废胶粉与废塑料复合改性沥青混合料性能研究

姚文霞

废胶粉与废塑料复合改性沥青混合料性能研究

姚文霞

(长沙市公共工程建设中心，湖南 长沙 410000)

为研究废胶粉(WTR)与废塑料(EVA)复合改性沥青混合料的性能和最佳掺量，分别采用废胶粉掺量为5%、10%、15%与废塑料掺量为0%、4%、6%复配，制备5种复合改性沥青AC−13C混合料进行马歇尔试验、车辙试验、低温劈裂试验，研究改性沥青混合料的高低温性能。试验结果表明：废胶粉与废塑料均能有效改善基质沥青的高温性能，其中掺量为15%WTR+4%EVA复合改性沥青的改善效果最明显，其混合料具有最高动稳定度、最低流值、最佳高温性能。掺入废胶粉和废塑料，能有效改善沥青混合料的低温性能，15%WTR+6%EVA改性沥青混合料的低温劈裂强度为最大，较基质沥青提升了34.8%；15%WTR+4%EVA改性沥青混合料的低温劈裂强度稍低，较基质沥青提升了22.8%。综合改性沥青的高低温性能，15%WTR+4%EVA为复合改性沥青的最佳掺量。

WTR/EVA；复合改性沥青；沥青混合料；高低温性能

随着交通量和交通荷载等级不断增长，对沥青路面的性能要求越来越高。同时，因汽车的更新产生了大量的废旧轮胎，造成了严重的“黑色污染”。目前，中国每年会产生超过3.5亿条废旧轮胎，到2020年每年废旧轮胎的总量超过2 000吨，但废旧轮胎的回收率不足60%[1−3]。废旧轮胎除了回收，还可以通过热解等方式进行处理，降低其对环境的污染[4−5]。若将废旧轮胎应用于沥青改性，不仅可以提高沥青路面的性能，还能缓解废旧轮胎的污染问题。

废旧橡胶掺入到沥青中，对其进行改性，可以得到性能更为优异的橡胶改性沥青。有研究表明，橡胶改性沥青与基质沥青相比，其高温性能有显著提升[6−7]，但改性沥青中的橡胶颗粒易导致应力集中现象，进而使橡胶沥青在低温情况下容易开 裂[8−10]。而废塑料(ethylene-vinyl acetate，简称为EVA)的掺入，可以使沥青的低温柔韧性有很大的改善。EVA掺入沥青后，会形成类似于橡胶的稳定结构，有利于提升沥青在不同温度条件下的稳定性和沥青路面的低温抗裂性能[11−12]。

国内外对橡胶、EVA及不同的改性剂复合改性沥青已有大量研究，但是对于EVA和废胶粉(waste tire rubber，简称为WTR)2种聚合物同时掺入对沥青进行改性的研究较少。因此，作者拟研究2种废旧聚合物同时掺入的复合改性沥青混合料的性能，分析其最佳掺量，以期为废旧轮胎和废旧塑料在改性沥青中的应用提供借鉴。

1 原材料

1.1 矿料

本试验选择的矿粉和集料均产自湖南长沙云中再生科技紫荆厂。根据《公路工程集料试验规程(JTG E42—2005)》[13]规定，对该厂的集料进行指标试验，各项指标均符合规范要求，见表1。

1.2 改性剂

本试验WTR是国产80目废旧轮胎橡胶粉，其80目筛余量为7.6%，金属含量0.03%，丙酮抽取物含量8%，灰分含量为7.6%，橡胶烃含量为48%，碳黑含量30%，加热后损失量为0.5%。EVA全称为乙烯−醋酸乙烯共聚物，是一种通用高分子聚 合物，本试验采用4260类型的EVA，密度为0.96 g/cm3。

表1 各项技术指标

1.3 基质沥青

本试验选择宝利70#道路石油沥青为基质沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》[14]对常规指标进行了测试，结果见表2，均满足规范《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2017)》[15]的要求。

1.4 改性沥青

1.4.1 改性剂掺量

根据Yan[16]等人对WTR/EVA复配改性沥青的分析结果，本试验选用15%WTR为控制掺量与不同掺量的EVA复配及4%EVA为控制掺量复配不同掺量WTR，确定5%WTR+4%EVA(简称5%W+ 4%E)、10%W+4%E、15%W+4%E、15%W+ 0%E、15%W+6%E 5种复配掺量，研究WTR/EVA复合改性沥青的混合料性能。

