不同聚合物基废旧塑料改性沥青及混合料的路用性能研究

熊子佳，洪锦祥，邓成，黄冲

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

不同聚合物基废旧塑料改性沥青及混合料的路用性能研究

熊子佳，洪锦祥，邓成，黄冲

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

用熔融共混法挤出成型得到PE、PVC、PP三种聚合物基回收废旧塑料颗粒用于改性沥青。对改性沥青及沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性和抗水损性能等路用性能探究。实验结果表明：PE基聚合物回料能较大地改善沥青及混合料的路用性能，软化点增加至67.5℃，沥青混合料的动稳定度达到12 480次/mm，冻融劈裂强度比达到92.1%，低温柔韧性优于SBS改性沥青。但PE基回料性能变异较大，故废旧塑料回收利用时，需严格控制材料来源，以确保改性剂质量的稳定性。

废旧塑料；改性沥青；路用性能；变异性

对于废旧塑料采用垃圾填埋或焚烧的方法进行处理，不仅降解慢，对土地造成污染，并且产生的烟尘和有毒气体扩散到空气中，对人体健康和生命安全形成威胁。采用的聚合物为回收的废旧料再生成型颗粒，对废弃材料进行回收利用，不仅减少了有害垃圾的排放，用于道路还能有效防治车辙病害，产生良好的社会效应，并且材料的成本降低，经济效益显著。近年来，人们对环境保护日益重视，废旧塑料改性沥青也受到了广泛的关注。肖川等[1]研究了废旧塑料改性沥青的储存稳定性，结果表明，经裂化处理的加工废旧塑料改性沥青的储存稳定性相比原塑料改性沥青得到明显改善。赖增成等[2]研究了废旧塑料改性沥青的性能，3种树脂按不同比例复配对改性沥青性能影响规律相同。

然而废旧塑料因用途不同，其聚合物基体也不相同，最常见的主要有PE、PP、PVC、PET、EPS、PA、ABS等，回料中含有一定成分的助剂、填料等，其原料主体仍以聚合物为基体。目前对于不同聚合物基体废旧塑料改性沥青及其混合料的性能特点研究较少。

本文选用来源广泛的PE基废旧回收塑料（A）、PVC基废旧回收塑料（B）和PP基废旧回收塑料（C），用于沥青改性。通过考察沥青胶体物理性能、高温流变性能及改性沥青混合料的动稳定度、动态模量等高温性能，结合沥青混合料相关路用性能，探究以废旧塑料为基体的沥青改性剂对沥青及混合料的路用性能的影响，为沥青改性剂的研究提供参考。

1 原材料

1.1 改性剂

采用适当的工艺参数，废旧塑料用熔融法挤出成型并切粒，得到废旧回料沥青改性剂。其质量技术指标见表1。均满足JT/T 860.1—2013《沥青混合料改性添加剂 第1部分：抗车辙剂》的规范要求

表1 废旧回料的技术指标

1.2 基质沥青

本文采用的沥青胶结料为中石化70#A级道路石油沥青，其技术性能见表2，从检测结果可以看出，其性能可以满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

表2 70#基质沥青的技术性能

1.3 集料

本文所采用的玄武岩集料由南京天印市政工程材料有限公司提供，石灰石矿粉来自于东南大学道桥实验室，其基本指标按JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行测试，检测结果表明，集料与矿粉的性能均符合JTG F40—2004的要求。

2 实验结果与分析

2.1 基本物理性能

将废旧塑料A、B、C分别按4%掺量加入到基质沥青中，在170℃的条件下高速剪切搅拌30 min，得到改性沥青。测试其软化点、5℃延度和25℃针入度，并与基质沥青及SBS改性沥青进行对比分析。实验结果见表3。

由表3可以看出，加入改性剂后，沥青胶结料的软化点明显提高，其中废旧塑料A改性沥青软化点接近SBS改性沥青软化点。这是因为废旧塑料A的回料中含有较多薄膜材料，其中高粘高弹组分较多，分子结网率高，与SBS相类似，在高温条件下限制了沥青分子的流动，故较大地提高了沥青的软化点。由针入度实验结果可以看出，不同改性沥青25℃针入度与基质沥青的相近。由低温延度可以看出，SBS改性沥青的低温延度远大于其它改性沥青的低温延度。但对于SBS以外的聚合物改性沥青，其延伸量低并不能说明其低温性能差，实际上聚合物加入沥青后，改变了沥青的流变学性质，聚合物形成的空间交粘网络结构，明显增大了沥青的黏度，能有效地限制沥青的低温开裂[3]。而大量的实践工程也表明，经聚合物改性的沥青路面抗裂性能得到了明显的改善。

