基于工业废弃物的混合料添加剂开发与评价

现代交通技术

ModernTransportationTechnology

Vol．16　No．4Aug．2019

基于工业废弃物的混合料添加剂开发与评价

(1．苏交科集团股份有限公司,南京210000;2．黔西南州高等级公路管理处,兴义562400;

3．贵州黔贵宏远公路工程有限公司,兴义562400)

周建华1,张仕艳2,刘盛涛3,吴冬生1,∗,王文峰1,胡　洋1

摘　要:以开发综合改善沥青混合料路用性能的复合型添加剂为目标,基于原材料的熔融温度、热稳定性、对沥青黏度影响及相容性等方面,对工业废弃物之类的原材料进行筛选和配方设计,利用双螺杆挤出机制备了两种沥青混合料添加剂。通过室内高温车辙试验、降温压实试验、冻融劈裂试验以及弯曲试验对掺加两种添加剂的SUP20混合料进行性能评价。结果表明两种混合料综合性能优异,分别适用于高温地区和低温地区沥青路面工程。关键词:道路工程;混合料添加剂;工业废弃物;性能评价

中图分类号:U414　　文献标识码:A　　文章编号:16729889(2019)04001606

DevelopmentandPerformanceEvaluationofAsphaltMixtureAdditives

BasedonIndustrialWastes

ZHOUJianhua1,ZHANGShiyan2,LIUShengtao3,WUDongsheng1,∗,WANGWenfeng1,HUYang1

Xingyi562400,China;3．GuizhouQianguihongyuanHighwayEngineeringCo．,Ltd．,Xingyi562400,China)

(1．JSTIGROUP,Nanjing210000,China;2．High-gradeRoadAdministrativeOfficeofQianxinanPrefecture,

Abstract:Inordertoimprovetheperformanceofasphaltmixturecomprehensively,twokindsofadditivesforasphaltmixturephaltviscosityandcompatibilitywereprepared．TheperformancesofSUP-20mixturewithtwoadditiveswereevaluatedbyin-weremadefromindustrialwasteswhichwereselectedanddesignedbymeltingtemperature,thermalstability,influenceonas-

doortestsuchashightemperatureruttingtest,coolingcompactiontest,freeze-thawsplittingtestandbendingtest．Resultsshowthattwomixtureshaveexcellentcomprehensiveperformanceandaresuitableforasphaltpavementengineeringinhightemperatureandlowtemperatureareasrespectively.

Keywords:roadengineering;mixtureadditive;industrialwastes;performanceevaluation

　　按照国家公路网规划的建设目标,至2020年,我国公路通车里程将达到450万km,其中高速公路将突破10万km。截至2018年,仍有近30万km的建设任务亟待完成。随着人们环保意识和对沥青路面功能要求的逐步提高,公路建设行业对路面材料的高低温性能、抗水损害性能、疲劳性能等综合路用性能和环境效益均提出了更高的要求[1]。沥青混合料添加剂可以用来改善沥青混合料的路用性能,是当前国内外研究的先进技术措施之一[23],根据使用目的不同,可将添加剂分为抗车辙、抗剥落、抗疲劳、抗低温开裂及改善施工和易性5类。

采用日期:20181210

基金项目:江苏省自然科学基金项目(BK20150074)

但值得注意的是,目前国内外市场上很多添加剂材料,大多只能提高某一种或两种路用性能,缺乏能够提升沥青混合料综合路用性能且对环境影响较小的多功能产品。随着材料技术的进步,沥青混合料添加剂技术正在从改善某种路用性能的单一型向全面提升沥青混合料综合性能,且低碳友好的复合型方向发展[46]。

