朱曲平, 黃 剛
(1.重慶工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,重慶 400056; 2.重慶交通大學(xué),重慶 400074)
將廢舊塑料再生資源化回收并加工成熱塑性樹(shù)脂類(lèi)瀝青改性劑,既有利于環(huán)保,又能降低工程造價(jià)、提高瀝青路面抗車(chē)轍性能。國(guó)內(nèi)大量研究成果與實(shí)體工程應(yīng)用表明[1-3],聚乙烯、聚丙烯改性劑經(jīng)簡(jiǎn)單攪拌后可完全融化混溶于基質(zhì)瀝青中,具有制備工藝簡(jiǎn)單、單價(jià)低等優(yōu)勢(shì),廢舊塑料可用作瀝青混凝土的抗車(chē)轍劑或高模量劑,能明顯提高瀝青的粘度和軟化點(diǎn),使瀝青的高溫性能、力學(xué)強(qiáng)度、勁度得到改善,抗流變性能、抗車(chē)轍的能力和抗永久變形能力增強(qiáng),但聚乙烯、聚丙烯改性瀝青的低溫延展性較差,甚至?xí)?duì)瀝青混凝土的低溫性能產(chǎn)生負(fù)面影響,聚乙烯、聚丙烯改性瀝青混凝土一般也僅用于我國(guó)南方夏炎熱區(qū)瀝青路面或用作氣候溫潤(rùn)區(qū)重載瀝青路面的抗車(chē)轍層(通常為中面層)[4]。橡膠類(lèi)丁苯橡膠(SBR)改性劑具備優(yōu)異的低溫性能,但SBR改性劑對(duì)瀝青混合料高溫性能改善效果不明顯,不能克服全國(guó)頻發(fā)的極端高溫天氣和重載車(chē)輛荷載作用下瀝青路面抗車(chē)轍需求,SBR改性劑多與其他抗車(chē)轍性能優(yōu)異的改性劑進(jìn)行復(fù)配后,可應(yīng)用于瀝青混凝土表面層或中面層。
為了提升聚乙烯、聚丙烯改性瀝青混凝土的低溫性能,國(guó)內(nèi)許多學(xué)者開(kāi)展了復(fù)合改性技術(shù)方面研究,已有研究主要集中在聚乙烯(聚丙烯)復(fù)合橡膠粉、復(fù)合纖維、復(fù)合SBS等[4-9]。但已有研究較少涉及廢舊塑料復(fù)合SBR改性瀝青、混合料性能評(píng)價(jià)與應(yīng)用相關(guān)研究。本文選擇聚丙烯編織袋、塑料盆凳等廢舊聚丙烯塑料(WPP)和礦泉水瓶、塑料薄膜等廢舊聚乙烯塑料(WPE)為研究對(duì)象,將WPP、WPE在250 ℃條件下融化成液體,加入裂化劑,使廢舊塑料的分子鏈斷裂,然后降溫至200 ℃左右,加入硫磺穩(wěn)定劑并攪拌均勻,最后在200 ℃條件下由造粒工藝制作單個(gè)顆粒質(zhì)量≤0.03 g塑料顆粒,此外,為了進(jìn)一步提升WPP、WPE改性劑的低溫性能,將WPP、WPE分別與SBR進(jìn)行復(fù)配,基于室內(nèi)試驗(yàn)研究WPP、WPE廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青的針入度指標(biāo)性能與流變性能,優(yōu)化了適宜的WPP、WPE與SBR摻配比例,進(jìn)而采用常規(guī)三大路用性能試驗(yàn)與室內(nèi)小型加速加載試驗(yàn)評(píng)價(jià)了WPP、WPE復(fù)配SBR改性AC-20瀝青混合料的路用性能與長(zhǎng)期穩(wěn)定性,最后鋪筑了WPP/SBR復(fù)合改性瀝青混合料試驗(yàn)段。本文研究成果為廢舊塑料資源化回收利用提供了思路,也為廢舊塑料復(fù)合SBR改性瀝青的推廣應(yīng)用提供了借鑒。
a.廢舊塑料:選用日常生活中常見(jiàn)的2種塑料產(chǎn)品回收材料。1#為廢舊聚丙烯塑料(Waste Polypropylene Plastics,簡(jiǎn)稱(chēng)WPP),典型代表有聚丙烯編織袋、塑料盆凳等。2#為廢舊聚乙烯塑料(Waste Polyethylene,簡(jiǎn)稱(chēng)WPE),主要代表物有礦泉水瓶、塑料薄膜等,PE中混雜有廢舊高密度聚乙烯(LDPE)和低密度聚乙烯。雖然在高溫條件下,經(jīng)簡(jiǎn)單攪拌后,廢舊塑料可完全融化混溶于基質(zhì)瀝青中,然而由于廢舊塑料與瀝青的分子結(jié)構(gòu)差異較大,二者的相容性差,在貯存、運(yùn)輸過(guò)程中,溫度降低在熔點(diǎn)以下或停止攪拌后,塑料分子快速聚合、聚集、分層,導(dǎo)致塑料類(lèi)改性瀝青離析,這不僅降低了改性瀝青品質(zhì),也容易堵塞泵送設(shè)備管道,影響設(shè)備的運(yùn)行[10-12]。為了改善塑料增強(qiáng)廢舊塑料改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性、改善塑料類(lèi)改性瀝青的貯存穩(wěn)定性,首先將WPP、WPE在250 ℃條件下融化成液體,加入裂化劑,使廢舊塑料的分子鏈斷裂,然后降溫至200 ℃左右,加入硫磺穩(wěn)定劑并攪拌均勻,最后在200 ℃條件下由造粒工藝制作單個(gè)顆粒質(zhì)量≤0.03 g塑料顆粒。WPP、WPE具體性質(zhì)如表1所示。
b.基質(zhì)瀝青:選用遼寧盤(pán)錦A-70基質(zhì)瀝青和成品5%SBS改性瀝青(以下簡(jiǎn)稱(chēng)5%SBS),瀝青膠結(jié)料主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2,瀝青膠結(jié)料技術(shù)性能均滿足JTG F40-2004要求。
表1 廢舊塑料主要性質(zhì)Table1 Themainpropertiesofwasteplastics種類(lèi)密度/(g·cm-3)熔體流動(dòng)速率/0.1g·min-1斷裂伸長(zhǎng)率/%WPP0.9430.3257WPE0.9260.3584
c.丁苯橡膠改性劑(SBR):丁苯橡膠(SBR)改性劑由中石化生產(chǎn),型號(hào)為SBR-1502,外觀為白色顆粒狀粉末,平均粒度為80目,干膠含量為100%,結(jié)合苯乙烯含量為18%。
