生活廢舊塑料改性瀝青的性能研究

楊錫武，劉 克，馮 梅

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

一般（生活）廢舊塑料包括廢舊的塑料盆、桶、凳子、玩具及各種包裝塑料和塑料袋、農(nóng)膜等.目前這些廢舊塑料已得到一定量的回收再利用，但仍然有相當(dāng)一部分的廢舊塑料不能得到回收再利用，它們或被拋棄或被填埋、焚燒，造成了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，因此廢舊塑料的回收再利用仍然是一個重要的環(huán)保課題.用廢舊塑料改性瀝青在國內(nèi)已有了一定的研究［1－10］.根據(jù)廢舊塑料的熔點(diǎn)及普通瀝青路面施工的瀝青加熱溫度，在170℃條件下，廢舊塑料可以完全融化混容在瀝青中，因此把廢舊塑料直接投入到加熱的瀝青中融化混容是采用廢舊塑料對瀝青進(jìn)行改性的一種簡單方法，這種方法目前也是廢舊塑料改性瀝青所采用的基本方法.然而，由于瀝青分子與塑料分子的結(jié)構(gòu)差異很大，兩者往往不能很好地相容，當(dāng)改性瀝青存儲溫度稍微降低或停止外力攪拌時，塑料分子就會快速聚合，在瀝青表面離析結(jié)皮.在實(shí)際工程中，瀝青與塑料的相容性差不但會影響改性瀝青混合料的性能，而且會堵塞改性瀝青生產(chǎn)、運(yùn)輸和存儲設(shè)備管道，影響生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行和應(yīng)用，因此瀝青與塑料相容性的好壞已成為影響廢舊塑料改性瀝青在工程中推廣應(yīng)用的重要因素.有鑒于此，本文提出了新型廢舊塑料改性劑（Ⅱ型廢舊塑料改性劑）制作方法，即：先在250℃左右條件下將由造粒工藝制作的廢舊塑料顆粒（Ⅰ型廢舊塑料改性劑）加熱融化成液體，再加入穩(wěn)定劑并攪拌均勻，然后自然冷卻，制成Ⅱ型廢舊塑料改性劑.將Ⅰ，Ⅱ型廢舊塑料改性劑分別摻入瀝青中，制得Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青，然后對比2種廢舊塑料改性瀝青的離析情況及有關(guān)性能，以為解決瀝青與塑料的相容性問題提供有效途徑.

1 廢舊塑料主要成分及廢舊塑料改性劑制作工藝

廢舊塑料主要成分及廢舊塑料改性劑制作工藝如表1所示.

表1 廢舊塑料主要成分及廢舊塑料改性劑制作工藝Table 1 Main components of waste plastics and production processes of waste plastic modifiers

2 廢舊塑料改性瀝青存儲穩(wěn)定性

基質(zhì)瀝青采用荗名90＃瀝青和中海油70＃瀝青.基質(zhì)瀝青常規(guī)性能見表2.

表2 基質(zhì)瀝青常規(guī)性能Table 2 Conventional performances of matrix asphalts

在JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中，對PE類改性瀝青的存儲穩(wěn)定性要求是改性瀝青表面沒有明顯的改性劑析出和凝聚，但試驗(yàn)表明，采用廢舊塑料直接與瀝青融化混容的改性方法將不可避免地會出現(xiàn)塑料的聚合與離析.為此本研究采用SBS改性瀝青的存儲穩(wěn)定性試驗(yàn)與評價指標(biāo)對Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青的存儲穩(wěn)定性進(jìn)行了研究對比，結(jié)果如表3，4所示.表3，4中，ts為改性瀝青試樣上部軟化點(diǎn)；tx為改性瀝青試樣下部軟化點(diǎn)；Δt為改性瀝青試樣上、下部軟化點(diǎn)差值絕對值，Δt＝｜ts－tx｜.

