廢舊塑料改性瀝青研究綜述

邱 林 謝紅平 譚恒程 簡會東 張琴光

廢舊塑料改性瀝青研究綜述

邱 林1謝紅平1譚恒程2簡會東3張琴光2

（1.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司路橋總承包部，云南 昆明 650051； 2.西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650051；3.云南建投集團(tuán)交通建設(shè)股份有限公司，云南 昆明 650051）

塑料因其性能優(yōu)良而應(yīng)用廣泛，而隨之產(chǎn)生的廢物污染是世界環(huán)境難題，將其作為瀝青添加劑是一大處置利用渠道?？偨Y(jié)分析歸納了已有廢塑料對瀝青及其混合料性能改性研究的主要成果，并探討了塑料改性瀝青的發(fā)展?fàn)顩r及仍存在的問題，以期為處置廢舊塑料及提高瀝青性能提供一定的參考。

道路工程；廢舊塑料；改性；瀝青

0 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的日益發(fā)展，塑料產(chǎn)品的使用量加大，廢塑料的累積，特別是焚燒以及掩埋帶來的環(huán)境污染，已經(jīng)成為當(dāng)下亟待解決的問題，而將廢塑料作為瀝青添加劑是一大處置利用渠道。關(guān)于廢舊塑料提高瀝青及其混合料高溫穩(wěn)定性的研究已經(jīng)長達(dá)近三十年，但是仍然沒有得到廣泛應(yīng)用，對聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等聚合物的熱行為研究表明，在130~140℃時(shí)容易軟化，而尚未發(fā)生氣體析出。每年生活和工業(yè)中廢棄的塑料數(shù)量龐大，廢舊塑料的分類回收近年來已經(jīng)逐漸成為一個(gè)成熟的體系，分類回收的廢舊塑料用途廣泛，可用于不同領(lǐng)域。廢舊塑料分類回收的主要過程一般都是經(jīng)過清洗、造料，加工成粒料或粉料，然后直接銷售或者使用。將廢舊塑料用于瀝青改性，不僅處置了廢舊塑料，避免其污染環(huán)境，而且提高了瀝青路面的穩(wěn)定性、力學(xué)特性和抗低溫性等，延長了使用壽命，具有極大的社會及經(jīng)濟(jì)效益。

1 常用廢舊塑料改性劑種類及作用

常見的改性劑一般可分為橡膠類、橡膠塑料類、樹脂類三種：

1）橡膠類具有優(yōu)良的抗低溫開裂性能，可增大瀝青與粒料的粘附力。

2）橡膠塑料類改性劑即熱塑性彈性體。使用較多的是SBS。

3）樹脂類：一般有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等。PP又分為IPP（等規(guī)）、SPP（間規(guī)）、APP（無規(guī)），PE分為LDPE（低密度）、HDPE（高密度）和LLDPE（線性密度）。此類改性劑具有高溫穩(wěn)定性好，提高粘結(jié)力、抗沖擊、震動能力的特點(diǎn)。

目前，國內(nèi)使用較多的是PE和SBS。據(jù)已有研究證明，PE能明顯改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，并能提高瀝青的綜合性能。SBS改性瀝青具有較好的高、低溫性能，溫敏性好，且具有良好的力學(xué)性質(zhì)，是目前世界上需求量最高的改性瀝青。

2 改性瀝青的混合及檢測方法

改性劑和基質(zhì)瀝青一般采用高速剪切機(jī)高速剪切混合。

基礎(chǔ)的檢測方法一般有：

1）三大指標(biāo)：包括針入度、延度、軟化點(diǎn)。

2）薄膜烘箱試驗(yàn)：模擬生產(chǎn)HMA過程中發(fā)生的老化，用來測定試驗(yàn)中老化瀝青樣品，同時(shí)與儲存穩(wěn)定性試驗(yàn)的結(jié)果結(jié)合，可以判斷瀝青在運(yùn)輸過程中存在的問題。