另一方面,在我国消费量不断增长的情况下,

工业废弃物的合理利用对环境保护及资源再生方面的意义和影响日趋突出,发展延长产品使用寿命、提高产品附加值的高新技术产业已经成为必然

第一作者:周建华(1974—　),男,高级工程师,研究方向为道路工程。

第4期周建华,等.基于工业废弃物的混合料添加剂开发与评价

·17·

趋势[78]。工业废弃物的回收和再利用是解决废弃物问题的有效方法,它不仅可以减少环境污染,而且能变废为宝、化害为利,实现资源的高效和循环利用,具有巨大的工业生产潜力,是工业废弃物未来发展的必由之路[9]。

基于此,本研究针对我国沥青混合料添加剂应

本直接决定着产品的价格,如何利用低成本的原材料,制备出性能优良、稳定的产品,是需要着重考虑的因素。

根据以上产品组成设计原则,本次研究初步选择了以下5类原材料,原材料分类编号对照表如表1所示。

(1)饮料瓶、废旧塑料制品等回收的废旧PE、(2)工业生产LDPE、HDPE等塑料制品时产生(3)废旧卡车胎、废旧轿车胎等废旧橡胶(4)聚合物熔融挤出加工所需要的相容剂、润

表1　原材料分类编号对照表

编号1234

原材料类别

原材料

功能作用

用现状,开展基于工业废弃物的复合型沥青混合料添加剂开发及其性能评价研究。1　复合型沥青混合料添加剂的开发1．1　组成设计研究

PP类热塑性树脂材料。

的低分子量齐聚物树脂材料。材料。

本研究旨在针对不同的气候及交通条件,开发

相应的可用于改善综合路用性能,包括良好的高低温性能、温拌特性(施工和易性)和抗水损害性能,且绿色环保的复合型沥青混合料添加剂。

(例如LDPE、HDPE、PP类热塑性塑料)可以实现沥青混合料高温性能的有效提升。鉴于橡胶沥青能够有效改善沥青混合料的低温性能,并能在一定程度上提高沥青混合料的高温性能,将废旧轮胎作为复合添加剂引入本研究。

为了赋予复合添加剂温拌特性,借鉴有机添加剂类温拌沥青混合料技术,制备的复合添加剂需要能够降低道路沥青的高温(≥135℃)黏度,同时可以提高道路沥青的中温(60℃)黏度。

而此时,沥青混合料高温性能的改善则可以考虑:①将废胶粉与结晶性、热塑性塑料相结合;②将废胶粉与无机粉体增强剂相结合;③将废胶粉与结晶性热塑性塑料及无机粉体增强剂相结合。

为了提高含有复合添加剂的沥青混合料的抗水损害性能,除了减小热塑性塑料结晶收缩引起的裂缝之外,还需要提高最终产品与沥青胶结料及集料之间的相容性,从而进一步提高沥青与集料、沥青与添加剂、集料与添加剂之间的界面黏结能力。

上述思路是从目标产品的功能出发,提出了产品组成设计过程中应当解决的问题。原材料的成

通过文献调研可知,利用结晶性高分子聚合物

滑剂、填料等加工助剂。

回收的废旧PE、

A,B,O,提高沥青混合料高

PP类热塑性树脂

P,Q温性能

材料

低分子量齐聚物树脂材料废旧橡胶材料

C,D,I,JS

提高沥青混合料温拌性能

提高沥青混合料低温性能

提高复合添加剂与

相容剂、润滑剂、沥青、集料的相容

L,M,T

填料等加工助剂性,提高沥青混合

料抗水损害性能

1．2　原材料分析与优选1.2.1　熔融温度

根据上述设计思路,在选择原材料时,首先要

对其熔融温度有所了解。因此,首先对常见的8种市售沥青混合料添加剂的熔融温度进行了测试,测试方法根据《StandardTestMethodforTransitiontionofPolymersbyDifferentialScanningCalorimetry》(ASTMD341815)[10],以此作为研发产品的参考。所示。

(℃)

