高性能废旧塑料改性沥青混合料性能分析

■彭哲聪

（武夷山市交通事业发展中心，武夷山 354300）

我国公路建设事业发展迅速，截至2022 年底，全国公路通车总里程达535 万km[1]，公路交通呈现出大荷载、高流量等特点。 因此，对公路沥青路面的路用性能有了更高的要求，需要沥青路面具备更好的高温抗车辙、低温抗开裂等路用性能，以延长沥青路面服役寿命，减少养护成本，保证车辆的行车安全，而采用改性沥青是最为有效的方法之一。 塑料工业作为我国支柱产业之一，其消耗量大，产量大，每年都有大量塑料遭到废弃。 目前我国主要采用填埋和焚烧2 种方法对废旧塑料进行处理，这2 种方法不仅更容易造成土地和地下水污染，同时也会因为焚烧时产生的有毒气体对环境造成极大的危害[2]。 对废弃塑料进行回收再利用，是解决废旧塑料环境污染问题重要途径之一。 由于塑料中的某些组分能够显著提高沥青的弹性， 有效改善沥青的性能，且废旧塑料来源广泛、价格低廉，将其制备成沥青改性剂能有效降低成本，从而取代价格昂贵的传统高性能改性剂，具有良好的经济效益与应用前景。

1 原材料

1.1 基质沥青

试验基质沥青选用了福建省常用70# 道路石油沥青，其技术指标检测结果如表1 所示。

表1 70# 基质沥青主要技术指标

1.2 废旧塑料

废旧塑料具有很多种类， 常见的废旧塑料包括聚乙烯、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、聚丙烯产量大，易获取，且加工温度与沥青生产相近，均能有效改善沥青性能[3]，因此本研究所用废旧塑料类型选择聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。因这2 种废旧塑料大分子链的结构特性与沥青有较大差异，采用湿法将废旧塑料和沥青混合制备的改性沥青容易产生离析，造成改性沥青性能不均，表面产生结皮[4-5]。 因此需将PP、PE 分别在不同温度下进行高温裂化， 破坏其大分子结构，而后加入稳定剂后待降温冷却进行粉碎造粒，再按一定比例进行混合，即可得到废旧塑料改性剂。

1.3 SBS 改性剂

为验证该种废旧塑料改性剂的改性效果，将制备SBS 改性沥青与该种废旧塑料改性沥青进行对比分析。本文试验所用SBS 改性剂为中国石化生产的YH-791H 型SBS 改性剂。

2 试验方案

2.1 改性沥青制备

将废旧塑料改性剂加到基质沥青中以湿法制备废旧塑料改性沥青，掺加比例为沥青质量的4.5%、5.5%、6.5%，制备过程如下：将基质沥青放入烘箱中在135℃的温度下加热25 min， 再将废旧塑料按照不同掺量加入沥青高速剪切仪，在175℃、转速1000 r/min的条件下高速剪切约20 min，最后再放入烘箱中在75℃的条件下溶胀25 min，待二者充分融合即制备完成废旧塑料改性沥青。

根据相关研究，选用的该种SBS 改性剂最佳掺量为4.5%，因此将4.5%的沥青质量比例的SBS 改性剂加到基质沥青中制备得到SBS 改性沥青，制备过程具体如下：将基质沥青放入烘箱中在135℃的温度下加热25 min，再将SBS 改性剂按照4.5%的掺量加入沥青高速剪切仪在180℃、 转速5000 r/min 的条件下高速剪切约40 min，最后再放入烘箱中在75℃的条件下溶胀160 min，即制备完成SBS 改性沥青。

2 种改性沥青的检测结果如表2 所示。

根据表2 沥青技术指标数据的对比分析可知，SBS 改性剂和废旧塑料改性剂对基质沥青的改性效果明显。 改性剂掺量相同时，废旧塑料改性沥青的针入度较SBS 改性沥青无明显差别，延度略高于SBS 改性沥青，软化点略低于SBS 改性沥青。 当废旧塑料改性剂掺量达到6.5%后， 其三大指标参数与SBS 改性沥青差别不大。

但废旧塑料改性沥青即使经过处理，其贮存稳定性仍较差，当掺量达到6.5%时，其贮存稳定性已与离析指标限定值相同。 因此废旧塑料改性沥青采用高改性剂掺量时需要重点改善其贮存稳定性。 同时在实际应用时需加强对废旧塑料改性沥青稳定性的监控，既要防止因离析造成的性能不均对沥青路面的施工均质化产生影响，又要防止在存储和运输过程中因离析造成设备的堵塞从而影响生产与施工。

2.2 沥青混合料级配设计

沥青混合料级配采用AC-13 型级配，级配设计如下： 通过筛孔16、13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm 的质量百分率分别为100%、98.0%、72.1%、46.0%、31.4%、20.5%、12.5%、9.7%、7.6%、6.0%。 结果可知，70# 基质沥青混合料最佳油石比为5.3%， 废旧塑料改性沥青混合料和SBS 改性沥青混合料最佳油石比为5.5%。

