聚丙烯/废胶粉复合改性沥青的性能研究

摘要：为评价聚丙烯/废胶粉共聚物作为沥青改性剂的潜力，文章通过制备不同掺量下的聚丙烯/废胶粉复合改性沥青（PRMA），采用旋转黏度试验、动态剪切流变仪（DSR）、弯曲梁流变仪（BBR）试验、线性振幅扫描（LAS）试验和离析试验，将SBS改性沥青和胶粉改性沥青作为对照组，研究PRMA的物理性能与流变性能。试验结果表明：聚丙烯的添加使得PRMA的旋转黏度和软化点差值降低，说明PRMA的施工和易性增强，且其离析现象减弱；与对照组相比，PRMA的车辙因子、m值和疲劳寿命更高，且蠕变劲度和老化因子更低，这说明聚丙烯/废胶粉对沥青的复合改性效果优于单一改性。

关键词：道路工程；改性沥青；聚丙烯；废胶粉；流变性能；老化性能

中图分类号：U414.1    文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0095-04

0 引言

沥青作为路用材料，对路面的路用性能与耐久性起关键作用，但沥青作为热塑性材料，其流动性能受温度变化的影响较大［1-3］，因此改善沥青的流变特性，以减少沥青路面的病害并提高耐久性，是目前的研究热点。由废轮胎制备的废胶粉可与沥青制备出胶粉改性沥青，不仅能节能、降噪和保黑等，还能改善沥青路面的路用性能［4］。由于废轮胎成分的不同，废胶粉的组分差异很大，胶粉改性沥青的性能表征也有差异，因此不少学者提出将废胶粉与其他改性剂对沥青进行复合改性［5-6］。

聚丙烯是一种废弃塑料的副产品，属于热塑性碳氢化合物，其晶体水平介于低聚乙烯和高密度聚乙烯之间［7-8］。有研究表明聚丙烯能用于沥青复配改性技术，有效提升沥青的路用性能［9-11］。本文目的是评价聚丙烯/废胶粉共聚物代替SBS作为沥青改性剂的适用性，以开发废弃塑料和废胶粉综合利用的绿色改性技术。因此，选择不同掺量下的废胶粉（10%和15%）、聚丙烯（0、0.2%、0.4%、0.6%），制备聚丙烯/废胶粉复合改性沥青（PRMA），同时选择4.5%SBS改性沥青作为对照组。为评价PRMA的性能指标，采用旋转黏度试验、动态剪切流变仪（DSR）试验、弯曲梁流变仪（BBR）试验、线性振幅扫描（LAS）试验和离析试验，研究PRMA在各温频下的流变性能，以此来证明该增值型固废利用改性技术的可行性。

1 试验材料与方案

1.1 原材料

采用中石化牌70#道路石油沥青作为基质沥青，其性能指标如表1所示。选择废胶粉和聚丙烯作为沥青改性剂，废胶粉和聚丙烯均由湖南某化工公司提供，其中废胶粉和聚丙烯的目数分别为40目和20目，其性能指标分别如表2～3所示。本文采用SBS改性沥青作为对照组，SBS的性能指标如表4所示。

1.2 改性沥青制备

废胶粉的掺量分别为10%和15%，SBS的掺量为4.5%，聚丙烯的掺量分别为0、0.2%、0.4%、0.6%，改性剂掺量均为其与基质沥青的重量比。将基质沥青加热至熔融状态以保证其流动性，随后在盛着沥青的容器中加入聚丙烯，先以500 r/min的低速剪切20 min，然后将剪切温度和剪切速率分别升高到190 ℃和3 500 r/min，在此剪切条件下剪切30 min，使聚丙烯在沥青中均匀分布。保持相同的剪切条件，将废胶粉添加到沥青中剪切40 min。SBS改性沥青的制备方法为：将SBS添加到基质沥青中，剪切温度和剪切速率分别设置为170 ℃和3 500 r/min，剪切时间为30 min。