3）儲存穩(wěn)定性：用于測定各類瀝青的儲存穩(wěn)定性。

4）熒光顯微鏡：用于鑒定瀝青的組分、大致含量和特征。

5）FTIR（傅里葉紅外光譜分析）：主要用于測試高分子有機(jī)材料，確定不同高分子鍵的存在，確定材料的結(jié)構(gòu)，如單鍵、雙鍵等。

一些國外的研究人員還會采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)、動態(tài)剪切流變試驗(yàn)（DSR）、DSC熱分析法、瀝青彎曲梁蠕變勁度試驗(yàn)（BBR）等。

改性瀝青的好壞，不僅與基質(zhì)瀝青材料以及改性劑品質(zhì)有關(guān)，二者的配伍性也是改性試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ囊粋€(gè)非常重要的因素。

3 單一塑料對瀝青改性

聚乙烯可用于改善路面的車轍和開裂性能。張爭奇分析了聚乙烯（PE）改性瀝青的高、低溫及耐久性，并對性能改善原因進(jìn)行了探討。Khan I M等采用DSR試驗(yàn)得到，LDPE和HDPE都能提高瀝青的抗車轍性能和溫度敏感性，LDPE添加量為10%時(shí)，車轍因子最大，高溫性能顯著提升；而HDPE添加量為4%時(shí)，車轍因子為全部試驗(yàn)溫度下最大值，PG分級為其他試驗(yàn)添加量下最佳。Cristina Fuentes-Audén等發(fā)現(xiàn)聚乙烯含量為總質(zhì)量的15%時(shí)，瀝青的熱性能和流變性能得到顯著改善。

但是由于回收分類困難的緣故，楊錫武等、袁聰慧等對高溫?zé)豳A存穩(wěn)定性較差、低溫性能等的爭議，后者通過高剪切混合乳化機(jī)試驗(yàn)測得回收的HDPE相較HDPE軟化點(diǎn)更高，針入度更低，延度更低，這是由于材料隨著老化時(shí)間的延長，在使用過程、重復(fù)加工、回收以后，分子鏈斷裂、支化和交聯(lián)，這證明廢塑料回收利用價(jià)值上升。賴增成等同樣使用LDPE、HDPE、PP常規(guī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)LDPE、HDPE、PP都會使得瀝青針入度減小，軟化點(diǎn)提高，不過HDPE摻量達(dá)到5%時(shí)會出現(xiàn)瀝青表面結(jié)皮，凹凸不平，容易導(dǎo)致離析，而PP要到達(dá)6%以上才產(chǎn)生離析，相容性比較結(jié)果為：LDPE＞PP＞HDPE。

彭賀民研究了PP和PE在瀝青中高溫熔融后，PP提高了瀝青的耐熱性，主要因?yàn)獒樔攵鹊慕档?；PE改善了瀝青的高溫性能和低溫性能，降低黏度，使得混合料更容易侵透膠體。

PVC作為比較特殊的聚合物，常常需要經(jīng)過脫除氯化氫階段，張明耀闡述了PVC的回收利用技術(shù)，錢慶榮等以廢PVP塑料為原料采用兩階段恒溫法制備PVC瀝青，得出脫除HCL最佳溫度為270℃，所需時(shí)間為150分鐘；制備瀝青最佳溫度為410℃，所需時(shí)間為120分鐘；且通過紅外光譜分析得知脫氯率達(dá)到了預(yù)期要求。

綜上所述，單一塑料作為添加劑加入到瀝青中，通常能夠改善瀝青的黏彈性，表現(xiàn)為能夠提高瀝青的抗車轍能力和抗疲勞裂紋性能；其次回收的塑料相較新塑料，由于分子鏈斷裂、支化和交聯(lián)使得廢塑料更有回收價(jià)值。但是過多地添加高密度的聚乙烯或者聚丙烯，容易導(dǎo)致離析，使得瀝青表面結(jié)皮或者凹凸不平，這是瀝青和PE、PP的相容性決定的；另外，塑料對于低溫延性有一定副作用。PVC在瀝青領(lǐng)域研究相對較少，還需開展進(jìn)一步研究。

