PET改性瀝青結(jié)合料性能試驗(yàn)研究

潘軍輝

(江西省公路科研設(shè)計(jì)院, 江西 南昌　330002)

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PET改性瀝青結(jié)合料性能試驗(yàn)研究

潘軍輝

(江西省公路科研設(shè)計(jì)院, 江西 南昌330002)

為了得到PET改性瀝青結(jié)合料的性能,對(duì)摻加不同PET用量的瀝青結(jié)合料進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)、粘度試驗(yàn)、常規(guī)瀝青試驗(yàn)和Superpave試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在瀝青中加入PET后，吸收峰的位置變化不大，表明PET與瀝青主要為物理反應(yīng)；隨著PET用量的增加，改性瀝青的粘度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)， 針入度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，軟化點(diǎn)趨勢(shì)是先增大后減小，延度值不斷減小，復(fù)數(shù)模量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，相位角呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；勁度模量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。

道路工程； 瀝青； PET； 性能試驗(yàn)

0　引言

在瀝青路面的使用壽命和使用性能中，瀝青結(jié)合料的性能起著重要的作用，為了提高瀝青結(jié)合料的性能，目前多在瀝青中添加聚合物改性劑的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[1，2]。

另一方面,由于人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),世界各國(guó)對(duì)于大量廢棄聚合物的處理與利用日益關(guān)注。我國(guó)每年產(chǎn)生大量的廢棄聚合物,其中廢舊塑料約250萬(wàn)t[3，4]。綜合利用這些廢塑料不僅可以保護(hù)環(huán)境,而且可以節(jié)約資源，廢棄聚合物作為瀝青改性劑是綜合利用它的新方法之一。在廢舊塑料瓶中，含有PET成分的較多。PET聚酯是由對(duì)苯二甲酸與乙二醇聚合而成的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇組成[5]，PET瓶多為一次性試驗(yàn)，由此造成的環(huán)境污染較為嚴(yán)重，如果能對(duì)PET瓶進(jìn)行回收利用于瀝青的改性劑，不僅可以較輕污染，同時(shí)也可以節(jié)省資源。

基于此，本文將PET破碎分離后制備改性劑加入瀝青中，采用紅外光譜試驗(yàn)、粘度試驗(yàn)、常規(guī)瀝青試驗(yàn)和Superpave試驗(yàn)方法，分析PET加入后瀝青的性能變化。

1　原材料及試驗(yàn)方案

1.1瀝青及PET

試驗(yàn)時(shí)的瀝青材料為AH — 50基質(zhì)瀝青，其相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：25 ℃針入度為46(0.1 mm)，軟化點(diǎn)為51.7 ℃，130 ℃的粘度為0.187 Pa.s，15 ℃延度為105 cm。

PET為廢棄塑料瓶回收，廢舊瓶料經(jīng)過(guò)破碎、磨細(xì)、干燥、熔融等工序后形成了回收纖維，經(jīng)過(guò)反復(fù)的清洗，除去瓶料中的粘結(jié)劑、灰塵及殘留物，最后得到了回收纖維的直接為10 μm。

1.2PET摻加工藝

試樣制備時(shí)，將基質(zhì)瀝青加熱到120 ℃，先用恒速攪拌機(jī)在500 r/min的速度攪拌下，根據(jù)前期研究，在瀝青中分別加入1%、2%、3%、5%及10%的PET，攪拌1 h后，再利用高速剪切乳化機(jī)，在 10000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切1 h，然后采用低速攪拌的方式除去氣泡，試驗(yàn)時(shí)的溫度保持在120 ℃，制備樣品用于后續(xù)試驗(yàn)研究。

1.3試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)首先對(duì)PET改性瀝青的化學(xué)變化進(jìn)行了研究，采用傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀(FTIR)對(duì)其進(jìn)行了研究，將PET改性瀝青配置為二氯甲烷溶液，而后均勻的涂抹溴化鉀的薄片上，進(jìn)行紅外光譜分析，測(cè)試范圍為4 000～400 cm-1。

