不同聚合物基廢舊塑料改性瀝青及混合料的路用性能研究

熊子佳，洪錦祥，鄧成，黃沖

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

不同聚合物基廢舊塑料改性瀝青及混合料的路用性能研究

熊子佳，洪錦祥，鄧成，黃沖

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

用熔融共混法擠出成型得到PE、PVC、PP三種聚合物基回收廢舊塑料顆粒用于改性瀝青。對改性瀝青及瀝青混合料進行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗水損性能等路用性能探究。實驗結(jié)果表明：PE基聚合物回料能較大地改善瀝青及混合料的路用性能，軟化點增加至67.5℃，瀝青混合料的動穩(wěn)定度達到12 480次/mm，凍融劈裂強度比達到92.1%，低溫柔韌性優(yōu)于SBS改性瀝青。但PE基回料性能變異較大，故廢舊塑料回收利用時，需嚴格控制材料來源，以確保改性劑質(zhì)量的穩(wěn)定性。

廢舊塑料；改性瀝青；路用性能；變異性

對于廢舊塑料采用垃圾填埋或焚燒的方法進行處理，不僅降解慢，對土地造成污染，并且產(chǎn)生的煙塵和有毒氣體擴散到空氣中，對人體健康和生命安全形成威脅。采用的聚合物為回收的廢舊料再生成型顆粒，對廢棄材料進行回收利用，不僅減少了有害垃圾的排放，用于道路還能有效防治車轍病害，產(chǎn)生良好的社會效應(yīng)，并且材料的成本降低，經(jīng)濟效益顯著。近年來，人們對環(huán)境保護日益重視，廢舊塑料改性瀝青也受到了廣泛的關(guān)注。肖川等[1]研究了廢舊塑料改性瀝青的儲存穩(wěn)定性，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。賴增成等[2]研究了廢舊塑料改性瀝青的性能，3種樹脂按不同比例復(fù)配對改性瀝青性能影響規(guī)律相同。

然而廢舊塑料因用途不同，其聚合物基體也不相同，最常見的主要有PE、PP、PVC、PET、EPS、PA、ABS等，回料中含有一定成分的助劑、填料等，其原料主體仍以聚合物為基體。目前對于不同聚合物基體廢舊塑料改性瀝青及其混合料的性能特點研究較少。

本文選用來源廣泛的PE基廢舊回收塑料（A）、PVC基廢舊回收塑料（B）和PP基廢舊回收塑料（C），用于瀝青改性。通過考察瀝青膠體物理性能、高溫流變性能及改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度、動態(tài)模量等高溫性能，結(jié)合瀝青混合料相關(guān)路用性能，探究以廢舊塑料為基體的瀝青改性劑對瀝青及混合料的路用性能的影響，為瀝青改性劑的研究提供參考。

1 原材料

1.1 改性劑

采用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，廢舊塑料用熔融法擠出成型并切粒，得到廢舊回料瀝青改性劑。其質(zhì)量技術(shù)指標見表1。均滿足JT/T 860.1—2013《瀝青混合料改性添加劑 第1部分：抗車轍劑》的規(guī)范要求

表1 廢舊回料的技術(shù)指標

1.2 基質(zhì)瀝青

本文采用的瀝青膠結(jié)料為中石化70#A級道路石油瀝青，其技術(shù)性能見表2，從檢測結(jié)果可以看出，其性能可以滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

表2 70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能

1.3 集料

本文所采用的玄武巖集料由南京天印市政工程材料有限公司提供，石灰石礦粉來自于東南大學(xué)道橋?qū)嶒炇遥浠局笜税碕TG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》進行測試，檢測結(jié)果表明，集料與礦粉的性能均符合JTG F40—2004的要求。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 基本物理性能

將廢舊塑料A、B、C分別按4%摻量加入到基質(zhì)瀝青中，在170℃的條件下高速剪切攪拌30 min，得到改性瀝青。測試其軟化點、5℃延度和25℃針入度，并與基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青進行對比分析。實驗結(jié)果見表3。

由表3可以看出，加入改性劑后，瀝青膠結(jié)料的軟化點明顯提高，其中廢舊塑料A改性瀝青軟化點接近SBS改性瀝青軟化點。這是因為廢舊塑料A的回料中含有較多薄膜材料，其中高粘高彈組分較多，分子結(jié)網(wǎng)率高，與SBS相類似，在高溫條件下限制了瀝青分子的流動，故較大地提高了瀝青的軟化點。由針入度實驗結(jié)果可以看出，不同改性瀝青25℃針入度與基質(zhì)瀝青的相近。由低溫延度可以看出，SBS改性瀝青的低溫延度遠大于其它改性瀝青的低溫延度。但對于SBS以外的聚合物改性瀝青，其延伸量低并不能說明其低溫性能差，實際上聚合物加入瀝青后，改變了瀝青的流變學(xué)性質(zhì)，聚合物形成的空間交粘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，明顯增大了瀝青的黏度，能有效地限制瀝青的低溫開裂[3]。而大量的實踐工程也表明，經(jīng)聚合物改性的瀝青路面抗裂性能得到了明顯的改善。