3 废旧塑料改性沥青混合料路用性能研究

3.1 高温稳定性

车辙是沥青路面最常见的病害之一，沥青混合料的高温稳定性主要体现在抗车辙性能，因此采用车辙试验测量沥青混合料的动稳定度，以评价沥青混合料的抗变形能力。每种类型沥青混合料制备2 个混合料车辙板，尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，共计10 块车辙板。 车辙试验结果如图1 所示。

图1 车辙试验结果

由试验结果可知：（1）4.5%SBS 改性沥青混合料具有良好的高温稳定性，其动稳定度增长明显，相较70#基质沥青混合料增长了308.2%，废旧塑料改性沥青混合料高温稳定性稍次于SBS 改性沥青混合料，和70#基质沥青混合料相比，4.5%、5.5%、6.5%废旧塑料改性沥青动稳定度分别增长了206.2%、232.7%和297.7%， 当掺量达到6.5%后废旧塑料改性沥青混合料高温稳定性已与SBS 改性沥青相近。 （2）随着该种旧塑料改性剂掺量的提升，废旧塑料改性沥青混合料的高温稳定性也逐步提升，这是因为废旧塑料模量较高，有效增强了抗车辙性能。 当废旧塑料改性剂掺量达到6.5%时，其动稳定度得到显著提升，与SBS 改性沥青混合料基本相同。 这可能是因为随着废旧塑料改性剂掺量的提升，达到拐点后PE 逐渐形成网络结构，黏度增大，模量进一步提高，增强了沥青混合料抵抗外荷的能力。

3.2 低温抗裂性

沥青混合料的低温抗裂性主要体现在低温环境下抵抗收缩变形的能力。 在低温环境下温度下降产生的收缩应力超过了沥青混合料抵抗收缩变形的能力，就会产生收缩裂缝，裂缝的出现使得沥青路面的使用寿命大幅缩短，影响行车安全，同时也增加了沥青路面的维护成本。 采用低温小梁弯曲试验研究改性沥青混合料的低温抗裂性。 每种类型沥青混合料制备混合料车辙板， 切割成尺长×宽×高＝250 mm×30 mm×35 mm 尺寸的低温弯曲试验小梁。低温小梁弯曲试验结果如图2 所示。

图2 低温弯曲小梁试验结果

由试验结果可知：（1）相较70#基质沥青混合料，SBS 改性沥青能显著提升沥青混合料的小梁抗弯拉强度，SBS 改性沥青的抗弯拉强度较70# 基质沥青混合料增加了50.6%。 随着废旧塑料改性剂掺量的提升，废旧塑料改性沥青混合料小梁的抗弯拉强度分别增加了14.7%、24.1%、19.5%，呈现先增长后降低的趋势，在5.5%废旧塑料改性剂掺量时最强，随后减弱。 （2）该种废旧塑料改性沥青混合料低温抗裂性在废旧塑料改性剂掺量达到拐点后降低可能是因为低温环境下废旧塑料黏性减弱，高掺量废旧塑料受影响较大，从而导致废旧塑料改性沥青低温抗裂改善效果降低。

3.3 水稳定性

沥青混合料的水稳定性主要体现在抗水损害能力，沥青路面早期病害出现最为主要的原因之一就是水损害。 采用冻融劈裂试验研究改性沥青混合料的水稳定性，冻融劈裂试验结果如图3 所示。 由试验结果可知：（1）相较70# 基质沥青混合料，SBS改性沥青混合料残留强度比和废旧塑料改性沥青混合料残留强度比均提升，但废旧塑料改性沥青混合料水稳定性提升程度有限。 （2）该种废旧塑料改性沥青混合料水稳定性弱于SBS 改性沥青混合料，这是因为PP 和PE 的掺入改变了沥青体系的吸附特性，与集料之间的黏附性能弱于SBS 改性沥青，因此经过冻融循环后集料之间的黏附性能降低，造成废旧塑料改性沥青混合料的水稳定性较弱。

图3 冻融劈裂试验结果

4 结论

（1）该种经裂化后制备的废旧塑料改性剂能有效提升基质沥青的各项技术指标，高掺量废旧塑料改性沥青的针入度、软化点、延度三大基本性能指标与最佳掺量下的SBS 改性沥青相近。但是当废旧塑料改性沥青中改性剂掺量较高时贮存稳定性较差，在实际工程应用时需要增强其稳定性并加强对贮存稳定性的监控。 （2）该种废旧塑料改性剂可显著提升沥青混合料的高温稳定性，沥青混合料的低温稳定性得到一定程度的提升，但是对水稳定性改善效果有限。 （3）试验结果显示，虽然该种废旧塑料改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性均随着废旧塑料改性剂掺量的增加而提升，但掺量达到6.5%之后提升效果明显减弱。 同时低温稳定性在随改性剂掺量的增加时，呈先增加后降低的趋势，在5.5%掺量时达到峰值。 因此废旧塑料改性剂在实际应用时应谨慎选择其掺量。