生活廢舊塑料改性瀝青混合料的路用性能研究

楊錫武，劉 克，何 澤，趙 波

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

生活廢舊塑料改性瀝青混合料的路用性能研究

楊錫武，劉 克，何 澤，趙 波

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

研究了摻量為6%和8%的原狀造粒及裂化生活廢舊塑料改性中海油70# 和茂名90# 瀝青混合料的馬歇爾性能、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗磨耗能力及疲勞壽命等路用技術(shù)性能。結(jié)果表明：裂化生活廢舊塑料改性瀝青混合料的穩(wěn)定度超過15 kN，提高率超過40%；原狀造粒生活廢舊塑料和裂化生活廢舊塑料改性瀝青混合料的TSR>80%，動(dòng)穩(wěn)定度DS>3 000次/mm，疲勞壽命和抗磨耗能力均顯著高于基質(zhì)瀝青混合料；裂化生活廢舊塑料改性瀝青混合料的路用技術(shù)性能優(yōu)于原狀造粒生活廢舊塑料改性瀝青混合料的。

道路工程；裂化生活廢舊塑料；原狀造粒生活廢舊塑料；改性劑；瀝青混合料；高溫穩(wěn)定性；疲勞壽命

國內(nèi)外有關(guān)廢舊塑料改性瀝青性能的研究，主要集中于廢舊塑料改性瀝青的性能、改性機(jī)理及存儲(chǔ)穩(wěn)定性方面[1-10]，對(duì)廢舊塑料改性瀝青混合料性能的研究不太多。筆者提出了裂化生活廢舊塑料(CRP)減小改性瀝青離析的方法[11]，解決了生活廢舊塑料改性瀝青的離析問題。在已有的生活廢舊塑料改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性和針入度、軟化點(diǎn)、延度三大指標(biāo)研究基礎(chǔ)上，筆者系統(tǒng)地研究了生活廢舊塑料改性瀝青混合料的馬歇爾性能、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗磨耗能力等路用技術(shù)性能，以全面評(píng)估生活廢舊塑料改性瀝青混合料的路面性能和應(yīng)用范圍，旨在指導(dǎo)生活廢舊塑料改性瀝青混合料路面配合比設(shè)計(jì)和施工操作。

1 試驗(yàn)材料

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用茂名90# 和中海油70#，其技術(shù)性能指標(biāo)如表1。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 生活廢舊塑料改性劑及摻量

生活廢舊塑料改性劑有原狀造粒生活廢舊塑料(RP)及裂化生活廢舊塑料(CRP)，制作方法見表2，改性劑摻量按瀝青質(zhì)量百分比計(jì)，為6%。

1.3 集料與填料

集料為重慶的石灰?guī)r，礦粉為石灰石磨細(xì)的石粉。按照J(rèn)TJ 058—2000《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》檢測(cè)的粗細(xì)集料、礦粉，各項(xiàng)性能均滿足JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

1.4 混合料級(jí)配

采用AC-13I級(jí)配瀝青混合料，級(jí)配如表3。

表2 生活廢舊塑料改性劑

表3 AC-13的礦料級(jí)配

2 馬歇爾試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行生活廢舊塑料改性瀝青混合料的馬歇爾試件成型、測(cè)試。圖1是RP/CRP改性中海油70# 瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 RP/CRP改性瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Marshall test results of RP/CRP modified asphalt mixtures

從圖1可以看出：

1)CRP改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度都在15.5 kN以上，最高達(dá)到17.0 kN，馬歇爾穩(wěn)定度顯著高于基質(zhì)瀝青混合料，提高率超過40%；RP改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度提高率約為30%，表明CRP改性瀝青混合料強(qiáng)度性能好于RP改性瀝青混合料。

2)RP/CRP改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料的流值都在2.6～3.8 mm之間，滿足規(guī)范要求，表明生活廢舊塑料改性劑并未使瀝青混合料的柔性降低。

3 路用性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

分別在中海油70# 和茂名90# 兩種基質(zhì)瀝青中摻加CRP進(jìn)行改性，CRP摻量分別為6%，8%；在中海油70# 基質(zhì)瀝青中摻加RP進(jìn)行改性，RP摻量為6%。瀝青混合料級(jí)配AC-13，油石比根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定。試驗(yàn)按照J(rèn)TG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表4。

從表4可以看出：

1)中海油70# 及茂名90# 兩種瀝青中加入RP或CRP類改性劑后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有較大提高。同時(shí)還看出，CRP-A/CRP-C類改性中海油70# 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度大于改性茂名90# 瀝青混合料的；而CRP-B類改性中海油70# 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度則低于改性茂名90# 瀝青混合料的。表明生活廢舊塑料改性劑可以顯著地提高混合料的高溫穩(wěn)定性，廢舊塑料成分不同，提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性效果不同，總體上聚丙烯類廢舊塑料的改性瀝青混合料的高溫性能好于聚乙烯類。