HN7376128．2

SAB98．2111．7

LKB92．5

TemperaturesandEnthalpiesofTusionandCrystalliza-

常见市售沥青混合料添加剂的熔融温度如表2

表2　常见市售沥青混合料添加剂的熔融温度

添加剂熔融温度

ZQ1125．7162．6

PR.M128．7164．4

AP8125．5163．0

HN7205112．0

HN7686134．4

　　由表2可知,目前市场上主流抗车辙剂产品(ZQ1、PR．M、AP8)的熔融温度范围为125℃~

·18·

现代交通技术2019年

165℃,而兼具温拌和抗车辙两种功效的添加剂产品(HN7205、HN7686、HN7376、SAB)的熔融温度范围为110℃~135℃。同时,根据市场反馈可知,熔融温度较低的抗车辙剂(LKB)产品,其抗车辙效果明显低于其他产品。

较低的熔融温度有利于产品在较低的温度下于沥青混合料中熔融分散,并有利于降低沥青胶结

料的黏度,达到温拌的目的;但是太低的熔融温度会使添加剂产品的抗高温性能大幅下降,从而降低混合料的高温抗车辙能力。因此,根据以上分析,100℃~130℃。

本研究最终目标产品的熔融温度的期望范围为

对13种原材料的熔融温度进行测试,原材料

(℃)

I91．1101．5S—

J68．892．9T—

L86．9熔融温度测试结果如表3所示。

表3　原材料熔融温度测试结果

原材料熔融温度原材料熔融温度

A109．2123．6M

B131．3O125．8163．9

C63．688．7P125．9

D96．7113．0Q129．9

122．1

　　由表3可知:原材料O含有高熔点组分(熔点>140℃),该组分显然对降低沥青胶结料的黏度不利,而原材料C、D、I、J、L的熔融温度则相对较低,为提高产品的高温性能,可考虑将它们与熔点1．2．2　热稳定性

相对较高的A、B、M、P、Q进行组合。

目前,市场主流的沥青路面外掺剂产品的制备

黏度。因此,在进行原材料的选择时,需对此特性进行关注。在60℃、135℃、155℃和175℃条件下,分别测试了双龙70#基质沥青掺加低分子量齐聚物树脂材料C、D、J后的黏度,原材料C、D、J对沥青黏度的影响如表5所示。

表5　原材料C、D、J对沥青黏度的影响(Pa·s)沥青类型基质沥青+C基质沥青+D基质沥青+J基质沥青

温度/℃

60300170002000260

1350．250．210．230．45

1550．130．110．120．16

1750．060．060．050．07

方法是利用双螺杆挤出机,在设定的工艺参数条件下,将各种主辅材料进行物理或化学共混挤出。通常双螺杆挤出机的温度设定需分段进行,但是除加料段温度设置较低外,熔融段、混合段、输送段和口模部位的温度设置均在主体材料的熔融温度以上、分解温度以下。因此,在进行原材料选择时,不仅需要对各材料的熔融温度有所了解,亦需要对其分解温度进行测试,主要原材料的分解温度如表4所示。

表4　主要原材料的分解温度

原材料分解温度

A

B

C

D

S

(℃)I

　　由表5可知,原材料C、D、J都可以降低沥青的高温(≥135℃)黏度,但材料C不能提升沥青60℃黏度,材料D对60℃黏度提升最为显著。分别对掺加了原材料C、D、J的沥青三大指标进行试验,原材料C、D、J对沥青三大指标的影响如表6所示。

表6　原材料C、D、J对沥青三大指标的影响沥青类型针入度/0．1mm软化点/℃基质沥青+C基质沥青+D基质沥青+J基质沥青

88615871

52585547

10℃延度/cm

57281642

395．3430．6248．0275．6251．0109．9

　　由表4可知:所选原材料分解温度多数在240℃

以上,但是原材料I的分解温度在110℃以下,因双螺杆挤出温度设定范围为130℃~200℃,原材料I显然不能满足这一要求,它在目标产品的制备过程中会发生氧化分解。因此,尽管原材料I的熔融温度较低,但它并不适用于本次产品开发。

