生活废旧塑料改性沥青的性能研究

杨锡武，刘 克，冯 梅

（重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

一般（生活）废旧塑料包括废旧的塑料盆、桶、凳子、玩具及各种包装塑料和塑料袋、农膜等.目前这些废旧塑料已得到一定量的回收再利用，但仍然有相当一部分的废旧塑料不能得到回收再利用，它们或被抛弃或被填埋、焚烧，造成了环境污染和资源浪费，因此废旧塑料的回收再利用仍然是一个重要的环保课题.用废旧塑料改性沥青在国内已有了一定的研究［1－10］.根据废旧塑料的熔点及普通沥青路面施工的沥青加热温度，在170℃条件下，废旧塑料可以完全融化混容在沥青中，因此把废旧塑料直接投入到加热的沥青中融化混容是采用废旧塑料对沥青进行改性的一种简单方法，这种方法目前也是废旧塑料改性沥青所采用的基本方法.然而，由于沥青分子与塑料分子的结构差异很大，两者往往不能很好地相容，当改性沥青存储温度稍微降低或停止外力搅拌时，塑料分子就会快速聚合，在沥青表面离析结皮.在实际工程中，沥青与塑料的相容性差不但会影响改性沥青混合料的性能，而且会堵塞改性沥青生产、运输和存储设备管道，影响生产设备的运行和应用，因此沥青与塑料相容性的好坏已成为影响废旧塑料改性沥青在工程中推广应用的重要因素.有鉴于此，本文提出了新型废旧塑料改性剂（Ⅱ型废旧塑料改性剂）制作方法，即：先在250℃左右条件下将由造粒工艺制作的废旧塑料颗粒（Ⅰ型废旧塑料改性剂）加热融化成液体，再加入稳定剂并搅拌均匀，然后自然冷却，制成Ⅱ型废旧塑料改性剂.将Ⅰ，Ⅱ型废旧塑料改性剂分别掺入沥青中，制得Ⅰ型废旧塑料改性沥青和Ⅱ型废旧塑料改性沥青，然后对比2种废旧塑料改性沥青的离析情况及有关性能，以为解决沥青与塑料的相容性问题提供有效途径.

1 废旧塑料主要成分及废旧塑料改性剂制作工艺

废旧塑料主要成分及废旧塑料改性剂制作工艺如表1所示.

表1 废旧塑料主要成分及废旧塑料改性剂制作工艺Table 1 Main components of waste plastics and production processes of waste plastic modifiers

2 废旧塑料改性沥青存储稳定性

基质沥青采用荗名90＃沥青和中海油70＃沥青.基质沥青常规性能见表2.

表2 基质沥青常规性能Table 2 Conventional performances of matrix asphalts

在JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中，对PE类改性沥青的存储稳定性要求是改性沥青表面没有明显的改性剂析出和凝聚，但试验表明，采用废旧塑料直接与沥青融化混容的改性方法将不可避免地会出现塑料的聚合与离析.为此本研究采用SBS改性沥青的存储稳定性试验与评价指标对Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青的存储稳定性进行了研究对比，结果如表3，4所示.表3，4中，ts为改性沥青试样上部软化点；tx为改性沥青试样下部软化点；Δt为改性沥青试样上、下部软化点差值绝对值，Δt＝｜ts－tx｜.

表3 Ⅰ型废旧塑料改性沥青存储稳定性试验结果Table 3 Storage stability test results of typeⅠwaste plastic modified asphalt

由表3，4可以看出：

（1）Ⅰ－A，Ⅰ－B 废旧塑料改性沥青存储稳定性很差，将改性沥青试样静置于空气中自然冷却，塑料改性剂很快聚合析出，试样上、下部软化点差值远大于JTG F 40—2004规范对SBS改性沥青的离析控制要求，即：试样上、下部软化点差值不得大于2.5℃.

（2）Ⅱ－A，Ⅱ－B 废旧塑料改性沥青存储稳定性好，在165℃的烘箱中加热离析8h或48h，改性剂掺量（质量分数）从6%增加到8%，改性沥青试样表面光滑，未出现分层现象，试样上、下部软化点差值都小于2.5 ℃，完全满足JTG F 40—2004 规范对SBS改性沥青的离析控制要求.

表4 Ⅱ型废旧塑料改性沥青存储稳定性试验结果Table 4 Storage stability test results of typeⅡwaste plastic modified asphalt

（3）在改性剂掺量相同条件下，A，B 两种废旧塑料改性沥青的离析没有明显差别，基质沥青标号对废旧塑料改性沥青的离析也没有显著影响.

上述试验结果表明，要使废旧塑料改性沥青的存储稳定性满足工程应用要求，应采用Ⅱ型废旧塑料改性剂改性沥青.本次研制的Ⅱ型废旧塑料改性剂解决了废旧塑料改性沥青的存储稳定性问题.

3 废旧塑料改性沥青的性能

3.1 常规性能

Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青的常规性能见表5；Ⅱ－B废旧塑料改性沥青与SBS改性沥青常规性能对比见表6，基质沥青均采用中海油70＃沥青.

