廢舊塑料改性瀝青儲存穩(wěn)定性試驗(yàn)

肖 川，蔣興華，楊錫武，邱延峻

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031;3.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

廢舊塑料改性瀝青儲存穩(wěn)定性試驗(yàn)

肖 川1，蔣興華2，楊錫武3，邱延峻1

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031;3.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

以4類廢舊塑料改性劑與分別經(jīng)過裂化處理的加工塑料改性劑，采用合理的制備工藝對90#與70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，并采用優(yōu)化的離析試驗(yàn)分析方法對不同類型廢舊塑料改性瀝青展開研究，最后基于熱分析試驗(yàn)對作用機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)果表明:經(jīng)裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青的儲存穩(wěn)定性相比原塑料改性瀝青得到明顯改善;4種通過裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青經(jīng)8 h和48 h離析以后，評價(jià)指標(biāo)均表征出良好的儲存穩(wěn)定性，為生活廢舊塑料改性瀝青的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

道路工程;廢舊塑料;改性瀝青;離析試驗(yàn);儲存穩(wěn)定性;熱分析

目前能源危機(jī)日益突出，環(huán)境壓力急劇增加，廢舊塑料改性瀝青以其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性及顯著的環(huán)保性，在國內(nèi)外筑路材料研究與道路工程建設(shè)中受到廣泛關(guān)注［1-3］。但由于廢舊塑料中各種塑料類型復(fù)雜、性質(zhì)差異大，再加上塑料本身的聚合特性，使得塑料改性瀝青的離析現(xiàn)象嚴(yán)重［4-5］。廢舊塑料改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性不足，成為制約其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。國內(nèi)外學(xué)者均對廢舊塑料改性瀝青的離析問題進(jìn)行了相關(guān)研究［6-9］，就目前來看:廢舊塑料改性劑的生產(chǎn)制作工藝和離析控制的研究進(jìn)展緩慢;廢舊塑料改性瀝青貯存穩(wěn)定性的評價(jià)方法還不統(tǒng)一，筆者則為本項(xiàng)目研究提供了另尋途徑的思路與借鑒。

筆者以改善生活廢舊塑料改性瀝青的儲存穩(wěn)定性為核心目標(biāo)，采用合理的離析試驗(yàn)分析方法對不同種類廢舊塑料改性瀝青的離析程度進(jìn)行評價(jià)，并通過綜合熱分析儀對其作用機(jī)理進(jìn)行研究。

1 原材料性質(zhì)及試驗(yàn)方案

1.1 廢舊塑料改性瀝青材料組成與性質(zhì)

針對制備廢舊塑料改性瀝青的不同種類生活廢舊塑料及母體基質(zhì)瀝青進(jìn)行原材料性質(zhì)分析，是研究廢舊塑料改性瀝青性能的基礎(chǔ)。

1.1.1 廢舊塑料材料性質(zhì)

本次研究將不同種類的廢舊塑料改性劑總體歸為2大類:一類是由塑料廠家將回收分類后的廢舊塑料通過擠塑機(jī)制得的塑料顆粒改性劑，稱為原塑料改性劑;另一類是將前者在試驗(yàn)室經(jīng)裂化處理后得到的改性劑，稱為加工塑料改性劑。

1）原塑料改性劑

原塑料改性劑可以細(xì)化為廢舊塑料薄膜、隨機(jī)混雜塑料、廢舊塑料盆凳、廢舊塑料容器4類（分別簡稱 1#、2#、3#、4#），如圖 1。

圖1 原塑料改性劑類型Fig.1 Types of untreated waste plastic

1#為廢舊塑料薄膜制成的塑料顆粒，呈紅色，主要成分為廢舊低密度聚乙烯（Waste Low Density Polyethylene，簡稱WLDPE）;2#為隨機(jī)混雜廢舊塑料制成的塑料顆粒，呈黑色，這種廢舊塑料是回收后沒有進(jìn)行種類劃分而直接隨機(jī)混雜的塑料，成分較為復(fù)雜，主要成分為廢舊聚乙烯（系低密度、中密度、高密度聚乙烯的混合物）;3#為廢舊塑料盆凳制成的塑料顆粒，呈綠色，主要成分為廢舊聚乙烯塑料和廢舊聚丙烯塑料（Waste Polypropylene Plastics，簡稱WPP）;4#為廢舊塑料容器制成的塑料顆粒，呈白色，主要成分為廢舊聚丙烯塑料和廢舊高密度聚乙烯（Waste High Density Polyethylene，簡稱 WHDPE）。

