废旧聚丙烯裂解物和工业油的改性沥青混合料强度形成机理研究

黄煌，牟存玉，陈怡宏，凌天清，陆亚，李传强

（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；2重庆交通大学 建筑与城市规划学院，重庆 400074）

0 引言

目前，塑料产品的应用领域较为广泛，我国每年都会产生大量的废旧塑料，实现废旧塑料的回收利用，变废为宝，对于实现资源的可持续发展意义重大[1]。近年来，回收废旧塑料在道路行业的应用研究日趋增多，由于废旧聚丙烯（PP）裂解物[2]含有大量的小分子物质，其特殊的理化性质可对沥青进行改性，从而作为温拌剂用于道路施工[3-4]。

本文通过马歇尔试验，针对废旧聚丙烯（PP）裂解物和工业油的改性沥青混合料的级配类型、沥青用量、击实功、击实温度和养生条件等对混合料的强度形成机理进行系统研究。

1 试验部分

1.1 原材料

利用粉碎机将回收废旧聚丙烯（PP）打磨成粉，通过专用的反应釜在高温密封条件下将其裂解得到裂解产物[5]，粉碎机打磨成粉备用；集料选用碎值小、棱角性好、针片状含量低、表面纹理好的石灰岩矿料；工业油为裂解橡胶油，沥青选用壳牌70#基质沥青。

1.2 温拌改性沥青的制备

将沥青加热至完全流动状态，按事先设计好的比例加入裂解橡胶油，人工搅拌10min，将温度升高至140℃左右加入聚丙烯（PP）裂解产物，采用高速剪切机在转速3000r/min的条件下搅拌60min，冷却至室温，制得温拌改性沥青。

1.3 选择级配

选用AC-13级配，并设计两种级配AC-13C型和AC-13F型，按照规程[3]进行筛分试验，级配如表1所示。

表1 AC-13集料级配设计表

针对两种设计级配，采用油石比为4%，每种级配制备4个马歇尔试件，确定试件的强度数据，得出最佳的设计级配。

1.4 配合比设计

根据1.3节得到的最佳设计级配，进行配合比设计，针对所选用的改性沥青和AC-13矿料级配，各设定5个沥青用量（3%、3.5%、4%、4.5%、5%），成型马歇尔试件，确定最佳沥青用量。

1.5 变温击实试验

研究不同的击实温度、击实次数对马歇尔试件的强度影响，从而得到试件的强度形成机理。试验采用马歇尔标准试验击实法，在最佳配合比条件下，设定5个不同的击实温度（70℃、80℃、90℃、100℃、110℃）和4个不同的击实次数（50次、75次、100次、150次），进行变温击实试验研究，以期模拟施工压实的和易性。

每组改性沥青混合料制作4个标准试件，待静置12h后脱模，测定其流值、稳定度等性能指标，并按照规范要求对测试结果进行取舍，最后从中选取3个有效的试验结果，取平均值作为最终结果。

1.6 养生温度

采用变温击实试验中得到试件的最佳击实温度和击实次数，制作8个马歇尔试件，为了研究养生温度对其强度的影响规律，制备试件时，击实次数减少25次，制备好的试件不脱模，将其中4个试件在60℃烘箱中养生24h，另外4个试件在110℃烘箱中养生24h，然后取出，每个试件双面补击25次，待12h脱模测定其稳定度和流值。

1.7 养生龄期

采用变温击实试验中得到试件的最佳击实温度和击实次数，制备16个马歇尔试件，待12h后脱模置于室温条件下，保持干燥通风，然后每隔一周测定4个试件的强度，观测28d室温环境下其强度形成规律。

2 结果分析

2.1 设计级配

对于两种设计级配AC-13C和AC-13F，沥青用量为4%，击实次数均为双面击实75次，击实温度为110℃，每组4个马歇尔试件，待试件脱模后，在60℃水浴30min，测量其稳定度和流值，取平均得到AC-13C和AC-13F型沥青混合料稳定度和流值，如图1所示。

图1 两种级配的稳定度和流值

对于AC-13C和AC-13F两种设计级配，其稳定度相差很小，流值差距稍大，根据规范的有关规定：对于夏炎热区和重载交通条件，流值要求为1.5～4mm，虽然两种级配都不满足规范要求，但是AC-13C设计级配更接近于规范值，故矿料级配选用AC-13C设计级配。

2.2 配合比设计

按照1.4中的设计配合比，击实温度为110℃，击实次数为双面击实75次，每组制作4个标准马歇尔试件，按照规程《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTGE20-2011》T0607-2011和T0711-2011方法测定并计算沥青混合料的理论最大相对密度、毛体积相对密度、空隙率、间隙率、沥青饱和度（VFA)。之后用马歇尔稳定度测试仪测定其稳定度和流值，测定数据如表2所示。