已有研究成果表明,純凈的聚乙烯改性瀝青的聚乙烯摻量一般為3%~8%,SBR改性瀝青的SBR劑量一般均為4%~6%??紤]到廢舊塑料中含有一定數(shù)量的雜質(zhì),且廢舊WPP、WPE市場(chǎng)單價(jià)約2 500~2 700元/t,單價(jià)略低于基質(zhì)瀝青(2 900~3 500元/t),結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)性和抗車(chē)轍性能要求,試驗(yàn)研究采用了較大WPP、WPE摻量,同時(shí)降低了SBR改性劑摻量。試驗(yàn)研究初選的WPP、WPE摻量為6%、9%、12%、15%,每種WPP、WPE摻量下變化SBR改性劑摻量為2.5%、3.5%,對(duì)照組為基質(zhì)瀝青、12%WPP、12%WPE、5%SBS(成品)改性瀝青(以下簡(jiǎn)稱(chēng)6%WPP、9%WPP、12%WPP、15%WPP、6%WPE、9%WPE、12%WPE、15%WPE、2.5%SBS、3.5%SBS)。
表2 瀝青膠結(jié)料主要性能指標(biāo)Table2 Mainperformanceindexesofasphaltbinder指標(biāo)針入度/(0.1mm)5℃延度/cm10℃延度/cm軟化點(diǎn)/℃135℃黏度/(Pa·s)25℃彈性恢復(fù)率/%48h軟化點(diǎn)差/℃A-70基質(zhì)瀝青77.5 4.321.349.5—57.6—5.0%SBS63.635.693.467.42.7681.52.2
復(fù)合改性瀝青制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn),摻加WPP或WPE后,僅需簡(jiǎn)單攪拌就可實(shí)現(xiàn)WPP、WPE與基質(zhì)瀝青混溶,而SBR改性瀝青制備則需要經(jīng)過(guò)溶脹、分散磨細(xì)、繼續(xù)發(fā)育3個(gè)過(guò)程。由于摻加WPP、WPE改性劑后改性瀝青的粘度快速增大,導(dǎo)致聚合物改性瀝青制備時(shí)剪切難度增大,因此,復(fù)合改性瀝青制備時(shí),首先將SBR改性瀝青溶脹、剪切磨細(xì)后再添加WPP或WPE。具體制備工藝如下:① 將基質(zhì)瀝青在160 ℃條件下加熱至液體流動(dòng)狀態(tài),然后加入設(shè)計(jì)用量5%SBR改性劑,攪拌速率500 rad/min,使聚合物改性劑溶脹20 min;② 升溫聚合物改性劑與瀝青共混物溫度至170 ℃,開(kāi)啟剪切機(jī),以4 500 rad/min速率剪切30 min,完成剪切磨細(xì)制備工藝;③ 按照設(shè)計(jì)的SBR改性劑摻量,其余摻量SBR改性瀝青均通過(guò)5%SBR改性瀝青加熱至170 ℃后再添加基質(zhì)瀝青稀釋而成,將設(shè)計(jì)摻量的WPP或WPE添加到低劑量聚合物改性瀝青中,調(diào)劑剪切速率至2 000~2 500 rad/min,剪切10 min;④保持復(fù)合改性瀝青共混物溫度為160 ℃,發(fā)育40 min,即可完成復(fù)合改性瀝青制備。
按照J(rèn)TG F40-2004針入度體系指標(biāo)要求評(píng)價(jià)廢舊塑料復(fù)配SBR、SBS聚合物改性瀝青性能,主要包括25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度、135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度、25 ℃彈性恢復(fù)率、48 h離析軟化點(diǎn)差。針入度指標(biāo)體系試驗(yàn)方法嚴(yán)格參照J(rèn)TG F40-2004要求進(jìn)行,結(jié)果見(jiàn)表3。
由表3可知,摻加WPP、WPE兩種廢舊塑料均能明顯增大基質(zhì)瀝青和低劑量SBR改性瀝青的高溫性能,同時(shí)降低低溫延展性、彈性恢復(fù)性能與施工和易性。具體表現(xiàn)為:
a.隨著WPP、WPE摻量的增大,復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)增大、針入度減小,2.5%SBR、3.5%SBR摻量下,WPP設(shè)計(jì)摻量由6%增大至15%,WPP復(fù)配SBR改性瀝青的軟化點(diǎn)分別降低了39.6%(WPP復(fù)配2.5%SBR)、40.7%(WPP復(fù)配3.5%SBR),軟化點(diǎn)分別增大了18.6%、17.4%。WPE設(shè)計(jì)摻量由6%增大至15%,WPE復(fù)配SBR改性瀝青的軟化點(diǎn)分別降低了38.2%(WPE復(fù)配2.5%SBR)、41.5%(WPP復(fù)配3.5%SBR),軟化點(diǎn)分別增大了19.8%、19.6%。WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青的針入度遠(yuǎn)小于5%SBS改性瀝青,在WPP、WPE摻量不小于9%時(shí),廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青的軟化點(diǎn)大于5%SBS改性瀝青,當(dāng)兩種廢舊塑料摻量達(dá)到12%時(shí),復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)大于70 ℃,增大廢舊塑料摻量后,復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出了塑料類(lèi)改性瀝青特性,具有優(yōu)異的高溫性能。這是由于而廢舊塑料的結(jié)晶度較低、溶解度參數(shù)較寬,易于充分溶脹并混溶于基質(zhì)瀝青中,WPP、WPE吸收瀝青中的輕質(zhì)組分,一方面瀝青膠體結(jié)構(gòu)中的硬質(zhì)組分含量增大,使瀝青膠體結(jié)構(gòu)由溶膠型轉(zhuǎn)變?yōu)槟z型,高溫性能提高、硬度增大;另一方面廢舊塑料各分子鏈與瀝青相互熔合,交聯(lián)構(gòu)成完整的架構(gòu)體系,塑料分子所形成的晶體結(jié)構(gòu)限制了瀝青分子的移動(dòng),使瀝青的存在形態(tài)與膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,這有利于提高瀝青的勁度、硬度,從而表現(xiàn)為針入度降低、軟化點(diǎn)增大。