2）加工塑料改性劑

加工塑料改性劑是對以上4種由擠塑機(jī)制作的廢舊塑料顆粒，分別進(jìn)行裂化加工而得到的“塑料塊”。經(jīng)裂化處理的加工塑料改性劑，主要是解決塑料改性瀝青的離析問題，核心目標(biāo)是在保證塑料改性瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)的前提下，提高其儲存穩(wěn)定性。加工塑料改性劑表面光滑、材質(zhì)均勻、脆性較高，敲碎后斷面均質(zhì)具有較好的紋理。由4種不同原塑料分別經(jīng)過裂化加工制成的加工塑料改性劑如圖2。

根據(jù)已有研究成果，采用PE或者EVA進(jìn)行瀝青改性時(shí)，改性劑的劑量宜為3% ～6%［2］。NOVOLAHT在實(shí)踐中建議使用PE改性時(shí)的推薦摻量為5%［8］。本次試驗(yàn)中，綜合考慮廢舊塑料特性，統(tǒng)一采用6%摻量（改性劑質(zhì)量占基質(zhì)瀝青質(zhì)量的百分比）來研究生活廢舊塑料改性道路瀝青性能。

圖2 加工塑料改性劑類型Fig.2 Types of treated waste plastics

1.1.2 基質(zhì)瀝青的性質(zhì)

基質(zhì)瀝青作為廢舊塑料改性瀝青的母體原料，其性質(zhì)與廢舊塑料改性瀝青密切相關(guān)。筆者在研究過程中選擇廣東茂名90#以及中海油70#兩種國產(chǎn)瀝青作為基質(zhì)瀝青，其主要的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青主要檢驗(yàn)指標(biāo)Tab.1 Test results of base asphalt

1.2 廢舊塑料改性瀝青的制備

制備廢舊塑料改性瀝青的關(guān)鍵在于保證改性劑與母體瀝青的充分融合，本次研究擬定的廢舊塑料改性瀝青制備步驟為:

1）稱取400～500 g的基質(zhì)瀝青，然后根據(jù)所稱取的基質(zhì)瀝青質(zhì)量以及塑料改性劑質(zhì)量配比要求（擬定廢舊塑料為瀝青質(zhì)量的6%），計(jì)算出所需要的塑料質(zhì)量，用電子天平稱取待用;

2）將基質(zhì)瀝青在電爐上加熱至（160±5）℃，在放入稱取好的塑料，在160～180℃之間使塑料溶脹，溶脹期間用玻棒攪拌，使塑料變軟，均勻分散于母體瀝青中，其溶脹時(shí)間大約為15～45 min（原塑料溶脹時(shí)間較長，加工塑料溶脹時(shí)間較短）;

3）將溶好的混合瀝青置于高速剪切儀中進(jìn)行高速剪切，剪切溫度保持在160～170℃，剪切速度為5 000 r/min，剪切時(shí)間為15 min（加工塑料）或30 min（原塑料）;

4）最后將制備好的廢舊塑料改性瀝青澆模，測試瀝青的性能指標(biāo)。

1.3 離析試驗(yàn)分析方法

本次研究參考交通部JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對于聚合物改性瀝青的離析試驗(yàn)要求，結(jié)合廢舊塑料改性瀝青自身特點(diǎn)及試驗(yàn)的操作性與可行性，對離析試驗(yàn)方法作出適當(dāng)調(diào)整，對廢舊塑料改性瀝青進(jìn)行定性評價(jià)與定量判定相結(jié)合的離析試驗(yàn)分析，具體方案為:

1）將試樣在135℃的烘箱中靜置（24±1）h后，觀測其表面和斷面情況，判斷是否有明顯分界層，并按照現(xiàn)行規(guī)程要求（表2［10］）進(jìn)行改性瀝青離析情況定性評價(jià);

表2 離析試驗(yàn)定性評價(jià)Tab.2 Qualitative evaluation of segregation test

2）分別采用玻璃試管（直徑約25 mm，長約200 mm，一端開口，帶塞）和經(jīng)過膠帶纏裹處理的一次性紙杯（紙杯高8 cm，頂部內(nèi)徑7.4 cm，底部內(nèi)徑6.3 cm）作為盛樣容器來進(jìn)行改性瀝青離析試驗(yàn);

3）將制備好的試樣在高溫狀態(tài)下放入135℃的烘箱中，靜置不同考察時(shí)間（如6，8，10，48 h等）后取樣，選定試樣頂部與底部的軟化點(diǎn)及針入度之差作為評價(jià)指標(biāo)，來評價(jià)原塑料改性瀝青和加工塑料改性瀝青的離析情況，圖3為待測試樣示例。