1.3 试验方法

（1）黏度试验：根据AASHTO-TP48标准，基于布氏旋转黏度计，对沥青试样按试验温度180 ℃进行测试，且进行三次平行试验，试验过程中黏度仪扭矩保持在10%～98%。

（2）离析试验：将熔融态的PRMA倒入直径为25 mm且高为140 mm的铝管中，然后密封以减少空气氧化。将铝管竖直放立在163 ℃的烘箱中储存48 h后，在-7 ℃的冰箱内冷却4 h，然后水平切成三等分，再计算铝管的顶部和底部试样的软化点差值。

（3）DSR试验：根据AASHTO T315标准，采用DSR试验的温度扫描模式评价沥青试样的高温性能，温度区间设置为46 ℃～82 ℃。

（4）LAS试验：采用AASHTO TP101-14标准在25 ℃的测试温度下进行LAS试验，计算沥青的疲劳寿命以表征其抗疲劳性能。

（5）BBR试验：根据AASHTO T313-09规范，采用BBR试验来表征PRMA的低温性能。BBR沥青试件的尺寸为125 mm×12.7 mm×6.35 mm，试验温度分别设置为-6 ℃、-12 ℃和-18 ℃。

2 结果与讨论

2.1 黏度试验结果

不同改性剂掺量下PRMA的180 ℃旋转黏度结果如图1所示。考虑到180 ℃条件下，SBS改性沥青与胶粉改性沥青相比黏度值较低，因此本次黏度试验仅针对PRMA与胶粉改性沥青。由图1可知，随着废胶粉掺量的增加，PRMA的黏度值也随之增加。与胶粉改性沥青相比，PRMA的黏度值均明显降低，且废胶粉掺量为20%时聚丙烯对沥青的黏度影响最大，即使用0.2%的聚丙烯降低了20%胶粉改性沥青黏度的39%，这说明聚丙烯的添加对胶粉改性沥青具有降黏效果，对废胶粉掺量高的胶粉改性沥青降黏效果更加明显。同时还发现，当聚丙烯的掺量增加，PRMA的黏度值略微增加，这是因为随着聚丙烯掺量的增加，在沥青介质中增强了废胶粉形成的弹性网络结构。

2.2 离析试验结果

图2显示了在聚合物离析试验中胶粉改性沥青与PRMA的软化点差值。由图2可知，胶粉改性沥青的软化点差值较大（＞4 ℃），且随着胶粉掺量的增加，胶粉改性沥青的软化点差值增加，这是由于Stokes定律下废胶粉沉聚在铝管底部，导致废胶粉在沥青基体中分散不均而影响其性能表征。从图2还可发现，加入聚丙烯减小了PRMA的软化点差值，且随着聚丙烯掺量的增加，PRMA的软化点差值不断减少。这一结果表明，由于沥青基体与聚合物的比重不同，聚合物离析试验中，聚丙烯颗粒可以改善胶粉在沥青基体的分散性和均匀性，减少胶粉颗粒在底部的沉降趋势。同时，聚丙烯增加了PRMA中胶粉的粘聚力，从而使PRMA的改性剂与沥青组成的体系更稳定。在聚丙烯掺量最高时，胶粉颗粒的分离潜力最小化，聚丙烯可以增强胶粉的吸油性。

2.3 高温流变试验结果

由前文离析试验结果可知，15%废胶粉+0.6%聚丙烯的复合改性沥青软化点差值<2.5 ℃，该改性剂掺量下的PRMA具有良好的施工和易性。下页图3显示了该改性剂掺量下的PRMA、15%胶粉改性沥青和4.5%SBS改性沥青老化前后的车辙因子。从流变学指标车辙可以看出，分别加入聚丙烯/废胶粉共聚物、废胶粉和SBS改性剂后，改性沥青的车辙因子均有所提高，且弹性响应对沥青的粘弹性性质起主导作用，聚合物改性的沥青车辙敏感性降。同时，还发现在相同测试温度和老化条件下，改性沥青的车辙因子大小顺序为PRMA＞SBS改性沥青＞胶粉改性沥青，这是因为聚丙烯与废胶粉组合的共聚物改变了沥青各组分比例，使得沥青与改性剂发生交联反应，增强了胶粉在沥青基体的三维网络结构。根据图3中车辙因子的变化程度，可以发现SBS改性沥青老化前后变化较大，而PRMA的变化较小，说明PRMA的抗老化性能优于SBS改性沥青。