表3 瀝青膠結(jié)料的基本物理性能

2.2 高溫性能

2.2.1 復(fù)數(shù)模量

用動態(tài)剪切流變儀（DSR），采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變值γ取12%，試驗頻率為1.59 Hz，樣品直徑為25 mm，瀝青膜厚度為1 mm，對未老化的原樣瀝青進行測試，結(jié)果見圖1。

圖1 不同瀝青的復(fù)數(shù)模量曲線

在30～100℃條件下，測試基質(zhì)瀝青及改性瀝青的復(fù)數(shù)模量，復(fù)數(shù)模量與瀝青的抗車轍性能有較好的相關(guān)性[4]。由圖1可知，SBS改性瀝青的曲線明顯不同于其它4種瀝青，說明SBS對瀝青的結(jié)構(gòu)有化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，而廢舊塑料不能完全改變?yōu)r青微觀結(jié)構(gòu)，更大程度上是物理混合。廢舊塑料B和廢舊塑料C曲線與基質(zhì)瀝青的基本保持一致，而廢舊塑料A曲線則介于SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青之間，說明廢舊塑料A中的高彈性組分起到了SBS結(jié)網(wǎng)的效果[5]。3種廢舊塑料改性瀝青對瀝青的高溫性能都有提升作用，在相同溫度條件下，改性瀝青的復(fù)數(shù)模量均大于基質(zhì)瀝青。其中廢舊塑料A在大于75℃的高溫時具有更強的穩(wěn)定性。

2.2.2 動穩(wěn)定度

將廢舊塑料A、B和C按0.3%摻量直接投入到瀝青混合料中拌和，按照JTG E-20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的T0719—2011要求成型車轍板，并在60℃條件下測試混合料的動穩(wěn)定度，動穩(wěn)定度測試能較好地模擬瀝青混凝土路面在車輛動荷載情況下的抗變形能力，能表征其高溫性能，用于衡量瀝青混合料抗車轍的能力。試驗結(jié)果見表4。

表4 瀝青混合料的動穩(wěn)定度測試結(jié)果

由表4可知，加入瀝青改性劑后混合料的動穩(wěn)定度明顯提高，且大于SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，極大地提高了瀝青混合料的抗車轍性能。瀝青路面抗車轍能力的大小取決于混合料的抗剪強度，與瀝青的粘結(jié)力成正相關(guān)。因此，聚合物改性劑通過形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并伴以溶脹、拉絲等作用，限制了瀝青分子的流動和轉(zhuǎn)移，從而在宏觀上表現(xiàn)為瀝青的粘結(jié)力增加。通過進一步比較可知，摻廢舊塑料A和B的混合料抗車轍性能明顯優(yōu)于摻廢舊塑料C的，且前者的變形量較小，說明不同組成的聚合物，因其結(jié)構(gòu)不同，對瀝青的抗車轍性能影響也不同。其中結(jié)網(wǎng)率及分散性較好的改性劑對瀝青混合料的高溫性能改善較明顯。

另一方面，由表4中的變異系數(shù)可以看出，摻廢舊塑料A的混合料雖然其動穩(wěn)定度平均值較高，但變異性較大，表現(xiàn)出性能不穩(wěn)定的特征。這是由于廢舊塑料的性質(zhì)較大程度地取決于原材料純度、加工均一性等，廢舊塑料A的基體原料含有雜質(zhì)較多，來源多樣，致使改性劑組分不均一，從而造成了瀝青混合料性能具有變異性大的缺陷。但廢舊塑料B由于其原料來源單一，在加工處理過程中對雜質(zhì)含量的控制較嚴格，從而其改性瀝青混合料性能較均一，變異性與其它改性瀝青相近。

2.3 低溫性能

瀝青混合料的低溫性能用小梁彎曲試驗進行表征（見圖2）。瀝青混合料按要求拌和后，由輪碾成型，切制成250 mm× 30 mm×35 mm的棱柱體小梁，其跨徑為200 mm。在-10℃的試驗溫度和50 mm/min的加載速率條件下對瀝青混合料小梁試件跨中施加集中荷載，直至其斷裂破壞。記錄儀直接生成荷載-跨中撓度曲線，按要求將曲線中的直線段延長與橫坐標相交作為曲線的原點，由曲線圖量取峰值時的最大荷載及跨中撓度。由破壞時的荷載和撓度計算瀝青混合料的小梁彎拉強度、彎拉破壞應(yīng)變及勁度模量來綜合評價瀝青混合料的低溫性能，試驗結(jié)果見表5。