4 混合塑料對瀝青改性

現(xiàn)階段更多采用的是多種聚合物共同作為添加劑對瀝青進(jìn)行改性，一方面對回收的塑料分類困難；另一方面，與單一改性瀝青相比，混合改性可顯著提高瀝青性能。Imran Hafeez等通過DSR試驗(yàn)研究共聚物，得到在0.01HZ~100HZ的頻率下，共聚物的溫度感性系數(shù)會降低。

添加劑的比例，對瀝青的改性有較大的區(qū)別。范立嘉等指出車轍劑的種類不同其實(shí)是其中PE和PP的比例不同造成的，并通過分析抗車轍劑的紅外譜圖，可以確定PE與PP共混抗車轍劑的比例。林建明等通過傅立葉紅外光譜試驗(yàn)研究4種常用抗車轍劑，得到抗車轍劑與瀝青結(jié)合形成具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的瀝青膜并且每一特定比例的PE與PP顆粒共混，得到的是具有唯一形態(tài)的、穩(wěn)定的紅外譜圖。

汪濟(jì)奎等發(fā)現(xiàn)乙烯/辛烯共聚物（POE）具有優(yōu)異的力學(xué)性能、流變性能和耐化學(xué)老化性能。張書言等將POE作為改性劑加入到瀝青中，POE改性瀝青相較PP和PE改性瀝青具有更高的耐熱性能，軟化點(diǎn)與針入度都明顯要低一些。王凱對聚合物固相、瀝青液相的聚合物改性瀝青濃懸浮液的研究，得出當(dāng)濃度增大到一定固相濃度，粘度趨于無窮大，這時(shí)候的固相分率被稱為最大固相分率。

Goutham Sarang對廢塑料的研究，主要通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SCG）試驗(yàn)，得到廢塑料可以作為瀝青添加劑增加瀝青混合料的穩(wěn)定性，并且可以少添加瀝青，代替昂貴的纖維；馬歇爾穩(wěn)定度以及ITS值也隨著廢塑料添加量的增加而提高，含量為8%時(shí)達(dá)到最大，馬歇爾穩(wěn)定度比未添加時(shí)提高37%；其用于SMA可提高水穩(wěn)定性，TSR值由未添加時(shí)74%提高到85%~95%。PET同樣作為聚合物，Ahmadinia等將PET塑料加入到瀝青中，發(fā)現(xiàn)大量地提高了瀝青的性能，并且能夠減少漏析。而Brown等研究SMA能夠減少漏析同樣是因?yàn)榘ù旨?xì)骨料、礦物填料、瀝青這些穩(wěn)定劑的大量添加，而廢塑料可以減少這些混合料的添加。

綜上所述，混合塑料以及聚合物，對瀝青的改性具有更明顯的效果?；旌纤芰鲜怯捎谄涓髯杂兄煌母男宰饔?，混合起來，對各種性能都有著改善。聚合物則是因?yàn)槎讨ф溡约安伙柡玩I等的因素，具有均聚物不具有的更優(yōu)質(zhì)的改性效果，使得聚合物更適合添加到瀝青中作為改性劑；并且混合塑料的種類是可以控制的，可以通過紅外譜圖確定混合添加劑的比例，這樣可以得到不同瀝青所需性能以及不同的添加量比例。而每一種聚合物有其最佳的摻和量，超過最佳的摻和量，改性性能會隨著摻和量的提升，性能減少，但是總體來說，比沒有添加仍有著較好的改性作用。

5 總結(jié)

