高性能廢舊塑料改性瀝青混合料性能分析

■彭哲聰

（武夷山市交通事業(yè)發(fā)展中心，武夷山 354300）

我國公路建設事業(yè)發(fā)展迅速，截至2022 年底，全國公路通車總里程達535 萬km[1]，公路交通呈現(xiàn)出大荷載、高流量等特點。 因此，對公路瀝青路面的路用性能有了更高的要求，需要瀝青路面具備更好的高溫抗車轍、低溫抗開裂等路用性能，以延長瀝青路面服役壽命，減少養(yǎng)護成本，保證車輛的行車安全，而采用改性瀝青是最為有效的方法之一。 塑料工業(yè)作為我國支柱產(chǎn)業(yè)之一，其消耗量大，產(chǎn)量大，每年都有大量塑料遭到廢棄。 目前我國主要采用填埋和焚燒2 種方法對廢舊塑料進行處理，這2 種方法不僅更容易造成土地和地下水污染，同時也會因為焚燒時產(chǎn)生的有毒氣體對環(huán)境造成極大的危害[2]。 對廢棄塑料進行回收再利用，是解決廢舊塑料環(huán)境污染問題重要途徑之一。 由于塑料中的某些組分能夠顯著提高瀝青的彈性， 有效改善瀝青的性能，且廢舊塑料來源廣泛、價格低廉，將其制備成瀝青改性劑能有效降低成本，從而取代價格昂貴的傳統(tǒng)高性能改性劑，具有良好的經(jīng)濟效益與應用前景。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

試驗基質(zhì)瀝青選用了福建省常用70# 道路石油瀝青，其技術指標檢測結果如表1 所示。

表1 70# 基質(zhì)瀝青主要技術指標

1.2 廢舊塑料

廢舊塑料具有很多種類， 常見的廢舊塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、乙烯—醋酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯等。 聚乙烯、聚丙烯產(chǎn)量大，易獲取，且加工溫度與瀝青生產(chǎn)相近，均能有效改善瀝青性能[3]，因此本研究所用廢舊塑料類型選擇聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。因這2 種廢舊塑料大分子鏈的結構特性與瀝青有較大差異，采用濕法將廢舊塑料和瀝青混合制備的改性瀝青容易產(chǎn)生離析，造成改性瀝青性能不均，表面產(chǎn)生結皮[4-5]。 因此需將PP、PE 分別在不同溫度下進行高溫裂化， 破壞其大分子結構，而后加入穩(wěn)定劑后待降溫冷卻進行粉碎造粒，再按一定比例進行混合，即可得到廢舊塑料改性劑。

1.3 SBS 改性劑

為驗證該種廢舊塑料改性劑的改性效果，將制備SBS 改性瀝青與該種廢舊塑料改性瀝青進行對比分析。本文試驗所用SBS 改性劑為中國石化生產(chǎn)的YH-791H 型SBS 改性劑。

2 試驗方案

2.1 改性瀝青制備

將廢舊塑料改性劑加到基質(zhì)瀝青中以濕法制備廢舊塑料改性瀝青，摻加比例為瀝青質(zhì)量的4.5%、5.5%、6.5%，制備過程如下：將基質(zhì)瀝青放入烘箱中在135℃的溫度下加熱25 min， 再將廢舊塑料按照不同摻量加入瀝青高速剪切儀，在175℃、轉速1000 r/min的條件下高速剪切約20 min，最后再放入烘箱中在75℃的條件下溶脹25 min，待二者充分融合即制備完成廢舊塑料改性瀝青。

根據(jù)相關研究，選用的該種SBS 改性劑最佳摻量為4.5%，因此將4.5%的瀝青質(zhì)量比例的SBS 改性劑加到基質(zhì)瀝青中制備得到SBS 改性瀝青，制備過程具體如下：將基質(zhì)瀝青放入烘箱中在135℃的溫度下加熱25 min，再將SBS 改性劑按照4.5%的摻量加入瀝青高速剪切儀在180℃、 轉速5000 r/min 的條件下高速剪切約40 min，最后再放入烘箱中在75℃的條件下溶脹160 min，即制備完成SBS 改性瀝青。

2 種改性瀝青的檢測結果如表2 所示。

根據(jù)表2 瀝青技術指標數(shù)據(jù)的對比分析可知，SBS 改性劑和廢舊塑料改性劑對基質(zhì)瀝青的改性效果明顯。 改性劑摻量相同時，廢舊塑料改性瀝青的針入度較SBS 改性瀝青無明顯差別，延度略高于SBS 改性瀝青，軟化點略低于SBS 改性瀝青。 當廢舊塑料改性劑摻量達到6.5%后， 其三大指標參數(shù)與SBS 改性瀝青差別不大。

但廢舊塑料改性瀝青即使經(jīng)過處理，其貯存穩(wěn)定性仍較差，當摻量達到6.5%時，其貯存穩(wěn)定性已與離析指標限定值相同。 因此廢舊塑料改性瀝青采用高改性劑摻量時需要重點改善其貯存穩(wěn)定性。 同時在實際應用時需加強對廢舊塑料改性瀝青穩(wěn)定性的監(jiān)控，既要防止因離析造成的性能不均對瀝青路面的施工均質(zhì)化產(chǎn)生影響，又要防止在存儲和運輸過程中因離析造成設備的堵塞從而影響生產(chǎn)與施工。