表3 Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青存儲穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Storage stability test results of typeⅠwaste plastic modified asphalt

由表3，4可以看出：

（1）Ⅰ－A，Ⅰ－B 廢舊塑料改性瀝青存儲穩(wěn)定性很差，將改性瀝青試樣靜置于空氣中自然冷卻，塑料改性劑很快聚合析出，試樣上、下部軟化點(diǎn)差值遠(yuǎn)大于JTG F 40—2004規(guī)范對SBS改性瀝青的離析控制要求，即：試樣上、下部軟化點(diǎn)差值不得大于2.5℃.

（2）Ⅱ－A，Ⅱ－B 廢舊塑料改性瀝青存儲穩(wěn)定性好，在165℃的烘箱中加熱離析8h或48h，改性劑摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）從6%增加到8%，改性瀝青試樣表面光滑，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，試樣上、下部軟化點(diǎn)差值都小于2.5 ℃，完全滿足JTG F 40—2004 規(guī)范對SBS改性瀝青的離析控制要求.

表4 Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青存儲穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Storage stability test results of typeⅡwaste plastic modified asphalt

（3）在改性劑摻量相同條件下，A，B 兩種廢舊塑料改性瀝青的離析沒有明顯差別，基質(zhì)瀝青標(biāo)號對廢舊塑料改性瀝青的離析也沒有顯著影響.

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，要使廢舊塑料改性瀝青的存儲穩(wěn)定性滿足工程應(yīng)用要求，應(yīng)采用Ⅱ型廢舊塑料改性劑改性瀝青.本次研制的Ⅱ型廢舊塑料改性劑解決了廢舊塑料改性瀝青的存儲穩(wěn)定性問題.

3 廢舊塑料改性瀝青的性能

3.1 常規(guī)性能

Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青的常規(guī)性能見表5；Ⅱ－B廢舊塑料改性瀝青與SBS改性瀝青常規(guī)性能對比見表6，基質(zhì)瀝青均采用中海油70＃瀝青.

由表5，6可以看出：

表5 Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青常規(guī)性能Table 5 Conventional performances of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalts

表6 Ⅱ－B廢舊塑料改性瀝青與SBS改性瀝青常規(guī)性能對比Table 6 Comparisons of conventional performances ofⅡ－B waste plastic modified asphalt and SBS modified asphalt

（1）在6%改性劑摻量的條件下，B類廢舊塑料改性劑對瀝青軟化點(diǎn)的改善效果好于A 類廢舊塑料改性劑.因此采用廢舊塑料改性瀝青時，若是以軟化點(diǎn)為改性指標(biāo)，則應(yīng)盡量采用B類廢舊塑料改性劑.

（2）Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青的針入度和延度均低于Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青，這主要是由于Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青中改性劑分散不均勻，改性瀝青的均勻性差所致.

（3）在改性劑摻量同為4%或5%的條件下，Ⅱ－B 廢舊塑料改性瀝青的軟化點(diǎn)略低于SBS 改性瀝青.

3.2 低溫性能

在冰凍地區(qū)的瀝青混合料路面設(shè)計(jì)時必須考慮瀝青路面的低溫穩(wěn)定性.在JTG F 40—2004 規(guī)范中，僅提出了SBS改性瀝青在5℃條件下的延度指標(biāo)，而對PE 類和PP 類改性瀝青則未提出相關(guān)要求.本研究采用小梁彎曲蠕變試驗(yàn)（BBR）研究了廢舊塑料改性瀝青（基質(zhì)瀝青為中海油70＃瀝青）的低溫性能，結(jié)果見表7.

由表7可以看出：

（1）Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青的勁度模量基本高于基質(zhì)瀝青，蠕變速率（m）基本低于基質(zhì)瀝青，表明Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性劑的添加使瀝青的勁度模量變大，蠕變速率減小，應(yīng)力松弛性能變差，低溫性能降低.

（2）相同改性劑摻量條件下，Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青的蠕變速率大于Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青，勁度模量小于Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青，表明Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青的低溫性能好于Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青，這進(jìn)一步證明Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青不但不離析，而且其低溫性能好于Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青.

表7 Ⅰ型與Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青的低溫性能Table 7 Low－temperature performances of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalts

4 廢舊塑料改性瀝青混合料的性能

4.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用中海油70＃瀝青，Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性劑摻量均為6%.集料為石質(zhì)堅(jiān)硬、清潔、不含風(fēng)化顆粒的石灰?guī)r，礦粉為重慶石灰?guī)r經(jīng)過磨細(xì)得到的礦粉.集料和礦粉性能符合JTJ 058—2000《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》要求.集料級配采用AC－13Ⅰ型級配.