無論是單一塑料還是混合塑料還是聚合物，對瀝青的改性都具有積極作用。特別是塑料對瀝青黏彈性的改性，提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性、流變性，影響了抗車轍和抗疲勞裂紋的性能，并且在強(qiáng)度方面還能提高瀝青混合料的間接抗拉強(qiáng)度。而混合塑料作為添加劑，由于塑料對瀝青的影響主要方面一致，因而混合使得瀝青性能得到提升的效果更加顯著，并且不同比例的塑料添加劑可以適用于不同需求的瀝青混合料。聚合物相較均聚物，則對瀝青的性能改善更有優(yōu)勢，無論是高溫穩(wěn)定性、防止漏析，還是作為代替其他添加物的穩(wěn)定劑，都具有積極的意義。對于PVC大量處理的研究在當(dāng)下仍然是一個(gè)需要加大關(guān)注力度的領(lǐng)域。

[1]張爭奇. 聚乙烯塑料改性瀝青[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000, 19(004):30-32.

[2]Khan I M , Kabir S , Alhussain M A , et al. Asphalt Design Using Recycled Plastic and Crumb-rubber Waste for Sustainable Pavement Construction[J]. Procedia Engineering, 2016, 145:1557-1564.

[3]Cristina Fuentes-Audén, Juan Andrés Sandoval, Jerez A , et al. Evaluation of thermal and mechanical properties of recycled polyethylene modified bitumen[J]. Polymer Testing, 2008, 27(8):1005-1012.

[4]楊錫武,劉克,楊大田.PE改性瀝青的幾個(gè)問題[J].中外公路,2008,28(06):203-207.

[5]袁聰慧, 王仕峰, 朱亞琴,等. 典型回收聚烯烴改性瀝青的性能對比[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2012, 28(012):81-84.

[6]楊錫武, 劉克, 馮梅. 生活廢舊塑料改性瀝青的性能研究[J]. 海南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2015, 18(005):358-362.

[7]彭賀民. 常用改性材料對瀝青的改性研究[J]. 中國建筑防水, 2011(18):15-17.

[8]張明耀, 沈進(jìn), 趙宇, et al. 廢塑料的綜合處理利用技術(shù)[J]. 塑料工業(yè), 2005, 033(0z1):225-227.

[9]廢舊PVC塑料制備PVC瀝青的研究[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然版), 2008(01):62-66.

[10]Imran Hafeez,Jawad Hussain,Kashif Riaz,Anwar Khitab,Sabahat Hussain,Bilal Zaidi,Usman Farooqi,Aneeqa Hayat,Imtiaz Ahmed,Amara Asif. Influence of Time and Temperature on Asphalt Binders Rheological Properties[J]. Life Science Journal,2013,10.

[11]范立嘉, 楊麗英, 胡開音. 聚乙烯/聚丙烯抗車轍劑的分析與表征[J]. 市政技術(shù), 2013, 31(005):143-145.

[12]林建明, 林松柏, 吳季懷, et al. 聚丙烯酸鹽/絹云母超吸水性復(fù)合材料的表征[J]. 礦物學(xué)報(bào), 2003, 23(1):7-11.

[13]汪濟(jì)奎, 程樹軍. PVC/CPE/POE熱塑性彈性體特性研究[J]. 功能高分子學(xué)報(bào), 2001, 14(3):293-297.

[14]張書言, 彭賀民, 趙振興,等. 乙烯/辛烯共聚物(POE)改性瀝青研究[J]. 中國建筑防水, 2013, 000(005):16-19.

[15]王凱. 非牛頓流體的流動、混合和傳熱[M]. 浙江大學(xué)出版社, 1988.

[16]Goutham Sarang, B M, Shankar, A U Ravi Shankar. Stone Matrix Asphalt Using Aggregates Modified with Waste Plastics[J]. Modern Transportation, 2014:9-18.

[17]Ahmadinia E , Zargar M , Karim M R , et al. Using waste plastic bottles as additive for stone mastic asphalt[J]. Materials and Design, 2011, 32(10):4844-4849.

[18]Brown, E.R., Cooley, L.A. Designing stone matrix asphalt mixtures for rut-resistant pavements[M]. National Academy Press, 1999.

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