表4 RP/CRP改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2)CRP改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著改性劑摻量的增加而增加，但摻量從6%增加到8%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度提高的幅度有限，并非線性增加，為取得合理的性價(jià)比，建議CRP摻量不超過6%。

3.2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求及JTG E 2—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的試驗(yàn)方法，用凍融劈裂試驗(yàn)研究了RP/CRP改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性?；旌狭霞?jí)配和材料性能與高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)相同。凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表4。

從表4可以看出，RP/CRP改性瀝青混合料的TSR都高于80%，滿足規(guī)范要求。摻入CRP改性劑

能提高瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比，而RP改性劑在提高瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比作用方面不穩(wěn)定，總的來看CRP能較好地改善瀝青混合料水穩(wěn)性。

3.3 肯塔堡飛散試驗(yàn)

采用浸水飛散試驗(yàn)。把按馬歇爾方法成型的試件(級(jí)配為AC-13，基質(zhì)瀝青為中海油70#)，放入(60±0.5)℃的恒溫水槽中養(yǎng)生48 h；然后從恒溫水槽中逐個(gè)取出試件，稱取重量；再將試件放入洛杉磯試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行測(cè)試，以30～33 r/min的速度旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)，稱取試件殘留質(zhì)量；根據(jù)試驗(yàn)前后試件重量求得其飛散損失，每組平行試驗(yàn)4次。肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 瀝青混合料的肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果

注：規(guī)范要求浸水飛散值≤20%。

從表5可以看出：相同摻量條件下，RP改性瀝青混合料的浸水飛散值明顯大于CRP改性瀝青混合料的，說明CRP改性瀝青混合料的黏結(jié)性較好。若作面層，應(yīng)采用CRP改性瀝青混合料，以避免瀝青面層因黏結(jié)性差而產(chǎn)生松散、水損壞。

3.4 濕輪磨耗試驗(yàn)

肯塔堡飛散試驗(yàn)雖然可以間接評(píng)價(jià)瀝青混合料的耐磨性，但其試驗(yàn)方式與實(shí)際的車輪磨耗有明顯不同。為了更真實(shí)地評(píng)價(jià)RP/CRP改性瀝青混合料的抗磨耗性能，筆者采用濕輪磨耗試驗(yàn)進(jìn)行研究。鑒于濕輪磨耗試驗(yàn)是用于檢驗(yàn)乳化瀝青稀漿封層混合料配伍及抗水損壞能力的試驗(yàn)，對(duì)于瀝青混合料的濕輪磨耗試件制作并沒有規(guī)范的方法。為此筆者結(jié)合濕輪磨耗機(jī)的構(gòu)造及研究目的，對(duì)混合料的集料和配比進(jìn)行了調(diào)整?；旌狭霞喜捎檬?，有一定級(jí)配，最大粒徑Dmax≤5 mm，混合料分不添加礦粉和添加礦粉兩類，基質(zhì)瀝青為中海油70#。

按調(diào)整的油石比拌和、壓實(shí)制作厚度5 mm的RP/CRP改性瀝青石屑混合料試件，在3種不同條件下養(yǎng)生后，再在濕輪磨耗機(jī)上進(jìn)行磨耗試驗(yàn)，測(cè)試方法按乳化瀝青稀漿封層的測(cè)試方法進(jìn)行：

1)養(yǎng)生條件Ⅰ：-18 ℃條件下保溫16 h，然后在60 ℃條件下保溫24 h，再在25 ℃條件下保溫2 h，混合料摻有礦粉；

2)養(yǎng)生條件Ⅱ：45 ℃水槽中保溫1 h，混合料摻有礦粉；

3)養(yǎng)生條件Ⅲ：45 ℃水槽保溫1 h，混合料中無礦粉。

不同養(yǎng)生條件下RP/CRP改性瀝青混合料的濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果如表6。

表6 瀝青混合料的濕輪磨耗值

注：規(guī)范要求乳化瀝青稀漿封層混合料磨耗值≤800 g/m2。

從表6可以看出：

1)在養(yǎng)生條件Ⅰ下，基質(zhì)瀝青混合料和RP改性瀝青混合料的磨耗值顯著大于CRP改性瀝青混合料，表明CRP改性瀝青混合料具有較好的抗磨耗性能，并且提高了瀝青混合料的抗磨耗能力和抗水損害性能。從外觀上看，抗磨耗能力差的混合料集料表面瀝青膜脫落，表面露骨嚴(yán)重，而抗磨耗能力強(qiáng)的混合料表面密實(shí)，少量集料露骨。

