廢舊農膜瀝青混凝土高模量劑研究

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摘要：廢舊聚乙烯塑料農膜來源充足，價格低廉，從經濟角度看，為推行廢舊聚乙烯塑料改性瀝青的利用增加了可行性。本文研究用廢舊農膜制備高模量瀝青混凝土，內層為聚合物改性層，外層為廢舊農膜包裹層，其模量及抗老化性能得到了大幅改善，提高了瀝青路面的綜合使用性能，延長了路面的使用壽命，降低了路面建設及養護成本，有極高的經濟價值和社會效益，同時解決農用地膜的環境污染問題。

關鍵詞：廢舊農膜；高模量劑；瀝青混凝土

1國內外研究現狀

在法國，高模量瀝青混凝土用處很多，用量很大[2]，1989年高模量混凝土就達到了50萬噸，1990年超過100萬噸。英國也有對高模量瀝青混凝土的使用壽命、抗車轍能力、耐久性和制造成本等方面的研究。芬蘭、荷蘭也有對普通混凝土路面和改性高模量瀝青混凝土路面的對比性研究，結果表明，改性高模量瀝青混凝土的抗變形能力較好。美國對延長瀝青混凝土路面使用的壽命方面的研究起步較早，得出的結論是提高瀝青混凝土的彈性模量可以延長瀝青混凝土的使用壽命[5]。我國在這方面的研究起步較晚，更多的是從國外引進高模量混凝土外加劑。2007年，中石化石科院連同遼寧省高等公路建設局、遼寧省交科院開始對高模量瀝青混凝土進行研究，得出結論是其動態模量、損失模量、車轍因子相對普通瀝青混凝土路面都有所提高。現在，越來越多的高校對高模量瀝青混凝土道路有所研究，其中東北大學和長安大學處于領先地位[5]。

2模量的概念、分類及評價指標

模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量，是材料在受力狀態下，應力與應變之比，反映原子間結合力的大小，原子間結合力越大，模量越高。其包括拉伸模量（E）、剪切模量（G）、體積模量（K）等，一般情況下指彈性模量，表示材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力。模量基于不同的變形被冠以不同的名稱，如拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭曲等，但是從變形的本質上講，拉伸、壓縮和彎曲是等效的，在數值上是相等的，可以用統一的符號“E”表示，統稱彈性模量；而剪切和扭曲在本質上是等效的，統稱剪切模量，可以用統一的符號“G”表示；壓縮模量用符號“K”表示，則三者的關系可以用E=2G(1+v)=3K(1-2v)表示（v為泊松比）。模量是材料的力學性能常數，分為靜態模量和動態模量，通常在材料萬能測試機上測得的是靜態模量。高聚物材料的彈性變形較大，彈性模量也較大。影響彈性模量的主要因素有：1）材料的結構，彈性模量與原子系數呈周期性變化；2）溫度，隨著溫度的升高，彈性模量下降；3）合金元素對結構不敏感，一般對彈性模量影響不大，少量合金元素對彈性模量也沒有影響，大量的合金元素會引起畸變，使彈性模量降低。不同材料的彈性模量和泊松比見表1.混凝土動彈性模量測定儀的測定目的是檢驗混凝土在經受凍融或其他侵蝕作用后的破壞程度，以此評價混凝土的耐久性能[4]。

3高模量瀝青混凝土

高模量瀝青混凝土（HMAC）通過提高瀝青混凝土的彈性模量，使得車輛荷載作用下瀝青混凝土產生的變形減小，路面抵抗高溫變形的能力提高，抗疲勞性能增強，使用壽命延長[3]。混凝土的高模量特性可以降低路面結構的厚度，降低建設成本[3]。高模量瀝青混凝土主要技術條件見表2.

