废旧农膜沥青混凝土高模量剂研究

摘要：废旧聚乙烯塑料农膜来源充足，价格低廉，从经济角度看，为推行废旧聚乙烯塑料改性沥青的利用增加了可行性。本文研究用废旧农膜制备高模量沥青混凝土，内层为聚合物改性层，外层为废旧农膜包裹层，其模量及抗老化性能得到了大幅改善，提高了沥青路面的综合使用性能，延长了路面的使用寿命，降低了路面建设及养护成本，有极高的经济价值和社会效益，同时解决农用地膜的环境污染问题。

关键词：废旧农膜；高模量剂；沥青混凝土

1国内外研究现状

在法国，高模量沥青混凝土用处很多，用量很大[2]，1989年高模量混凝土就达到了50万吨，1990年超过100万吨。英国也有对高模量沥青混凝土的使用寿命、抗车辙能力、耐久性和制造成本等方面的研究。芬兰、荷兰也有对普通混凝土路面和改性高模量沥青混凝土路面的对比性研究，结果表明，改性高模量沥青混凝土的抗变形能力较好。美国对延长沥青混凝土路面使用的寿命方面的研究起步较早，得出的结论是提高沥青混凝土的弹性模量可以延长沥青混凝土的使用寿命[5]。我国在这方面的研究起步较晚，更多的是从国外引进高模量混凝土外加剂。2007年，中石化石科院连同辽宁省高等公路建设局、辽宁省交科院开始对高模量沥青混凝土进行研究，得出结论是其动态模量、损失模量、车辙因子相对普通沥青混凝土路面都有所提高。现在，越来越多的高校对高模量沥青混凝土道路有所研究，其中东北大学和长安大学处于领先地位[5]。

2模量的概念、分类及评价指标

模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，是材料在受力状态下，应力与应变之比，反映原子间结合力的大小，原子间结合力越大，模量越高。其包括拉伸模量（E）、剪切模量（G）、体积模量（K）等，一般情况下指弹性模量，表示材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。模量基于不同的变形被冠以不同的名称，如拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭曲等，但是从变形的本质上讲，拉伸、压缩和弯曲是等效的，在数值上是相等的，可以用统一的符号“E”表示，统称弹性模量；而剪切和扭曲在本质上是等效的，统称剪切模量，可以用统一的符号“G”表示；压缩模量用符号“K”表示，则三者的关系可以用E=2G(1+v)=3K(1-2v)表示（v为泊松比）。模量是材料的力学性能常数，分为静态模量和动态模量，通常在材料万能测试机上测得的是静态模量。高聚物材料的弹性变形较大，弹性模量也较大。影响弹性模量的主要因素有：1）材料的结构，弹性模量与原子系数呈周期性变化；2）温度，随着温度的升高，弹性模量下降；3）合金元素对结构不敏感，一般对弹性模量影响不大，少量合金元素对弹性模量也没有影响，大量的合金元素会引起畸变，使弹性模量降低。不同材料的弹性模量和泊松比见表1.混凝土动弹性模量测定仪的测定目的是检验混凝土在经受冻融或其他侵蚀作用后的破坏程度，以此评价混凝土的耐久性能[4]。

3高模量沥青混凝土

高模量沥青混凝土（HMAC）通过提高沥青混凝土的弹性模量，使得车辆荷载作用下沥青混凝土产生的变形减小，路面抵抗高温变形的能力提高，抗疲劳性能增强，使用寿命延长[3]。混凝土的高模量特性可以降低路面结构的厚度，降低建设成本[3]。高模量沥青混凝土主要技术条件见表2.

