废弃PET/SBR复合改性沥青的流变及老化性能研究

戴林

摘要：为评价废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）与丁苯橡胶（SBR）对沥青流变与老化性能的影响，文章通过在不同掺量下制备PET/SBR复合改性沥青（PRA），采用常规试验、高低温流变试验、老化试验和相容性试验等，对PRA在不同温度和老化水平下的流变性能进行研究。结果表明：PET和SBR均能改善PRA的高温稳定性和低温抗裂性，且PRA的性能优于单一改性沥青；PET掺量的增加不利于改性剂与沥青的相容性，而SBR的添加有利于改善PRA的相分离现象；PET和SBR的复合改性显著提高了PRA的抗老化性能，不同老化程度下，S值老化因子与R值老化因子的线性相关性很高。

关键词：道路工程；改性沥青；聚对苯二甲酸乙二醇酯；丁苯橡胶；流变性能；老化性能

中图分类号：U416.03   文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0058-04

0 引言

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种热塑树脂材料，因其具有优异的密封性、防水性和抗裂性，因此被大规模用于塑料瓶的制备［1-2］。然而一次性塑料瓶的使用寿命非常短，且分解速度很慢，同时，PET的积累还会产生大量有机污染物，对生态环境和人体健康产生负面影响［3-4］。目前，废弃PET的再利用包括物理回收和化学回收，化学回收的优势在于将PET制备成其他工业增值材料，并减少填埋处理PET的占地面积，而PET的化学回收率仍然较低。因此，已有研究将废弃PET作为沥青路面材料，研究表明PET可以改善沥青的高温性能，但其低温性能与相容性还有待进一步提升［5-6］。丁苯橡胶（SBR）是最早工业化的橡胶材料，在二战前由德国开发，并在美国广泛使用以取代天然橡胶。已有研究结果表明，SBR的添加有利于改善沥青的温度敏感性，尤其是沥青的低温流变性能［7-8］。因此，为促进废弃塑料的有效回收利用，并提高沥青的路用性能，选择废弃PET与SBR共混制备PET/SBR复合改性沥青（PRA）。通过常规性能试验、流变学表征和老化性能评价，对PRA的高温、低温和老化性能进行评价。本研究旨在提高废弃PET塑料的回收率，立足“双碳”的战略需求，促进沥青路面的绿色低碳建造。

1 试验材料与方案

1.1 原材料

选择70#道路石油沥青作为基质沥青，其主要性能指标如表1所示。SBR胶粉由天津某橡塑公司提供，其性能指标见表2。废弃PET材料由湖南某塑料公司提供，制备流程为回收废弃水瓶后清洗并干燥，然后切割成小块，通过化学转化制备出苯酰胺衍生物的残留物，作为本次试验所用的废弃PET改性剂。

1.2 改性沥青制备

废弃PET按沥青质量的1%和2%，SBR按沥青质量的3%、4%和5%，定量添加到基质沥青中。PRA的制备过程为将道路石油沥青在160 ℃的加热条件下至熔融态；将定量的PET粉末掺入热沥青中，采用高速剪切仪进行搅拌、剪切，剪切速率、剪切温度和剪切时间分别为4 000 r/min、170 ℃和30 min；直到PET与沥青充分相容后，再加入定量的SBR粉末，保持相同的剪切条件，剪切30 min后在160 ℃的烘箱内发育40 min，制备得到不同掺量下的PRA。如表3所示为各种掺量下所有沥青试样的缩写。

1.3 试验方法

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中规定的试验方法，对沥青试验开展针入度（T0604）、软化点（T0606）、延度（T0605）试验。同时，对PRA进行老化处理，包括短期老化和长期老化。使用旋转薄膜烘箱试验在163 ℃下加热85 min，获得短期老化沥青试样。长期老化沥青试样是基于短期老化沥青试样，采用压力老化仪，在100 ℃和2.1 MPa下处理20 h后得到的。

为评价PRA的高温流变性能，基于Kinexus动态剪切流变仪（DSR）进行多重应力蠕变与恢复（MSCR）试验。MSCR试验的温度扫描范围为64 ℃，以确定不可恢复蠕变柔量（Jnr）和恢复率（R）。弯曲梁流变仪（BBR）试验采用Cannon公司的BBR仪器，BBR试件尺寸为127 mm×6.35 mm×12.7 mm。试验在-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃的温度下进行，以确定低温度下的蠕变劲度（S）和蠕变速率（m）。

