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摘要：廢舊聚乙烯塑料農(nóng)膜來(lái)源充足，價(jià)格低廉，從經(jīng)濟(jì)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(nóng)膜制備高模量瀝青混凝土，內(nèi)層為聚合物改性層，外層為廢舊農(nóng)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(zhǎng)了路面的使用壽命，降低了路面建設(shè)及養(yǎng)護(hù)成本，有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，同時(shí)解決農(nóng)用地膜的環(huán)境污染問題。

關(guān)鍵詞：廢舊農(nóng)膜；高模量劑；瀝青混凝土

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在法國(guó)，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(dá)到了50萬(wàn)噸，1990年超過100萬(wàn)噸。英國(guó)也有對(duì)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(duì)普通混凝土路面和改性高模量瀝青混凝土路面的對(duì)比性研究，結(jié)果表明，改性高模量瀝青混凝土的抗變形能力較好。美國(guó)對(duì)延長(zhǎng)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(jié)論是提高瀝青混凝土的彈性模量可以延長(zhǎng)瀝青混凝土的使用壽命[5]。我國(guó)在這方面的研究起步較晚，更多的是從國(guó)外引進(jìn)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(shè)局、遼寧省交科院開始對(duì)高模量瀝青混凝土進(jìn)行研究，得出結(jié)論是其動(dòng)態(tài)模量、損失模量、車轍因子相對(duì)普通瀝青混凝土路面都有所提高。現(xiàn)在，越來(lái)越多的高校對(duì)高模量瀝青混凝土道路有所研究，其中東北大學(xué)和長(zhǎng)安大學(xué)處于領(lǐng)先地位[5]。

2模量的概念、分類及評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(tài)下，應(yīng)力與應(yīng)變之比，反映原子間結(jié)合力的大小，原子間結(jié)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(zhì)上講，拉伸、壓縮和彎曲是等效的，在數(shù)值上是相等的，可以用統(tǒng)一的符號(hào)“E”表示，統(tǒng)稱彈性模量；而剪切和扭曲在本質(zhì)上是等效的，統(tǒng)稱剪切模量，可以用統(tǒng)一的符號(hào)“G”表示；壓縮模量用符號(hào)“K”表示，則三者的關(guān)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(xué)性能常數(shù)，分為靜態(tài)模量和動(dòng)態(tài)模量，通常在材料萬(wàn)能測(cè)試機(jī)上測(cè)得的是靜態(tài)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(jié)構(gòu)，彈性模量與原子系數(shù)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(duì)結(jié)構(gòu)不敏感，一般對(duì)彈性模量影響不大，少量合金元素對(duì)彈性模量也沒有影響，大量的合金元素會(huì)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(dòng)彈性模量測(cè)定儀的測(cè)定目的是檢驗(yàn)混凝土在經(jīng)受凍融或其他侵蝕作用后的破壞程度，以此評(píng)價(jià)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(chǎn)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(qiáng)，使用壽命延長(zhǎng)[3]?；炷恋母吣Ａ刻匦钥梢越档吐访娼Y(jié)構(gòu)的厚度，降低建設(shè)成本[3]。高模量瀝青混凝土主要技術(shù)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(fù)雜，但是從化學(xué)元素來(lái)分析，主要由碳（C）、氫（H）兩種元素組成，所有瀝青都是碳?xì)浠衔?。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(wú)機(jī)鹽或氧化物等形式存在[6]。用聚合物來(lái)改性瀝青主要是改變?yōu)r青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，改性瀝青的穩(wěn)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(chǔ)存穩(wěn)定性越好。相容性指在熱力學(xué)意義上，兩種或兩種以上的物質(zhì)混合后形成均勻體系的能力。對(duì)于用聚合物改性的瀝青來(lái)說(shuō)，改性劑和瀝青之間存在分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、溶解度參數(shù)等差異，一般認(rèn)為是微觀上的多相體系，傾向于形成熱力學(xué)意義上的不相容體系。瀝青和聚乙烯都是碳?xì)浠衔?，都是以烯烴或炔烴聚合而成的，兩者在結(jié)構(gòu)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(jī)械設(shè)備強(qiáng)制攪拌，使聚乙烯的大分子鏈在瀝青中均勻分布，不會(huì)發(fā)生分層、凝聚、分離等現(xiàn)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(xué)成分、分子排列和所采用的基質(zhì)瀝青。當(dāng)一種聚合物加到兩種不同的基質(zhì)瀝青中，其改性效果差別很大，聚合物在瀝青中呈連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，改性效果最佳。同時(shí)，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(zhì)在1%～5%時(shí)，瀝青與聚合物的相容性較好。選擇合適的瀝青標(biāo)號(hào)也很重要。實(shí)踐證明，由石油基原油生產(chǎn)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(shù)