圖3 待測試樣Fig.3 Samples to be tested

2 離析試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)與分析發(fā)現(xiàn):試驗(yàn)采用的2種器皿（玻璃試管和紙杯）在評價(jià)同一種改性瀝青時(shí)，紙杯表現(xiàn)出與玻璃管相一致的趨勢，以2種容器進(jìn)行試驗(yàn)的軟化點(diǎn)最大差值為1.4℃，最小為0℃;針入度最大差值為0.2 mm，最小為0 mm，對判定結(jié)果幾乎沒有影響。所以用紙杯取代玻璃試管判定廢舊塑料改性瀝青離析試驗(yàn)結(jié)果是可行的。加之紙杯容器具有價(jià)格低廉、取樣操作簡便、觀測試樣斷面直觀等優(yōu)勢，統(tǒng)一采用紙杯作為試驗(yàn)器皿的試驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行塑料改性瀝青儲存穩(wěn)定性的分析。

2.1 離析程度定性分析

分別對原塑料與加工塑料改性瀝青取樣，觀察2種廢舊塑料改性瀝青的斷面發(fā)現(xiàn):對于原塑料，不管是在常溫自然冷卻離析下還是在烘箱靜置離析條件下，試樣表面均出現(xiàn)明顯的裂紋、結(jié)皮，上層有分散狀物質(zhì)上浮，斷面有明顯分界層，試樣表面和斷面均呈蜂窩麻面狀，有厚的結(jié)皮，局部位置黏度特別大，呈黏稠狀，可以觀察到有細(xì)小的廢舊塑料微粒，離析現(xiàn)象嚴(yán)重;對于加工塑料，不管是在烘箱中靜置時(shí)間為6，8，10 h或48 h，試樣的表面和斷面均光亮勻稱，無麻面，光澤度好，無結(jié)皮與分界現(xiàn)象。圖4為8 h離析后，1#廢舊塑料的2種改性瀝青試樣對比圖。

圖4 不同廢舊塑料改性瀝青試樣斷面對比Fig.4 Cross-section comparison of different waste plastic-modified asphalt

總體而言，由定性分析表明:經(jīng)裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青的儲存穩(wěn)定性明顯優(yōu)于原塑料改性瀝青。

2.2 離析程度定量分析

將離析試驗(yàn)試樣的靜置時(shí)間參數(shù)選定為8 h和48 h，以試樣上、下部的軟化點(diǎn)及針入度之差作為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量分析。

2.2.1 8 h 離析試驗(yàn)

通過定性分析已判斷原塑料改性瀝青離析嚴(yán)重，故首先將原塑料與加工塑料改性瀝青試樣靜置8 h后進(jìn)行試樣上、下部的軟化點(diǎn)差與針入度差評價(jià)。若在8 h后就有明顯離析情況，足以說明這種改性瀝青的儲存穩(wěn)定性存在問題;同時(shí)，靜置8 h也是模擬一桶瀝青從170℃自然冷卻至常溫的時(shí)間。不同種類廢舊塑料改性瀝青的8 h離析試驗(yàn)對比結(jié)果如圖5。

圖5 8 h離析試驗(yàn)測定結(jié)果對比Fig.5 Comparison of 8 h segregation test results

8 h離析試驗(yàn)結(jié)果表明:以4種原塑料改性劑對90#與70#進(jìn)行改性后，各種原塑料改性瀝青的儲存穩(wěn)定性都較差，上、下層軟化點(diǎn)差值最小為13.2℃，最高達(dá)到25.8℃，針入度最大差值為0.7 mm;而加工塑料改性瀝青上、下層軟化點(diǎn)最大差值僅為1.5℃，針入度最大差值為0.2 mm，一致證明:原塑料改性瀝青離析現(xiàn)象嚴(yán)重，而基于裂化處理的加工塑料改性劑，能夠顯著提高塑料改性瀝青的儲存穩(wěn)定。針對不同種類原塑料，裂化加工技術(shù)的改善作用均顯著，證明了其推廣應(yīng)用的可行性。

2.2.2 48 h 離析試驗(yàn)

工程學(xué)類實(shí)驗(yàn)室包括物理學(xué)、電工、藥劑學(xué)、中藥制備、制藥工程、實(shí)訓(xùn)中心等實(shí)驗(yàn)室，其中有毒有害物質(zhì)、放射性保護(hù)、用電安全、機(jī)械類損傷等是安全防控重點(diǎn)。

