废旧塑料改性沥青的性能研究

赖增成,刘 克,杨锡武,杨大田

(1.中国公路工程咨询集团有限公司,北京 100089;2.重庆交通大学土木建筑学院,重庆 400074;3.交通运输部公路科学研究院,北京 100088)

废旧塑料改性沥青的性能研究

赖增成1,刘 克2,3,杨锡武2,杨大田2

(1.中国公路工程咨询集团有限公司,北京 100089;2.重庆交通大学土木建筑学院,重庆 400074;3.交通运输部公路科学研究院,北京 100088)

对比研究了回收塑料所含的 3种主要树脂对沥青性能的影响,结果表明:随掺量增加,低密度聚乙烯 (LDPE)、高密度聚乙烯 (HDPE)、聚丙烯 (PP)均使沥青常温粘度、软化点、当量脆点提高,而延度降低;LDPE,HDPE改善高温性能的效果优于 PP,但 HDPE容易造成离析;3种树脂按不同比例复配后的改性沥青的性能无突变,它们对沥青性能的影响规律相同,仅在个别指标的量上有所差异,因此直接使用未经分类的混杂塑料改性沥青具有技术可行性.

道路工程;改性沥青;废旧塑料;沥青混合料;改性剂;车辙

重载交通已使传统基质沥青密集配混合料难以维持稳定.粗集料断级配混合料的大量应用使改性沥青用量不断增长,各种新型改性剂层出不穷.废旧塑料改性沥青具有优异的高温稳定性[1-4],其研究已开展 25年,但始终未得以广泛应用[5].目前,我国面临较大的是能源、环境压力,而废旧塑料改性沥青在减少固废、节约石油资源方面具有一定的意义.

废旧塑料改性沥青技术目前存在三大问题[6]:回收混杂塑料分类困难[7];离析严重难以热存[8-12];低温性能争议较大[13-14].目前,对后两个问题研究较多,而解决回收分类问题的最好办法,是直接使用混杂废旧塑料改性沥青,其可行性研究应首先考察混杂塑料中各种树脂对沥青性能的影响差异:1)若影响规律相同且“量”上差异很小,则回收塑料中各种树脂比例的变化不会使改性沥青性能产生较大波动;2)若影响规律相同且“量”上差异较大,则可根据回收塑料中各种树脂比例预判其改性沥青的性能;3)若规律不同,则不同批次回收的混杂塑料对沥青性能的影响将具有较大波动,即不能直接使用混杂废旧塑料改性沥青.本文选择了废弃量较大的 3个树脂品种,对其改性沥青性能进行了对比实验,研究了不同品种树脂对沥青性能的影响,并对直接使用混杂回收塑料改性沥青技术的可行性进行了论证.

1 原材料与试样制备

原材料:1)基质沥青:中海 70#重载交通沥青,25℃针入度 77(0.1 mm),10℃延度 73.5 cm,软化点48℃;2)废旧塑料:红色 LDPE、白色 HDPE、绿色 PP,皆成颗粒状,分别由衣物包装袋、食品容器、塑料板凳经熔融,挤塑,切割而成.

试样制备:基质沥青加热至 180℃并保持;将废旧塑料颗粒放入热态沥青中,用玻璃棒匀速搅拌至软化 (约 15 min);启动剪切机并以 4 000 r·min-1剪切 15 min;停止剪切并使试样温度保持在 150～180℃,静置 10 min;再次升温至 180℃,以 4 000 r·min-1剪切 5 min;试样入模.

2 结合料性能研究

2.1 三大指标试验结果及分析从表 1、表 2和表 3的试验结果可以看出:

表1 不同掺量 LDPE改性中海 70#沥青的针入度试验结果 0.01mm

表2 不同掺量 HDPE改性中海 70#沥青后的针入度试验结果 0.01 mm

表3 不同掺量 PP改性中海 70#沥青后的针入度试验结果 0.01 mm

1)随着 LDPE掺量增加,改性沥青在 3个试验温度的针入度逐渐下降,证明掺入 LDPE可使沥青常温粘度提高.