表3 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青針入度指標(biāo)性能Table3 PenetrationindexperformanceofwasteplasticcompoundSBRmodifiedasphalt廢舊塑料摻量/%聚合物改性劑25℃針入度/(0.1mm)軟化點(diǎn)/℃5℃延度/cm25℃彈性恢復(fù)率/%135℃粘度/(Pa·s)軟化點(diǎn)差/℃RTFOT后針入度比/%5℃延度/cm 6%WPP2.5%SBR55.864.421.272.51.771.476.715.4 9%WPP46.468.219.467.02.101.679.413.612%WPP39.573.715.363.52.412.081.210.315%WPP33.776.410.258.22.532.282.46.5 6%WPP3.5%SBR53.666.128.887.21.881.677.519.5 9%WPP44.869.624.583.22.361.880.516.412%WPP37.674.921.478.52.572.182.414.215%WPP31.877.615.676.22.952.384.59.1 6%WPE2.5%SBR57.862.525.576.31.571.277.617.5 9%WPE49.366.622.373.22.031.780.314.812%WPE40.471.317.469.02.322.082.211.815%WPE35.774.912.166.62.622.283.48.1 6%WPE3.5%SBR55.663.830.685.31.681.479.421.1 9%WPE47.467.926.181.52.181.981.218.612%WPE38.872.421.577.62.482.383.515.815%WPE32.576.316.973.92.782.485.310.2基質(zhì)瀝青 77.549.54.3———61— 5%SBS 63.667.435.681.52.762.28125.7 5%SBR 74.853.767.5—1.681.97948.812%WPP 41.771.4脆斷43.52.24脆斷12%WPE 42.970.1脆斷46.72.08脆斷
b.隨著WPP、WPE摻量的增大,復(fù)合改性瀝青老化前后的5 ℃延度減小,同時(shí)25 ℃彈性恢復(fù)率降低,增大廢舊塑料不利于瀝青膠結(jié)料的低溫性能與彈性恢復(fù)性能,這主要是,廢舊塑料對(duì)瀝青性能的改善主要為物理改性,改性瀝青高溫性能與低溫性能一般為相反面,在常溫或低溫條件下,原本溶解的塑料分會(huì)以結(jié)晶形式析出,彈性成分向黏彈性成分和塑性成分轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青變硬、變脆,從而表現(xiàn)為低溫性能降低和彈性恢復(fù)率減小。低溫性能和彈性恢復(fù)性能方面,WPP、WPE單一改性瀝青在延度試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象,并且25 ℃彈性恢復(fù)率不足50%,低溫延展性極差,導(dǎo)致其僅適用于南方夏炎熱地區(qū)。摻加3.5%SBR改性劑后,復(fù)合改性瀝青的5 ℃延度能達(dá)到20 cm以上(15%WPP除外),滿足JTG F40-2004規(guī)范SBS類(lèi)改性瀝青(I-D)技術(shù)要求,摻加SBR改性劑能彌補(bǔ)WPP、WPE改性瀝青低溫性能的不足,擴(kuò)大WPP、WPE改性瀝青的使用范圍。
c.隨著WPP、WPE摻量的增大,復(fù)合改性瀝青的135 ℃粘度增大、48 h離析軟化點(diǎn)差增大、RTFOT后針入度比增大,總體上廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青135 ℃粘度不超過(guò)3.0 Pa·s,48 h離析軟化點(diǎn)差不超過(guò)2.5 ℃,施工和易性、熱貯存穩(wěn)定性和抗老化性能良好。
按照Superpave瀝青膠結(jié)料PG等級(jí)的技術(shù)要求(ASTM D6373),采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)和彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(BBR)評(píng)價(jià)廢舊塑料WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青的流變性能。
2.2.1動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)