2.4 中温流变试验结果

下页表5显示了三种改性沥青在不同应变水平下（2.5%和5%）的LAS试验结果。结果表明，这三种改性沥青的C1值排序为SBS改性沥青＞PRMA＞胶粉改性沥青，而C2值排序为胶粉改性沥青＞PRMA＞SBS改性沥青。在疲劳寿命方面，三种聚合物都能增加沥青的疲劳寿命，且三种改性沥青的疲劳寿命排序为PRMA＞胶粉改性沥青＞SBS改性沥青。与对照组相比，聚丙烯对PRMA的疲劳性能改善显著，这是因为聚丙烯能吸收一部分的自由沥青，使得结构沥青的比例增加，从而降低了沥青的疲劳敏感性。

2.5 低温流变试验结果

采用BBR试验评价未老化与长期老化下的各种改性沥青的低温性能，试验结果如表6～7所示。基于蠕变劲度（S）与蠕变速率（m）来评价沥青的低温性能，S值能评价沥青材料在温缩情况下的温度应力，而m值是表征沥青材料应力松弛速率的指标。一般来说，S值越大，m值越小，说明沥青在低温下开裂的风险越大。由表6～7可知，在相同测试温度下，改性沥青的S值大小排序为PRMA＞SBS改性沥青＞胶粉改性沥青，m值大小排序为胶粉改性沥青＞SBS改性沥青＞PRMA，说明PRMA的低温性能优于SBS改性沥青与胶粉改性沥青，这是因为聚丙烯与胶粉组成的弹性聚合物，能在沥青基体中形成网状复合结构，使得沥青相中轻质组分的比例增加，从而提高沥青材料的弹性，以此改善沥青的应力松弛性能。

2.6 抗老化流变试验结果

车辙老化因子如式（1）所示，其采用老化前后车辙因子的变化程度反映沥青的抗老化性能，在通常情况下，老化因子越低，抗老化性能越好。将图3的车辙因子数据代入式（1），得到三种改性沥青在不同温度下的车辙老化因子，如图4所示。由图4可知，在各个测试温度下，三种改性沥青的车辙老化因子按大小排序为SBS改性沥青＞胶粉改性沥青＞PRMA，这说明PRMA的抗老化性能优于SBS改性沥青和胶粉改性沥青。这可能是因为SBS在老化过程中会发生降解和分子链断裂，使得沥青的耐久性降低；同时，聚丙烯与胶粉组成的弹性聚合物能减少轻质组分的挥发，能够更快速吸收热氧老化过程中的温度，抑制短期老化过程中改性剂的性能衰减。

蠕变劲度老化因子如下页式（2）所示，基于老化前后蠕变劲度的变化程度反映沥青的抗老化性能。将表6和表7的蠕变劲度数据代入式（2），得到三种改性沥青在不同温度下的蠕变劲度老化因子，如下页图5所示。由图5可知，在各个测试温度下，三种改性沥青的蠕变劲度老化因子按大小排序为SBS改性沥青＞胶粉改性沥青＞PRMA，结果与图4规律一致，说明在低温条件下，与其他改性剂相比，PRMA的抗老化性能最优。

3 结语

（1）聚丙烯的添加可以降低PRMA的黏度与软化点差值，从而改善PRMA的施工和易性和储存稳定性。

（2）根据沥青的流变试验结果，聚丙烯改善了PRMA的高温稳定性、低温抗裂性、中温抗疲劳性和抗老化性能，且其性能优于SBS改性沥青。

（3）本文研究了PRMA的物理性能与流变性，后续可开展相关微观试验，揭示聚丙烯与胶粉的复合改性对沥青性能的改性机理。

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作者简介：黄世庚（1991—），工程师，主要从事高速公路建设监理工作。