PE塑料改性沥青试验研究

敖清文，田永娅

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳　510001； 2.贵州省公路勘察设计院，贵阳　510001)

PE塑料改性沥青试验研究

敖清文1，田永娅2

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳510001； 2.贵州省公路勘察设计院，贵阳510001)

摘要：为改善沥青的技术指标，增加废旧塑料的回收利用率，以PE塑料颗粒与基质沥青高温剪切制备改性沥青，通过3因素3水平的正交试验确定以高温剪切乳化机制备PE改性沥青的最佳工艺，并分析PE塑料颗粒掺量对沥青3大指标的影响以确定最佳掺量。

关键词：道路工程；改性沥青；PE塑料；沥青性能；高温剪切

废旧PE塑料对环境的污染性不言而喻，如何回收、利用废旧PE塑料已成为我国亟需解决的问题。国内外学者针对PE塑料的特点进行了大量研究，近期有研究成果表明PE塑料具有良好的化学稳定性、绝热性、耐腐蚀性、弹性，可与沥青在高温条件下相融，提升沥青的高温性能等特点[1]。本文以此为方向，以常见的PE塑料为载体，通过正交试验来研究PE塑料掺量对沥青高低温性能的影响，确定制备工艺及最佳掺量，解决PE塑料的回收利用及沥青自身缺陷与路面实际使用性能相矛盾的问题[2]，提升沥青自身的各项性能。

1PE塑料改性沥青制备工艺选择

通过查阅已有的文献资料，初拟以6%的PE塑料掺量为基准[3]，以剪切时间、剪切温度、剪切速率为因素，以软化点、针入度指数PI、老化前后的针入度比为评价水平，进行正交试验，以研究制备工艺对PE塑料改性沥青技术性能的影响，优化制备工艺。试验方案设计见表1，试验方案及结果[4]见表2，极差计算见表3。

1.1软化点影响因素分析

根据表1正交试验设计，对PE塑料改性沥青的软化点进行试验，试验结果及相关性分析见表4、表5。

表1　试验方案设计

表2　正交试验方案及结果

注：A、B、C分别代表剪切时间、剪切温度和剪切速率，剪切时间的3种水平为30、60、90 min，剪切温度的3种水平为170、180、190 ℃，剪切速率的3种水平为 3 000、4 000、5 000 r/min；Yi为i试验方案下的试验结果；

表3　正交试验极差计算

由表4、表5数据可知，剪切温度因素的极差最大，即剪切温度对软化点的影响最大。剪切温度为170 ℃时，制备的PE塑料改性沥青软化点较其他剪切温度时的要大，故在170 ℃温度时制备PE塑料改性沥青最佳。

1.2针入度指数PI影响因素分析

依据上述试验设计，对PE塑料改性沥青制备工艺对针入度指数的影响进行分析，结果见表6、表7。

表4　PE塑料改性沥青软化点正交试验结果

表5　PE塑料改性沥青软化点影响因素分析

表6　PE塑料改性沥青针入度指数PI正交试验结果

分析表6、表7数据可知，剪切时间因素的极差最大，即剪切时间对PE塑料改性沥青针入度指数PI的影响最大。当剪切时间为30 min时，PE塑料改性沥青的针入度指数PI较大，故应采用高剪切混合乳化机剪切30 min来制备PE塑料改性沥青。

表7　PE塑料改性沥青针入度指数PI影响因素分析

1.3老化前后针入度比影响因素分析

为保证制备的PE塑料改性沥青具有较好的耐久性，本文以不同剪切时间、剪切温度、剪切速率对PE塑料改性沥青老化前后的针入度比进行正交试验，试验结果及相关性分析见表8、表9。

表8　PE塑料改性沥青老化前后针入度比正交试验结果

表9　PE塑料改性沥青老化前后针入度比影响因素分析

由表8、表9数据可知，剪切速率因素的极差最大，即剪切速率对PE塑料改性沥青老化前后针入度的影响最大。另外，以3 000 r/min的剪切速率制备PE塑料改性沥青老化前后的针入度比较其他剪切速率要大，故制备PE塑料改性沥青的最佳剪切速率应为3 000 r/min。

综上所述，制备PE塑料改性沥青的最优工艺为：剪切温度 170 ℃，剪切时间 30 min，剪切速率 3 000 r/min。

2PE塑料掺量对PE塑料改性沥青性能的影响

JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中对PE塑料类改性沥青的技术性能作了具体要求，见表10。