對(duì)上述樣品按照傳統(tǒng)試驗(yàn)方法和Superpave方法試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí)，采用Brookfield粘度儀測(cè)定90～160 ℃的粘度；采用針入度試驗(yàn)器、軟化點(diǎn)測(cè)定儀及瀝青延度儀對(duì)樣品的針入度、軟化點(diǎn)和延度檢測(cè)，并與基質(zhì)瀝青的結(jié)果對(duì)比；改性瀝青的高溫流變?cè)囼?yàn)在動(dòng)態(tài)剪切儀(DSR)上進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)的采用的頻率為10 rad/s(1.59 Hz)，采用車轍較易發(fā)生時(shí)的溫度64 ℃和70 ℃，獲得復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ；在評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫性能時(shí)，采用瀝青低溫彎曲梁流變儀對(duì)瀝青進(jìn)行BBR小梁試驗(yàn)，小梁試件的尺寸為101.6×12.7×6.4 mm，試驗(yàn)時(shí)的溫度為-6、-12,和-18 ℃。根據(jù)上述試驗(yàn)方法對(duì)PET改性瀝青的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述指標(biāo)的PET改性瀝青樣品，采用紅外光譜法對(duì)進(jìn)行分析。本文為了便于評(píng)價(jià)PET改性瀝青機(jī)理，僅采用5%的PET用量，繪制其紅外光譜。其結(jié)果如圖1所示。

圖1　PET改性瀝青的紅外光譜Figure 1　FTIR of the base and modified asphalt samples

從瀝青紅外光譜的試驗(yàn)結(jié)果可知，基質(zhì)瀝青與PET改性瀝青的吸收值具有明顯的區(qū)別，表明PET加入后瀝青的透光率發(fā)生改變，但其改變僅為峰值大小的改變，峰值出現(xiàn)的位置改變較少，這反映出PET與瀝青的反映主要為物理反應(yīng)。

從圖中與基質(zhì)瀝青相比，PET改性瀝青在1700 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，其原因應(yīng)為PET添加劑的C=O引起。1600 cm-1處的吸收峰主要是瀝青中的C=C引起，基質(zhì)瀝青在1600 cm-1具有很高的吸收峰，但經(jīng)過(guò)PET改性后，該處的吸收峰降低明顯，這表明經(jīng)過(guò)PET的改性處理后，吸收了瀝青中的烴類物質(zhì)。1300 cm-1處的吸收峰主要是SO2引起的，圖中可知基質(zhì)瀝青并不存在該吸收峰，但是PET改性瀝青出現(xiàn)了新的吸收峰，表明了PET存在硫成分。

從紅外光譜分析結(jié)果可知PET與瀝青的反應(yīng)主要為物理的融合，也發(fā)生著輕微的著化學(xué)反應(yīng)，具有一定的熱力學(xué)的不穩(wěn)定性。這從PET改性瀝青的室內(nèi)試驗(yàn)也可發(fā)現(xiàn)，PET顆粒與瀝青共混后，PET顆粒容易出現(xiàn)離析凝聚，上浮到瀝青上部。在后續(xù)的試驗(yàn)中和應(yīng)用中應(yīng)保證改性瀝青不出現(xiàn)離析，從而保證其性能的穩(wěn)定性。

2.2PET改性瀝青的粘度試驗(yàn)

由上述分析可知，PET與瀝青主要是物理反應(yīng)為主，其主要是PET微粒在較高溫度下在瀝青的油相中膨脹形成類似膠體狀的物理過(guò)程。正是由于PET微粒的膨脹導(dǎo)致了溶脹的膠粒與瀝青之間的自由空間減少，從而引起粘度的增加，PET吸收了瀝青中的較輕組分，體系粘度增加。不同PET用量和試驗(yàn)溫度下的粘度結(jié)果如圖2所示。

粘度是由流體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)之間的引力形成內(nèi)摩擦,從而在外部表現(xiàn)為抵抗流體流動(dòng)的能力。由圖2可知 : 隨著PET用量的增加，改性瀝青的粘度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這表明在PET的作用下，瀝青的粘度增大，但當(dāng)其用量較多時(shí)，粘度的也呈現(xiàn)緩慢出緩慢降低。