按照AASHTO T315-02要求進(jìn)行DSR試驗(yàn),在64 ℃~82 ℃溫度區(qū)間內(nèi),間隔6 ℃為一個(gè)高溫分級(jí),DSR試驗(yàn)金屬板直徑25 mm,施加10 rad/s頻率的正弦振蕩荷載,板間隙為1 mm,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Table4 DynamicshearrheologicaltestresultsofwasteplasticcompoundedSBRmodifiedasphalt廢舊塑料聚合物改性劑不同溫度原樣瀝青G?/sinδ不同溫度RTFOT后老化G?/sinδ64℃70℃76℃82℃64℃70℃76℃82℃ 6%WPP2.5%SBR11.645.752.130.9121.1311.904.981.56 9%WPP16.019.064.041.3430.4218.288.712.7612%WPP19.5712.536.202.1637.1724.9613.154.3215%WPP20.6013.947.032.3439.1525.2814.354.57 6%WPP3.5%SBR12.456.762.320.9523.6613.986.401.70 9%WPP17.2410.154.981.5032.7520.5910.623.3712%WPP21.8112.536.862.4541.4624.7613.844.7615%WPP22.2313.177.292.6942.2526.1314.395.33 6%WPE2.5%SBR10.454.341.940.8519.869.394.161.62 9%WPE14.927.933.891.1328.3416.328.032.1612%WPE18.3811.415.631.8935.3322.7211.183.5915%WPE19.2712.676.772.1836.5925.2913.084.13 6%WPE3.5%SBR11.325.552.120.9321.519.644.031.86 9%WPE14.808.614.421.2228.1217.308.402.7412%WPE18.6712.136.842.1335.4825.0112.994.2715%WPE19.6312.987.022.3237.3925.6013.354.51基質(zhì)瀝青 2.680.92——5.122.19— — 5%SBS 16.059.144.281.6531.2417.128.123.04 5%SBR 2.880.95——5.562.45— — 12%WPP 18.8012.095.652.0535.7423.3111.833.8712%WPE 17.7710.094.531.7734.8921.6210.633.59
由表4可知:
a.廢舊塑料摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青的抗車(chē)轍因子(G*/sinδ)影響顯著,在64 ℃~82 ℃測(cè)試溫度范圍內(nèi),12%WPP、12%WPE改性瀝青的G*/sinδ大于5%SBS改性瀝青。說(shuō)明12%WPP、12%WPE改性瀝青有更好的高溫抗車(chē)轍性能。WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青保留了WPP、WPE改性瀝青優(yōu)異的高溫性能,摻加SBR能略微增大廢舊塑料改性瀝青的G*/sinδ,但SBR對(duì)復(fù)合改性瀝青G*/sinδ的改善效果有限。
b.按照superpave瀝青膠結(jié)料PG等級(jí)的技術(shù)要求(ASTM D6373),在WPP、WPE摻量不小于9%時(shí),WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青老化前G*/sinδ>1.0 kPa,RTFOT后G*/sinδ>2.2 kPa,9%~15%WPP、9%~15%WPE復(fù)配2.5%~3.5%SBR改性瀝青的高溫PG分級(jí)可達(dá)到82 ℃,說(shuō)明廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青具有優(yōu)異的高溫抗車(chē)轍性能。
c.在相同測(cè)試溫度條件下,增大WPP、WPE摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ的影響趨勢(shì)相同,在6%~12%摻量范圍內(nèi),增大WPP、WPE摻量對(duì)G*/sinδ的改善較為明顯,WPP、WPE摻量超過(guò)12%后,增大WPP、WPE摻量,復(fù)合改性瀝青G*/sinδ雖有增大,但增大趨勢(shì)減緩,說(shuō)明復(fù)合改性瀝青的臨界WPP、WPE摻量為12%。這是由于廢舊塑料吸收基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分溶脹后,WPP、WPE膠團(tuán)數(shù)量與體積增大,并逐漸達(dá)到飽和狀態(tài),最終形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),當(dāng)WPP、WPE摻量繼續(xù)增大時(shí),WPP、WPE聚集體通過(guò)凝膠液膜連接所形成的半固體連續(xù)體系逐漸致密,瀝青結(jié)構(gòu)變化對(duì)瀝青連續(xù)相性能的影響逐漸減弱,WPP、WPE溶脹后所形成的聚集體對(duì)復(fù)合改性瀝青抗車(chē)轍因子的增大作用逐漸減緩。
2.2.2低溫彎曲蠕變勁度試驗(yàn)
參考ASTM D6648-01及AASHTO T313-09進(jìn)行低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)(BBR),將廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青經(jīng)RTFOT老化后澆筑長(zhǎng)127 mm、厚6.35 mm、寬12.7 mm試樣。試驗(yàn)溫度分別為-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃,預(yù)加荷載35 mN(維持20 s),試驗(yàn)過(guò)程中施加試驗(yàn)荷載為980 nN,荷載維持時(shí)間為240 s,彎曲梁流變?cè)囼?yàn)儀以0.5 s時(shí)間間隔自動(dòng)記錄并計(jì)算荷載及變形,結(jié)果匯總見(jiàn)表5。