2)在養(yǎng)生條件Ⅱ、Ⅲ下，礦粉對(duì)瀝青混合料的抗磨耗和抗水損害能力有顯著影響，加礦粉的瀝青混合料的磨耗值明顯小于未加礦粉的瀝青混合料。礦粉可以減小瀝青混合料的磨耗值，增強(qiáng)抗水損害能力，與普通瀝青混合料添加礦粉的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)一致。

3)在相同養(yǎng)生條件下，無論是原狀還是裂化處治，聚乙烯廢舊塑料改性瀝青混合料的抗磨耗性能好于聚丙烯廢舊塑料。

3.5 疲勞性能試驗(yàn)

采用英國Cooper Research Technology有限公司制造的氣動(dòng)伺服Cooper疲勞試驗(yàn)機(jī)加載。試件為用輪碾法成型的車轍板鉆芯樣制成的φ100 mm×50 mm圓柱體試件。級(jí)配為AC-13，基質(zhì)瀝青為中海油70#，改性劑為CRP-B，摻量5%。加載方式為應(yīng)力控制；加載頻率10 Hz，即加載時(shí)間為0.016 s，相當(dāng)于60～65 km/h的行車速度。荷載波形為半正弦波，在相鄰波形之間插入0.4 s的間歇時(shí)間。試驗(yàn)溫度15 ℃。

在疲勞試驗(yàn)前，對(duì)3組試件進(jìn)行靜態(tài)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，以確定疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力控制水平。應(yīng)力比分別為0.3，0.4，0.5下基質(zhì)瀝青與CRP改性瀝青混合料的劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表7。

從表7可以看出：在相同應(yīng)力比條件下，CRP改性瀝青混合料的疲勞壽命顯著高于基質(zhì)瀝青混合料，表明CRP不但可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，而且可以提高瀝青混合料的疲勞壽命，從而延長路面使用壽命。

表7 瀝青混合料的平均疲勞壽命

4 結(jié) 論

1)原狀造粒生活廢舊塑料(RP)和裂化生活廢舊塑料(CRP)都可以顯著提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，以及高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗磨耗能力等路用技術(shù)性能，但效果不盡相同。裂化生活廢舊塑料改性瀝青混合料的馬歇爾性能指標(biāo)、動(dòng)穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、肯塔堡飛散值和濕輪磨耗值等路用技術(shù)性能均好于原狀造粒生活廢舊塑料改性瀝青混合料，并滿足作為瀝青面層的性能要求。

2)裂化生活廢舊塑料改性瀝青混合料的路用技術(shù)性能好于原狀造粒生活廢舊塑料的，并且，其改性瀝青具有良好的存儲(chǔ)穩(wěn)定性。因此，建議采用裂化生活廢舊塑料作為瀝青改性劑。

3)聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯與聚丙烯混合的生活廢舊塑料改性瀝青混合料的路用技術(shù)性能差別不明顯。

4)改性瀝青混合料的路用技術(shù)性能隨著生活廢舊塑料改性劑摻量的增加而提高，但提高幅度有限。為了使生活廢舊塑料改性瀝青混合料具有合理的性價(jià)比，建議生活廢舊塑料改性劑最佳摻量為5%～6%。

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(責(zé)任編輯 田文玉)

Pavement Performance of Recycled Plastics Modified Asphalt Mixtures

YANG Xiwu， LIU Ke， HE Ze， ZHAO Bo

(School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P. R. China)

Two kinds matrix asphalts——Maoming-90 and CNOOC-70——were chosen, and blended with cracking recycled plastics(CRP) or recycled plastics(RP) by mass of 6% and 8% respectively, and then CRP/RP modified asphalt mixtures were made. The properties of Marshall index, high temperature stability, water stability, abrasion resistance property and fatigue life of those RP/CRP modified asphalt mixtures were studied. The results show that the stability of CRP modified asphalt mixtures can achieve 15 kN, with increasing rate of 40%, and theTSR>80%,DS>3 000 r/mm of both RP and CRP modified asphalt mixtures. The fatigue life and abrasion resistance property of RP and CRP modified asphalt mixtures are significantly higher than that of matrix asphalt mixtures. CRP modified asphalt mixtures have better performance than that of RP modified asphalt mixtures.

highway engineering; cracking recycled plastics(CRP); recycled plastics(RP); modifier; asphalt mixture; high temperature stability; fatigue life

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.07

2014-02-28；

2016-09-29

重慶市交通委員會(huì)科技項(xiàng)目([2008]15)

楊錫武(1963—)，男，云南鶴慶人，教授，博士，主要從事路基路面工程的教學(xué)和科研工作。E-mail：yangxw01@126.com。

U414.3

A

1674-0696(2017)02- 038- 05