3)原材料对基质沥青黏度的影响

为了赋予沥青混合料温拌特性,制备的复合添

　　由表6可知,对比原材料C和J,原材料D对提高沥青的软化点更为有利,同时对沥青10℃延度降低的程度最小,故确定原材料D为影响复合添加剂温拌效果的关键材料。

加剂既需要能够降低道路沥青的高温(≥135℃)黏度,同时又需要可以提高道路沥青的中温(60℃)

第4期周建华,等.基于工业废弃物的混合料添加剂开发与评价

·19·

4)有机聚合物是本次研究选择的主体材料原材料的配伍性

,不同

的聚合物之间,其相容性也存在较大差异。从热力学角度来看,聚合物的相容性就是聚合物之间的相互溶解性,是指两种聚合物形成均相体系的能力。本研究采用玻璃化转变温度来表征两种聚合物之间的相容性,聚合物共混物的玻璃化转变温度与两种聚合物分子水平的混合程度有直接关系:若两者组分相容,共混物为均相体系,就只有一个玻璃化温度,此玻璃化温度决定于两者组分的玻璃化温度和体积分数;若两者组分不完全相容,形成界面明显的两相结构,就有两个玻璃化温度。分别等于两者组分的玻璃化温度。部分相容的体系介于上述两种极限情况之间。

原材料A为结晶型高分子材料,分子链中的结晶段使其具有相对较高的熔点,从而可以赋予添加剂较好的耐高温性能,该材料的玻璃化转变温度为链为柔性长链-127．9℃。而原材料,无结晶段存在S为无定型高分子,故而呈现较好的弹,其分子

性,可以赋予添加剂较好的低温性能,该材料的玻璃化转变温度为-59．7℃。A与S的玻璃化转变温度相差68．2℃,两者之间的相容性较差。

通过引入第三种高分子增容助剂,借助于分子间键合力,可促使不相容的两种聚合物结合于一体,进而得到稳定的共混物。比较两种不同的相容剂(L与M),以A、S、L(或M)为原材料,分别在相同的配方、相同的工艺下加工添加剂产品,测试最终产品的玻璃化转变温度。玻璃化转变温度测试结果如表7所示。

表7　玻璃化转变温度测试结果

(℃)

原材料相容剂玻璃化转变温度/℃

AS

——--127．9A,M,SA,L,SML

-59．-89．769．26

　化转变温度与两个主材分别相差　由表7可知,采用L为相容剂38．,最终产物的玻璃7℃与29．5℃;

而采用M为相容剂,则分别相差58．3℃与9．9℃。这也就意味着对于原材料A与S而言,采用L为相容助剂能够更好地促进两者共混。因此,以A、S作为复合型沥青混合料添加剂主材时,需要以L作为两者的相容助剂。

除了考虑原材料之间的配伍性之外,还应当考

虑产品与沥青及集料之间的配伍性,这也是提高相应沥青混合料抗水损害性能的关键因素之一,故本1．次研究同时引入沥青基材料3　复合型沥青混合料的制备T。

根据前文,本次研究优化设计了两种复合型沥

青混合料添加剂配方,复合型沥青混合料添加剂配方设计如表8所示。

表8　复合型沥青混合料添加剂配方设计(份)

配方用量

编号135A

S

D

L

T2

60

2515

3020

55

—

5

　型加工参数如表　基于前期原材料测试结果9所示,复合型沥青混合料添加剂,设定双螺杆挤出成生产工艺流程如图1所示,制备出的复合添加剂成品如图2所示。

表9　双螺杆挤出成型加工参数

名称加料温熔融段温均化段温挤出段温螺杆转

度/℃度/℃度/℃度/℃速/rpm参数

140

175

195

190

80~110

图1　复合型沥青混合料添加剂生产工艺流程

(a)1号样品

图2　制备出的复合添加剂成品

(b)2号样品

2　复合型沥青混合料添加剂的性能评价

针对优化制备的两种复合型沥青混合料添加剂,采用同样的沥青(双龙70#基质沥青)、石料(石灰岩)和级配类型(SUP20),矿料的合成级配通过4．率明细表如表10所示。按照同样配比(沥青用量