由表5可知: ①根據(jù)Superpave瀝青膠結(jié)料性能分級(jí)規(guī)范(M320-03),瀝青膠結(jié)料的蠕變斜率越大,表明其低溫應(yīng)力松弛性能越好,勁度模量越大,瀝青膠結(jié)料的脆性越大,更易于產(chǎn)生低溫開(kāi)裂,因此限制勁度模量≤300 MPa,蠕變斜率m≥0.3。12%WPP、12%WPE改性瀝青在-12 ℃溫度下,不滿足Superpave瀝青膠結(jié)料低溫分級(jí)要求,在所有瀝青試樣中,5%SBR改性瀝青的勁度模量最小,同時(shí)蠕變斜率最大,表明其低溫性能最優(yōu),而12%WPP、12%WPE的低溫性能最差,摻加WPP、WPE改性劑降低了瀝青的低溫性能,這與5 ℃延度試驗(yàn)結(jié)果一致。② 相同試驗(yàn)溫度條件下,WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青的勁度模量隨WPP、WPE摻量增大而增大,蠕變斜率隨WPP、WPE摻量增大而減小,增大WPP、WPE降低了復(fù)合改性瀝青的低溫性能。相同WPP、WPE摻量條件下,隨著SBR摻量的增大,復(fù)合改性瀝青的蠕變斜率增大、勁度模量減小,當(dāng)SBR摻量達(dá)到3.5%時(shí),9%~15%WPP、9%~15%WPE復(fù)配3.5%SBR改性瀝青的低溫PG分級(jí)可達(dá)到-18 ℃,6%WPP、6%WPE復(fù)配3.5%SBR改性瀝青的低溫PG分級(jí)可達(dá)到-24 ℃,說(shuō)明將WPP、WPE與3.5%SBR進(jìn)行復(fù)配,保留了SBR改性劑優(yōu)異的低溫性能,SBR賦予復(fù)合改性瀝青優(yōu)異的低溫抗裂性能。
表5 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Table5 RheologicaltestresultsofcurvedbeamswithSBRmodifiedasphaltmixedwithwasteplastics廢舊塑料聚合物改性劑不同溫度勁度模量/MPa不同溫度蠕變斜率m-12℃-18℃-24℃-12℃-18℃-24℃ 6%WPP2.5%SBR130.4243.6348.60.4420.3730.262 9%WPP177.7293.7420.70.3870.2020.24112%WPP240.4335.3484.20.3540.2560.19215%WPP289.6406.2535.50.3210.2190.151 6%WPP3.5%SBR107.5190.5284.50.4680.3930.308 9%WPP118.8229.0324.90.4230.3570.29312%WPP160.5256.5351.30.4070.3240.26115%WPP204.6294.4392.40.3710.3030.239 6%WPE2.5%SBR122.2214.7307.80.4860.3940.286 9%WPE170.6267.0372.70.4140.3220.25312%WPE227.7313.6431.60.3720.2850.19615%WPE281.6378.4477.80.3420.2570.162 6%WPE3.5%SBR89.0164.3249.10.4910.4140.331 9%WPE107.6199.1277.20.4420.3960.31512%WPE146.1223.2319.40.4250.3540.28115%WPE185.6267.5347.90.3780.3150.257基質(zhì)瀝青 271.6396.5548.40.3120.2020.111 5%SBS 119.1236.9340.60.4370.3420.247 5%SBR 35.0114.7207.80.5650.4930.41212%WPP 395.3553.8778.80.2140.1090.06612%WPE 371.5536.3726.50.2220.1150.072
采用基恩士(中國(guó))有限公司生產(chǎn)的Cossim熒光顯微觀察9%WPP、12%WPP改性瀝青及12%WPP+3.5%SBR、12%WPE+3.5%SBR的微觀形貌,結(jié)果見(jiàn)圖1。
由圖1(a)、(b)可見(jiàn),9%WPP、12%WPP改性瀝青共混體系存在明顯的兩相狀態(tài),由于WPP對(duì)基質(zhì)瀝青性能的改性屬于物理改性范疇,WPP改性劑顆粒懸浮于基質(zhì)瀝青連續(xù)相中,并且隨著WPP改性劑摻量的增大,WPP吸收瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹后,WPP顆粒聚集體分布越來(lái)越密集,單位面積內(nèi)瀝青相減少而WPP分散相增大,單位面積內(nèi)WPP聚結(jié)或膠團(tuán)數(shù)量變化導(dǎo)致改性瀝青性能發(fā)生變化,當(dāng)WPP摻量增大至12%時(shí),WPP在基質(zhì)瀝青處于均勻、飽和狀態(tài),形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),大于臨界WPP摻量后改性瀝青宏觀性能變化幅度趨于平緩。
由圖1(c)、(d)可見(jiàn),在12%WPP、12%WPE與3.5%SBR復(fù)合改性瀝青中,WPP(WPE)與SBR混溶于基質(zhì)瀝青,并形成連續(xù)、均勻致密體系,兩種改性劑溶脹物出現(xiàn)連續(xù)相,并在基質(zhì)瀝青中形成致密的“蜂形”結(jié)構(gòu)。相較于12%WPP改性瀝青,12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性瀝青“蜂形”分布呈連續(xù)相分布,WPP、WPE與SBR單向連續(xù)體系向“蜂形”結(jié)構(gòu)連續(xù)體系轉(zhuǎn)變,“蜂形”結(jié)構(gòu)更加均勻、致密,復(fù)合改性劑在瀝青中的分布形態(tài)與結(jié)構(gòu)決定了其針入度指標(biāo)性能與流變性質(zhì)。
(a)9%WPP改性瀝青