PET與瀝青的反應(yīng)主要是由于有PET中的主要成分為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，其結(jié)晶度小，熔點(diǎn)較低，有利于和瀝青混溶。經(jīng)過(guò)磨成粉粒后可以均勻地分散于瀝青中。同時(shí)PET與瀝青形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青膠體通過(guò)細(xì)小顆粒連接在一起，同時(shí)顆粒吸收瀝青中的油分溶脹，引起瀝青中瀝青質(zhì)的含量相對(duì)增加，從而改變了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)和粘彈性質(zhì)，使瀝青變粘。

瀝青具有較高的粘度可在高溫環(huán)境下有效的抵制車轍發(fā)生，但粘度過(guò)大會(huì)使得瀝青混凝土變硬變脆，導(dǎo)致其低溫裂縫出現(xiàn)的概率增大。因此改性瀝青的粘度存在著合理的范圍。

2.3PET改性瀝青的常規(guī)試驗(yàn)

表1為不同用量PET改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度結(jié)果。

表1 PET改性瀝青常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果Table1 Conventionaltestsofthebaseandmodifiedasphaltsamples瀝青類型25℃針入度/(0.1mm)軟化點(diǎn)/℃15℃延度/cm基質(zhì)瀝青4651.7>105+1%PET4751.8>105+2%PET5151.385+3%PET5551.178+5%PET585169+10%PET6150.856

從表1可以看出: 摻加PET后瀝青的針入度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，表明PET用量的增加對(duì)瀝青的硬化效果較為明顯。究其原因是PET量越多，對(duì)瀝青中的輕質(zhì)組分吸收能力越強(qiáng)，使得瀝青的針入度增大，瀝青的膠漿增大。

采用環(huán)球法分別對(duì)不同PET用量下的改性瀝青軟化點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果可知PET的加入后，軟化點(diǎn)的變化不大，其趨勢(shì)是先增大后減小，并在10%的PET用量時(shí)，瀝青的軟化點(diǎn)最小。

分別對(duì)不同PET用量的改性瀝青進(jìn)行了15 ℃的延度試驗(yàn)，從結(jié)果知，隨著PET用量的增大，改性瀝青的延度值不斷減小，這是由于PET的加入使得瀝青相相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，自由運(yùn)動(dòng)能力受到抑制，使得改性瀝青的低溫延展能力下降。

2.4PET改性瀝青的Superpave試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)對(duì)不同用量的PET改性瀝青進(jìn)的復(fù)合模量及相位角進(jìn)行試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，得到表2結(jié)果。

表2 PET改性瀝青DSR試驗(yàn)結(jié)果Table2 DSRtestsofthebaseandmodifiedasphaltsamples指標(biāo)試驗(yàn)溫度/℃基質(zhì)瀝青+3%PET+5%PET復(fù)數(shù)模量G*641.4191.3561.197701.4201.3581.199相位角δ6488.0686.9586.197088.8688.0287.47

由表2可知: 隨著PET摻量的增加，2種溫度下的改性瀝青復(fù)數(shù)模量呈現(xiàn)出較為相似的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。同時(shí)相位角隨著PET摻量的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。由于復(fù)數(shù)模量是材料抵抗變形的綜合能力的物理量，而相位角可以在一定程度上反映損耗因子的變化趨勢(shì)，故由復(fù)數(shù)模量與相位角隨PET增大而減小的趨勢(shì)可知，PET的增加，可在一定程度上提高瀝青的彈性恢復(fù)能力。

瀝青路面的低溫裂縫是常見的裂縫類型，其原因?yàn)榈蜏丨h(huán)境下瀝青結(jié)合料的應(yīng)力松弛能力低，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)瀝青混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，路面即出現(xiàn)裂縫，研究也表明，瀝青路面出現(xiàn)的低溫裂縫主要與瀝青結(jié)合料的抗裂性能有關(guān)，瀝青的勁度越大，其抵抗路面的抗裂能力越差。同時(shí)基質(zhì)瀝青加入改性劑后，低溫性能會(huì)有一定的降低。本次對(duì)摻加了PET的改性瀝青進(jìn)行了BBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　PET改性瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果Figure 3　BBR test result of the base and modified asphalt samples

