廢膠粉與廢塑料復(fù)合改性瀝青混合料性能研究

姚文霞

廢膠粉與廢塑料復(fù)合改性瀝青混合料性能研究

姚文霞

(長沙市公共工程建設(shè)中心，湖南 長沙 410000)

為研究廢膠粉(WTR)與廢塑料(EVA)復(fù)合改性瀝青混合料的性能和最佳摻量，分別采用廢膠粉摻量為5%、10%、15%與廢塑料摻量為0%、4%、6%復(fù)配，制備5種復(fù)合改性瀝青AC?13C混合料進行馬歇爾試驗、車轍試驗、低溫劈裂試驗，研究改性瀝青混合料的高低溫性能。試驗結(jié)果表明：廢膠粉與廢塑料均能有效改善基質(zhì)瀝青的高溫性能，其中摻量為15%WTR+4%EVA復(fù)合改性瀝青的改善效果最明顯，其混合料具有最高動穩(wěn)定度、最低流值、最佳高溫性能。摻入廢膠粉和廢塑料，能有效改善瀝青混合料的低溫性能，15%WTR+6%EVA改性瀝青混合料的低溫劈裂強度為最大，較基質(zhì)瀝青提升了34.8%；15%WTR+4%EVA改性瀝青混合料的低溫劈裂強度稍低，較基質(zhì)瀝青提升了22.8%。綜合改性瀝青的高低溫性能，15%WTR+4%EVA為復(fù)合改性瀝青的最佳摻量。

WTR/EVA；復(fù)合改性瀝青；瀝青混合料；高低溫性能

隨著交通量和交通荷載等級不斷增長，對瀝青路面的性能要求越來越高。同時，因汽車的更新產(chǎn)生了大量的廢舊輪胎，造成了嚴(yán)重的“黑色污染”。目前，中國每年會產(chǎn)生超過3.5億條廢舊輪胎，到2020年每年廢舊輪胎的總量超過2 000噸，但廢舊輪胎的回收率不足60%[1?3]。廢舊輪胎除了回收，還可以通過熱解等方式進行處理，降低其對環(huán)境的污染[4?5]。若將廢舊輪胎應(yīng)用于瀝青改性，不僅可以提高瀝青路面的性能，還能緩解廢舊輪胎的污染問題。

廢舊橡膠摻入到瀝青中，對其進行改性，可以得到性能更為優(yōu)異的橡膠改性瀝青。有研究表明，橡膠改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比，其高溫性能有顯著提升[6?7]，但改性瀝青中的橡膠顆粒易導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，進而使橡膠瀝青在低溫情況下容易開 裂[8?10]。而廢塑料(ethylene-vinyl acetate，簡稱為EVA)的摻入，可以使瀝青的低溫柔韌性有很大的改善。EVA摻入瀝青后，會形成類似于橡膠的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，有利于提升瀝青在不同溫度條件下的穩(wěn)定性和瀝青路面的低溫抗裂性能[11?12]。

國內(nèi)外對橡膠、EVA及不同的改性劑復(fù)合改性瀝青已有大量研究，但是對于EVA和廢膠粉(waste tire rubber，簡稱為WTR)2種聚合物同時摻入對瀝青進行改性的研究較少。因此，作者擬研究2種廢舊聚合物同時摻入的復(fù)合改性瀝青混合料的性能，分析其最佳摻量，以期為廢舊輪胎和廢舊塑料在改性瀝青中的應(yīng)用提供借鑒。

1 原材料

1.1 礦料

本試驗選擇的礦粉和集料均產(chǎn)自湖南長沙云中再生科技紫荊廠。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程(JTG E42—2005)》[13]規(guī)定，對該廠的集料進行指標(biāo)試驗，各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求，見表1。

1.2 改性劑

本試驗WTR是國產(chǎn)80目廢舊輪胎橡膠粉，其80目篩余量為7.6%，金屬含量0.03%，丙酮抽取物含量8%，灰分含量為7.6%，橡膠烴含量為48%，碳黑含量30%，加熱后損失量為0.5%。EVA全稱為乙烯?醋酸乙烯共聚物，是一種通用高分子聚 合物，本試驗采用4260類型的EVA，密度為0.96 g/cm3。

表1 各項技術(shù)指標(biāo)

1.3 基質(zhì)瀝青

本試驗選擇寶利70#道路石油瀝青為基質(zhì)瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》[14]對常規(guī)指標(biāo)進行了測試，結(jié)果見表2，均滿足規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2017)》[15]的要求。