工相应混合料4%,复合添加剂掺量为总矿料质量的,测试其高温抗车辙性能、0．降温压实4%)加·20·

现代交通技术2019年

性能、抗水损害性能和低温抗裂性能,并与市售性能优良的添加剂产品对应的混合料及SBS改性沥

青混合料进行性能对比,分析所开发的复合添加剂在我国高温与寒冷地区的适用性。

(%)

表10　矿料的合成级配通过率明细表

级配类型SUP-20

方孔筛筛孔尺寸/mm

26．500100．0

19．00098．6

13．20082．9

9．50065．6

4．75037．3

2．36024．1

1．18017．0

0．60011．8

0．3007．3

0．1505．4

0．0754．1

2．1　作为复合型沥青混合料添加剂高温性能

,首先要保证提

高沥青路面的高温性能。采用我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)

[11]

中沥

青混合料车辙试验(T0719—2011)方法进行车辙试验,添加不同添加剂沥青混合料的动稳定度测试结果如图3所示。

图3　添加不同添加剂沥青混合料的动稳定度测试结果

由图3可知,与空白样品相比,添加有自制复合添加剂沥青混合料的高温性能提高了64%~

153%108%,较合料的高温性能分别提高了,较添加市售抗车辙剂SBS改性沥青混AP合料15%8、ZQ提高(1#与1了后沥青混35%~AP8相较)和9．2%(2#与ZQ1相较)。2．2　借鉴美国降温压实性能

NCHRP9—44的研究成果,对于具

有降温效果的沥青混合料可以采用降温压实比R来对降温效果进行评价。

R=

(R为降温压实比,(N要求N92%92%)T-30≤1．)T

式中,25;(N实温度T时,室内试件达到92%理论压实度的旋转92%)T为压压实次数;(N92%)(T-30)为压实温度在30℃时,室内试件达到92%理论压实度的压实次数。

表11列出了添加1#、2#及市售优异温拌剂

HN7686件达到92%后,沥青混合料在理论压实度的降温压实比145℃和115。

℃室内试表11　添加不同添加剂沥青混合料的降温压实比添加剂降温压实比

要求1#0．1．79HN76862#

0．0890

≤1．25

　合料添加剂在将拌和　由表11可以看出、压实温度降低,自制的两种复合型沥青混30℃后,其降温压实比分别为0．79和1．08,均能满足不大于1．均具有良好的降温压实效果25的要求,也就意味着自制的两种复合型添加剂,能够极大地改善沥青混合料的压实特性,有效解决高温施工带来的高能耗和烟气污染问题。2．3　采用冻融劈裂试验对掺加不同添加剂沥青混

抗水损害性

合料抗水损害性能进行评价。为了对自制复合添

加剂的综合效果进行测试,制备T283试件时,对于采用自制1#和自制2#复合添加剂的样品,确保其试件成型温度为115℃;而对于空白试件(70#基质沥青+集料)及掺加AP8(70#基质沥青+AP8+集料)和SBS改性沥青(SBS改性沥青+集料)的试件,确保其成型温度为145℃和165℃。冻融劈裂试验结果如图4所示。

图4　冻融劈裂试验结果

由图4可知,添加自制1#和2#复合添加剂(比+(TSR)70#基质沥青值分别为)的沥青混合料的冻融劈裂强度84．2%和84．5%,满足规范要求,与SBS改性沥青混合料基本相当。