4改性瀝青

瀝青是由多種化合物組成的混合物，成分復雜，但是從化學元素來分析，主要由碳（C）、氫（H）兩種元素組成，所有瀝青都是碳氫化合物。瀝青中的碳、氫含量在98%～99%，其中碳含量在83%～87%，氫含量在11%～14%。此外，瀝青還含有少量其他元素，如硫（S）、氮（N）、氧（O）以及一些金屬元素，如銅、鎂、鎳、鈣等，這些元素以無機鹽或氧化物等形式存在[6]。用聚合物來改性瀝青主要是改變瀝青的儲存穩定性，改性瀝青的穩定性主要由聚合物和瀝青的相容性決定，相容性越好，改性瀝青的儲存穩定性越好。相容性指在熱力學意義上，兩種或兩種以上的物質混合后形成均勻體系的能力。對于用聚合物改性的瀝青來說，改性劑和瀝青之間存在分子量、化學結構、溶解度參數等差異，一般認為是微觀上的多相體系，傾向于形成熱力學意義上的不相容體系。瀝青和聚乙烯都是碳氫化合物，都是以烯烴或炔烴聚合而成的，兩者在結構上有相似性，瀝青的熔融溫度在60～200℃，聚乙烯的熔融溫度在105～220℃，兩者有共同的熔融溫度，在120～160℃溫度下，通過機械設備強制攪拌，使聚乙烯的大分子鏈在瀝青中均勻分布，不會發生分層、凝聚、分離等現象[8]。聚合物改性瀝青的效果在很大程度上取決于聚合物的摻量、分子重量、化學成分、分子排列和所采用的基質瀝青。當一種聚合物加到兩種不同的基質瀝青中，其改性效果差別很大，聚合物在瀝青中呈連續網狀結構時，改性效果最佳。同時，瀝青的組分中，飽和油分在8%～12%、芳香油分及樹脂在85%～89%、瀝青質在1%～5%時，瀝青與聚合物的相容性較好。選擇合適的瀝青標號也很重要。實踐證明，由石油基原油生產的瀝青和PE的相容性較好，表明聚乙烯改性多蠟瀝青效果較好。

5廢舊聚乙烯薄膜用作瀝青改性的處理技術

1）原理和流程。在瀝青油池中安裝強制攪拌設備，每一池按20:1的比例在瀝青中摻入廢舊聚乙烯農膜。把經脫水后瀝青按質量份數放入油池中加熱，當溫度升高到120℃時，將剪切至30～50cm的廢舊薄膜分批量（每批約15～20公斤）投入瀝青池中，并不斷給瀝青加熱攪拌。當瀝青和廢舊薄膜完全熔化后，攪拌均勻，再投放下一批廢舊薄膜，持續到廢舊薄膜投放完畢。瀝青的加熱溫度控制在160℃左右，如溫度過低，廢舊薄膜熔化時間會過長；如溫度過高，瀝青很容易老化[8]。待廢舊薄膜完全熔化后，瀝青的混合液中沒有塊團、沉淀物，混合溶液稠度均勻，然后將漂浮在油面上的油渣、雜質打撈上來，即配制好改性瀝青[7]。2）成本效益及可行性分析。從1978年開始，我國從日本引進覆膜技術已40多年，覆膜技術適用于不同氣候、不同區域，給農作物的增產增效帶來很大效用。但是該技術的應用也帶來了土壤和環境污染問題，留在土壤里的殘膜降低了土壤活性結構，影響農作物的生長；同時，地面的殘膜會造成白色污染。將廢棄農膜回收，用做瀝青改性劑，能部分消化廢棄農膜，減少環境污染，有凈化環境的效益；同時，廢舊農膜回收，資源再生利用，節省能源，降低了高分子聚合物改性瀝青的成本，有顯著的經濟效益和社會效益。3）技術的成熟程度。用改性瀝青作為道路瀝青材料已有很長時間了。國內改性瀝青的種類有橡膠瀝青、樹脂瀝青、聚合物橡膠瀝青、高分子聚合物瀝青、乳化瀝青等。河南省交通科學技術研究所、焦作市公路管理局和鄭州輕工業學院合作開展了利用廢舊聚乙烯塑料薄膜改性道路瀝青的研究[8]，1996年在焦作至輝縣公路修武縣境路面大修工程中推廣使用聚乙烯薄膜塑料改性瀝青碎石路面鋪筑，效果非常好；北京機場高速公路使用聚乙烯薄膜塑料改性瀝青和聚乙烯、合成橡膠改性瀝青進行鋪筑，也取得了較好的效果[3]。

