废旧聚乙烯_废旧聚丙烯_废硫渣复合改性剂含量对改性沥青性能的影响.pdf
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1、第 37 卷 第 8 期2023 年 8 月中国塑料CHINA PLASTICSVol.37,No.8Aug.,2023废旧聚乙烯/废旧聚丙烯/废硫渣复合改性剂含量对改性沥青性能的影响董党锋(山西省交通新技术发展有限公司,太原 030012)摘要:通过双螺杆挤出造粒技术,用废旧聚乙烯/废旧聚丙烯/废硫渣(RPE/RPP/SP,质量比6/4/0.7)原材料制备了沥青改性剂(SPM)。研究了不同含量SPM对AH70改性沥青针入度、延度、软化点、黏度、低温抗裂及流变性能的影响,并从红外光谱及微观形貌角度进行验证。分析结果表明:SPM显著改善了AH70沥青的高温性能,一定含量的SPM对改性沥青低温性能
2、有积极作用。本研究为SPM改性剂在交通建设中的应用提供理论依据。关键词:废硫渣;废旧聚乙烯;废旧聚丙烯;沥青;改性;性能中图分类号:TQ320.9 文献标识码:B 文章编号:10019278(2023)08010106DOI:10.19491/j.issn.10019278.2023.08.014Effect of content of recycled polyethylene/recycled polypropylene/recycled sulfur slag complex modifiers on properties of modified asphaltDONG Dangfeng
3、(Shanxi Communications New Technology Development Co,Ltd,Taiyuan 030031,China)Abstract:In this study,an asphalt modifier(SPM)was prepared through a twinscrew extrusion granulation technology using recycled polyethylene/recycled polypropylene/recycled sulfur slag materials as raw materials at a mass
4、ratio of 6/4/0.7.The effect of SPM content on the penetration,ductility,softening point,viscosity,low temperature crack resistance and rheology of modified AH70 asphalt was investigated.The modification effectiveness was verified by the infrared spectrum and microtopography.The results indicated tha
5、t the introduction of SPM improved the high temperature performance of the modified asphalt significantly,and a certain content of SPM could generate a positive effect on the lowtemperature performance of the modified asphalt.This work can provide a theoretical basis for the application of SPM modif
6、ier in traffic construction.Key words:recycled sulfur slag;recycled polyethylene;recycled polypropylene;asphalt;modification;property0 前言 长期以来,我国晋东南、晋中、阳泉等地因炼制硫而存积着数量可观的硫废渣。据统计,每生产1吨硫就产生 78 吨硫废渣,仅山西省每年就排放 50 万吨左右,累计储存量在2 000万吨以上。同时,我国每年有大约1 400万吨生活废旧塑料没有得到回收利用,回收利用率只有25%,而欧洲再生塑料回收利用率也仅在45%以上,德国回收率达6