第4期周建华,等.基于工业废弃物的混合料添加剂开发与评价

·21·

2．4　为了研究自制复合添加剂对沥青混合料低温性能

低温性能

的影响,采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中沥青混合料弯曲蠕变试验(T0728—2000)方法,在温度为-10℃±0．5℃、加载速率为50mm/min的条件下,对掺加不同添加剂的沥青混合料进行小梁低温弯曲蠕变试验,掺加不同添加剂沥青混合料的低温弯曲性能如图5所示。

图5　掺加不同添加剂沥青混合料的低温弯曲性能

由图5可知,虽然自制2#复合添加剂对应沥青混合料的低温破坏应变不及SBS改性沥青,但是满足我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)[12]的规范要求。且自制1#复合添加剂对沥青混合料的抗低温性能要优于SBS改性沥青混合料,低温破坏应变超过3000με。3　结论

通过对原材料熔融温度、热分解温度、其对基质沥青不同温度下黏度的影响变化、相关制品的玻璃化转变温度进行测试,结合原材料的经济成本和社会效益,制定了基于工业废弃物的复合型沥青混合料添加剂的配方组成;根据原材料物化性质,采用双螺杆熔融挤出生产工艺,制备了两种复合型沥青混合料添加剂。

自制的1#复合型沥青混合料添加剂能显著提升沥青混合料的低温抗裂性能,同时具有良好的温拌和抗水损害性能,适用于对低温性能要求较高的冬季严寒地区。自制的2#复合型沥青混合料添加剂可以显著提高沥青混合料的高温抗车辙性能,并且对沥青混合料的低温性能和抗水损害性没有不

利影响,同时具有明显的温拌效果,从而可以有效改善因高温施工带来的高能耗和环境污染,适宜用于对高温性能要求较高的夏季炎热地区;另一方面,自制复合型沥青混合料添加剂可利用废旧塑性材料的裂解产物或工业生产石化产品的副产物来加以制备,这有助于解决我国废旧材料带来的巨大环境问题,具有良好的社会效益。

参考文献

[1]李文秀[J].公路交通科技.沥青混合料车辙性能优化关键技术研究与应用[2]赵亚男(应用技术版),2016,12(11):2023.

尹路工程上应用研究,王正同,刘长革[J].,等公路交通科技.抗车辙沥青混合料在徐

(应用技术版),2016,12(11):9799.

[3]陈兵SMA,61(10):19613郭明沥青混合料路用性能的影响君,李萍,等.抗车辙剂与200.

[J].SBS公路改性,2016,剂对

[4]李玉梅混合料性能试验研究,王雪梅,王迪.[纳米复合型抗车辙剂改性沥青

J].公路交通科技(应用技术版),2016,12(8):5356.

[5]黎霞疲劳试验研究,刘金凤,曾璐璐[J].中外公路.温拌橡胶沥青混合料双面剪切

,2017,37(6):267270.[6]公路范群保,2017,62(11):25,谢东,焦丽亚.LF29.

2温拌剂降温效果研究[J].[7]李强能研究,朱磊[J]..LEADCAP现代交通技术温拌剂改性,2014,11(4):6SMA沥青混合料性

8.

[8]王维一技术及评价,张家文[J].,上海公路陈子钰,等,2017(4):69.温拌沥青混合料的制备

72,6.[9]研究刘杰[J].,熊文涛现代交通技术.不同温拌剂在赛果高速公路中的应用,2014,11(1):46,25.[10]ASTMforCommittee.ASTMD3418crystallizationtransitiontemperatures15standardtestmethod

rimetry[S].US:ASTMofpolymersinternational,2015.

byanddifferentialenthalpiesscanningoftusioncalo-

and[11]中华人民共和国交通运输部合料试验规程:JTGE20—2011[.公路工程沥青及沥青混

S].北京:人民交通出版社,2011.

[12]中华人民共和国交通部范:JTGF40—2004[S].北京.公路沥青路面施工技术规

:人民交通出版社,2004.

(责任编辑　周　超　陈　晨)