由于原塑料改性瀝青在8 h自然冷卻條件就已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重離析，筆者僅對加工塑料改性瀝青試樣在48 h（與離析試驗(yàn)規(guī)范［10］要求相一致）烘箱靜置后進(jìn)行離析試驗(yàn)對比分析，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 加工塑料改性瀝青48 h離析試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)測定結(jié)果Tab.3 Results of treated waste plastics-modified asphalt in 48 h separation test

以試樣上、下部軟化點(diǎn)差ΔT為核心指標(biāo)，針入度差ΔZ為輔助指標(biāo)對4種加工塑料對不同瀝青改性后得到的改性瀝青進(jìn)行評價(jià)，由表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出:

1）以4種經(jīng)裂化處理的加工塑料分別對90#與70#基質(zhì)瀝青改性后的塑料改性瀝青，均具有較好的儲存穩(wěn)定性。試樣的上、下層軟化點(diǎn)最大差值為1.4℃，最小差值為0℃，完全符合不大于2.5℃的規(guī)范要求［11］。

2）4 種加工塑料改性瀝青試樣上、下層針入度差得最大值為0.2 mm，相比原塑料的針入度差（0.7 mm）有顯著提高。但通過對比發(fā)現(xiàn)，針入度評價(jià)指標(biāo)的靈敏性不足，難以有效評價(jià)不同塑料種類改性瀝青的差異性。

3）加工塑料改性瀝青8 h與48 h離析試驗(yàn)中同標(biāo)號同摻量瀝青的軟化點(diǎn)和針入度存在差異性，說明塑料改性瀝青的熱儲存過程是一個(gè)不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡過程，隨著時(shí)間的推移，其性質(zhì)不斷發(fā)生變化。

3 熱分析試驗(yàn)研究

改性瀝青性能的提高是改性劑的性質(zhì)、粒度、分散均勻性、表面吸附以及瀝青組成等因素綜合作用的結(jié)果。筆者基于熱分析試驗(yàn)，從作用機(jī)理方面對原塑料與加工塑料的材料性質(zhì)進(jìn)行研究。通過熱重法（TG法）與差示掃描量熱法（DSC法）分析表明:加工塑料較之原塑料有更低的相對分子質(zhì)量，更寬的分子量分布以及更短、支化程度更高的高分子鏈，因此兩者在對瀝青改性的效果上有明顯的差別。以3#廢舊塑料改性劑為例，將3#原塑料與加工塑料作對比，所得TG曲線、DSC曲線如圖6。

圖6 廢舊塑料TG、DSC對比Fig.6 Comparison of different waste plastics about TG ＆ DSC

原塑料與加工塑料在TG曲線上的差別較小，對DSC曲線分析可以看出:原塑料在166.1，130.2℃上有2個(gè)峰，主峰為166.1℃，可推得其主要成分為PP，副峰為130.2℃可能含有少量HDPE。而加工塑料在147.2，116.6℃的2個(gè)峰，較之原塑料，其峰值向低溫方向移動(dòng)，曲線變得平滑，表明加工塑料的熔點(diǎn)降低，熔限相對變寬。

原塑料與加工塑料的差異表明原塑料經(jīng)過裂化加工，其結(jié)晶性遭到了破壞，結(jié)晶度下降。由于結(jié)晶度與分子量及分子鏈的柔順性有關(guān)，所以推斷加工塑料較之原塑料有更低的相對分子質(zhì)量，更寬的分子量分布以及更短、支化程度更高的高分子鏈。隨著加工塑料分子量變小，分子間的相互作用力變小，更有利于母體瀝青的侵入，其微粒比原塑料更小，形成的界面更加穩(wěn)固，黏度提高，力學(xué)性能得到改善。

4 結(jié)論

通過研究與分析，可得出以下結(jié)論:

1）通過離析試驗(yàn)定性判斷表明:經(jīng)裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青的儲存穩(wěn)定性相比原塑料改性瀝青得到顯著改善。

2）經(jīng)過8 h離析后，4種原塑料改性瀝青的上、下層軟化點(diǎn)差值最高達(dá)到25.8℃，針入度最大差值為0.7 mm;而加工塑料改性瀝青上、下層軟化點(diǎn)最大差值僅為1.5℃，針入度最大差值為0.2 mm。說明經(jīng)裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青的儲存穩(wěn)定性明顯優(yōu)于原塑料改性瀝青，證明了以裂化加工技術(shù)提高廢舊塑料改性瀝青儲存穩(wěn)定性的可行性。

