废旧树脂/橡胶复合改性沥青研究进展

徐沣驰 赵曜

摘 要：目前废旧塑料及废旧轮胎处置已是世界性难题。废旧树脂/橡胶复合改性沥青不仅性能满足技术要求、生产成本低，还能消纳大量固体废物，减少环境污染。本文概述了近年来废旧树脂/橡胶复合改性沥青研究进展，总结了其在高温稳定性及低温抗裂性方面的优势。对现存不足提出思考，认为进一步研究各改性剂之间的配伍性对于提升改性沥青的高低温性能及储存稳定性均具有重要理论与现实意义。

关键词：废旧树脂; 废旧橡胶; 改性沥青性能; 配伍性

中图分类号：TQ050.4.+3        文献标识码：A       文章编号：1006-3315（2021）8-091-002

1.废旧聚合物应用于改性沥青的重要意义

由于技术及成本等原因，我国废旧塑料的处理方式长久以来以直接填埋和焚烧为主，对大气、周边土壤和自然水系等造成严重负面影响，且源于塑料破碎降解的微塑料经食物链最终影响人类健康。汽车行业的发展伴随着大量废旧轮胎的产生，废旧轮胎处置被公认为世界性难题。随着人们对废旧聚合物处理不当而造成环境危害的认识日益加深，这一问题也引起了广泛的国际关注。各国相继出台政策积极推进废旧聚合物回收利用。目前我国废旧聚合物的回收率仅有约30%，与发达国家差距明显。亟需通过多种途径实现废旧聚合物的循环利用。

已有研究认为废旧树脂类、废旧橡胶类材料可以代替工业材料作为沥青改性剂使用并获得类似于工业材料改性沥青的性能，大大降低了改性沥青价格[1]。树脂类和橡胶类的联合使用不仅可以显著改善沥青性能，且对于克服单一树脂类改性剂与基质沥青的相容性、单一树脂类改性沥青低温性能等瓶颈问题提供了可行解决方案。废旧树脂/橡胶复合改性沥青不仅显著改善沥青性能、降低生产成本，还能消纳大量固体废物，减少环境污染，符合我国交通强国建设绿色发展节约集约、低碳环保的重大需求。

2.树脂/橡胶复合改性沥青国内外研究现状

国内外学者大多通过宏观物理力学指标来研究各类聚合物复合改性沥青的各项性能。目前有关树脂/橡胶复合改性沥青的研究多集中在通过传统力学指标来评价改性沥青的高温流变性及低温开裂性，重点关注改性沥青的高低温性能和储存稳定性。本文着重介绍树脂/橡胶复合改性沥青的高低温性能及储存稳定性。

2.1高温稳定性

树脂类/橡胶类复合改性沥青的高温性能已得到国内外普遍认可，一致认为复合改性沥青较之橡胶改性沥青高温性能更好的原因是由于树脂类聚合物的溶胀程度高于橡胶类，沥青中的轻质组分在相同时间内更易渗透至树脂类聚合物中，并形成以聚合物为主、支链为核心的胶团[2]。有研究认为PP/SBR（Polypropylene/Styrene Butadiene Rubber）复合改性剂提高了沥青的软化点、黏度、延度以及PG高温等级，降低了针入度，改性沥青的高温性能与和易性得到显著提高，低温性能有一定改善[3];对于混合料而言，PP/SBR复合改性沥青混合料兼顾了PP（Polypropylene）沥青混合料优异的高温稳定性、水稳定性以及 SBR（Styrene Butadiene Rubber）沥青混合料的低温抗裂性，且PP/SBR沥青混合料的高温性能优于SBS沥青混合料;其他树脂/橡胶复合改性沥青混合料也有优势。有更深入的研究认为，复合改性沥青只有在良好配伍性的前提下才能兼具高温抗车辙能力与抗疲劳性能[4]。

不同树脂类与橡胶类复合改性沥青中，LDPE（Low Density Polyethylene）、HDPE（High Density Polyethylene）分别与CR（Neoprene）共混得到的胶结料在提高沥青弹性行为方面发挥了重要作用，对于延长沥青路面的使用寿命有积极作用;同时LDPE和HDPE与弹性体SBS一起使用，可获得比单独SBS改性沥青更好的弹性恢复和抗应变能力[5]。PET（Polyethylene Terephthalate）与CR的联合使用可以显著改善混合料的抗车辙与抗疲劳性能。此外，除二元共混外，LDPE、GTR（Ground Tire Rubber）和弹性体的三元共混也能显著改善沥青性能[6]。但是随着复合改性材料种类的增多，各改性剂之间的配伍性及使用比例对改性沥青性能的影响也成为了有待深入研究的重要问题。