4.2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表8.

表8 Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Marshall test results of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalt mixtures

由表8可以看出：

（1）Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度最大可達(dá)17.17kN，Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度最大可達(dá)16.92kN.Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度總體上好于Ⅰ型廢舊塑料改性瀝青混合料.

（2）Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青混合料流值總體上與基質(zhì)瀝青相近，表明Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性劑并未使瀝青混合料的柔性降低.

4.3 高溫穩(wěn)定性

Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見表9.

由表9可以看出：

（1）Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性劑都可以顯著提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但不同類型廢舊塑料改性劑提高的效果不同.

表9 Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Dynamic stability test results of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalt mixtures

（2）廢舊塑料改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨著改性劑摻量的增加而增加，但提高幅度有限.為使廢舊塑料改性瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性和合理的性價比，廢舊塑料改性劑最佳摻量應(yīng)不大于6%.

5 廢舊塑料改性瀝青機(jī)理研究

5.1 廢舊塑料改性劑的紅外光譜分析

成分復(fù)雜是廢舊塑料改性劑的特點(diǎn).為確定Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性劑的主要成分和加穩(wěn)定劑處理后廢舊塑料微觀結(jié)構(gòu)的變化，本研究對Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性劑進(jìn)行了紅外光譜分析，結(jié)果分別見圖1（a），（b）.

由圖1（a）可見，Ⅰ－A 廢舊塑料改性劑紅外光譜圖的峰位與聚乙烯（PE）的峰位極為相似，可以判定Ⅰ－A 廢舊塑料改性劑的主要成分為聚乙烯（PE）.

由圖1（a）還可見，與Ⅰ－A 廢舊塑料改性劑紅外光譜圖相比，Ⅱ－A 廢舊塑料改性劑紅外譜圖在3 454.46cm－1處多了1個O—H 伸縮振動吸收峰，這說明Ⅱ－A 廢舊塑料改性劑中含有—OH 基團(tuán).

由圖1（b）可見，Ⅰ－B廢舊塑料改性劑紅外光譜圖的峰位與聚丙烯（PP）的峰位極為相似，可以推斷Ⅰ－B廢舊塑料改性劑的主要成分為聚丙烯（PP）.

由圖1（b）還可見，與Ⅰ－B廢舊塑料改性劑紅外光譜圖相比，Ⅱ－B 廢舊塑料改性劑紅外光譜圖在3 453.50cm－1處多了1個O—H 伸縮振動吸收峰，說明Ⅱ－B 廢舊塑料改性劑中含有—OH 基團(tuán).另外，Ⅱ－B 廢舊塑料改性劑紅外光譜圖在1 799.01，1 720.51，1 649.48cm－1處有3個吸收峰.表明Ⅱ－B廢舊塑料改性劑中形成了更多的C═ O 結(jié)構(gòu)或C ═O…HO—C結(jié)構(gòu)（烯醇式結(jié)構(gòu)）.因此，加穩(wěn)定劑處理的Ⅱ－B廢舊塑料改性劑較Ⅰ－B 廢舊塑料改性劑形成了更多的雙鍵結(jié)構(gòu)，分子鏈長縮短，支鏈增多.同樣，與Ⅰ－A 廢舊塑料改性劑相比，Ⅱ－A 廢舊塑料改性劑雙鍵結(jié)構(gòu)明顯增多，分子鏈長變短，支鏈增多（見圖1（a））.

圖1 Ⅰ型與Ⅱ型廢舊塑料改性劑的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of typeⅠand typeⅡwaste plastic modifiers

5.2 廢舊塑料改性瀝青的紅外光譜分析

圖2為Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青的紅外光譜圖.基質(zhì)瀝青為中海油70＃瀝青，改性劑摻量為6%.