為驗(yàn)證廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料路用性能與耐久性,試驗(yàn)研究采用AC-20礦料級(jí)配中值,采用12%WPP、12%WPE、5%SBS、12%WPP+3.5%SBS、12%WPE+3.5%SBS共5種改性瀝青,室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)確定12%WPP改性瀝青混合料、12%WPE改性瀝青混合料、5%SBS改性瀝青混合料、12%WPP+3.5%SBS復(fù)合改性瀝青混合料、12%WPE+3.5%SBS復(fù)合改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.7%、4.7%、4.8%、4.9%、4.9%,下文中的瀝青混合料性能試驗(yàn)均在最佳油石比條件下測(cè)試。
采用60 ℃車(chē)轍試驗(yàn)、單軸貫入剪切試驗(yàn)、恒高度頻率掃描試驗(yàn),綜合評(píng)價(jià)廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料性能。車(chē)轍試驗(yàn)方法參照T0719-2011進(jìn)行,單軸貫入剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄F進(jìn)行,恒高度頻率掃描試驗(yàn)采用直徑150 mm、高50 mm旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件,試驗(yàn)溫度為60 ℃,加載頻率10 Hz,以剪切模量G*與相位角φ為抗剪切強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表6。
表6 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)結(jié)果Table6 HightemperatureperformancetestresultsofwasteplasticcompoundSBRmodifiedasphaltmixture改性瀝青類(lèi)型車(chē)轍試驗(yàn)單軸貫入剪切試驗(yàn)恒高度頻率掃描d60min/mmDS/(次/mm)剪切強(qiáng)度/MPa剪切模量/MPa相位角/(°)12%WPP1.9367981.057108.857.812%WPE1.9761980.94396.460.35%SBS2.3846590.89478.965.412%WPP+3.5%SBR1.7874871.113116.844.412%WPE+3.5%SBR1.8566481.074107.946.7
由表6可知,12%WPP、12%WPE改性瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度、單軸貫入剪切強(qiáng)度和恒高度剪切模量均大于5%SBS改性瀝青混合料,車(chē)轍試驗(yàn)加載60 min后的車(chē)轍深度及恒高度剪切相位角均小于5%SBS改性瀝青混合料,廢舊塑料復(fù)配3.5%SBR改性劑后,復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、剪切強(qiáng)度與剪切模量均有一定幅度提高,同時(shí)車(chē)轍試驗(yàn)加載60 min后的車(chē)轍深度及恒高度剪切相位角均減小,3種高溫性能試驗(yàn)結(jié)果一致,即高溫抗車(chē)轍性能排序:12%WPP+3.5%SBR>12%WPE+3.5%SBR>12%WPP>12%WPE>5%SBS。WPP、WPE改性瀝青混合料及WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青混合料均具備優(yōu)異的抗車(chē)轍性能,可適用于抗車(chē)轍性能要求嚴(yán)苛的瀝青路面表面層或中面層。
低溫彎曲試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E20-2011規(guī)范T0715方法,試驗(yàn)溫度-10 ℃,加載速率50 mm/min,結(jié)果見(jiàn)表7。
由表7可知,12%WPP、12%WPE改性瀝青混合料低溫彎曲破壞時(shí)的跨中擾度不足0.4 mm,彎曲應(yīng)變均小于2 000 με,這主要是塑料改性劑增加了瀝青混合料的韌性與整體脆性,降低了瀝青混合料的柔性,導(dǎo)致12%WPP、12%WPE改性瀝青混合料的低溫性能整體較差。將12%WPP、12%WPE與3.5%SBR復(fù)配后,復(fù)合改性瀝青的破壞應(yīng)變?cè)龃笾? 453.5、3 574.7με,考慮低溫彎曲小梁試件跨中擾度、彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變和勁度模量4個(gè)技術(shù)指標(biāo),12%WPP+3.5%SBR、12%WPE+3.5%SBR兩種復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能與5%SBS改性瀝青混合料基本相當(dāng),均滿足JTG D50-2017冬嚴(yán)寒區(qū)低溫彎曲破壞應(yīng)變大于3 000με的技術(shù)要求。
表7 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料-10℃低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table7 -10℃lowtemperaturebendingtestresultsofwasteplasticcompoundedSBRmodifiedasphaltmixture改性瀝青類(lèi)型破壞荷載/kN跨中擾度/mm彎拉強(qiáng)度MPa彎曲應(yīng)變/με勁度模量/MPa12%WPP1.0150.32688.291715.73699.712%WPE1.1290.36179.221898.93571.75%SBS1.6500.695813.473653.03687.412%WPP+3.5%SBR1.3360.657810.903453.53156.212%WPE+3.5%SBR1.5290.680912.483574.73491.2