1）原理和流程。在瀝青油池中安裝強(qiáng)制攪拌設(shè)備，每一池按20:1的比例在瀝青中摻入廢舊聚乙烯農(nóng)膜。把經(jīng)脫水后瀝青按質(zhì)量份數(shù)放入油池中加熱，當(dāng)溫度升高到120℃時(shí)，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(dāng)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(xù)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(shí)間會(huì)過長(zhǎng)；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(tuán)、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(zhì)打撈上來(lái)，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(guó)從日本引進(jìn)覆膜技術(shù)已40多年，覆膜技術(shù)適用于不同氣候、不同區(qū)域，給農(nóng)作物的增產(chǎn)增效帶來(lái)很大效用。但是該技術(shù)的應(yīng)用也帶來(lái)了土壤和環(huán)境污染問題，留在土壤里的殘膜降低了土壤活性結(jié)構(gòu)，影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)；同時(shí)，地面的殘膜會(huì)造成白色污染。將廢棄農(nóng)膜回收，用做瀝青改性劑，能部分消化廢棄農(nóng)膜，減少環(huán)境污染，有凈化環(huán)境的效益；同時(shí)，廢舊農(nóng)膜回收，資源再生利用，節(jié)省能源，降低了高分子聚合物改性瀝青的成本，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。3）技術(shù)的成熟程度。用改性瀝青作為道路瀝青材料已有很長(zhǎng)時(shí)間了。國(guó)內(nèi)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(xué)技術(shù)研究所、焦作市公路管理局和鄭州輕工業(yè)學(xué)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(jī)場(chǎng)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(jìn)行鋪筑，也取得了較好的效果[3]。

6用廢舊農(nóng)膜制備瀝青混凝土高模量劑

6.1廢舊農(nóng)膜瀝青混凝土高模量劑配方

其內(nèi)層是聚合物改性層，外層是廢舊農(nóng)膜包裹層。配方見表3。

6.2用廢舊農(nóng)膜制備瀝青混凝土高模量劑的方法

先將廢舊農(nóng)膜進(jìn)行清洗，置入破碎機(jī)剪切成片，然后將環(huán)氧樹脂、纖維、石蠟、抗老化劑、抗氧化劑、穩(wěn)定劑、炭黑、抗剝落劑加入臥式混色機(jī)中進(jìn)行均勻攪拌，制成半成品，攪拌溫度為室溫，攪拌時(shí)間5～10min。再將廢舊農(nóng)膜和硅藻土加入臥式混色機(jī)中，與上述制得的半成品一起再次進(jìn)行均勻攪拌，然后用雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)基于廢舊農(nóng)膜的瀝青混凝土高模量劑，攪拌溫度為室溫，攪拌時(shí)間10～20min，雙螺桿擠出機(jī)的生產(chǎn)溫度為140～165℃。此方法的優(yōu)點(diǎn)其采用二次混合生產(chǎn)，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(nóng)用地膜的環(huán)境污染問題；解決了瀝青道路建設(shè)的高投資、高能耗、高污染難題，降低了道路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)的成本，提升了施工效率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，節(jié)約社會(huì)資源。

6.370號(hào)A級(jí)道路石油瀝青混凝土的制備

高模量橡膠瀝青主要由70號(hào)A級(jí)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(nóng)用廢舊塑料農(nóng)膜與橡膠瀝青的相容性，使制得的高模量橡膠瀝青質(zhì)量均勻穩(wěn)定。原料和質(zhì)量份數(shù)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(hào)A級(jí)路面石油瀝青放入攪拌器內(nèi)加熱至155～160℃，然后加入路用廢胎膠粉，并升溫至180～200℃，保持?jǐn)嚢杷俾试?00～1200r/min，待溫度升至180℃時(shí)，依次加入潔凈、干燥且破碎至0.5cm以下的農(nóng)用廢舊塑料農(nóng)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(xù)反應(yīng)0.5～1.0h，整個(gè)過程不停攪拌，即可制得高模量橡膠瀝青。此方法的優(yōu)點(diǎn)是高模量橡膠瀝青顯著提高了穩(wěn)定性、軟化點(diǎn)；同時(shí)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(shí)現(xiàn)了資源再生利用。

7用廢舊農(nóng)膜制備的瀝青混凝土高模量劑的應(yīng)用

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

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作者：闞麗虹 劉開明 宏萬(wàn)里 單位：甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院