7、0%1。因此,对硫废渣及废塑料的综合再利用,尤其在交通建设工程中规模化应用具有重要的环保与经济社会意义。大量实验表明,硫改性沥青混合料的拌合温度可以控制在 130140,压实温度可以控制在 120130,与没有添加硫改性剂的普通热拌沥青混合料要低2030 2。从降温效果来看,硫改性沥青混合料符合人们对温拌沥青混合料的预期效果。可大幅度降低沥青混合料在拌和、施工等过程中废气等污染物的排放量3。也有研究表明4,通过应用过氧化二异丙苯作为引发剂,在熔融状态下用螺杆挤出制得相容剂硫磺接枝聚丙烯(PPgS),进一步制得PP/PPgS/S共混改性材料,通过分析测试,其复数黏度、储能模量、零剪切黏度、Col
8、eCole曲线圆弧半径、损耗模量及损耗因子均增大,呈均相均匀分散在PP之中。这说明S可以接枝到PP之上,为废硫渣与RPE、RPP共混改性提 塑料与环境 收稿日期:20230410第一作者:董党锋(1979),男,高级工程师,从事废塑料改性沥青及其应用研究,中国塑料供可能。虽然RPE、RPP及硫各自均对沥青性有积极的改性效果,但是文献鲜见三者共混制备一种新型沥青改性剂并对基质沥青改性的相关研究,本文选择在前期研究工作基础上,选择RPE/RPP/SP=6/4/0.7(质量比)制备SPM改性剂,重点研究了不同含量SPM对改性沥青常规指标、低温性能及流变性能的影响,并进行微观分析表征验证,为今后SPM
9、在沥青混合料中规模化应用奠定理论依据。1 实验部分 1.1 主要原料RPE,熔体流动速率 0.463 2 g/10 min,灰分含量7.421%,密度0.984 g/cm3,桐城市诚名塑业有限责任公司;RPP,熔体流动速率 10.456 g/10 min,灰分含量2.346%,密度 0.835 g/cm3,大连金州鑫林工贸有限公司;SP,技术指标见表1(厂家提供),太原第二热电厂脱硫工段。AH70沥青,针入度68(25,5 s,0.1 mm)、软化点49、15 延度100 cm,壳牌新粤(佛山)沥青有限公司。1.2 主要设备及仪器傅里叶红外光谱仪(FTIR),8400s,日本岛津公司;高混机,
10、SHR25A,张家港市宏基机械有限公司;扫描电子显微镜(SEM),JSM6510,日本日立公司。1.3 样品制备SPM改性剂制备:常温下按配方RPE/RPP/SP=6/4/0.7(质量比)将原料加入高混机中,混合均匀后原料进入上料机,从上料机进入主机料仓,通过喂料系统进入主机,通过双螺杆挤出造粒,在一定温度及压强下,挤出条状产品,然后进入水槽进行水浴冷切,冷却固化后进入吹干机吹干;进入切粒机造粒,在成品仓内收集,包装成品;SPM改性沥青制备:基质沥青加热到190,均匀加入占基质沥青质量0、1%、3%、5%和7%的SPM,高速搅拌30 min后,高速(6 000 r/min)剪切60 min,即
11、得SPM改性沥青备用待测试。1.4 性能测试与结构表征常规指标:SPM改性沥青三大指标及布氏旋转黏度测试按照JTG E202011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程5规定完成;低温性能(BBR)测试:选择-18 试验条件,恒定荷载 90 mN,测试时间 60 s,支架间距 102 mm,梁高12.5 mm,梁宽 6.25 mm;测试并计算获得劲度模量(S)和流值(mvalue);流变性能测试:测试过程选取直径25.0 mm、间隙1.0 mm的震荡板(SPM改性沥青膜厚度为1.0 mm);温度扫描测试条件为恒定频率10 rad/s,温度从40 升至90,温度间隔10;通过测试获得复合剪切模量(G
12、)和相位角()来表征SPM改性沥青的弹性与黏性性质6;红外分析:通过FTIR测试并分析SPM与基质沥青之间是否发生化学反应,测试扫描范围为 5004 000 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫描32次;微观形貌分析:不同含量SPM改性沥青样品喷金处理,在SEM下观察其微观形貌,扫描电压为10 kV,扫描倍数为5 000、8 000。2 结果与讨论 SPM由于其制备成分中含有塑料与硫磺成分,因此SPM改性沥青的三大指标及布氏黏度会有不同于基质沥青的变化。2.1 SPM含量对改性沥青三大指标的影响表2为不同含量SPM对改性沥青常规指标性能影响。从表可知,对于针入度变化而言,在试验测试温度条件下,随
13、着SPM含量的增加针入度值均降低,与基质沥青针入度相比,在 15、25、30 最大降幅分别为17.9%、30.4%、25.7%,且随着测试温度的升高降低幅度先增加后减小,这说明随着试验温度的增加,SPM对改性沥青针入度的影响逐渐减弱,温度对其的影响逐渐增强。对于针入度指数(PI)变化而言,随着SPM含量的增加PI逐渐增大,温度的敏感性降低,与基质沥青相比,最大增幅133.6%,这进一步说明SPM添加显著改善了基质沥青的高温性能,在这一方面SPM改性沥青的性能与RPE、RPP单独和RPE/RPP共混改性沥青性能基本保持一致7。对于软化点及当量软化点(T800)表1 SP主要成分及其含量Tab.1