從圖3可知: 隨著PET摻量的增加，改性瀝青的勁度模量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，但不同試驗(yàn)溫度時(shí)，這種變化趨勢(shì)的程度是不同的，而且摻加PET后瀝青的勁度模量均小于基質(zhì)瀝青的，這表明PET摻的摻入對(duì)瀝青的低溫性能具有一定的消弱作用，PET改性瀝青對(duì)低溫環(huán)境更加敏感。隨著PET用量的增加，改性瀝青在3種溫度時(shí)的m值呈現(xiàn)出先增大后減小，也表明PET和的摻入損傷了瀝青的低溫性能。 SHRP計(jì)劃認(rèn)為瀝青的勁度模量不應(yīng)超出300 MPa，m值不應(yīng)低于0.3。從試驗(yàn)結(jié)果可知，制備的樣品中均滿足-6 ℃和-12 ℃的低溫要求，但不滿足-18 ℃的低溫要求。

勁度模量與m值的比值S/m可以在一定程度上反映出瀝青的抗低溫性能，其值越大，表明瀝青的抗低溫性能越好。從計(jì)算結(jié)果表3可知: 隨著PET用量的增加，3種試驗(yàn)溫度下的S/m值均呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢(shì)，但仍低于基質(zhì)瀝青的值，這也反映了PET的加入會(huì)降低瀝青的低溫性能。

表3 PET改性瀝青的S/m值Table3 S/mofthebaseandmodifiedasphaltsamples試驗(yàn)溫度/℃基質(zhì)瀝青+3%PET+5%PET-6314.7240.3261.5-12695.0567.7678.3-181902.11335.71812.6

3　結(jié)論

通過(guò)以上的試驗(yàn)研究和分析，本文主要得出以下結(jié)論：

PET的加入后吸收峰的位置變化不大，表明PET與瀝青主要為物理反應(yīng)， PET改性瀝青在1700 cm-1和1300 cm-1處的出現(xiàn)了新的吸收峰，同時(shí)在1600 cm-1的吸收峰與基質(zhì)瀝青相比有明顯的降低。

隨著PET用量的增加，改性瀝青的粘度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這表明在PET的作用下，瀝青的粘度增大，但當(dāng)其用量較多時(shí)，粘度的也呈現(xiàn)緩慢出緩慢降低。

從瀝青的常規(guī)試驗(yàn)可知，摻加PET后瀝青的針入度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，軟化點(diǎn)的變化不大，其趨勢(shì)是先增大后減小，延度值不斷減小。從瀝青的Superpave試驗(yàn)可知，摻加PET后復(fù)數(shù)模量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，相位角呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；勁度模量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，從勁度模量與m值的比值S/m也可反映出這種趨勢(shì)。

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Experiment on the Properties of PET Modified Asphalt

PAN Junhui

(Jiangxi Highway Research and Design Institute，Nanchang,Jiangxi 330002,China)

In order to get the PET modified asphalt binder performance, asphalt binder adding different amount of PET was tesed used infrared spectrum test, viscosity test, conventional asphalt test and Superpave test, while the test results are analyzed. The results show that when the PET was added into the asphalt, absorption peak position changes little, shown that the reaction between PET and asphalt is physical; with the increase of PET content, the viscosity of modified asphalt increases first and then decreases, penetration increases, the softening point of the trend increased first and then decreased, ductility value decreases and the complex modulus decreases, the phase angle decreases; stiffness modulus showed a trend of increasing first.

road engineering; asphalt binder; PET; performance test

2015 — 01 — 05

潘軍輝(1975 — )，男，江西臨川人，高級(jí)工程師，研究方向：公路路基和路面工程

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0286 — 04