廢舊聚丙烯裂解物和工業(yè)油的改性瀝青混合料強(qiáng)度形成機(jī)理研究

黃煌，牟存玉，陳怡宏，凌天清，陸亞，李傳強(qiáng)

（1重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015；2重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

目前，塑料產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，我國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊塑料，實(shí)現(xiàn)廢舊塑料的回收利用，變廢為寶，對(duì)于實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展意義重大[1]。近年來(lái)，回收廢舊塑料在道路行業(yè)的應(yīng)用研究日趨增多，由于廢舊聚丙烯（PP）裂解物[2]含有大量的小分子物質(zhì)，其特殊的理化性質(zhì)可對(duì)瀝青進(jìn)行改性，從而作為溫拌劑用于道路施工[3-4]。

本文通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)，針對(duì)廢舊聚丙烯（PP）裂解物和工業(yè)油的改性瀝青混合料的級(jí)配類型、瀝青用量、擊實(shí)功、擊實(shí)溫度和養(yǎng)生條件等對(duì)混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

利用粉碎機(jī)將回收廢舊聚丙烯（PP）打磨成粉，通過(guò)專用的反應(yīng)釜在高溫密封條件下將其裂解得到裂解產(chǎn)物[5]，粉碎機(jī)打磨成粉備用；集料選用碎值小、棱角性好、針片狀含量低、表面紋理好的石灰?guī)r礦料；工業(yè)油為裂解橡膠油，瀝青選用殼牌70#基質(zhì)瀝青。

1.2 溫拌改性瀝青的制備

將瀝青加熱至完全流動(dòng)狀態(tài)，按事先設(shè)計(jì)好的比例加入裂解橡膠油，人工攪拌10min，將溫度升高至140℃左右加入聚丙烯（PP）裂解產(chǎn)物，采用高速剪切機(jī)在轉(zhuǎn)速3000r/min的條件下攪拌60min，冷卻至室溫，制得溫拌改性瀝青。

1.3 選擇級(jí)配

選用AC-13級(jí)配，并設(shè)計(jì)兩種級(jí)配AC-13C型和AC-13F型，按照規(guī)程[3]進(jìn)行篩分試驗(yàn)，級(jí)配如表1所示。

表1 AC-13集料級(jí)配設(shè)計(jì)表

針對(duì)兩種設(shè)計(jì)級(jí)配，采用油石比為4%，每種級(jí)配制備4個(gè)馬歇爾試件，確定試件的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，得出最佳的設(shè)計(jì)級(jí)配。

1.4 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)1.3節(jié)得到的最佳設(shè)計(jì)級(jí)配，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，針對(duì)所選用的改性瀝青和AC-13礦料級(jí)配，各設(shè)定5個(gè)瀝青用量（3%、3.5%、4%、4.5%、5%），成型馬歇爾試件，確定最佳瀝青用量。

1.5 變溫?fù)魧?shí)試驗(yàn)

研究不同的擊實(shí)溫度、擊實(shí)次數(shù)對(duì)馬歇爾試件的強(qiáng)度影響，從而得到試件的強(qiáng)度形成機(jī)理。試驗(yàn)采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)擊實(shí)法，在最佳配合比條件下，設(shè)定5個(gè)不同的擊實(shí)溫度（70℃、80℃、90℃、100℃、110℃）和4個(gè)不同的擊實(shí)次數(shù)（50次、75次、100次、150次），進(jìn)行變溫?fù)魧?shí)試驗(yàn)研究，以期模擬施工壓實(shí)的和易性。

每組改性瀝青混合料制作4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，待靜置12h后脫模，測(cè)定其流值、穩(wěn)定度等性能指標(biāo)，并按照規(guī)范要求對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行取舍，最后從中選取3個(gè)有效的試驗(yàn)結(jié)果，取平均值作為最終結(jié)果。

1.6 養(yǎng)生溫度

采用變溫?fù)魧?shí)試驗(yàn)中得到試件的最佳擊實(shí)溫度和擊實(shí)次數(shù)，制作8個(gè)馬歇爾試件，為了研究養(yǎng)生溫度對(duì)其強(qiáng)度的影響規(guī)律，制備試件時(shí)，擊實(shí)次數(shù)減少25次，制備好的試件不脫模，將其中4個(gè)試件在60℃烘箱中養(yǎng)生24h，另外4個(gè)試件在110℃烘箱中養(yǎng)生24h，然后取出，每個(gè)試件雙面補(bǔ)擊25次，待12h脫模測(cè)定其穩(wěn)定度和流值。