14、 Main components and their contents of SP名称斜方硫(S)NH4SCN(NH)4S2O3FeSO4多环芳烃类有机化合物其他含量(质量分数)/%85.641.352.151.226.043.6备注主要以S状态存在苯类、萘类、芴类、菲类等焦油类等 102废旧聚乙烯/废旧聚丙烯/废硫渣复合改性剂含量对改性沥青性能的影响2023 年 8 月变化而言,在同一试验测试温度下,随着SPM含量的增加二者均增加,增加幅度分别为18.0%、24.6%,再次验证SPM添加对基质沥青高温性能的影响。对于上述SPM对基质沥青高温性能的改善,可能的机理在于,RPE/RPP/SP共混
15、物在高温环境下,在螺杆挤出机剪切等力作用下,3种原材料存在分子链之间缠结、部分活性基团(RPE、RPP老化产生活性基团OH、COOH等)之间化学反应作用下,所形成的SPM高分子链在基质沥青中形成网状结构,并吸附沥青中轻组分,使得沥青中轻组分含量相对降低,进而改善了改性沥青的高温性能。对延度及当量脆点(T1.2)而言,随着SPM含量的增加SPM改性沥青低温性能先增加随后减小。综上分析评价,随着SPM掺量的增加,SPM改性沥青的高温性能增强,对改性沥青低温性能则存在一定范围。总体分析5%与7%改性剂掺加量对改性沥青低温性能影响不大,建议在实际应用中SPM在改性沥青中添加量取5%7%之间为宜。2.2
16、 SPM含量对改性沥青布氏黏度的影响表3为不同含量SPM对改性沥青布氏黏度影。由表可知,整体上SPM的加入提高了改性沥青的黏度,这与其能够提升高温性能的结论一致。在相同SPM含量下,110135 区间内改性沥青黏度随着温度的升高直线下降,温度越高愈呈现出牛顿流体性质。在高温阶段,不同含量SPM对改性沥青黏度并无显著差异。说明随着温度的升高SPM对改性沥青黏度的影响逐渐从SPM占主导作用过渡到温度占主要影响因素,该结论与表2所反映的SPM对改性沥青延度指标变化规律相一致。2.3 BBR测试分析BBR分析中mvalue和S是评价沥青低温性能的2个常用指标,mvalue表征沥青在低温下的应力松弛能力
17、,S表示沥青在低温下的变形能力。相同测试温度下,S越小,mvalue越大,沥青的低温性能越好8。图1为 SPM 含量与 mvalue、S 之间的变化关系。由图可知,2条曲线变化趋势基本一致,在零含量时mvalue、S均存在极小值,分别为0.18 mm和177 MPa,在5%含量时存在极大值,分别为0.36 mm和218 MPa。对于S而言,与极小值相比,最大值增幅23.16%,且在5%7%区间内,随着 SPM 含量的增加而逐渐减小,与极大值相比,减小幅度 13.30%,且在试验条件下 S0.3 mm,满足计技术指标要求。与S相比,SPM对mvalue的影响相对显著。可能的原因在于,在试验范围内
18、,SPM含量在5%时其网络结构与基质沥青中相互作用最佳,随后可能由于SPM表2 SPM含量对改性沥青指标影响Tab.2Effect of SPM content on the indexes of modified asphaltSPM含量/%01357针入度/0.1 mm15 20.119.520.318.216.525 68.066.460.253.547.330 101.298.388.480.475.2PI-1.174-1.046-0.6180.0740.395T800/0.1 mm47.65151.12352.88454.10756.239T1.2/-13.512-15.447-16
19、.237-19.206-18.847延度/cm10 53.161.666.471.368.215 10010010010098.0软化/49.150.952.358.661.2表3 SPM含量对改性沥青布氏黏度影响PasTab.3Effect of SPM contents on Brucell viscosity of the modified asphaltPasSPM含量/%01357温度/1101.972.212.632.633.281351.461.511.581.722.331501.231.251.291.301.331751.091.101.111.111.11图1SPM含量对
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