PET 對(duì)SMA 瀝青混合料力學(xué)性能的影響研究

馬海文

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730000）

SMA（瀝青瑪蹄脂）瀝青路面因其耐磨抗滑以及良好的抗車轍特性在國(guó)內(nèi)外高等級(jí)路面中得到廣泛應(yīng)用[1]。目前SBS 改性瀝青常用于SMA 瀝青混合料的黏結(jié)劑，但是，由于制作SBS 改性瀝青需要專門的改性瀝青剪切設(shè)備和SBS 改性劑價(jià)格較高，這使得SMA 瀝青路面的造價(jià)相對(duì)較高[2]。因此，有必要尋求一種性價(jià)比較高的改性劑來(lái)替代SMA 瀝青混合料中使用的SBS 改性劑；另一方面，全球每年會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄聚合物，其中廢塑料（主要成分為PET，PET 聚酯為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇，由對(duì)苯二甲酸與乙二醇聚合而成）已經(jīng)超過(guò)了1 億t，塑料制品大多為一次性用品并且分解周期較長(zhǎng)，它會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[3]。研究表明PET 具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性[4]。其可與瀝青在高溫條件下相融，提升瀝青的高溫性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性[5，6]。因此，將這些廢塑料應(yīng)用在公路工程中，綜合利用這些廢塑料不僅可以保護(hù)環(huán)境，還可以節(jié)約資源和節(jié)省公路建設(shè)成本。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)廢塑料已有一些應(yīng)用，但仍未引起重視[7]。

基于此，文章首先對(duì)收集的廢塑料瓶進(jìn)行洗滌、干燥和破碎，然后將PET 以干法的方式摻入SMA瀝青混合料制備PET 改性的SMA 瀝青混合料，采用回彈模量、析漏試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)以及水穩(wěn)定性試驗(yàn)對(duì)PET 改性的SMA 瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究對(duì)PET 在瀝青路面中的應(yīng)用推廣具有一定的指導(dǎo)意義。

1 原材料

1.1 集料

試驗(yàn)所用的集料為花崗巖，其物理指標(biāo)見(jiàn)表1，級(jí)配如圖1 所示。試驗(yàn)所用的填料為波特蘭水泥。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 混合料級(jí)配曲線

1.2 瀝青

試驗(yàn)采用SK90#瀝青，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 的相關(guān)規(guī)定對(duì)其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SK90# 瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 PET 添加劑

PET 為將廢棄塑料瓶回收經(jīng)洗滌、破碎、干燥等工序后形成的細(xì)小顆粒，其級(jí)配見(jiàn)表3。

表3 經(jīng)破碎裝置破碎得到的PET 級(jí)配

2 試驗(yàn)步驟及過(guò)程

2.1 試件制備

首先，將瀝青和集料分別加熱至150℃和200℃；其次，在160±5℃下將瀝青和集料攪拌5min，然后把破碎后的PET 加入其中拌和2min（PET 的摻量分別為瀝青質(zhì)量的0%、2%、4%、6%、8%和10%）；最后使用馬歇爾擊實(shí)儀（正反面各50 下）和車轍板成型機(jī)在145℃下將拌和均勻的混合料分別成型試驗(yàn)試件，目標(biāo)空隙率為7%。

2.2 回彈模量試驗(yàn)

回彈模量（MR）表示在去除施加的應(yīng)力之后施加的應(yīng)力與可恢復(fù)的應(yīng)變的比值，用于評(píng)估瀝青混合料的處于彈性階段時(shí)的力學(xué)性質(zhì)，為瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)的重要力學(xué)參數(shù)。按照ASTM D4123 試驗(yàn)方法使用UTM 機(jī)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25℃。

2.3 車轍試驗(yàn)

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)摻PET 瀝青混合料的抗變形能力[8]。每種PET 摻量下制備3 塊最佳瀝青用量的混合料車轍板，尺寸為300mm×300mm×50mm，總共18 塊車轍板。試驗(yàn)前，將車轍板放置在45℃的烘箱里至少6h。讀取45min 內(nèi)的車轍變形，每5min 記錄一次。

2.4 析漏試驗(yàn)

根據(jù)T0732-2011 規(guī)范要求采用網(wǎng)籃法對(duì)SMA 瀝青混合料進(jìn)行析漏試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為170℃。析漏損失指從網(wǎng)籃中分離出的材料（瀝青或?yàn)r青與細(xì)集料的混合物）占SMA 瀝青混合料總質(zhì)量的百分比。

2.5 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

室內(nèi)制備6 個(gè)SMA 瀝青混合料馬歇爾試件，并分為兩組，每組3 個(gè)試件，一組為干燥條件試件，一組為凍融條件試件。其中一組在20℃條件下放置72h；另外一組首先在真空條件下飽水30min，然后在水浴箱中放置72h，水浴箱溫度為20℃。完成后對(duì)兩組試件進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得用劈裂強(qiáng)度（ITS）。TSR 為凍融條件下混合料的ITS 和干燥條件下混合料ITS 的百分比，TSR 值越大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好。對(duì)SMA 瀝青混合料來(lái)說(shuō)，規(guī)范需要TSR≥70%。