2.2低温抗裂性

尽管树脂类改性沥青以其突出的高温稳定性优势受到学术界的认可，但其低温性能一直备受争议，因而现阶段有关橡胶/树脂复合改性沥青性能的研究集中在低温性能方面。有研究人员认为，PE的加入不但不会改善，反而会降低沥青的低温性能。但也有一些研究人员持相反意见，认为PE的加入會提高沥青的低温性能，实验数据的不理想是源于评价指标的局限性。目前我国评价低温性能的方法大多是基于弯曲梁流变试验、延度试验等。杨锡武等[7]认为我国反映低温性能的延度指标对评价改性沥青的低温性能有一定局限性。Yu等[8]采用扫描电镜观察到低温保存的废旧塑料改性沥青样品具有的网络结构有利于提高沥青在低温条件下的韧性，但这与延度试验结果相矛盾，说明低温延度指标不足以反映沥青的低温性能。最近一项研究[9]，基于我国目前的评价体系，结合断裂能量，提出改善改性沥青低温性能评价方法的新思路，认为除了劲度模量和模量变化率等指标外，还应补充“断裂能量”为评价指标。各国学者对如何弥补树脂类改性沥青的缺陷进行了大量深入研究，一致认为树脂/橡胶复合改性沥青在环保和经济方面的优势较之其他复合改性沥青显著。以橡胶和聚乙烯作为复合改性剂对沥青进行改性，与橡胶改性沥青相比高温性能得到了提高，与聚乙烯改性沥青低温性能也得到了提高，充分发挥了树脂类和橡胶类各自的优势，起到同时提高沥青胶结料综合性能的目的[10]。

综上所述，以单一塑料作为改性剂加入沥青中能够改善沥青的高温性能，主要表现为改善沥青的抗疲劳性能和抗车辙性能，但对低温延展性有一定副作用，而复合改性是解决这一问题的有效方法，尤其是废旧橡胶/塑料复合改性沥青，在改善综合性能的基础下还具有环保意义。但是添加过多塑料改性剂又易使沥青产生离析，影响沥青与改性剂的相容性。随着国内外对塑料改性沥青研究的深入，现阶段研究人员致力于解决改性剂与沥青的相容性及储存稳定性问题。

2.3储存稳定性

沥青与改性剂的相容性在一定程度上决定了改性沥青的储存稳定性，相容性越好，沥青的储存稳定性越好。从热力学角度，聚合物改性沥青中的两种成分是不相容的，在密度、粘度和分子量等方面差异较大，性质也有不同之处。大多数学者认为聚合物改性剂与沥青共混过程中只存在物理作用，因而聚合物改性沥青所谓的相容性，其本质是要求体系不发生离析，聚合物改性剂以细小颗粒稳定、均匀地分布在沥青中。

已有研究显示，塑料与橡胶的复合改性的储存稳定性优于单一的树脂类改性沥青。通过改变沥青基质中的PET/GTR（Polyethylene Terephthalate/ Ground Tire Rubber）的相对比例和含量而使改性沥青获得良好的储存稳定性[11]。除此之外，改性沥青的制备工艺（剪切速率、剪切时间、温度）也对改性沥青的储存稳定性有着重要影响。研究人员用高速剪切混合器在不同工艺参数下制备改性沥青。高温储存稳定性试验数据和形态学结果表明，剪切速率为3750rpm/h、温度150℃、剪切时间为1.5h是此类改性沥青的最佳储存稳定性工艺参数[12]。

尽管有研究认为复合改性沥青的相容性优于单一树脂类改性沥青，但也有学者认为简单的共混易使沥青产生离析，使用改性剂有利于进一步改善复合改性沥青的储存稳定性，常见的材料有硫磺、炭黑、聚磷酸等。Carlo早在1966年就提出掺加聚磷酸和共聚物可以改善聚合物改性沥青的储存稳定性，LDPE/SBS（Low Density Polyethylene/Styrene Butadiene Rubber）高速剪切共混后得到的共聚物可显著改善改性沥青的储存稳定性[13]。另有学者通过添加炭黑以改善改性沥青储存稳定性，其原因可能是炭黑在混炼过程与聚合物牢固结合，有效地减小了聚合物与沥青的密度差，以提高改性沥青的储存稳定性[14]。此外，也有研究尝试在沥青中掺入少量蒙脱土，在提高改性沥青的储存稳定性的同时不损害其优异的高温流变性能的目的[8]。但是随着复合改性剂种类的增多，进一步研究各改性剂之间的配伍性对于改善改性沥青相容性及储存稳定性也具有重要意义。

3.结语

中国经济近几十年来发展迅速，各类固体废物产生量与日俱增，实现固体废物资源化是缓解现阶段环境污染与可持续发展问题的有效途径。以废旧聚合物用作沥青改性剂，可使沥青获得与工业原料改性沥青相差无几的性能，实现了废旧聚合物的资源化利用，是现阶段复合改性沥青研究的热点方向。本文综述了树脂类/橡胶类复合改性沥青的高、低温性能及储存稳定性的研究进展，对现存不足提出思考，认为研究各改性剂之间的配伍性对于提升改性沥青的高、低温性能及储存稳定性均有重要意义，但还待进一步深入研究。

基金資助项目：住房和城乡建设部科技计划项目（2019-K-140），南京林业大学青年科技创新项目（CX2019031）

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