由表5，6可以看出：

表5 Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青常规性能Table 5 Conventional performances of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalts

表6 Ⅱ－B废旧塑料改性沥青与SBS改性沥青常规性能对比Table 6 Comparisons of conventional performances ofⅡ－B waste plastic modified asphalt and SBS modified asphalt

（1）在6%改性剂掺量的条件下，B类废旧塑料改性剂对沥青软化点的改善效果好于A 类废旧塑料改性剂.因此采用废旧塑料改性沥青时，若是以软化点为改性指标，则应尽量采用B类废旧塑料改性剂.

（2）Ⅰ型废旧塑料改性沥青的针入度和延度均低于Ⅱ型废旧塑料改性沥青，这主要是由于Ⅰ型废旧塑料改性沥青中改性剂分散不均匀，改性沥青的均匀性差所致.

（3）在改性剂掺量同为4%或5%的条件下，Ⅱ－B 废旧塑料改性沥青的软化点略低于SBS 改性沥青.

3.2 低温性能

在冰冻地区的沥青混合料路面设计时必须考虑沥青路面的低温稳定性.在JTG F 40—2004 规范中，仅提出了SBS改性沥青在5℃条件下的延度指标，而对PE 类和PP 类改性沥青则未提出相关要求.本研究采用小梁弯曲蠕变试验（BBR）研究了废旧塑料改性沥青（基质沥青为中海油70＃沥青）的低温性能，结果见表7.

由表7可以看出：

（1）Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青的劲度模量基本高于基质沥青，蠕变速率（m）基本低于基质沥青，表明Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性剂的添加使沥青的劲度模量变大，蠕变速率减小，应力松弛性能变差，低温性能降低.

（2）相同改性剂掺量条件下，Ⅱ型废旧塑料改性沥青的蠕变速率大于Ⅰ型废旧塑料改性沥青，劲度模量小于Ⅰ型废旧塑料改性沥青，表明Ⅱ型废旧塑料改性沥青的低温性能好于Ⅰ型废旧塑料改性沥青，这进一步证明Ⅱ型废旧塑料改性沥青不但不离析，而且其低温性能好于Ⅰ型废旧塑料改性沥青.

表7 Ⅰ型与Ⅱ型废旧塑料改性沥青的低温性能Table 7 Low－temperature performances of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalts

4 废旧塑料改性沥青混合料的性能

4.1 原材料

基质沥青采用中海油70＃沥青，Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性剂掺量均为6%.集料为石质坚硬、清洁、不含风化颗粒的石灰岩，矿粉为重庆石灰岩经过磨细得到的矿粉.集料和矿粉性能符合JTJ 058—2000《公路工程集料试验规程》要求.集料级配采用AC－13Ⅰ型级配.

4.2 马歇尔试验结果

Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青混合料的马歇尔试验结果见表8.

表8 Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青混合料的马歇尔试验结果Table 8 Marshall test results of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalt mixtures

由表8可以看出：

（1）Ⅱ型废旧塑料改性沥青混合料的马歇尔稳定度最大可达17.17kN，Ⅰ型废旧塑料改性沥青混合料马歇尔稳定度最大可达16.92kN.Ⅱ型废旧塑料改性沥青混合料马歇尔稳定度总体上好于Ⅰ型废旧塑料改性沥青混合料.

（2）Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青混合料流值总体上与基质沥青相近，表明Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性剂并未使沥青混合料的柔性降低.

4.3 高温稳定性

Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青混合料动稳定度试验结果见表9.

由表9可以看出：

（1）Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性剂都可以显著提高沥青混合料的高温稳定性，但不同类型废旧塑料改性剂提高的效果不同.

表9 Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青混合料动稳定度试验结果Table 9 Dynamic stability test results of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalt mixtures

（2）废旧塑料改性沥青混合料的动稳定度随着改性剂掺量的增加而增加，但提高幅度有限.为使废旧塑料改性沥青混合料具有良好的高温稳定性和合理的性价比，废旧塑料改性剂最佳掺量应不大于6%.

5 废旧塑料改性沥青机理研究

5.1 废旧塑料改性剂的红外光谱分析

成分复杂是废旧塑料改性剂的特点.为确定Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性剂的主要成分和加稳定剂处理后废旧塑料微观结构的变化，本研究对Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性剂进行了红外光谱分析，结果分别见图1（a），（b）.

由图1（a）可见，Ⅰ－A 废旧塑料改性剂红外光谱图的峰位与聚乙烯（PE）的峰位极为相似，可以判定Ⅰ－A 废旧塑料改性剂的主要成分为聚乙烯（PE）.

由图1（a）还可见，与Ⅰ－A 废旧塑料改性剂红外光谱图相比，Ⅱ－A 废旧塑料改性剂红外谱图在3 454.46cm－1处多了1个O—H 伸缩振动吸收峰，这说明Ⅱ－A 废旧塑料改性剂中含有—OH 基团.

由图1（b）可见，Ⅰ－B废旧塑料改性剂红外光谱图的峰位与聚丙烯（PP）的峰位极为相似，可以推断Ⅰ－B废旧塑料改性剂的主要成分为聚丙烯（PP）.