1.7 養(yǎng)生齡期

采用變溫?fù)魧?shí)試驗(yàn)中得到試件的最佳擊實(shí)溫度和擊實(shí)次數(shù)，制備16個(gè)馬歇爾試件，待12h后脫模置于室溫條件下，保持干燥通風(fēng)，然后每隔一周測(cè)定4個(gè)試件的強(qiáng)度，觀測(cè)28d室溫環(huán)境下其強(qiáng)度形成規(guī)律。

2 結(jié)果分析

2.1 設(shè)計(jì)級(jí)配

對(duì)于兩種設(shè)計(jì)級(jí)配AC-13C和AC-13F，瀝青用量為4%，擊實(shí)次數(shù)均為雙面擊實(shí)75次，擊實(shí)溫度為110℃，每組4個(gè)馬歇爾試件，待試件脫模后，在60℃水浴30min，測(cè)量其穩(wěn)定度和流值，取平均得到AC-13C和AC-13F型瀝青混合料穩(wěn)定度和流值，如圖1所示。

圖1 兩種級(jí)配的穩(wěn)定度和流值

對(duì)于AC-13C和AC-13F兩種設(shè)計(jì)級(jí)配，其穩(wěn)定度相差很小，流值差距稍大，根據(jù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定：對(duì)于夏炎熱區(qū)和重載交通條件，流值要求為1.5～4mm，雖然兩種級(jí)配都不滿足規(guī)范要求，但是AC-13C設(shè)計(jì)級(jí)配更接近于規(guī)范值，故礦料級(jí)配選用AC-13C設(shè)計(jì)級(jí)配。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

按照1.4中的設(shè)計(jì)配合比，擊實(shí)溫度為110℃，擊實(shí)次數(shù)為雙面擊實(shí)75次，每組制作4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，按照規(guī)程《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTGE20-2011》T0607-2011和T0711-2011方法測(cè)定并計(jì)算瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度、毛體積相對(duì)密度、空隙率、間隙率、瀝青飽和度（VFA)。之后用馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試儀測(cè)定其穩(wěn)定度和流值，測(cè)定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 理論最大相對(duì)密度、毛體積相對(duì)密度、空隙率、間隙率、瀝青飽和度

由表2計(jì)算試件對(duì)應(yīng)毛體積密度的最大值的瀝青用量a1=4.5%，穩(wěn)定度最大值的瀝青用量a2=3.6%，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)空隙率的瀝青用量a3=3.5%。根據(jù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，按密度最大值、穩(wěn)定度最大值、目標(biāo)空隙率中值、飽和度中值確定的最佳瀝青用量OAC1=(a1+a2+a3)/3=3.8%。 同時(shí)，按規(guī)范（JTG F40-2004）各指標(biāo)均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，確定瀝青用量范圍為OACmin=3.0%和OACmax=4.5%，此時(shí)最佳瀝青用量OAC2=(3.0%+4.5%)/2=3.75%。所以瀝青的最佳用量AC=(OAC1+OAC2)/2=3.8%，瀝青的用量和穩(wěn)定度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定度與瀝青用量的關(guān)系

如圖2所示，馬歇爾穩(wěn)定度隨瀝青用量的增加先上升后下降，當(dāng)瀝青的用量為3.5%左右時(shí)達(dá)到最大。分析其原因，隨著瀝青用量逐漸增加，瀝青較為充分地裹覆于集料表面，故穩(wěn)定度變大，最佳瀝青用量時(shí)，集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青發(fā)揮到最大作用，穩(wěn)定度達(dá)到最大，之后隨著瀝青用量的繼續(xù)增加，骨料之間的自由瀝青增多，穩(wěn)定度逐漸減小。

2.3 變溫?fù)魧?shí)試驗(yàn)

由配合比設(shè)計(jì)得到最佳的瀝青用量為3.8%，擊實(shí)次數(shù)分別為雙面50次、75次、100次、150次， 擊實(shí)溫度為110℃、100℃、90℃、80℃、70℃，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。得到穩(wěn)定度和擊實(shí)次數(shù)關(guān)系，如表3所示。

表3 穩(wěn)定度與各擊實(shí)條件的關(guān)系

由表3分析得，隨著擊實(shí)次數(shù)的增長(zhǎng)穩(wěn)定度逐漸增大，當(dāng)擊實(shí)次數(shù)從50次增加到75次時(shí)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)最快，75次到150次強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯降低，故選用的擊實(shí)次數(shù)為75次；在各個(gè)溫度條件下，滿足施工規(guī)范的最低溫度為90℃，故擊實(shí)次數(shù)75次，溫度90℃，效果最佳。