4改性沥青

沥青是由多种化合物组成的混合物，成分复杂，但是从化学元素来分析，主要由碳（C）、氢（H）两种元素组成，所有沥青都是碳氢化合物。沥青中的碳、氢含量在98%～99%，其中碳含量在83%～87%，氢含量在11%～14%。此外，沥青还含有少量其他元素，如硫（S）、氮（N）、氧（O）以及一些金属元素，如铜、镁、镍、钙等，这些元素以无机盐或氧化物等形式存在[6]。用聚合物来改性沥青主要是改变沥青的储存稳定性，改性沥青的稳定性主要由聚合物和沥青的相容性决定，相容性越好，改性沥青的储存稳定性越好。相容性指在热力学意义上，两种或两种以上的物质混合后形成均匀体系的能力。对于用聚合物改性的沥青来说，改性剂和沥青之间存在分子量、化学结构、溶解度参数等差异，一般认为是微观上的多相体系，倾向于形成热力学意义上的不相容体系。沥青和聚乙烯都是碳氢化合物，都是以烯烃或炔烃聚合而成的，两者在结构上有相似性，沥青的熔融温度在60～200℃，聚乙烯的熔融温度在105～220℃，两者有共同的熔融温度，在120～160℃温度下，通过机械设备强制搅拌，使聚乙烯的大分子链在沥青中均匀分布，不会发生分层、凝聚、分离等现象[8]。聚合物改性沥青的效果在很大程度上取决于聚合物的掺量、分子重量、化学成分、分子排列和所采用的基质沥青。当一种聚合物加到两种不同的基质沥青中，其改性效果差别很大，聚合物在沥青中呈连续网状结构时，改性效果最佳。同时，沥青的组分中，饱和油分在8%～12%、芳香油分及树脂在85%～89%、沥青质在1%～5%时，沥青与聚合物的相容性较好。选择合适的沥青标号也很重要。实践证明，由石油基原油生产的沥青和PE的相容性较好，表明聚乙烯改性多蜡沥青效果较好。

5废旧聚乙烯薄膜用作沥青改性的处理技术

1）原理和流程。在沥青油池中安装强制搅拌设备，每一池按20:1的比例在沥青中掺入废旧聚乙烯农膜。把经脱水后沥青按质量份数放入油池中加热，当温度升高到120℃时，将剪切至30～50cm的废旧薄膜分批量（每批约15～20公斤）投入沥青池中，并不断给沥青加热搅拌。当沥青和废旧薄膜完全熔化后，搅拌均匀，再投放下一批废旧薄膜，持续到废旧薄膜投放完毕。沥青的加热温度控制在160℃左右，如温度过低，废旧薄膜熔化时间会过长；如温度过高，沥青很容易老化[8]。待废旧薄膜完全熔化后，沥青的混合液中没有块团、沉淀物，混合溶液稠度均匀，然后将漂浮在油面上的油渣、杂质打捞上来，即配制好改性沥青[7]。2）成本效益及可行性分析。从1978年开始，我国从日本引进覆膜技术已40多年，覆膜技术适用于不同气候、不同区域，给农作物的增产增效带来很大效用。但是该技术的应用也带来了土壤和环境污染问题，留在土壤里的残膜降低了土壤活性结构，影响农作物的生长；同时，地面的残膜会造成白色污染。将废弃农膜回收，用做沥青改性剂，能部分消化废弃农膜，减少环境污染，有净化环境的效益；同时，废旧农膜回收，资源再生利用，节省能源，降低了高分子聚合物改性沥青的成本，有显著的经济效益和社会效益。3）技术的成熟程度。用改性沥青作为道路沥青材料已有很长时间了。国内改性沥青的种类有橡胶沥青、树脂沥青、聚合物橡胶沥青、高分子聚合物沥青、乳化沥青等。河南省交通科学技术研究所、焦作市公路管理局和郑州轻工业学院合作开展了利用废旧聚乙烯塑料薄膜改性道路沥青的研究[8]，1996年在焦作至辉县公路修武县境路面大修工程中推广使用聚乙烯薄膜塑料改性沥青碎石路面铺筑，效果非常好；北京机场高速公路使用聚乙烯薄膜塑料改性沥青和聚乙烯、合成橡胶改性沥青进行铺筑，也取得了较好的效果[3]。

