低溫性能兩全的產(chǎn)品。

b.對比不同改性瀝青的流變性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，EVA改善了廢膠粉改性瀝青應(yīng)力集中松弛性能，提升了廢膠粉改性瀝青的低溫柔韌性。且對比抗車轍因子G*/sinδ發(fā)現(xiàn)EVA使瀝青的高溫抗車轍性能顯著增加，廢膠粉與EVA的復(fù)合可以改善瀝青的高溫抗變形能力。

c.從耐老化因子值Gratio中對比得出，EVA能夠有效提升瀝青抗熱氧老化的性能，且使用殼牌基質(zhì)瀝青改性效果最佳。通過FT-IR試驗(yàn)可知，改性劑在改性過程中與瀝青互相爭取芳香分互相溶脹在基質(zhì)瀝青中，從而形成穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)。