2.4 養(yǎng)生溫度

根據(jù)1.6中所述，設(shè)定兩個(gè)養(yǎng)生溫度60℃和110℃，在烘箱中養(yǎng)生24h，研究養(yǎng)生對(duì)試件強(qiáng)度形成的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以看出，試件養(yǎng)生對(duì)強(qiáng)度的形成有一定的影響，沒(méi)有通過(guò)養(yǎng)生的試件的馬歇爾穩(wěn)定度明顯低于養(yǎng)生的試件，而在110℃下養(yǎng)生的試件的強(qiáng)度高于60℃養(yǎng)生的試件，且有較大的強(qiáng)度。

2.5 養(yǎng)生齡期

根據(jù)1.7中試驗(yàn)條件，制備16個(gè)馬歇爾試件，脫模后放在室溫條件下養(yǎng)生，保持干燥通風(fēng)；每隔一周觀察其強(qiáng)度，持續(xù)一個(gè)月，試件穩(wěn)定度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系見表5所示。

表5 穩(wěn)定度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系

分析表5得，放置在室溫條件下的馬歇爾試件，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，其強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，主要原因是，放置在室溫條件下，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，改性瀝青混合料中的有機(jī)助劑逐漸揮發(fā)，混合料中瀝青粘度逐漸增大，膠結(jié)料的粘結(jié)力不斷增大，其強(qiáng)度隨時(shí)間漸漸增長(zhǎng)，能夠滿足車輛通行所需的強(qiáng)度。

3 混合料強(qiáng)度形成機(jī)理分析

對(duì)于密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)的AC型混合料而言，混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要取決于瀝青與礦料之間的粘結(jié)力。影響混合料瀝青與礦料之間粘結(jié)力的因素較多，主要有礦料的級(jí)配類型、瀝青用量、擊實(shí)功、擊實(shí)溫度、養(yǎng)生齡期等。

在該試驗(yàn)研究中，擊實(shí)溫度和養(yǎng)生齡期對(duì)于PP裂解產(chǎn)物和工業(yè)油改性瀝青AC-13C混合料粘結(jié)力大小影響較大。在擊實(shí)過(guò)程中，高溫會(huì)使得瀝青的粘滯度降低，瀝青混合料的粘聚力也隨之降低，加之改性劑中的有機(jī)小分子的潤(rùn)滑作用，使得擊實(shí)后強(qiáng)度有所下降。

由2.5節(jié)養(yǎng)生齡期的研究可以看出，隨著養(yǎng)生齡期的增大，PP裂解產(chǎn)物和工業(yè)油改性瀝青AC-13C混合料的強(qiáng)度逐漸增大，這是由于在混合料的強(qiáng)度形成過(guò)程中，粘結(jié)力存在一個(gè)變化過(guò)程，混合料中的有機(jī)溶劑（工業(yè)油）不斷揮發(fā)，瀝青逐漸變稠，與集料粘結(jié)更緊密，使集料顆粒間的分布逐漸緊密，強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，經(jīng)歷一段時(shí)間后，當(dāng)有機(jī)溶劑基本揮發(fā)完后，強(qiáng)度才最終形成。

因此基于PP裂解物和工業(yè)油的改性瀝青混合料的強(qiáng)度形成的規(guī)律是以拋物線形式呈現(xiàn)，先增強(qiáng)后減落。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)，測(cè)定了基于PP裂解物和工業(yè)油的改性瀝青混合料的馬歇爾試件的穩(wěn)定度和流值，分析其穩(wěn)定度的變化規(guī)律，研究PP裂解產(chǎn)物和工業(yè)油改性瀝青混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理及強(qiáng)度形成的影響因素，得到以下結(jié)論：在AC-13C設(shè)計(jì)級(jí)配下，最佳的瀝青用量為3.8%；設(shè)計(jì)變溫?fù)魧?shí)實(shí)驗(yàn)，為保證試件有較高的穩(wěn)定度且有較小的擊實(shí)溫度和擊實(shí)次數(shù)，最后選用擊實(shí)溫度為90℃，雙面擊實(shí)次數(shù)75次；試件養(yǎng)生可以提高試件的馬歇爾穩(wěn)定度，110℃下養(yǎng)生有更高的穩(wěn)定度；隨著養(yǎng)生齡期的增長(zhǎng)，試件的馬歇爾穩(wěn)定度逐漸增強(qiáng)。

與熱拌瀝青混合料相比，PP裂解產(chǎn)物和工業(yè)油改性瀝青混合料的壓實(shí)溫度 （普通熱拌瀝青混合料壓實(shí)溫度一般為120℃，該試驗(yàn)為90℃）明顯降低，能夠減少混合料的加熱燃料，節(jié)約資源；同時(shí)，能夠減少施工過(guò)程中有害氣體的排放量，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。