由图1（b）还可见，与Ⅰ－B废旧塑料改性剂红外光谱图相比，Ⅱ－B 废旧塑料改性剂红外光谱图在3 453.50cm－1处多了1个O—H 伸缩振动吸收峰，说明Ⅱ－B 废旧塑料改性剂中含有—OH 基团.另外，Ⅱ－B 废旧塑料改性剂红外光谱图在1 799.01，1 720.51，1 649.48cm－1处有3个吸收峰.表明Ⅱ－B废旧塑料改性剂中形成了更多的C═ O 结构或C ═O…HO—C结构（烯醇式结构）.因此，加稳定剂处理的Ⅱ－B废旧塑料改性剂较Ⅰ－B 废旧塑料改性剂形成了更多的双键结构，分子链长缩短，支链增多.同样，与Ⅰ－A 废旧塑料改性剂相比，Ⅱ－A 废旧塑料改性剂双键结构明显增多，分子链长变短，支链增多（见图1（a））.

图1 Ⅰ型与Ⅱ型废旧塑料改性剂的红外光谱图Fig.1 Infrared spectra of typeⅠand typeⅡwaste plastic modifiers

5.2 废旧塑料改性沥青的红外光谱分析

图2为Ⅰ型和Ⅱ型废旧塑料改性沥青的红外光谱图.基质沥青为中海油70＃沥青，改性剂掺量为6%.

由图2（a），（b）可以看出，Ⅰ－A，Ⅰ－B 和Ⅱ－A，Ⅱ－B废旧塑料改性沥青的红外光谱图与基质沥青没有明显区别，改性后的沥青中没有出现与基质沥青不同的红外吸收峰，说明改性沥青中没有生成与基质沥青不同的官能团，Ⅰ－A，Ⅰ－B 和Ⅱ－A，Ⅱ－B废旧塑料改性剂并没有与沥青发生明显的化学反应，Ⅰ和Ⅱ型废旧塑料改性沥青以物理改性为主，通过各相间的物理作用实现对沥青的改性.但由于Ⅱ型废旧塑料改性剂的分子链长度缩短，分子聚合能力下降而均匀分布在沥青中，使Ⅱ型废旧塑料改性沥青具有较好的存储稳定性.

图2 Ⅰ型与Ⅱ型废旧塑料改性沥青的红外光谱图Fig.2 Infrared spectra of typeⅠand typeⅡwaste plastic modified asphalts

6 废旧塑料改性沥青的试验路应用

目前Ⅱ型废旧塑料改性剂已从实验室走向工厂化生产.表10是由重庆市公路质检站对Ⅱ－B 废旧塑料改性沥青常规性能的测试结果，其中基质沥青为中海油70＃沥青，废旧塑料改性剂掺量为5%.

表10 Ⅱ－B废旧塑料改性沥青常规性能测试结果Table 10 Conventional performance test results ofⅡ－B waste plastic modified asphalt

为验证Ⅱ型废旧塑料改性剂的现场应用效果，在重庆南川铺筑了Ⅱ－B 废旧塑料改性沥青路面1 km，路面结构为：4cm AC－13废旧塑料改性沥青混合料＋5cm AC－16普通沥青混合料＋20cm 水泥稳定碎石.Ⅱ－B废旧塑料改性沥青采用SBS改性沥青设备制作，即先在溶胀罐里将Ⅱ－B 废旧塑料改性剂与基质沥青在180℃条件下溶胀15min左右，然后剪切2遍，再打入储存罐存储，最后再运到沥青混合料拌和厂的沥青罐中存储备用.试验路应用结果表明，Ⅱ－B废旧塑料改性沥青施工工艺与SBS改性沥青相同，溶胀、存储和运输过程中未产生离析现象，改性剂分散均匀，改性沥青性能稳定.目前该试验路路面使用状况良好.

7 结论

（1）通过加热和添加稳定剂的工艺制作了Ⅱ型废旧塑料改性剂.

（2）Ⅱ型废旧塑料改性沥青存储稳定性好，满足JTG F 40—2004规范中有关改性沥青试样上、下部软化点差值应不大于2.5℃的离析控制要求，软化点可达60℃以上，解决了废旧塑料改性沥青存储稳定性差影响沥青性能与施工的问题，同时改性沥青混合料具有良好的高温稳定性能，因此，采用Ⅱ型废旧塑料改性剂改性沥青既便于改性沥青的生产应用，又可以提高沥青路面性能.

（3）与Ⅰ型废旧塑料改性剂相比，Ⅱ型废旧塑料改性剂分子链长度缩短，支链增多，双键结构增加，且分子中含有—OH 基团，因此Ⅱ型废旧塑料改性剂聚合力下降，能均匀分布在沥青中，使得Ⅱ型废旧塑料改性沥青具有较好的存储稳定性.废旧塑料改性沥青属于物理改性.

（4）Ⅱ－B废旧塑料改性沥青施工工艺与SBS改性沥青相同，存储、运输过程中不产生离析，混合料路面使用状况良好，可用于路面表面层或下面层.

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