1.4 改性瀝青

1.4.1 改性劑摻量

根據(jù)Yan[16]等人對WTR/EVA復(fù)配改性瀝青的分析結(jié)果，本試驗選用15%WTR為控制摻量與不同摻量的EVA復(fù)配及4%EVA為控制摻量復(fù)配不同摻量WTR，確定5%WTR+4%EVA(簡稱5%W+ 4%E)、10%W+4%E、15%W+4%E、15%W+ 0%E、15%W+6%E 5種復(fù)配摻量，研究WTR/EVA復(fù)合改性瀝青的混合料性能。

1.4.2 改性瀝青的制備

基于已有WTR改性瀝青的相關(guān)研究，本試驗將膠粉與廢塑料復(fù)合改性瀝青按照顏可珍[17]等人的專利方案進行攪拌制備。首先，基質(zhì)瀝青加熱30 min至160 ℃呈流動狀態(tài)，倒入攪拌杯中，攪拌杯的溫度設(shè)定為170 ℃，同時，將瀝青質(zhì)量相應(yīng)摻量的膠粉倒入攪拌杯中，以3 000 r/min的速度高速剪切10 min。然后將相應(yīng)瀝青質(zhì)量的EVA摻量倒入攪拌杯中，再以相同的剪切速度進行高速剪切20 min，直至攪拌均勻。最后，使用低速攪拌機將攪拌均勻的瀝青在相同溫度下進行去氣泡，并對復(fù)合改性瀝青指標(biāo)進行常規(guī)性能測試，其結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著 WTR和EVA的摻入，相比基質(zhì)瀝青，改性瀝青的25 ℃針入度有不同程度的減小，軟化點、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度均有不同程度的提高。表明：WTR與EVA能有效提高瀝青的高溫性能。同時，5%W+4%E、10%W+4%E 2種復(fù)合改性瀝青較基質(zhì)瀝青的5 ℃延度有較大提升，低溫性能良好，其他3種摻量改性瀝青的5 ℃延度均與基質(zhì)瀝青差別不大。WTR摻量為15%時，隨著EVA摻量的增加，軟化點和135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度呈增大趨勢，但4%EVA摻量的改性瀝青有最低的針入度和最大的5 ℃延度。表明：15%WTR+4%EVA對瀝青高溫性能具有最明顯的提升效果，對低溫性能也有良好的改善效果。

表2 基質(zhì)瀝青與復(fù)合改性常規(guī)性能指標(biāo)

2 混合料配合比設(shè)計

2.1 礦料級配

本研究采用馬歇爾試驗方法進行AC?13C型密級配瀝青混合料的配合比設(shè)計，礦料中粗集料、細(xì)集料、石屑、礦粉的比例分別為28%、18%、45%、9%，合成級配曲線如圖1所示。

2.2 混合料最佳瀝青用量

根據(jù)已有的橡膠瀝青混合料研究，本試驗在油石比為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%中，選擇5組瀝青用量，確定最佳瀝青用量。對馬歇爾試件分別用表干法測定毛體積相對密度，通過計算得到不同瀝青用量試件的空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)等體積指標(biāo)，再通過馬歇爾試驗得到穩(wěn)定度和流值。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2017)》[15]規(guī)范中附錄B的計算方法，得出基質(zhì)瀝青最佳用量為4.8%，其余改性瀝青最佳瀝青用量均為5.1%。

圖1 AC?13C級配曲線

3 改性瀝青混合料性能研究

3.1 改性瀝青混合料高溫性能

3.1.1 馬歇爾穩(wěn)定度

馬歇爾穩(wěn)定度試驗操作方便、設(shè)備簡單，被廣泛應(yīng)用為評價混合料在高溫條件下的性能試驗。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》[14]要求成型試件并進行試驗，得到馬歇爾穩(wěn)定度值和流值，試驗結(jié)果如圖2、3所示，圖中“I”為誤差棒。

