基于正交试验设计制备抗车辙剂及其对AC-13高温性能影响

张文才

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

沥青属于黏弹性材料，它的力学性能主要依赖于外部环境温度变化，当温度升高时，变得柔软，可能形成永久性变形，出现车辙病害，影响路面使用寿命，产生行车安全隐患。近年来许多聚合物改性沥青的应用，使得沥青混合料高、低温性能，弹性恢复，剪切模量，使用寿命等方面得到进一步改善，尤其聚合物改性沥青在改善车辙病害方面尤为明显[1]。目前广泛应用的几种抗车辙剂都是由不同的高分子聚合物组成的单一物质或混合物，且相关研究也主要集中在单一聚合物或混合物对沥青混合料性能的影响方面，最常见高分子聚合物有SBS、SBR、PE、PP、EVA等[2]。与新聚合物相比，废旧聚合物因其价格较低，来源充足，同时减轻了废旧聚合物对环境产生的负面影响，“变废为宝”，逐渐在沥青混合料改性中得到广泛研究与应用。

随着塑料工业的快速发展，势必产生大量的废旧塑料，作为改性剂，废旧LLDPE可提高沥青混合料弹性模量、抗疲劳寿命，较大幅度增加了沥青混合料抗车辙能力，增强了沥青与石料之间的黏结力[3-5]。LLDPE接枝MAH（LLDPE-g-MAH）与没有接枝的改性沥青混合料相比，在高温性能方面改善不太显著，但改善了其与沥青的相容性，对低温抗开裂性能有所提升[6]。

废旧PP改性沥青混合料已有工业化应用，添加量一般为沥青混合料质量的4‰～6‰，即使在沥青混合料中添加量较高，也不影响施工和易性，同时还对高温性能改善明显[7]。废旧聚合物LLDPE、PP来源广泛，二者分离成本较高，因此将二者按比例混合使用可大大降低改性剂生产成本，有利于在沥青混合料中推广应用[8]。

截至目前，相关研究主要集中在单独废旧LLDPE、废旧PP改性沥青及沥青混合料方面，对于两种原材料同时进行接枝、共混改性相关研究未见文献报道，本文借助数理统计原理中的正交试验设计方法，得出影响AC-13沥青混合料动稳定度的主要控制性因素，对今后废旧聚合物制备抗车辙剂及对沥青混合料高温性能研究、应用，以及废旧聚合物再生利用，改善环境污染具有现实意义。

1 原材料

壳牌AH-90沥青主要技术指标：针入度（25℃，5 s，0.1 mm）89，软化点47 ℃，15 ℃延度122 cm，南京华纳工贸实业有限公司；再生线性低密度聚乙烯（以下简称：LLDPE）：相对密度0.932，熔融指数1.687 g/10 min，灰分7.526%，如皋市益大塑料有限公司；再生聚丙烯（以下简称：PP）：相对密度0.995，熔融指数0.745 g/10 min，灰分2.866%，绥德泰禾废旧塑料再生颗粒厂；邻苯二甲酸二辛酯（以下简称：DOP）：分析纯，雷邦化工科技有限公司；马来酸酐（以下简称：MAH）：熔点52.8℃，沸点202℃，东莞市宸宇化工科技有限公司；过氧化二异丙苯（以下简称：DCP）:纯度大于等于99%，熔点大于等于39℃，总挥发物小于等于0.20%；集料：石灰岩、矿粉，山西喜跃发道路建设养护有限公司。

2 试验方法

2.1 抗车辙剂及改性沥青混合料试件制备

表1 矿料级配表

按正交试验设计的配比要求称取LLDPE、PP、MAH、DCP、DOP各量，按此顺序依次加入高速混合机中进行混合，混合工艺为：低速750～1 200 r/min运行8～10 min，高速1 600～2 000 r/min运行3～6 min，混合均匀后用双螺杆挤出机在190℃～220℃下挤出直径为2～4 mm的柱状产品并经常温循环冷却水冷却后，依次经吹干、烘烤、切粒、包装，即制得抗车辙剂。

选用AC-13级配（未去粉、矿料级配见表1），油石比按4.5%，并将上述方法制备的16种抗车辙剂按沥青混合料质量的0.4%分别加入制得16种改性沥青混合料，其制备过程为：先将已制得的抗车辙剂与190℃～200℃的集料干拌90 s，后加入160℃～165℃的沥青拌和90 s，最后加入矿粉，在180℃下拌和90 s，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制得试件并进行相关测试。

2.2 正交试验设计

2.2.1 原理依据

正交试验设计方法是一种应用数理统计原理，采用一种排列整齐的规格化表——“正交表”来分析多因素对研究结果影响程度问题的科学方法，由于正交表的组构是基于正交拉丁方法设计[9]，它能够通过少量的试验次数，找到较好的配比或生产条件，同时还能够做很多进一步的统计分析，本正交试验设计步骤如下。