3 結(jié)果與討論

3.1 回彈模量

圖2 PET 含量對(duì)SMA 瀝青混合料回彈模量的影響

圖2 給出了SMA 瀝青混合料回彈模量MR 值與PET 含量的關(guān)系。由圖可知，回彈模量隨著PET含量的增加先增大后減小，而且摻加PET 混合料的回彈模量均大于不摻PET 的混合料，這說(shuō)明摻加PET 可以很大程度上提高SMA 瀝青混合料的回彈模量。當(dāng)PET 摻量為6%時(shí)，SMA 混合料獲得了最大的回彈模量2991MPa，與對(duì)照組（0%PET）相比，回彈模量增加了16%，而繼續(xù)摻加PET，SMA 瀝青混合料的回彈模量逐漸減小，這是因?yàn)镻ET 在天然狀態(tài)下是半結(jié)晶樹脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）約為70℃，在加熱PET 之后，PET 轉(zhuǎn)變成為具有晶體性質(zhì)的物質(zhì)，這有利于和瀝青混溶，當(dāng)PET 摻量過(guò)大時(shí)，PET 替代部分瀝青，導(dǎo)致混合料的黏結(jié)力減小，回彈模量開始減小。

3.2 車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖3 為不同摻量的SMA 瀝青混凝土車轍深度隨時(shí)間的變化曲線。由圖可以看出，與普通SMA 瀝青混合料（0%PET）相比，摻加PET 的SMA 瀝青混合料具有更好的抗永久變形能力。此外，所有混合料的車轍深度在前15min 急劇增加，之后緩慢增加。摻加0%，2%，4%，6%，8%和10%PET 的SMA 瀝青混合料的最終車轍深度分別為1.78mm，1.50mm，1.26mm，1.35mm，1.62mm 和1.56mm，當(dāng)PET 摻量為4%時(shí)，車轍深度最小，和對(duì)照組相比，車轍深度減少29%。這說(shuō)明摻加PET 可以有效地改善SMA 混合料的抗車轍能力。

圖3 不同摻量PET 的SMA 瀝青混合料車轍深度

3.3 析漏試驗(yàn)結(jié)果

圖4 PET 含量對(duì)SMA 瀝青混合料析漏損失的影響

SMA 瀝青混合料的析漏試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，由圖可知，瀝青混合料的析漏損失隨著PET 摻量的增加而減小，且所有混合料的析漏損失均小于規(guī)范要求值0.3%。與對(duì)照組（0%PET）比較，摻加2%、4%、6%、8%和10%PET 的SMA 瀝青混合料的析漏損失分別減小了4.4%、9.7%、15.1%、20.8% 和23.2%，這說(shuō)明摻加PET 可以很大程度的減小SMA瀝青混合料的析漏損失。究其原因，一方面是由于破碎后的PET 加入SMA 瀝青混合料以晶體的形式存在，增加了集料的比表面積，從而會(huì)吸附更多的瀝青；另一方面加入PET 為聚合物，會(huì)增加瀝青的黏度，改善瀝青的熱穩(wěn)定性。因此，PET 摻量越多，析漏損失越小。

3.4 水穩(wěn)定性

圖5 PET 含量對(duì)SMA 瀝青混合料ITS 的影響

圖6 PET 含量對(duì)SMA 瀝青混合料TSR 的影響

圖5 和圖6 分別給出了凍融和未凍融條件下，SMA 瀝青混合料的ITS 和TSR 隨PET 摻量的變化規(guī)律。從圖6 可以看出，隨著PET 摻量的增加，SMA瀝青混合料的ITS 逐漸減小。凍融循環(huán)后混合料試件的抗拉強(qiáng)度均小于未經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)的試件，這表明混合料在經(jīng)歷凍融循環(huán)后發(fā)生了劣化，混合料內(nèi)部的水分變化會(huì)對(duì)其抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生顯著的影響。在凍融條件下，與對(duì)照組（0%PET）相比，摻2%，4%，6%，8%和10%PET 的SMA 瀝青混合料的ITS 分別降低了4.3%、12%、17.3%、24.9%、29.8%。由圖7 可以看出，SMA 瀝青混合料的TSR 值隨著PET 摻量的增加而逐漸減小，未摻PET、摻2%、4%和6%PET的SMA 瀝青混合料的TSR 均大于80%，滿足AASHTO T283 和ASTM D4867 中規(guī)定的TSR 值的最低要求值80%，這表明摻加PET 不會(huì)改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。水穩(wěn)定性的劣化可歸因于混合后的PET 以晶體形式分布在混合料中，這雖然增加了混合料的比表面積，但是卻降低了瀝青膜厚，水分更容易侵入集料和瀝青的表面，從而更容易發(fā)生水損害。

4 結(jié)論

通過(guò)研究不同摻量的PET 對(duì)SMA 瀝青混合料的影響，并與未摻PET 的SMA 瀝青混合料對(duì)比，可得如下結(jié)論：

1）SMA 瀝青混合料回彈模量值隨著PET 摻量的增加先增大后減小。PET 摻量為6%時(shí)，SMA 瀝青混合料回彈模量值最大，比未摻PET 增加了16%；

2）PET 摻量對(duì)SMA 瀝青混合料的抗車轍性能具有顯著的影響，PET 摻量為4%時(shí)，車轍深度最小，比未摻PET 減少了29%；

3）PET 可以顯著地減小SMA 瀝青混合料的析漏損失，隨著PET 摻量的增加，析漏損失逐漸減??；

4）SMA 瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨著PET 摻量的增加而發(fā)生劣化，但是2%和4%摻量下，其TSR值仍滿足規(guī)范要求的80%；

5）PET 的最佳摻量為瀝青質(zhì)量的4%至6%。