圖2 穩(wěn)定度試驗結(jié)果

從圖2、3中可以看出，改性瀝青比基質(zhì)瀝青具有更高的穩(wěn)定度及較低的流值，所有的混合料均滿足馬歇爾穩(wěn)定度不小于8 kN、流值2～4 mm的要求。從圖2中還可以看出，與5%W+4%E相比，10%W+4%E和15%W+4%E的穩(wěn)定度分別增加了9.1%、23.3%，表明：WTR的加入能有效提高瀝青的高溫性能。15%W+4%E和15%W+6%E的穩(wěn)定度與15%WTR單一改性瀝青混合料對比，分別提升了17.6%和18.4%。因此，WTR和EVA的摻入，可以有效地提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，也表明了WTR和EVA對瀝青混合料高溫性能有良好改善效果。同時，6組瀝青混合料的流值，均符合2～4 mm范圍的要求，隨著WTR和EVA摻量增加，改性瀝青混合料的流值有所下降，15%W+4%E最低，表明：15%W+4%E復(fù)合改性瀝青混合料具有最優(yōu)高溫性能。

圖3 流值試驗結(jié)果

馬歇爾模數(shù)綜合考慮了穩(wěn)定度與流值2個指標(biāo)，馬歇爾模數(shù)值越大，高溫性能越好。高溫和相同荷載條件下，變形越小，高溫抵抗變形能力越好。瀝青混合料的馬歇爾模數(shù)試驗結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，改性瀝青混合料比基質(zhì)瀝青混合料的馬歇爾模數(shù)更高。同時，可以發(fā)現(xiàn)隨著WTR摻量的增加，馬歇爾模數(shù)值越大，表明：WTR有利于改善瀝青混合料的高溫抵抗變形能力。同樣對比，發(fā)現(xiàn)EVA摻量的增加不僅利于改善瀝青混合料的高溫性能，而且與馬歇爾穩(wěn)定度結(jié)果相似，其中15%WTR與4%EVA復(fù)合配比摻量有最高的馬歇爾模數(shù)值，進一步驗證了該配比瀝青混合料的高溫性能最優(yōu)。

圖4 馬歇爾模數(shù)試驗結(jié)果

3.1.2 車轍試驗

僅通過馬歇爾穩(wěn)定度和流值結(jié)果，不能準(zhǔn)確地評估瀝青混合料的高溫性能。因此，本研究在該2種參數(shù)的基礎(chǔ)上，測試瀝青混合料的車轍動穩(wěn)定度，進一步評估瀝青混合料的高溫性能。根據(jù)相關(guān)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》[14]進行瀝青混合料的車轍試驗，試驗結(jié)果動穩(wěn)定度如圖5所示。

圖5 車轍試驗結(jié)果

根據(jù)規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2017)》[15]對瀝青路面車轍動穩(wěn)定度的要求，改性瀝青混合料的高溫性能?車撤動穩(wěn)定度()需要大于2 800次/mm，而未改性的僅需要大于1 000次/mm。從圖5中可以看出，6組瀝青混合料均達到了規(guī)范要求，改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青相比，增幅均大于1倍。表明：WTR和EVA能很好地改善瀝青混合料的高溫性能。相比于5%W+4%E瀝青混合料的高溫性能，10W+4%E和15%W+4%E瀝青混合料分別提高了37.5%和97.3%，這是因為膠粉的摻入使得瀝青的黏度增大，其內(nèi)部的黏結(jié)力和嵌擠力增大，從而使得瀝青混合料在高溫條件下有更好的穩(wěn)定性[18]。同時，對比WTR單一改性的瀝青混合料，可以發(fā)現(xiàn)同時摻入WTR和EVA的瀝青混合料，動穩(wěn)定度更高，但動穩(wěn)定度值并不是隨著EVA摻量的增加而增大。15%W+4%E瀝青混合料有最大的動穩(wěn)定度值。

3.2 改性瀝青混合料低溫性能

為更好地確定WTR/EVA是否為合適的改性劑，可提升瀝青混合料的性能。采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》[14]的低溫劈裂試驗，分析其在低溫條件下表面和內(nèi)部抵抗裂縫的能力。測試的溫度應(yīng)滿足?10 ℃±0.5 ℃的范圍，試驗試件為直徑101.6 mm±0.2 mm、高63.5 mm±1.3 mm的圓柱形馬歇爾試件，以1 mm/min的速度進行緩慢加載，混合料劈裂強度結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，與70#基質(zhì)瀝青混合料的低溫劈裂強度相比，2種改性劑對瀝青混合料的低溫劈裂強度均有提升。從圖6中還可以看出，隨著EVA摻量的增加，低溫劈裂強度也隨之增加，這得益于EVA對瀝青黏韌性的改善。其中，15%W+6%E瀝青的低溫劈裂強度最大，為2.83 MPa，較基質(zhì)瀝青提升了34.8%。15%WTR單一改性后的瀝青低溫延度，雖然略小于基質(zhì)瀝青，但是混合料低溫劈裂強度相比基質(zhì)瀝青仍提升了10.5%。因此，混合料的低溫劈裂強度除了與瀝青的低溫性能有關(guān)，還與瀝青的黏度相關(guān)。表明：WTR和EVA均對瀝青混合料的低溫抗拉強度性能有相應(yīng)改善，但EVA對瀝青混合料的低溫性能提高更顯著。