2)HDPE的掺量小于 5%时沥青针入度有明显下降,证明低掺量的 HDPE即可提高沥青常温粘度;当其掺量达到 5%时,由于改性沥青表面大量结皮,凹凸不平,很难测出改性沥青的针入度,证明 HDPE的掺量是影响改性沥青储存稳定性的因素之一,掺量稍高时就会发生严重离析;掺量为 3%的 HDPE改性沥青的针入度低于掺量为 4%的针入度,推断是掺量 4%时,HDPE微粒就已经开始大量聚集,分布密度降低,说明 HDPE在低掺量时就有发生离析的趋势,这进一步证明 HDPE与沥青的相容性极差.

3)PP掺入可使沥青针入度减小,证明其也能提高沥青常温黏度;与 HDPE的情况类似,在高掺量时会出现严重离析以至影响测试;但其掺量达到 6%时才会出现明显离析,说明 PP与沥青的相容性比 HDPE稍好,但仍不如 LDPE.

4)3种改性沥青在低掺量时 PI明显下降,说明此时沥青感温性增强;随掺量增加,3种改性沥青的 PI出现不同的变化规律:HDPE与 PP改性沥青开始增大,而 LDPE改性沥青继续减小,证明 LDPE的掺入可使沥青的感温性增强,但 HDPE与 PP对沥青感温性的影响尚不好断定,因为 HDPE和 PP改性沥青的20℃针入度实测值明显受离析影响,导致其 PI的可信度下降.

5)HDPE和 PP改性沥青的T800极不规律,参考价值不大;在不同掺量下 HDPE和 PP改性沥青T1.2总是高于基质沥青,说明 HDPE和 PP使沥青低温时变得更脆,但其变脆程度随掺量的变化规律尚无法定论.

6)LDPE改性沥青的T800与T1.2都随掺量的增加而逐渐提高,证明LDPE掺入使沥青变硬,高温性能提高,低温性能下降,而且低温性能下降的程度要大于高温性能提高的程度.

如表 4所示,3种废旧塑料掺入沥青后呈现同样规律:即延度都随掺量增加而迅速下降,说明这 3种废旧塑料都降低了沥青的低温变形能力.

表4 不同掺量的废旧塑料改性中海 70#沥青 15℃延度的试验结果 cm

如表 5所示,3种废旧塑料改性沥青的软化点都随废旧塑料掺量的增加而提高,证明 3种废旧塑料都能够提高沥青的高温稳定性;LDPE和 HDPE对沥青高温稳定性的改善最大,在它们掺量小于 4%时沥青软化点提高较为缓慢,但掺量大于 4%后软化点提高迅速,掺量为 6%时可提高沥青软化点 20℃左右;相对于其他 2种,PP改性沥青的软化点提高均匀而缓慢,掺量每增加 1%,软化点提高 2～5℃左右.

表5 不同掺量废旧塑料改性中海 70#沥青后的软化点试验结果 ℃

2.2 混杂废旧塑料改性沥青可行性分析为便于使用,废旧塑料往往是经挤塑切粒后再用于改性沥青.根据复合材料学观点,共混材料性质可能在各原材料性质之间,也可能产生突变.因此,经挤塑的混杂废旧塑料改性沥青的性质也可能产生突变.笔者将前述3种塑料按多种比例熔融共混后改性沥青,又用废弃购物袋、编织袋、泡沫(树脂成分分别为 LDPE,PP,PS)按质量比m(LDPE)∶m(PP)∶m(PS)=1∶1∶1,m(LDPE)∶m(PP)∶m(PS)=5∶1∶1改性沥青,多次试验的结果表明,三大指标值均保持在各单一品种塑料改性沥青之间.廖利等人也曾得到类似的实验结果[15].因此,未经分类的混杂废旧塑料改性沥青的性能无突变.

由 2.1节实验结果可知:1)3种树脂改性沥青性能随掺量增加具有完全相同的变化规律:软化点逐渐提高而延度逐渐降低;2)LDPE与 HDPE在相同掺量下改性沥青的软化点、延度值差异很小;3)HDPE与PP改性沥青的 20℃针入度并不规律 (针入度试样散热较慢,针尖由试样上部扎入,其实验结果受试样离析影响很大),但总体上针入度随掺量增加而下降.