1.4.2 改性沥青的制备

基于已有WTR改性沥青的相关研究，本试验将胶粉与废塑料复合改性沥青按照颜可珍[17]等人的专利方案进行搅拌制备。首先，基质沥青加热30 min至160 ℃呈流动状态，倒入搅拌杯中，搅拌杯的温度设定为170 ℃，同时，将沥青质量相应掺量的胶粉倒入搅拌杯中，以3 000 r/min的速度高速剪切10 min。然后将相应沥青质量的EVA掺量倒入搅拌杯中，再以相同的剪切速度进行高速剪切20 min，直至搅拌均匀。最后，使用低速搅拌机将搅拌均匀的沥青在相同温度下进行去气泡，并对复合改性沥青指标进行常规性能测试，其结果见表2。

由表2可知，随着 WTR和EVA的掺入，相比基质沥青，改性沥青的25 ℃针入度有不同程度的减小，软化点、135 ℃旋转黏度均有不同程度的提高。表明：WTR与EVA能有效提高沥青的高温性能。同时，5%W+4%E、10%W+4%E 2种复合改性沥青较基质沥青的5 ℃延度有较大提升，低温性能良好，其他3种掺量改性沥青的5 ℃延度均与基质沥青差别不大。WTR掺量为15%时，随着EVA掺量的增加，软化点和135 ℃旋转黏度呈增大趋势，但4%EVA掺量的改性沥青有最低的针入度和最大的5 ℃延度。表明：15%WTR+4%EVA对沥青高温性能具有最明显的提升效果，对低温性能也有良好的改善效果。

表2 基质沥青与复合改性常规性能指标

2 混合料配合比设计

2.1 矿料级配

本研究采用马歇尔试验方法进行AC−13C型密级配沥青混合料的配合比设计，矿料中粗集料、细集料、石屑、矿粉的比例分别为28%、18%、45%、9%，合成级配曲线如图1所示。

2.2 混合料最佳沥青用量

根据已有的橡胶沥青混合料研究，本试验在油石比为4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%中，选择5组沥青用量，确定最佳沥青用量。对马歇尔试件分别用表干法测定毛体积相对密度，通过计算得到不同沥青用量试件的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)、沥青饱和度(VFA)等体积指标，再通过马歇尔试验得到稳定度和流值。根据《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2017)》[15]规范中附录B的计算方法，得出基质沥青最佳用量为4.8%，其余改性沥青最佳沥青用量均为5.1%。

图1 AC−13C级配曲线

3 改性沥青混合料性能研究

3.1 改性沥青混合料高温性能

3.1.1 马歇尔稳定度

马歇尔稳定度试验操作方便、设备简单，被广泛应用为评价混合料在高温条件下的性能试验。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》[14]要求成型试件并进行试验，得到马歇尔稳定度值和流值，试验结果如图2、3所示，图中“I”为误差棒。

图2 稳定度试验结果

从图2、3中可以看出，改性沥青比基质沥青具有更高的稳定度及较低的流值，所有的混合料均满足马歇尔稳定度不小于8 kN、流值2～4 mm的要求。从图2中还可以看出，与5%W+4%E相比，10%W+4%E和15%W+4%E的稳定度分别增加了9.1%、23.3%，表明：WTR的加入能有效提高沥青的高温性能。15%W+4%E和15%W+6%E的稳定度与15%WTR单一改性沥青混合料对比，分别提升了17.6%和18.4%。因此，WTR和EVA的掺入，可以有效地提高沥青混合料的马歇尔稳定度，也表明了WTR和EVA对沥青混合料高温性能有良好改善效果。同时，6组沥青混合料的流值，均符合2～4 mm范围的要求，随着WTR和EVA掺量增加，改性沥青混合料的流值有所下降，15%W+4%E最低，表明：15%W+4%E复合改性沥青混合料具有最优高温性能。