采用聚合物改性沥青离析试验来分析PRA的储存稳定性，以评价PET、SBR与基质沥青的相容性。将加热后的50 g沥青试验倒入铝箔管中。然后将铝箔管密封并垂直放置在163 ℃的烤箱中48 h。加热后取出铝箔管，冷却至室温后，将铝箔管剪切等分剪成3份，通过测试铝箔管上下部分的软化点，计算二者差值来评价PRA的储存稳定性。

2 结果与讨论

2.1 三大指标

如图1所示为各种沥青试样的针入度结果。针入度反映了沥青的稠度，也可以表示沥青的相对黏度。由图1可知，随着SBR含量的增加，改性沥青的针入度降低，说明SBR的加入增加了改性沥青的稠度。针入度的增加可以归因于两个因素：（1）SBR作为一种丁苯橡胶改性剂，其中的橡胶成分可以增强沥青的硬度；（2）SBR是一种高分子量材料，随着SBR掺量的增加，改性沥青体系的分子量增加，因此PRA的针入度呈下降趋势。同样，随着PET掺量的增加，PRA的针入度降低，在所有沥青试样中，P2R5的针入度最低，且在4%和5%SBR掺量下PRA（P2R4和P2R5）的针入度相差不大。

软化点是沥青高温性能的重要指标，软化点越高，表明沥青更不易塑性变形。以前的研究显示PET可以改善沥青的高温性能，这在本试验中得到了证实［6］。与基质沥青和SBR改性沥青相比，PET改性沥青的软化点更高，这可能是由于PET能够吸收沥青中的轻质组分，从而增加沥青质组分的相对含量，增强改性沥青的粘聚性。添加SBR后，PRA的软化点进一步提高，且随着SBR掺量的增加，软化点的提高更加明显，说明PRA的高温性能有所改善，高温性能的增强可归因于SBR胶粒增加了PRA的黏度和抗剪切流动性。同样，在所有沥青试样中，在SBR的4%和5%掺量下PRA的软化点相差不大。见图2。

5 ℃的沥青延度能反映沥青的塑性变形能力，延性值越高，塑性流动性越好。由图3可知，与基质沥青相比，SBR能显著改善PRA的延度，而PET会略微降低延度。随着SBR掺量的增加，PRA的延度值增加。这是因为SBR的分子链中存在大量的橡胶组分，使改性沥青体系具有很高的弹性，这些弹性组分可以增强沥青中的柔韧性和弹性，从而改善其低温性能。同时，PET与SBR的交联组分形成空间网络结构，提高改性沥青的延度。当SBR掺量达到4%后，改性沥青延度的增加速度减慢，这可归因于沥青系统中由于SBR掺量过高而导致胶体含量饱和。

2.2 相容性能

为了定量评价PRA的储存稳定性，通过铝箔管上、下部分的软化点差值来表征。如图4所示为PRA的聚合物改性沥青离析试验结果，评价PET和SBR对沥青的相容性能，软化点差值越高，改性沥青相分离现象越严重。由图4可知，随着PET掺量的增加，PRA的软化点差值增大，造成这种现象的原因是PET颗粒在重力作用下沉积到沥青底部，而SBR的添加可以改善PRA的相容性，使得PRA的软化点差值下降。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），如果改性沥青的软化点差值＞2.5 ℃，则认为其在高温下的相容状态不稳定。由图4可知，除了2%PET改性沥青（P2R0），其他沥青试样的软化点差值均＜2.5 ℃，这说明本次试样制备的PRA具有较好的高温储存稳定性。

2.3 高温流变性能

不同老化水平下PRA的MSCR结果如图5和图6所示。不可恢复蠕变柔量（Jnr）可以评价沥青的车辙抗变形能力，而恢复率（R）可以表征沥青的弹性成分。一般来说，较低Jnr值和较高R值的沥青具有较好的抗车辙变形性能和弹性。由图5和图6可知，PET和SBR均能显著提高PRA的R值而降低Jnr值，且PET对沥青高温性能的改善效果高于SBR。与单一改性沥青相比，PRA的Jnr值更低且R值更高，PRA的高温效果更佳的原因可以归纳为：（1）PET的加入是沥青高温性能改善的主要原因，且与掺量总体上呈正相关关系；（2）SBR增加了橡胶组分在沥青中的相对比例，使改性后的沥青更容易形成空间网状结构；（3）SBR提高了改性沥青体系中极性组分的比例，为提高沥青的高温性能创造了有利条件；（4）PET和SBR本身具有优异的弹性和变形恢复能力，这有助于提高PRA的弹性性能。