圖6 劈裂試驗結(jié)果

4 結(jié)論

通過馬歇爾試驗、車轍試驗、低溫劈裂試驗等研究了不同WTR以及EVA摻量的復(fù)合改性瀝青混合料的高低溫性能，得到結(jié)論：

1)與基質(zhì)瀝青相比，WTR和EVA的摻入，均使復(fù)合改性瀝青的高溫性能得到明顯提升。其中，15%W+4%E復(fù)合改性瀝青具有最小的針入度，高溫性能改善效果最好。

2) EVA摻量不變時，隨著WTR摻量的增大，改性瀝青混合料的穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度均逐漸減小，流值逐漸增大。WTR摻量為15%、EVA摻量為4%時，改性瀝青混合料流值最小，動穩(wěn)定度最大，高溫性能最好。

3) 2種改性劑對瀝青混合料的低溫劈裂強度均有所提升。其中，15%W+6%E改性瀝青混合料和15%W+4%E改性瀝青混合料的低溫劈裂強度與基質(zhì)瀝青相比，分別提升了34.8%和22.8%。綜合最佳摻量為15%W+4%E。

[1] 曲鍇鑫,李雪,宋鵬豪,等.廢舊橡膠輪胎的再利用研究進展[J].化工科技,2019,27(6):71?75.(QU Kai-xin,LI Xue, SONG Peng-hao,et al.Progress in recycling of waste rubber tires[J].Science & Technology in Chemical Industry, 2019, 27(6): 71?75.(in Chinese))

[2] Hijazi A, Boyadjian C, Ahmad M N, et al. Solar pyrolysis of waste rubber tires using photoactive catalysts[J]. Waste Management, 2018, 77: 10?21.

[3] 王克.每年上億條廢舊輪胎未進循環(huán)利用渠道再生橡膠行業(yè)如何破局[J].中國經(jīng)濟周刊,2017(23): 74?75. (WANG Ke. Study on to solve the problem of hundreds of millions of waste tires are not recycled every year[J]. China Economic Weekly, 2017(23): 74?75.(in Chinese))

[4] 許洪彬.廢膠粉及再生低密度聚乙烯復(fù)合改性瀝青性能研究[D].長沙:湖南大學(xué),2015.(XU Hong-bin. Research on the properties of asphalts modified by waste rubber powder and reclaimed low density polyethylene[D]. Changsha: Hunan University,2015.(in Chinese))

[5] 李志華,馬濤,周云杰.廢舊橡膠裂解方式及其工藝設(shè)備[J].橡膠工業(yè),2014,61(5):316?319.(LI Zhi-hua,MA Tao, ZHOU Yun-jie. Cracking methods and equipment for waste rubber[J].China Rubber Industry, 2014, 61(5): 316?319.(in Chinese))

[6] 馮明林,馮正翔,鄭偉,等.橡膠瀝青性能試驗及影響因素分析[J].交通科學(xué)與工程,2020,36(1):33?37,55.(FENG Ming-lin, FENG Zheng-xiang, ZHENG Wei, et al. Rubber asphalt performance test and analysis of influencing factors[J]. Journal of Transport Science and Engineering,2020,36(1):33?37,55.(in Chinese))

[7] 馮新軍,李旺,張喆.TLA+廢膠粉復(fù)合改性瀝青混合料路用性能研究[J].公路與汽運,2020(6):61?64.(FENG Xin-jun, LI Wang, ZHANG Zhe. Study on road performance of composite asphalt mixture modified by the TLA and crumb rubber[J]. Highways & Automotive Applications,2020(6):61?64.(in Chinese))