2.2.2 确定影响因素及水平

根据研究问题对象，选取试验指标、影响因素及影响水平，选取合适的正交表，记为Ln(tm),该式中L为正交试验记号，n为试验次数，t为水平数，m为正交表列数，m不小于影响因素数，当大于影响因素数个数时，可将多余的列数作为误差列。

在本试验中将LLDPE、PP、DOP、MAH、DCP五种原材料作为生产抗车辙剂的主要原材料，本正交试验中选取其为影响因素，其中每个原材料配方体系中所用量作为水平数，将抗车辙剂对AC-13沥青混合料产生主要影响的车辙性能（该指标用“动稳定度”表示）作为试验指标，将上述5因素4水平记为L16(45)，共设计16组试验，具体如下：

LLDPE（配方质量，kg）:70（1）、80（2）、90（3）、95（4）；

PP（配方质量，kg）:5（1）、10（2）、20（3）、30（4）；

DOP（配方质量，kg）:1（1）、4（2）、7（3）、10（4）；

MAH（配方质量，kg）:0.6（1）、0.8（2）、1.0（3）、1.2（4）；

DCP（配方质量，kg）:0.25（1）、0.5（2）、0.75（3）、1.0（4）。

3 结果与分析

3.1 测试结果

依据上述试验方法及正交试验设计方案，按照表2配方方案制得16种不同原材料配比的抗车辙剂，并根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制得16种改性AC-13沥青混合料试件进行动稳定度测试，测试结果记为yi（单位：次/mm）结果见表2。

表2 正交试验方案及测试结果

3.2 分析讨论

3.2.1 测试数据处理

本试验数据采取极差分析法，具体步骤为：首先分析因素LLDPE在配方中的量，该因素排在第1列，如果把包含LLDPE因素第1水平的4次试验，即上述表2中试验号1、2、3、4记做第1组；把包含LLDPE因素第2水平的4次试验，即上述表2中试验号5、6、7、8记做第2组，以此类推，16组试验分成4组。在第1组中LLDPE因素只出现1次，PP、DOP、MAH、DCP因素各出现1次，其他组情形类似，这将原本要做45=1024次试验用16次试验均匀、分散代替，大大降低试验工作量，且能较好地反映出5种原材料对AC-13沥青混合料高温性能的影响情况。

极差分析采取先计算Mij，其代表第j列中相应水平号为i的各试验结果yi总和；mij=Mij/3；极差Rij=max(mij)-min(mij)。

3.2.2 高温性能影响

采用极差分析法对上述正交试验测试结果中抗车辙剂对AC-13沥青混合料高温性能进行分析评价见表3，对于高温性能（即动稳定度）而言，通过分析得出（仅从配方量的角度）各原材料量影响因素敏感性由小到大的顺序为：DOP、DCP、MAH、LLDPE、PP，且PP影响程度是LLDPE的约4倍，可能的原因在于：

a）PP是部分结晶聚合物，其本身具有较高的强度、刚度、硬度和耐热性能，熔点大于等于165℃[10]；

b）环境条件下湿热氧老化PP产生活泼基团，在双螺杆挤出机180℃～200℃温度条件下，通过DCP引发剂作用下与MAH发生接枝反应，形成空间网络结构更有利于提高沥青的软化点，对混合料中石料起到加筋作用，从而提高了AC-13混合料的动稳定度，起到抗车辙的作用。

表3 高温性能极差分析结果

3.2.3 高温性能影响趋势分析

图1 影响因素水平变化趋势图

根据试验制得抗车辙剂并对AC-1混合料动稳定度测试数据分析结果mij数据进行拟合，绘制图1，由图1可得，随着PP含量的逐渐增大，混合料的动稳定度呈现上升的趋势，而随着LLDPE含量的增大，动稳定度呈现减小的趋势，但减小幅度不大。DOP的含量对动稳定度也产生了一定的负面影响，这主要是因为DOP材料属于增塑剂，对沥青混合料的低温性能改善明显。而MAH、DCP变化趋势基本一致，主要原因在于，起初随着MAH、DCP含量增大LLDPE、PP接枝率逐渐增大，更有利于形成空间网络结构，对动稳定度产生积极影响，但随着这种反应程度达到平衡状态后，对动稳定度基本保持不变。

4 结论

a）废旧LLDPE、PP在190℃～220℃通过接枝共混改性制得新型抗车辙剂对AC-13沥青混合料高温性能改善效果显著。

b）原材料对AC-13沥青混合料高温性能影响重要程度顺序为PP＞LLDPE＞MAH＞DCP＞DOP，且PP影响程度是LLDPE的4倍。