圖2 小梁彎曲試驗

表5 不同瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

由表5可知，改性瀝青混合料抗彎拉強度均大于基質(zhì)瀝青混合料。其中廢舊塑料A改性瀝青與SBS改性瀝青強度相當(dāng)。而當(dāng)瀝青混合料溫度應(yīng)力積累到超過瀝青混合料的極限抗拉強度時，路面將出現(xiàn)裂縫[6]。因此，廢舊塑料A和摻SBS的混合料抗裂性相當(dāng)。摻廢舊塑料A的最大彎拉應(yīng)變則略高于摻SBS改性瀝青的，說明摻廢舊塑料A在低溫下具有更好的彎拉應(yīng)變能力。低溫勁度模量是彎拉強度和彎拉應(yīng)變的比值，它從一定程度上整體反映了瀝青混合料的柔韌性。摻廢舊塑料A和B的低溫勁度模量均小于SBS改性瀝青，說明其混合料柔韌性較好，對瀝青路面的抗裂比較有利。

2.4 抗水損性能

在我國南方，夏季常常出現(xiàn)高溫多雨天氣，加之車流量大，水損害現(xiàn)象十分突出，故為探究改性瀝青混合料的抗水損害性能，進行了凍融劈裂強度試驗。將廢舊塑料A、B和C按0.3%摻量直接投入到瀝青混合料中拌和，按照JTG E-20—2011中的T0716—2011要求成型馬歇爾試件，并按照規(guī)范要求進行凍融試驗，用瀝青壓力試驗儀測試劈裂強度，并計算得到凍融劈裂抗拉強度比，試驗結(jié)果見表6。

由表6可知，加入瀝青改性劑后混合料的凍融劈裂抗拉強度明顯增大。其中加入廢舊塑料A對瀝青混合料抗水損害能力改善最明顯，優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。從劈裂強度值來看，改性劑都提高了瀝青混合料的強度。說明聚合物可以提高瀝青與石料的粘結(jié)力，增強了抵抗剝落的能力，使水難以進入到瀝青與石料界面，有效地減少了瀝青的剝落率，從而增強了路面的抗水損害性能。

表6 瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果

3 結(jié)論

（1）廢舊塑料能有效地增強瀝青及瀝青混合料的路用性能，明顯增強其高溫抗車轍能力、抗水損能力等。PVC基回料改性瀝青混合料動穩(wěn)定度達到12 480次/mm；PE基回料改性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比達到92.1%，且PE基改性瀝青對混合料低溫的抗裂性優(yōu)于SBS改性瀝青。

（2）PE基廢舊塑料對瀝青及瀝青混合料的改善效果明顯優(yōu)于PP基和PVC基，但由于其來源雜，導(dǎo)致回收料的用途、加工性等參差不齊，性能不穩(wěn)定。故在基體的選擇和工藝的調(diào)整上，需要嚴格控制，以確保改性劑質(zhì)量的均一性。

（3）將廢舊塑料用于道路工程，具有節(jié)約、環(huán)保的效益，符合有可持續(xù)發(fā)展理念，是未來瀝青改性劑產(chǎn)品的發(fā)展方向。

[1] 肖川，蔣興華，楊錫武，等.廢舊塑料改性瀝青儲存穩(wěn)定性試驗[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011（5）：943-947.

[2] 賴增成，劉克，楊錫武，等.廢舊塑料改性瀝青的性能研究[J].海南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010（4）：358-362.

[3] 叢培良，劉建飛，沙川，等.聚合物改性瀝青填縫料的性能研究[J].新型建筑材料，2014（5）：72-75.

[4] X Yang，Zhanping You.High temperature performance evaluation of bio-oil modified asphalt binders using the DSR and MSCR tests[J].Construction and Building Materials，2015，76：380-387.

[5] Yang Kang，Mingyu Song，Liang Pu，et al.Rheological behaviors of epoxy asphalt binder in comparison of base asphalt binder and SBS modified asphalt binder[J].Construction and Building Materials，2015，76：343-350.

[6] Cesare Oliviero Rossi，Assunta Spadafora，Bagdat Teltayev，et al. Polymer modified bitumenRheological properties and structural characterization[J].Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2015，480：390-397.

Study on road performance of different polymer-based waste plastics modified asphalt and mixture

XIONG Zijia，HONG Jinxiang，DENG Cheng，HUANG Chong
（Jiangsu Sobute New Materials Co.Ltd.，Nanjing 211103，China）

PE，PVC，PP based recycling waste plastic particles were prepared by a melt-blending process which were used to modify asphalt.The road service performance，such as high temperature stability，low temperature cracking resistance and water stability，of the modified asphalt and mixtures were evaluated.The results showed that：PE-based polymer materials can greatly improve the asphalt and the mixtures road performance.The softening point increased to 67.5℃，dynamic stability reached 12 480 times/mm，freeze-thaw splitting strength ratio was 92.1%，low temperature toughness better than SBS modified asphalt.However，recycled material PE-based performance variability is large，so when the waste plastic recycling，the source material should be strictly controlled in order to ensure the stability of the modifier quality.

recycling waste plastic，modified asphalt，road service performance，variability

TU528.42

A

1001-702X（2016）08-0054-04

2016-01-14

熊子佳，女，1988年生，湖北漢川人，碩士，主要從事道路材料研究工作。