由圖2（a），（b）可以看出，Ⅰ－A，Ⅰ－B 和Ⅱ－A，Ⅱ－B廢舊塑料改性瀝青的紅外光譜圖與基質(zhì)瀝青沒有明顯區(qū)別，改性后的瀝青中沒有出現(xiàn)與基質(zhì)瀝青不同的紅外吸收峰，說明改性瀝青中沒有生成與基質(zhì)瀝青不同的官能團(tuán)，Ⅰ－A，Ⅰ－B 和Ⅱ－A，Ⅱ－B廢舊塑料改性劑并沒有與瀝青發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，Ⅰ和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青以物理改性為主，通過各相間的物理作用實(shí)現(xiàn)對瀝青的改性.但由于Ⅱ型廢舊塑料改性劑的分子鏈長度縮短，分子聚合能力下降而均勻分布在瀝青中，使Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青具有較好的存儲穩(wěn)定性.

圖2 Ⅰ型與Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalts

6 廢舊塑料改性瀝青的試驗(yàn)路應(yīng)用

目前Ⅱ型廢舊塑料改性劑已從實(shí)驗(yàn)室走向工廠化生產(chǎn).表10是由重慶市公路質(zhì)檢站對Ⅱ－B 廢舊塑料改性瀝青常規(guī)性能的測試結(jié)果，其中基質(zhì)瀝青為中海油70＃瀝青，廢舊塑料改性劑摻量為5%.

表10 Ⅱ－B廢舊塑料改性瀝青常規(guī)性能測試結(jié)果Table 10 Conventional performance test results ofⅡ－B waste plastic modified asphalt

為驗(yàn)證Ⅱ型廢舊塑料改性劑的現(xiàn)場應(yīng)用效果，在重慶南川鋪筑了Ⅱ－B 廢舊塑料改性瀝青路面1 km，路面結(jié)構(gòu)為：4cm AC－13廢舊塑料改性瀝青混合料＋5cm AC－16普通瀝青混合料＋20cm 水泥穩(wěn)定碎石.Ⅱ－B廢舊塑料改性瀝青采用SBS改性瀝青設(shè)備制作，即先在溶脹罐里將Ⅱ－B 廢舊塑料改性劑與基質(zhì)瀝青在180℃條件下溶脹15min左右，然后剪切2遍，再打入儲存罐存儲，最后再運(yùn)到瀝青混合料拌和廠的瀝青罐中存儲備用.試驗(yàn)路應(yīng)用結(jié)果表明，Ⅱ－B廢舊塑料改性瀝青施工工藝與SBS改性瀝青相同，溶脹、存儲和運(yùn)輸過程中未產(chǎn)生離析現(xiàn)象，改性劑分散均勻，改性瀝青性能穩(wěn)定.目前該試驗(yàn)路路面使用狀況良好.

7 結(jié)論

（1）通過加熱和添加穩(wěn)定劑的工藝制作了Ⅱ型廢舊塑料改性劑.

（2）Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青存儲穩(wěn)定性好，滿足JTG F 40—2004規(guī)范中有關(guān)改性瀝青試樣上、下部軟化點(diǎn)差值應(yīng)不大于2.5℃的離析控制要求，軟化點(diǎn)可達(dá)60℃以上，解決了廢舊塑料改性瀝青存儲穩(wěn)定性差影響瀝青性能與施工的問題，同時改性瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性能，因此，采用Ⅱ型廢舊塑料改性劑改性瀝青既便于改性瀝青的生產(chǎn)應(yīng)用，又可以提高瀝青路面性能.

（3）與Ⅰ型廢舊塑料改性劑相比，Ⅱ型廢舊塑料改性劑分子鏈長度縮短，支鏈增多，雙鍵結(jié)構(gòu)增加，且分子中含有—OH 基團(tuán)，因此Ⅱ型廢舊塑料改性劑聚合力下降，能均勻分布在瀝青中，使得Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青具有較好的存儲穩(wěn)定性.廢舊塑料改性瀝青屬于物理改性.

（4）Ⅱ－B廢舊塑料改性瀝青施工工藝與SBS改性瀝青相同，存儲、運(yùn)輸過程中不產(chǎn)生離析，混合料路面使用狀況良好，可用于路面表面層或下面層.

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