按照J(rèn)TG F40-2004規(guī)范要求,采用馬歇爾殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比評(píng)價(jià)廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。水穩(wěn)定試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E20-2011,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。
表8 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料-水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table8 WasteplasticcompoundSBRmodifiedasphaltmixture-waterstabilitytestresults改性瀝青類(lèi)型浸水馬歇爾試驗(yàn)凍融劈裂試驗(yàn)未浸水MS/kN浸水后MS/kNMS0/%未凍融ITS/MPa凍融后ITS/MPaTSR/%12%WPP10.489.7092.61.1261.03792.112%WPE9.919.0791.51.0430.95391.45%SBS11.2510.9096.91.2611.20395.412%WPP+3.5%SBR12.4712.2898.51.4751.42096.312%WPE+3.5%SBR12.1411.8597.61.3511.29796.0
由表8可知,4種改性瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比(MS0)與凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)均大于90%。復(fù)配SBR改性劑后,復(fù)合改性瀝青混合料的MS0與TSR均達(dá)到了95%以上,水穩(wěn)定性略優(yōu)于5%SBS改性瀝青混合料,這主要是WPP、WPE溶脹后對(duì)瀝青的增黏作用以及SBR與WPP、WPE形成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),均有助于提高瀝青混合料的界面粘聚力,從而改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。
在最佳油石比條件下采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件,按照MMLS1/3試模尺寸要求切割標(biāo)準(zhǔn)試件,每組3個(gè)平行試件??刂圃囼?yàn)溫度為60 ℃,考慮試件厚度與AC-20混合料公稱(chēng)最大粒徑的匹配關(guān)系,試件厚度采用6 cm,試驗(yàn)?zāi)z輪接地壓強(qiáng)0.7 MPa,加載頻率40 Hz(60次/h),測(cè)試試驗(yàn)輪不同加載次數(shù)下試件的車(chē)轍變形量,結(jié)果匯總見(jiàn)表9。
由表9、圖2可知:
圖2 MMLS1/3試驗(yàn)不同加載次數(shù)車(chē)轍發(fā)展曲線
a.隨著試驗(yàn)?zāi)z輪加載次數(shù)的增加,5種改性瀝青混合料的車(chē)轍深度呈先快速增大后緩慢增加的兩階段發(fā)展趨勢(shì):壓密變形階段、剪切蠕變穩(wěn)定階段。對(duì)比發(fā)現(xiàn),壓密變形階段,5種改性瀝青混合料的車(chē)轍變形量均相差不大,壓密變形產(chǎn)生的車(chē)轍占瀝青混合料總車(chē)轍深度的50%以上。
b.承受相同試驗(yàn)輪荷載作用下,5種改性瀝青混合料的車(chē)轍深度大小排序:5%SBS>12%WPE>12%WPP>12%WPE+3.5%SBR>12%WPP+3.5%SBR。剪切蠕變穩(wěn)定階段,車(chē)轍發(fā)展速率大小排序與車(chē)轍深度由大到小排序一致:5%SBS(0.036 mm/萬(wàn)次)>12%WPE(0.029 9 mm/萬(wàn)次)>12%WPP(0.028 6 mm/萬(wàn)次)>12%WPE+3.5%SBR(0.023 8 mm/萬(wàn)次)>12%WPP+3.5%SBR(0.017 7 mm/萬(wàn)次)。
表9 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料加載過(guò)程中的車(chē)轍深度Table9 RuttingdepthduringtheloadingprocessofwasteplasticcompoundSBRmodifiedasphaltmixture加載次數(shù)/萬(wàn)次不同改性瀝青混合料加載過(guò)程中的車(chē)轍深度/mm12%WPP12%WPE5%SBS12%WPP+3.5%SBR12%WPE+3.5%SBR11.4451.4511.4621.4671.46231.9912.0032.0111.7651.81852.252.4762.5482.0192.151102.4472.7422.9032.2312.412152.7272.9723.3372.4222.686202.9623.2993.5942.6232.803253.1023.483.8722.7753.073303.3433.7834.0822.8613.175353.5943.9224.3562.933.268403.7114.1594.4393.0123.357453.8124.3094.5323.0653.433503.9454.3984.6943.1183.596554.0044.4834.8273.1713.662604.0534.5314.9193.2273.738654.1154.5765.0583.2433.841704.1534.6295.1273.2823.864754.2174.6655.1783.3133.904804.2614.7185.2493.3433.937