图3 流值试验结果

马歇尔模数综合考虑了稳定度与流值2个指标，马歇尔模数值越大，高温性能越好。高温和相同荷载条件下，变形越小，高温抵抗变形能力越好。沥青混合料的马歇尔模数试验结果如图4所示。从图4中可以看出，改性沥青混合料比基质沥青混合料的马歇尔模数更高。同时，可以发现随着WTR掺量的增加，马歇尔模数值越大，表明：WTR有利于改善沥青混合料的高温抵抗变形能力。同样对比，发现EVA掺量的增加不仅利于改善沥青混合料的高温性能，而且与马歇尔稳定度结果相似，其中15%WTR与4%EVA复合配比掺量有最高的马歇尔模数值，进一步验证了该配比沥青混合料的高温性能最优。

图4 马歇尔模数试验结果

3.1.2 车辙试验

仅通过马歇尔稳定度和流值结果，不能准确地评估沥青混合料的高温性能。因此，本研究在该2种参数的基础上，测试沥青混合料的车辙动稳定度，进一步评估沥青混合料的高温性能。根据相关规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》[14]进行沥青混合料的车辙试验，试验结果动稳定度如图5所示。

图5 车辙试验结果

根据规范《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2017)》[15]对沥青路面车辙动稳定度的要求，改性沥青混合料的高温性能−车撤动稳定度()需要大于2 800次/mm，而未改性的仅需要大于1 000次/mm。从图5中可以看出，6组沥青混合料均达到了规范要求，改性沥青混合料与基质沥青相比，增幅均大于1倍。表明：WTR和EVA能很好地改善沥青混合料的高温性能。相比于5%W+4%E沥青混合料的高温性能，10W+4%E和15%W+4%E沥青混合料分别提高了37.5%和97.3%，这是因为胶粉的掺入使得沥青的黏度增大，其内部的黏结力和嵌挤力增大，从而使得沥青混合料在高温条件下有更好的稳定性[18]。同时，对比WTR单一改性的沥青混合料，可以发现同时掺入WTR和EVA的沥青混合料，动稳定度更高，但动稳定度值并不是随着EVA掺量的增加而增大。15%W+4%E沥青混合料有最大的动稳定度值。

3.2 改性沥青混合料低温性能

为更好地确定WTR/EVA是否为合适的改性剂，可提升沥青混合料的性能。采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》[14]的低温劈裂试验，分析其在低温条件下表面和内部抵抗裂缝的能力。测试的温度应满足−10 ℃±0.5 ℃的范围，试验试件为直径101.6 mm±0.2 mm、高63.5 mm±1.3 mm的圆柱形马歇尔试件，以1 mm/min的速度进行缓慢加载，混合料劈裂强度结果如图6所示。从图6中可以看出，与70#基质沥青混合料的低温劈裂强度相比，2种改性剂对沥青混合料的低温劈裂强度均有提升。从图6中还可以看出，随着EVA掺量的增加，低温劈裂强度也随之增加，这得益于EVA对沥青黏韧性的改善。其中，15%W+6%E沥青的低温劈裂强度最大，为2.83 MPa，较基质沥青提升了34.8%。15%WTR单一改性后的沥青低温延度，虽然略小于基质沥青，但是混合料低温劈裂强度相比基质沥青仍提升了10.5%。因此，混合料的低温劈裂强度除了与沥青的低温性能有关，还与沥青的黏度相关。表明：WTR和EVA均对沥青混合料的低温抗拉强度性能有相应改善，但EVA对沥青混合料的低温性能提高更显著。

图6 劈裂试验结果

4 结论

通过马歇尔试验、车辙试验、低温劈裂试验等研究了不同WTR以及EVA掺量的复合改性沥青混合料的高低温性能，得到结论：

1)与基质沥青相比，WTR和EVA的掺入，均使复合改性沥青的高温性能得到明显提升。其中，15%W+4%E复合改性沥青具有最小的针入度，高温性能改善效果最好。

2) EVA掺量不变时，随着WTR掺量的增大，改性沥青混合料的稳定度、动稳定度均逐渐减小，流值逐渐增大。WTR掺量为15%、EVA掺量为4%时，改性沥青混合料流值最小，动稳定度最大，高温性能最好。

3) 2种改性剂对沥青混合料的低温劈裂强度均有所提升。其中，15%W+6%E改性沥青混合料和15%W+4%E改性沥青混合料的低温劈裂强度与基质沥青相比，分别提升了34.8%和22.8%。综合最佳掺量为15%W+4%E。

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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，长沙市公共工程建设中心工程师。