2.4 低温流变性能

沥青在低温环境下容易发生脆性断裂，在3种温度（-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃）和3种老化水平下，测试沥青试样的蠕变劲度（S）和蠕变速率（m），BBR试验结果如表4所示。S值表示沥青材料的刚度，S越高表示沥青越脆，越容易开裂。m值代表沥青材料抵抗应力松弛的能力，m值越高表示抗低温变形能力越好。从表4可以看出，S值随温度的升高而减小，m值随温度的升高而增加。不管老化状态如何，随着SBR掺量的增加，PRA的S值减小，而m值增大，表明PRA在低温下的抗裂性能更强。尽管PRA的低温性能劣于SRB改性沥青，但优于基质沥青和PET改性沥青。这说明SBR的加入增强了PRA的低温抗变形能力，是因为SBR能在低温下增强了PRA的蠕变和松弛能力，使沥青能够承受更大的应力变形而减少开裂。

2.5 老化性能

由高低温流变性能结果可知，在不同老化条件下，PRA的指标变化较大，即老化程度越深，沥青的S值和R值变化越大。为评价PRA的老化性能，基于64 ℃MSCR试验的R值和-12 ℃BBR试验的S值，研究不同老化程度下两个指标的变化程度，老化因子的表达式分别如式（2）、式（3）所示：

恢复率老化因子=（恢复率）老化处理（恢复率）未老化（2）

蠕变劲度老化因子=（蠕变劲度）老化处理（蠕变劲度）未老化（3）

根据式（2）～（3），代入MSCR试验结果和BBR试验结果，分别得到4种沥青的短期老化和长期老化下R值和S值的老化因子，如图7所示。

由图7可知，老化后的PRA的老化因子均＞1，说明沥青老化后R值和]S值均有所增加，与高低温流变性能结果一致。同时可以发现，由于PET和SBR的添加，不论是S值还是R值，PRA的短期老化因子与长期老化因子均下降，说明PET和SBR均能改善PRA的抗老化性，且复合改性对沥青老化的改善效果优于单一改性。根据图7的老化因子结果，对不同老化水平下S值老化因子和R值老化因子，建立拟合曲线关系，如图8所示。由图8可知，基于MSCR试验与BBR试验，在不同老化程度下，S值老化因子与R值老化因子的线性相关性很高。拟合曲线表达式如表5所示，说明高低温流变试验的老化因子存在明显的线性模型。

3 结语

（1）PET和SBR均能改善PRA的高低温流变性能和抗老化性能，而SBR能显著改善PRA的低温性能。SBR掺量过多会导致沥青的胶体稳定性下降，最佳改性剂掺量组合推荐为2%PET+4%SBR。

（2）SBR的添加使得PRA的体系发生变化，改善了PRA的相分离现象，由原有的PET、SBR与沥青组成的分散相和连续相，变化到沥青与改性剂组成的双连续相分布，形成均匀的空间网络结构。

（3）与单一改性相比，PET与SBR的复合改性使得PRA的性能有所增强，然而PRA的改性机理应进一步研究。后续应开展一系列微观试验研究，如电镜扫描试验、红外光谱试验等，揭示沥青与PET和SBR之间的耦合作用机理。

参考文献

［1］李 想.离型膜对自粘聚合物改性沥青防水卷材粘结性能的影响［J］.中国建筑防水，2023（9）：1-3，15.

［2］苏 凯，徐 斌，于晓晓.废塑料改性沥青的研究进展［J］.石油沥青，2020，34（6）：10-20.

［3］马海文.PET对SMA沥青混合料力学性能的影响研究［J］.甘肃科技，2021，37（2）：95-97，76.

［4］惠 嘉，李威威，朱宝林，等.高聚物改性沥青的研究技术现状及分析［J］.交通世界，2019（16）：162-165.

［5］潘军辉.PET改性沥青结合料性能试验研究［J］.公路工程，2016，41（4）：286-289.

［6］李 徐，王宏祥.基于生物油表面修饰的PET改性沥青性能研究［J］.公路工程，2023，48（3）：148-153.

［7］张廉青.SBR改性沥青的低温抗裂性能研究［J］.交通世界，2022（29）：48-50.

［8］蔺习雄，杨克红，张艳莉，等.影响SBR改性沥青粘韧性因素研究［J］.石油沥青，2023，37（4）：14-18.

作者简介：戴 林（1985—），工程师，主要从事高等级公路项目建设管理工作。