本文采用中海油90#基质沥青制备PE塑料改性沥青，90#基质沥青的3大指标及脆点的检测结果见表11。

表10　PE塑料改性沥青交通部规范标准

注：Ⅲ-A为90#改性沥青，Ⅲ-B为70#改性沥青，Ⅲ-C为50#改性沥青，Ⅲ-D为30#改性沥青。

表11　中海油90#基质沥青技术指标

本文以市场常见的PE塑料颗粒为外掺剂，掺量分别为2%、4%、6%、8%、10%(与沥青质量的比)。运用高温剪切混合乳化机，以170 ℃剪切温度、30 min剪切时间、3 000 r/min剪切速率制备PE塑料改性沥青，并针对不同掺量下PE塑料改性沥青进行3大指标试验，试验结果见表12。

表12　不同PE塑料掺量下PE塑料改性沥青的3大指标

图1　随PE塑料掺量变化PE改性沥青3大指标的变化规律

由表12及图1可知：1) PE塑料掺入后，沥青的高温性能指标即软化点和25 ℃时的针入度均有明显改善，而表征沥青低温性能的延度则有所降低，从而表明PE塑料的加入有利于改善沥青的高温性能，但对其低温性能有一定的不利影响；2) 在试验研究范围内，随着PE塑料掺量的增加，5 ℃延度呈现先缓慢降低后急剧降低的趋势，拐点掺入量约为6%。

PE塑料的掺入对沥青的高低温性能指标均产生影响，主要是因为PE塑料颗粒在高温下能够熔融流动。有研究指出，PE塑料在130 ℃以上时呈现线性聚合物的特性[6]。在PE塑料改性沥青制备过程中，PE塑料颗粒经过高温剪切作用，与沥青中的芳香性成分互溶并相互渗透吸附，且随着PE塑料逐渐掺入，沥青与塑料形成一个互穿网络，形成2个连续相，致使改性沥青热稳性提升且沥青中的分子流动性降低，从而导致沥青变硬、粘度显著变大、软化点增大，针入度减小[7]。

但PE塑料的掺入使沥青在低温条件下变得更脆，尤其是受到拉应力作用时，沥青表面、内部的一些不均匀部分产生细微的空穴，并逐渐发展成为微细纹，在5 ℃延度试验时，发生了分子链的断裂[8]。

因此，根据以上试验结果，同时兼顾高低温性能，笔者认为PE塑料改性沥青中PE塑料颗粒的最佳掺量为6%，且不得超过6%。

3结论

本文重点研究了PE塑料改性沥青的性能，通过正交试验确定了以高温剪切乳化机制备PE塑料改性沥青的最优工艺条件，并以PE塑料颗粒的掺量为变量研究PE塑料掺量对PE塑料改性沥青3大指标的影响。基于PE塑料改性沥青试验研究，得出如下结论。

1) 以高温剪切乳化机制备PE塑料改性沥青的最优工艺为：剪切温度 170 ℃、剪切时间 30 min、剪切速率 3 000 r/min。

2) 为提升沥青的高温稳定性，同时兼顾低温性能，PE塑料改性沥青中PE塑料颗粒的最佳掺量为6%，且不得超过6%。

参 考 文 献

[1]肖川，蒋兴华，杨锡武.废旧塑料改性沥青储存稳定性试验[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2011，30(5)：943-947.

[2]黄彬，马丽萍，许文娟.改性沥青的研究进展[J].材料导报，2010，24(1)：137-141.

[3]李玉环.废旧塑料改性沥青的研究[D].青岛：中国石油大学，2010.

[4]李慧川.废旧包装PE改性道路沥青的试验研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

[5]交通运输部公路科学研究院.JTJ E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[6]方长青.包装废PE改性沥青的研究[D].西安：西安理工大学，2005.

[7]王玮，王榃，陈候杰.废塑料改性沥青相容性与稳定性[J].西南公路，2013(3)：20-23.

[8]杨锡武，刘克.对研究废旧塑料改性沥青的思考[J].西藏大学学报(自然科学版)，2010(1)：68-75.

Experimental Study on PE Plastic Modified Asphalt

AO Qingwen1, TIAN Yongya2

Abstract:In order to improve technical indices of asphalt and increase recovery rate of waste plastics, this paper prepares the modified asphalt with PE plastic particles and matrix asphalt through high-temperature shear, determines the optimal process in preparation of PE modified asphalt with high-temperature shear emulsifying machine via the orthogonal test of 3-factor-3-level, and analyzes the influences of dosage of PE plastic particles on 3 indices of asphalt to determine the optimal dosage.

Keywords:road project; modified asphalt; PE plastic; asphalt performance; high-temperature shear

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.009

收稿日期：2015-11-23

作者简介：敖清文(1983-)，男，湖南省益阳市人，硕士，高工。

文章编号：1009-6477(2016)03-0035-04中图分类号：U414

文献标识码：A