6用廢舊農膜制備瀝青混凝土高模量劑

6.1廢舊農膜瀝青混凝土高模量劑配方

其內層是聚合物改性層，外層是廢舊農膜包裹層。配方見表3。

6.2用廢舊農膜制備瀝青混凝土高模量劑的方法

先將廢舊農膜進行清洗，置入破碎機剪切成片，然后將環氧樹脂、纖維、石蠟、抗老化劑、抗氧化劑、穩定劑、炭黑、抗剝落劑加入臥式混色機中進行均勻攪拌，制成半成品，攪拌溫度為室溫，攪拌時間5～10min。再將廢舊農膜和硅藻土加入臥式混色機中，與上述制得的半成品一起再次進行均勻攪拌，然后用雙螺桿擠出機生產基于廢舊農膜的瀝青混凝土高模量劑，攪拌溫度為室溫，攪拌時間10～20min，雙螺桿擠出機的生產溫度為140～165℃。此方法的優點其采用二次混合生產，使得各種原料與高分子材料均勻混合，制得的半成品物理性能良好；解決了農用地膜的環境污染問題；解決了瀝青道路建設的高投資、高能耗、高污染難題，降低了道路建設及養護的成本，提升了施工效率，保護生態環境，節約社會資源。

6.370號A級道路石油瀝青混凝土的制備

高模量橡膠瀝青主要由70號A級道路石油瀝青、路用廢胎膠粉、濃鹽廢舊塑料薄膜、天然瀝青、芳烴油、助劑等成分組成，其中，芳烴油和助劑的加入主要是提高天然瀝青及農用廢舊塑料農膜與橡膠瀝青的相容性，使制得的高模量橡膠瀝青質量均勻穩定。原料和質量份數見表4。-1.5份助劑0-0.5份制備方法如下：按重量比例將70號A級路面石油瀝青放入攪拌器內加熱至155～160℃，然后加入路用廢胎膠粉，并升溫至180～200℃，保持攪拌速率在700～1200r/min，待溫度升至180℃時，依次加入潔凈、干燥且破碎至0.5cm以下的農用廢舊塑料農膜和助劑，5min后加入天然瀝青，升溫至195～210℃，并加入芳烴油，持續反應0.5～1.0h，整個過程不停攪拌，即可制得高模量橡膠瀝青。此方法的優點是高模量橡膠瀝青顯著提高了穩定性、軟化點；同時提高了橡膠瀝青的模量和車轍能力；提供了一種廢舊塑料薄膜的再利用途徑，實現了資源再生利用。

7用廢舊農膜制備的瀝青混凝土高模量劑的應用

廢舊農膜改性瀝青混凝土高模量劑的應用，既可以滿足工程需要，也可以滿足環保需要。同時，廢舊農膜改性瀝青為提高瀝青路面高溫穩定性和耐久性提供了一個新的方案，為廢舊農膜的回收利用開辟了一個新的方向。新建高等級公路路面、低等級公路路面、大中修路面及橋面鋪裝工程都可以嘗試使用。

參考文獻

[1]鄭同鑫,闞麗虹.廢舊農膜再利用的發展[J].中國建材科技.2021,30(02):155-157.

[2]周慶華，沙愛民.高模量瀝青混凝土動態模量及主曲線研究[J].現代交通技術,2011,8(2):9-12.

[3]李兆華，趙麗婭.湖北農村環境保護對策與技術[M].武漢:湖北科學技術出版社，2014:172.

[4]葛新婭.混凝土材料技術[M].北京:化學工業出版社,2015:272.

[5]馮璐.高模量瀝青制備技術研究[D].青島:中國石油大學,2014.

[6]楊錫武.生活廢舊塑料改性瀝青技術及工程應用[M].北京:科學出版社,2016:65.

[7]白啟榮.廢舊聚乙烯塑料改性瀝青路用性能的研究[J].山西建筑,2001(10):85-86.

[8]陸景富,張澤保.廢舊聚乙烯塑料改性瀝青路用性能的研究及實踐[J].中南公路工程,1996(3):62-63.

作者：闞麗虹 劉開明 宏萬里 單位：甘肅能源化工職業學院