c.加載80萬(wàn)次后,12%WPE+3.5%SBR改性瀝青混合料、12%WPE+3.5%SBR改性瀝青混合料的車(chē)轍深度僅為3.343、3.937 mm,且加載結(jié)束后輪跡處未見(jiàn)微裂縫或縱向隆起病害,兩種復(fù)合改性瀝青混合料具有優(yōu)異的抗永久變形性能。
S29呼和浩特至涼城段高速公路,設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h,路基寬26 m。項(xiàng)目區(qū)最冷月氣溫-22.7 ℃~-26.1 ℃;極端氣溫最高38.5 ℃,最低-41.5 ℃,沿線礦產(chǎn)資源豐富,交通荷載分布有明顯的方向性,上行方向重載比例高、軸載重,且為上坡方向,這對(duì)瀝青混凝土面層的抗車(chē)轍性能、抗疲勞性能及低溫抗裂性能提出來(lái)更高要求。施工圖設(shè)計(jì)文件要求,縱坡大于3%路段,中面層SBS改性AC-20瀝青混凝土中添加6%(瀝青質(zhì)量比)國(guó)產(chǎn)抗車(chē)轍劑。根據(jù)室內(nèi)研究成果,試驗(yàn)段采用12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性AC-20C瀝青混合料,厚度為6 cm,鋪設(shè)路段平均縱坡3.5%,鋪設(shè)單幅長(zhǎng)度為2 500 m。調(diào)整后的油石比為4.9%,從運(yùn)料車(chē)取樣試驗(yàn),馬歇爾穩(wěn)定度12.7 kN,動(dòng)穩(wěn)定度7 800次/mm,低溫彎曲應(yīng)變3 585.4 με,TSR為95.5%,滿足設(shè)計(jì)文件及JTG D50-2017規(guī)范要求?,F(xiàn)場(chǎng)攤鋪、壓實(shí)工藝與相鄰路段SBS改性瀝青混凝土基本一致,碾壓完成后實(shí)測(cè)壓實(shí)度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、平整度等測(cè)試結(jié)果均合格,滿足質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定規(guī)范要求。試驗(yàn)段于2017年9月鋪筑完成,目前已經(jīng)服役了3 a,試驗(yàn)路段瀝青混凝土無(wú)明顯車(chē)轍病害,僅有的病害為間隔約30~50 m橫向裂縫,鉆芯判斷橫向裂縫為半剛性基層反射裂縫,為該區(qū)氣候分區(qū)內(nèi)瀝青路面典型病害,密封膠灌封后即可有效阻止病害進(jìn)一步發(fā)展,試驗(yàn)段取得了滿意使用效果。試驗(yàn)段12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性瀝青混凝土的成功運(yùn)用,為WPP/SBR復(fù)合改性瀝青在冬嚴(yán)寒區(qū)重載瀝青路面的推廣應(yīng)用提供了借鑒。
a.摻加WPP、WPE明顯提高了基質(zhì)瀝青及低劑量SBR改性瀝青的高溫性能,SBR改性劑能彌補(bǔ)廢舊塑料改性瀝青低溫性能的不足,WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青比5%SBS改性瀝青有更高的軟化點(diǎn)。將廢舊塑料與SBR進(jìn)行復(fù)配,使瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫延展性和彈性恢復(fù)性能以及抗老化性能得到比較全面的改善。綜合考慮復(fù)合改性瀝青產(chǎn)品的高低溫性能,復(fù)合改性瀝青中的WPP、WPE摻量為9%~12%、SBR摻量為3.5%。
b.廢舊塑料摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青的抗車(chē)轍因子(G*/sinδ)影響顯著,SBR對(duì)復(fù)合改性瀝青G*/sinδ的改善效果有限。廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青具有優(yōu)異的高溫抗車(chē)轍性能。將WPP、WPE與3.5%SBR進(jìn)行復(fù)配,保留了SBR改性劑優(yōu)異的低溫抗裂性能,也疊加了塑料類(lèi)改性劑優(yōu)異的高溫性能。當(dāng)SBR摻量達(dá)到3.5%時(shí),9%~15%WPP、9%~15%WPE復(fù)配3.5%SBR改性瀝青的PG分級(jí)可達(dá)到PG82-18等級(jí)。
c.WPP、WPE改性瀝青混合料及WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青混合料均具備優(yōu)異的抗車(chē)轍性能(動(dòng)穩(wěn)定度>6 000次/mm)、抗水損害性能和抗永久變形能力,兩種復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能與5%SBS改性瀝青混合料基本相當(dāng),均滿足JTG D50-2017冬嚴(yán)寒區(qū)低溫彎曲破壞應(yīng)變大于3 000με的技術(shù)要求。
d.12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性瀝青混凝土可應(yīng)用于冬嚴(yán)寒區(qū)重載瀝青路面,試驗(yàn)段12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性瀝青混凝土的成功運(yùn)用,為WPP/SBR復(fù)合改性瀝青在冬嚴(yán)寒區(qū)重載瀝青路面的推廣應(yīng)用提供了借鑒。