[8] 郝培文,李志厚,徐金枝,等.橡膠瀝青技術(shù)性能評價標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀[J].筑路機械與施工機械化,2015,32(6):47?52. (HAO Pei-wen,LI Zhi-hou,XU Jin-zhi,et al.Current standards for performance evaluation of rubberized asphalt[J]. Road Machinery & Construction Mechanization,2015,32(6):47?52.(in Chinese))

[9] 韓江國.廢橡膠粉改性瀝青的抗老化性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.(HAN Jiang-guo. Research on aging properties of used rubber modified asphalt [D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2006. (in Chinese))

[10] 張金喜.廢橡膠作為彈性瀝青混凝土路面材料的實驗研究[J].建筑材料學(xué)報,2004,7(4):396?401.(ZHANG Jin-xi. Feasibility of waste rubber as aggregate of elastic asphalt concrete(AC)[J].Journal of Building Materials,2004,7(4): 396?401.(in Chinese))

[11] Garc??a-Morales M,Partal P,Navarro F J,et al.Viscous properties and microstructure of recycled eva modified bitumen[J]. Fuel,2004,83(1):31?38.

[12] González O,Mu?oz M E,Santamar??a A,et al.Rheology and stability of bitumen/EVA blends[J].European Polymer Journal,2004,40(10):2365?2372.

[13] 交通運輸部公路科學(xué)研究院. JTG E42—2005,公路工程集料試驗規(guī)程[M].北京:人民交通出版社,2005. (Research Institute of Highway Ministry of Transport. JTG E42—2005,Test methods of aggregate for highway engineering[M].Beijing: China Communications Press, 2005.(in Chinese))

[14] 交通運輸部公路科學(xué)研究院. JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[M].北京:人民交通出版社, 2011.(Research Institute of Highway Ministry of Transport. JTG E20—2011, Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering[M]. Beijing: China Communications Press, 2011.(in Chinese))

[15] 交通運輸部公路科學(xué)研究院.JTG F40—2017公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2017. (Research Institute of Highway Ministry of Transport. JTG F40—2017,Technical specification for construction of highway asphalt pavements[M]. Beijing: China Communications Press, 2017.(in Chinese)).

[16] Yan K Z, Chen J H, You L Y, et al. Characteristics of compound asphalt modified by waste tire rubber (WTR) and ethylene vinyl acetate (EVA): Conventional, rheological, and microstructural properties[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 258: 120732.

[17] 顏可珍. APAO廢膠粉復(fù)合改性瀝青及其制作方法和用途. 中國專利CN106221251A, 2016?12?14. (YAN Ke-zhen. Preparation and application of compound modified asphalt with APAO and waste rubber powder. Chinese patent CN106221251A, 2016?12?14. (in Chinese))

[18] 孫杰,許奎,游烽,等.膠粉改性瀝青混合料路用性能研究[J].中國塑料,2019,33(8):83?88.(SUN Jie,XU Kui,YOU Feng, et al. Study on pavement performance of rubber powders-modified asphalt mixture[J]. China Plastics, 2019,33(8):83?88.(in Chinese))

Performance study of waste tire rubber and waste plastic composite modified asphalt

YAO Wen-xia

(Changsha Public Engineering Construction Center, Changsha 410000, China)

In order to study the performance of waste tire rubber (WTR) and waste plastic ethylene vinyl acetate (EVA) composite modified asphalt mixture, five kinds of composite modifier contents (5%WTR+4%EVA, 10%WTR+4%EVA, 15%WTR+4%EVA, 15%WTR+0%EVA, 15%WTR+6%EVA) were used to prepare AC-13C asphalt mixture. And the Marshall test, rutting test and low temperature splitting test were conducted to study the high and low temperature performance of the composite modified asphalt mixture. The results showed that, the high temperature properties of base asphalt can be improved by mixing WTR and EVA. Especially, the asphalt was mixed with 15%WTR and 4%EVA, the high temperature performance was significantly improved. And the 15%WTR+4%EVA modified asphalt mixture had the maximum dynamic stability and the minimum flow value, which indicated the optimum high temperature performance. Compared with base asphalt mixture, the low temperature splitting strength of 15%WTR+4%EVA and 15%WTR+6% EVA modified asphalt mixture were increased by 22.8% and 34.8% respectively. The comprehensive optimal modified content is 15%WTR+ 4%EVA.

WTR/EVA; composite modified asphalt; asphalt mixture; high/low temperature performance

U416.217

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0008 ? 06

2021?01?06

姚文霞(1982?)，女，長沙市公共工程建設(shè)中心工程師。