3）4 種加工塑料分別對90#與70#基質(zhì)瀝青改性后的塑料改性瀝青48 h離析試驗(yàn)試樣的上、下層軟化點(diǎn)最大差值為1.4℃，上、下層針入度差得最大值為0.2 mm，均表現(xiàn)出良好的儲存穩(wěn)定性。

4）采用定性評價(jià)與定量判定相結(jié)合的離析試驗(yàn)評價(jià)方法對廢舊塑料改性瀝青進(jìn)行研究，避免了人為主觀因素的影響，提高了離析判定標(biāo)準(zhǔn)，對廢舊塑料改性瀝青的離析程度作出了更加全面的考察。

5）通過熱分析試驗(yàn)表明:相比原塑料而言，加工塑料的熔點(diǎn)降低，熔限相對變寬。加工塑料的相對分子質(zhì)量更低，分子量分布更寬，其高分子鏈的支化程度更高，所以原塑料與加工塑料在對瀝青改性的效果上有明顯的差別。

（References）:

［1］ 沈金安.改性瀝青與 SMA路面［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［2］ 周研，于永生，張國強(qiáng)，等.廢塑料改性瀝青的性能研究［J］.石油瀝青，2007，21（4）:6-9.

ZHOU Yan，YU Yong-sheng，ZHANG Guo-qiang，et al.Performance study of modified asphalt by the waste-PE［J］.Petroleum Asphalt，2007，21（4）:6-9.

［3］ 趙可，杜月宗.PE復(fù)合改性瀝青技術(shù)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29（6）:907-911.

ZHAO Ke，DU Yue-zong.Research on the technique of PE composite modified asphalt［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29（6）:907-911.

［4］ 楊錫武，劉克，楊大田.PE改性瀝青的幾個(gè)問題［J］.中外公路，2008，28（6）:203-207.

YANG Xi-wu，LIU Ke，YANG Da-tian.Several problems in modified asphalt with polyethylene［J］.Journal of China and Foreign Highway，2008，28（6）:203-207.

［5］ 張爭齊，張登良.聚乙烯改性瀝青研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，1996，9（3）:14-19.

ZHANG Zhen-qi，ZHANG Deng-liang.A study of polyethylene modified bitumen［J］.China Journal of Highway and Transport，1996，9（3）:14-19.

［6］ Ali A Y.Polyethylene dispersions in bitumen:the effects of the polymer structural parameters［J］.Journal of Applied Polymer Science，2003，90:3183-3190.

［7］ 張敏.NOVOPHALT改性瀝青路面質(zhì)量的控制技術(shù)［J］.中外公路，2004，24（4）:39-42.

ZHANG Ming.Control technology of NOVOPHALT modified asphalt pavement quality［J］.Journal of China and Foreign Highway，2004，24（4）:39-42.

［8］ 蔣興華.生活廢舊塑料改性瀝青性能試驗(yàn)研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2010.

［9］ JTJ 052—2000公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2001.

［10］ JTG F 40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［11］ 劉克，杜潔.聚合物-瀝青反應(yīng)性共混母料改性瀝青技術(shù)原理［J］.新型建筑材料，2009（6）:74-77.

LIU Ke，DU Jie.Technical principle of polymer-asphalt reactive blending master batch for producing modified asphalt［J］.New Building Materials，2009（6）:74-77.

Experimental Study on Storage Stability of Waste Plastic-modified Asphalt

XIAO Chuan1，JIANG Xing-hua2，YANG Xi-wu3，QIU Yan-jun1
（1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;
2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，Sichuan，China;
3.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

According to reasonable preparation technology，the 90#and 70#base asphalt were modified with different types of untreated plastic and treated plastic by tracking.The experimental study on four types of waste plastic-modified asphalt was conducted by optimization segregation test.Finally，the paper made research on mechanism by means of thermal analysis.The result showed that the storage stability of treated plastic-modified asphalt by tracking was superior to untreated plastic-modified asphalt;the evaluation indexes of four types treated plastic-modified asphalt in 8h and 48h segregation test all characterize good storage stability.The findings of the research provided evidences for the popularization and application of domestic waste plastic-modified asphalt.

road engineering;waste plastic;modified asphalt;segregation test;storage stability;thermal analysis

U 414

A

1674-0696（2011）05-0943-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.013

2011-05-20;

2011-06-12

肖 川（1984-），男，湖南湘潭人，博士生，研究方向?yàn)榈缆仿访嬖O(shè)計(jì)與筑路材料研究。E-mail:xcaaa6666@sina.com。