因此可证实:

1)3种树脂对沥青性能的影响规律相同,直接使用混杂回收塑料改性沥青是可行的;

2)不同树脂改性沥青只在几个性能指标的“量”上有所差异 (例如 HDPE容易导致离析,PP提高高温指标的效果较差),混杂塑料改性沥青应按其中各种树脂所占比例来预判这几个指标.

3 混合料性能研究

混合料研究选用了与沥青相容性最好的 LDPE作为改性剂,掺量 5%.按上节制备方法,将 LDPE改性沥青分多次制备至足够混合料试验用量后,集中在较大容器中混匀.在拌制混合料前的 2次加热过程中改性沥青有结皮现象,经人工再搅拌后结皮分散,但仍可见很多小颗粒.w=5%的 LDPE原指标为:25℃针入度 37(0.1 mm);15℃延度 13.6 cm;软化点 64.2℃,2次加热后应产生一定变化.中海 70#与改性沥青的击实温度分别为 145℃,165℃,对比试验结果如图 1所示.

对于同样级配,若击实温度选择合理 (保证基质沥青与改性沥青在同一粘度下击实),则两者体积指标不会有太大差异.由试验结果来看,LDPE改性沥青密度、饱和度较中海 70#低,而孔隙率、矿料间隙率偏高,可证明两者击实温度差异过小 (应降低中海 70#击实温度).即使在此结构不理想的情况下,混合料仍依靠 LDPE改性沥青的高黏度使稳定度提高 2 kN左右,证明 LDPE确实提高了混合料 60℃的抗变形能力.在油石比小于 5%的情况下,LDPE改性沥青混合料流值较低,证明 LDPE使混合料在小变形即发挥最大强度的能力提高,有益于提高抗车辙能力.

车辙试验结果显示 (见表 6):w=5%的 LDPE改性 90#的混合料的稳定度 (DS)均值比基质沥青约高3 500次·mm-1;w=5%的 LDPE改性 90#混合料各试件 DS差异较大,变异系数达 26%(基质沥青为7%).结果说明:废旧塑料改善了混合料的高温稳定性;离析致使改性沥青性能不稳定,直接影响到车辙试验结果的稳定性.虽然改性沥青 2次加热后经过人工搅拌再混匀,未见宏观离析,但可推断废旧塑料依旧结成小颗粒,其分布不均,致使每次制样用沥青性能不同.可以预见,若使用其他更难溶的废旧塑料品种将使试验结果离散性更大.

图1 马歇尔试验结果

表6 车辙试验结果 次·mm-1

4 结 论

1)LDPE,HDPE,PP均使沥青常温黏度、软化点、当量脆点提高,延度降低,感温性增强,LDPE能增强混合料抗车辙能力;

2)3种树脂改性沥青只在个别指标的“量”上有所差异,而影响规律相同,直接使用混杂回收塑料改性沥青在技术上是可行的.

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Performance ofWaste PlasticsModified Asphalt

LA I Zeng-cheng1,LIU Ke2,3,YANG Xi-wu2,YANGDa-tian2
(1.China Highway Engineering Consulting Group CompanyLTD,Beijing 100089,China;2.School of Civil Engineering&Architecture,Chongqing JiaotongUniversity,Chongqing 400074,China;3.Institute of Highway,Ministry of Transport,Beijing 100088,China)

The effects of the three main resin contained in the recycling plastics on the performance ofmodified asphaltwere compared,and the results indicated that with the increas of dosage,the asphalt viscosity at room temperature,softening point and equivalent crisp points were enhanced by low density polyethylene(LDPE),high density polyethylene(HDPE)and polypropylene(PP),and the ductilitywere reduced;the effectsofLDPE,HDPE on the high temperature performance were superior than that of PP,but HDPE easily lead to separation;modified asphaltwith blended resins had no performance mutation,the influence law of them were similar,there were differences of seldom index.Taken together,using unclassified mixed plastic formodifying asphaltwas feasible.

road engineering;modified asphalt;waste plastics;hotmix asphalt;modifier;rutting

U 416.217 < class="emphasis_bold">文献标志码:A

A

1004-1729(2010)04-0358-05

2010-03-23

赖增成 (1982-),男,广东湛江人,中国公路工程咨询集团有限公司工程师,硕士.