2.2 瀝青混合料級配設計

瀝青混合料級配采用AC-13 型級配，級配設計如下： 通過篩孔16、13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm 的質(zhì)量百分率分別為100%、98.0%、72.1%、46.0%、31.4%、20.5%、12.5%、9.7%、7.6%、6.0%。 結果可知，70# 基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比為5.3%， 廢舊塑料改性瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料最佳油石比為5.5%。

3 廢舊塑料改性瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

車轍是瀝青路面最常見的病害之一，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在抗車轍性能，因此采用車轍試驗測量瀝青混合料的動穩(wěn)定度，以評價瀝青混合料的抗變形能力。每種類型瀝青混合料制備2 個混合料車轍板，尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，共計10 塊車轍板。 車轍試驗結果如圖1 所示。

圖1 車轍試驗結果

由試驗結果可知：（1）4.5%SBS 改性瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，其動穩(wěn)定度增長明顯，相較70#基質(zhì)瀝青混合料增長了308.2%，廢舊塑料改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性稍次于SBS 改性瀝青混合料，和70#基質(zhì)瀝青混合料相比，4.5%、5.5%、6.5%廢舊塑料改性瀝青動穩(wěn)定度分別增長了206.2%、232.7%和297.7%， 當摻量達到6.5%后廢舊塑料改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性已與SBS 改性瀝青相近。 （2）隨著該種舊塑料改性劑摻量的提升，廢舊塑料改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性也逐步提升，這是因為廢舊塑料模量較高，有效增強了抗車轍性能。 當廢舊塑料改性劑摻量達到6.5%時，其動穩(wěn)定度得到顯著提升，與SBS 改性瀝青混合料基本相同。 這可能是因為隨著廢舊塑料改性劑摻量的提升，達到拐點后PE 逐漸形成網(wǎng)絡結構，黏度增大，模量進一步提高，增強了瀝青混合料抵抗外荷的能力。

3.2 低溫抗裂性

瀝青混合料的低溫抗裂性主要體現(xiàn)在低溫環(huán)境下抵抗收縮變形的能力。 在低溫環(huán)境下溫度下降產(chǎn)生的收縮應力超過了瀝青混合料抵抗收縮變形的能力，就會產(chǎn)生收縮裂縫，裂縫的出現(xiàn)使得瀝青路面的使用壽命大幅縮短，影響行車安全，同時也增加了瀝青路面的維護成本。 采用低溫小梁彎曲試驗研究改性瀝青混合料的低溫抗裂性。 每種類型瀝青混合料制備混合料車轍板， 切割成尺長×寬×高＝250 mm×30 mm×35 mm 尺寸的低溫彎曲試驗小梁。低溫小梁彎曲試驗結果如圖2 所示。

圖2 低溫彎曲小梁試驗結果

由試驗結果可知：（1）相較70#基質(zhì)瀝青混合料，SBS 改性瀝青能顯著提升瀝青混合料的小梁抗彎拉強度，SBS 改性瀝青的抗彎拉強度較70# 基質(zhì)瀝青混合料增加了50.6%。 隨著廢舊塑料改性劑摻量的提升，廢舊塑料改性瀝青混合料小梁的抗彎拉強度分別增加了14.7%、24.1%、19.5%，呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，在5.5%廢舊塑料改性劑摻量時最強，隨后減弱。 （2）該種廢舊塑料改性瀝青混合料低溫抗裂性在廢舊塑料改性劑摻量達到拐點后降低可能是因為低溫環(huán)境下廢舊塑料黏性減弱，高摻量廢舊塑料受影響較大，從而導致廢舊塑料改性瀝青低溫抗裂改善效果降低。

3.3 水穩(wěn)定性

瀝青混合料的水穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在抗水損害能力，瀝青路面早期病害出現(xiàn)最為主要的原因之一就是水損害。 采用凍融劈裂試驗研究改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，凍融劈裂試驗結果如圖3 所示。 由試驗結果可知：（1）相較70# 基質(zhì)瀝青混合料，SBS改性瀝青混合料殘留強度比和廢舊塑料改性瀝青混合料殘留強度比均提升，但廢舊塑料改性瀝青混合料水穩(wěn)定性提升程度有限。 （2）該種廢舊塑料改性瀝青混合料水穩(wěn)定性弱于SBS 改性瀝青混合料，這是因為PP 和PE 的摻入改變了瀝青體系的吸附特性，與集料之間的黏附性能弱于SBS 改性瀝青，因此經(jīng)過凍融循環(huán)后集料之間的黏附性能降低，造成廢舊塑料改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性較弱。

圖3 凍融劈裂試驗結果

4 結論

（1）該種經(jīng)裂化后制備的廢舊塑料改性劑能有效提升基質(zhì)瀝青的各項技術指標，高摻量廢舊塑料改性瀝青的針入度、軟化點、延度三大基本性能指標與最佳摻量下的SBS 改性瀝青相近。但是當廢舊塑料改性瀝青中改性劑摻量較高時貯存穩(wěn)定性較差，在實際工程應用時需要增強其穩(wěn)定性并加強對貯存穩(wěn)定性的監(jiān)控。 （2）該種廢舊塑料改性劑可顯著提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性得到一定程度的提升，但是對水穩(wěn)定性改善效果有限。 （3）試驗結果顯示，雖然該種廢舊塑料改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性均隨著廢舊塑料改性劑摻量的增加而提升，但摻量達到6.5%之后提升效果明顯減弱。 同時低溫穩(wěn)定性在隨改性劑摻量的增加時，呈先增加后降低的趨勢，在5.5%摻量時達到峰值。 因此廢舊塑料改性劑在實際應用時應謹慎選擇其摻量。