表2 理论最大相对密度、毛体积相对密度、空隙率、间隙率、沥青饱和度

由表2计算试件对应毛体积密度的最大值的沥青用量a1=4.5%，稳定度最大值的沥青用量a2=3.6%，对应于目标空隙率的沥青用量a3=3.5%。根据规范的有关规定，按密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率中值、饱和度中值确定的最佳沥青用量OAC1=(a1+a2+a3)/3=3.8%。 同时，按规范（JTG F40-2004）各指标均符合技术标准的要求，确定沥青用量范围为OACmin=3.0%和OACmax=4.5%，此时最佳沥青用量OAC2=(3.0%+4.5%)/2=3.75%。所以沥青的最佳用量AC=(OAC1+OAC2)/2=3.8%，沥青的用量和稳定度的关系如图2所示。

图2 稳定度与沥青用量的关系

如图2所示，马歇尔稳定度随沥青用量的增加先上升后下降，当沥青的用量为3.5%左右时达到最大。分析其原因，随着沥青用量逐渐增加，沥青较为充分地裹覆于集料表面，故稳定度变大，最佳沥青用量时，集料表面的结构沥青发挥到最大作用，稳定度达到最大，之后随着沥青用量的继续增加，骨料之间的自由沥青增多，稳定度逐渐减小。

2.3 变温击实试验

由配合比设计得到最佳的沥青用量为3.8%，击实次数分别为双面50次、75次、100次、150次， 击实温度为110℃、100℃、90℃、80℃、70℃，进行击实试验。得到稳定度和击实次数关系，如表3所示。

表3 稳定度与各击实条件的关系

由表3分析得，随着击实次数的增长稳定度逐渐增大，当击实次数从50次增加到75次时，其强度增长最快，75次到150次强度增长速率明显降低，故选用的击实次数为75次；在各个温度条件下，满足施工规范的最低温度为90℃，故击实次数75次，温度90℃，效果最佳。

2.4 养生温度

根据1.6中所述，设定两个养生温度60℃和110℃，在烘箱中养生24h，研究养生对试件强度形成的影响，试验结果如表4所示。

由实验得到的数据可以看出，试件养生对强度的形成有一定的影响，没有通过养生的试件的马歇尔稳定度明显低于养生的试件，而在110℃下养生的试件的强度高于60℃养生的试件，且有较大的强度。

2.5 养生龄期

根据1.7中试验条件，制备16个马歇尔试件，脱模后放在室温条件下养生，保持干燥通风；每隔一周观察其强度，持续一个月，试件稳定度与养生龄期的关系见表5所示。

表5 稳定度与养生龄期的关系

分析表5得，放置在室温条件下的马歇尔试件，随着时间增长，其强度逐渐增强，主要原因是，放置在室温条件下，随着时间增长，改性沥青混合料中的有机助剂逐渐挥发，混合料中沥青粘度逐渐增大，胶结料的粘结力不断增大，其强度随时间渐渐增长，能够满足车辆通行所需的强度。

3 混合料强度形成机理分析

对于密实悬浮结构的AC型混合料而言，混合料的结构强度主要取决于沥青与矿料之间的粘结力。影响混合料沥青与矿料之间粘结力的因素较多，主要有矿料的级配类型、沥青用量、击实功、击实温度、养生龄期等。

在该试验研究中，击实温度和养生龄期对于PP裂解产物和工业油改性沥青AC-13C混合料粘结力大小影响较大。在击实过程中，高温会使得沥青的粘滞度降低，沥青混合料的粘聚力也随之降低，加之改性剂中的有机小分子的润滑作用，使得击实后强度有所下降。

由2.5节养生龄期的研究可以看出，随着养生龄期的增大，PP裂解产物和工业油改性沥青AC-13C混合料的强度逐渐增大，这是由于在混合料的强度形成过程中，粘结力存在一个变化过程，混合料中的有机溶剂（工业油）不断挥发，沥青逐渐变稠，与集料粘结更紧密，使集料颗粒间的分布逐渐紧密，强度迅速增长，经历一段时间后，当有机溶剂基本挥发完后，强度才最终形成。

因此基于PP裂解物和工业油的改性沥青混合料的强度形成的规律是以抛物线形式呈现，先增强后减落。

4 结语

通过马歇尔试验，测定了基于PP裂解物和工业油的改性沥青混合料的马歇尔试件的稳定度和流值，分析其稳定度的变化规律，研究PP裂解产物和工业油改性沥青混合料的强度形成机理及强度形成的影响因素，得到以下结论：在AC-13C设计级配下，最佳的沥青用量为3.8%；设计变温击实实验，为保证试件有较高的稳定度且有较小的击实温度和击实次数，最后选用击实温度为90℃，双面击实次数75次；试件养生可以提高试件的马歇尔稳定度，110℃下养生有更高的稳定度；随着养生龄期的增长，试件的马歇尔稳定度逐渐增强。

与热拌沥青混合料相比，PP裂解产物和工业油改性沥青混合料的压实温度 （普通热拌沥青混合料压实温度一般为120℃，该试验为90℃）明显降低，能够减少混合料的加热燃料，节约资源；同时，能够减少施工过程中有害气体的排放量，具有一定的经济效益与环境效益。