6用废旧农膜制备沥青混凝土高模量剂

6.1废旧农膜沥青混凝土高模量剂配方

其内层是聚合物改性层，外层是废旧农膜包裹层。配方见表3。

6.2用废旧农膜制备沥青混凝土高模量剂的方法

先将废旧农膜进行清洗，置入破碎机剪切成片，然后将环氧树脂、纤维、石蜡、抗老化剂、抗氧化剂、稳定剂、炭黑、抗剥落剂加入卧式混色机中进行均匀搅拌，制成半成品，搅拌温度为室温，搅拌时间5～10min。再将废旧农膜和硅藻土加入卧式混色机中，与上述制得的半成品一起再次进行均匀搅拌，然后用双螺杆挤出机生产基于废旧农膜的沥青混凝土高模量剂，搅拌温度为室温，搅拌时间10～20min，双螺杆挤出机的生产温度为140～165℃。此方法的优点其采用二次混合生产，使得各种原料与高分子材料均匀混合，制得的半成品物理性能良好；解决了农用地膜的环境污染问题；解决了沥青道路建设的高投资、高能耗、高污染难题，降低了道路建设及养护的成本，提升了施工效率，保护生态环境，节约社会资源。

6.370号A级道路石油沥青混凝土的制备

高模量橡胶沥青主要由70号A级道路石油沥青、路用废胎胶粉、浓盐废旧塑料薄膜、天然沥青、芳烃油、助剂等成分组成，其中，芳烃油和助剂的加入主要是提高天然沥青及农用废旧塑料农膜与橡胶沥青的相容性，使制得的高模量橡胶沥青质量均匀稳定。原料和质量份数见表4。-1.5份助剂0-0.5份制备方法如下：按重量比例将70号A级路面石油沥青放入搅拌器内加热至155～160℃，然后加入路用废胎胶粉，并升温至180～200℃，保持搅拌速率在700～1200r/min，待温度升至180℃时，依次加入洁净、干燥且破碎至0.5cm以下的农用废旧塑料农膜和助剂，5min后加入天然沥青，升温至195～210℃，并加入芳烃油，持续反应0.5～1.0h，整个过程不停搅拌，即可制得高模量橡胶沥青。此方法的优点是高模量橡胶沥青显著提高了稳定性、软化点；同时提高了橡胶沥青的模量和车辙能力；提供了一种废旧塑料薄膜的再利用途径，实现了资源再生利用。

7用废旧农膜制备的沥青混凝土高模量剂的应用

废旧农膜改性沥青混凝土高模量剂的应用，既可以满足工程需要，也可以满足环保需要。同时，废旧农膜改性沥青为提高沥青路面高温稳定性和耐久性提供了一个新的方案，为废旧农膜的回收利用开辟了一个新的方向。新建高等级公路路面、低等级公路路面、大中修路面及桥面铺装工程都可以尝试使用。

参考文献

[1]郑同鑫,阚丽虹.废旧农膜再利用的发展[J].中国建材科技.2021,30(02):155-157.

[2]周庆华，沙爱民.高模量沥青混凝土动态模量及主曲线研究[J].现代交通技术,2011,8(2):9-12.

[3]李兆华，赵丽娅.湖北农村环境保护对策与技术[M].武汉:湖北科学技术出版社，2014:172.

[4]葛新娅.混凝土材料技术[M].北京:化学工业出版社,2015:272.

[5]冯璐.高模量沥青制备技术研究[D].青岛:中国石油大学,2014.

[6]杨锡武.生活废旧塑料改性沥青技术及工程应用[M].北京:科学出版社,2016:65.

[7]白启荣.废旧聚乙烯塑料改性沥青路用性能的研究[J].山西建筑,2001(10):85-86.

[8]陆景富,张泽保.废旧聚乙烯塑料改性沥青路用性能的研究及实践[J].中南公路工程,1996(3):62-63.

作者：阚丽虹 刘开明 宏万里 单位：甘肃能源化工职业学院