表3 沥青胶结料的基本物理性能

2.2 高温性能

2.2.1 复数模量

用动态剪切流变仪（DSR），采用应变控制模式，应变值γ取12%，试验频率为1.59 Hz，样品直径为25 mm，沥青膜厚度为1 mm，对未老化的原样沥青进行测试，结果见图1。

图1 不同沥青的复数模量曲线

在30～100℃条件下，测试基质沥青及改性沥青的复数模量，复数模量与沥青的抗车辙性能有较好的相关性[4]。由图1可知，SBS改性沥青的曲线明显不同于其它4种沥青，说明SBS对沥青的结构有化学结构的改变，而废旧塑料不能完全改变沥青微观结构，更大程度上是物理混合。废旧塑料B和废旧塑料C曲线与基质沥青的基本保持一致，而废旧塑料A曲线则介于SBS改性沥青与基质沥青之间，说明废旧塑料A中的高弹性组分起到了SBS结网的效果[5]。3种废旧塑料改性沥青对沥青的高温性能都有提升作用，在相同温度条件下，改性沥青的复数模量均大于基质沥青。其中废旧塑料A在大于75℃的高温时具有更强的稳定性。

2.2.2 动稳定度

将废旧塑料A、B和C按0.3%掺量直接投入到沥青混合料中拌和，按照JTG E-20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0719—2011要求成型车辙板，并在60℃条件下测试混合料的动稳定度，动稳定度测试能较好地模拟沥青混凝土路面在车辆动荷载情况下的抗变形能力，能表征其高温性能，用于衡量沥青混合料抗车辙的能力。试验结果见表4。

表4 沥青混合料的动稳定度测试结果

由表4可知，加入沥青改性剂后混合料的动稳定度明显提高，且大于SBS改性沥青混合料的动稳定度，极大地提高了沥青混合料的抗车辙性能。沥青路面抗车辙能力的大小取决于混合料的抗剪强度，与沥青的粘结力成正相关。因此，聚合物改性剂通过形成交联网络，并伴以溶胀、拉丝等作用，限制了沥青分子的流动和转移，从而在宏观上表现为沥青的粘结力增加。通过进一步比较可知，掺废旧塑料A和B的混合料抗车辙性能明显优于掺废旧塑料C的，且前者的变形量较小，说明不同组成的聚合物，因其结构不同，对沥青的抗车辙性能影响也不同。其中结网率及分散性较好的改性剂对沥青混合料的高温性能改善较明显。

另一方面，由表4中的变异系数可以看出，掺废旧塑料A的混合料虽然其动稳定度平均值较高，但变异性较大，表现出性能不稳定的特征。这是由于废旧塑料的性质较大程度地取决于原材料纯度、加工均一性等，废旧塑料A的基体原料含有杂质较多，来源多样，致使改性剂组分不均一，从而造成了沥青混合料性能具有变异性大的缺陷。但废旧塑料B由于其原料来源单一，在加工处理过程中对杂质含量的控制较严格，从而其改性沥青混合料性能较均一，变异性与其它改性沥青相近。

2.3 低温性能

沥青混合料的低温性能用小梁弯曲试验进行表征（见图2）。沥青混合料按要求拌和后，由轮碾成型，切制成250 mm× 30 mm×35 mm的棱柱体小梁，其跨径为200 mm。在-10℃的试验温度和50 mm/min的加载速率条件下对沥青混合料小梁试件跨中施加集中荷载，直至其断裂破坏。记录仪直接生成荷载-跨中挠度曲线，按要求将曲线中的直线段延长与横坐标相交作为曲线的原点，由曲线图量取峰值时的最大荷载及跨中挠度。由破坏时的荷载和挠度计算沥青混合料的小梁弯拉强度、弯拉破坏应变及劲度模量来综合评价沥青混合料的低温性能，试验结果见表5。

图2 小梁弯曲试验

表5 不同沥青混合料低温小梁弯曲试验结果

由表5可知，改性沥青混合料抗弯拉强度均大于基质沥青混合料。其中废旧塑料A改性沥青与SBS改性沥青强度相当。而当沥青混合料温度应力积累到超过沥青混合料的极限抗拉强度时，路面将出现裂缝[6]。因此，废旧塑料A和掺SBS的混合料抗裂性相当。掺废旧塑料A的最大弯拉应变则略高于掺SBS改性沥青的，说明掺废旧塑料A在低温下具有更好的弯拉应变能力。低温劲度模量是弯拉强度和弯拉应变的比值，它从一定程度上整体反映了沥青混合料的柔韧性。掺废旧塑料A和B的低温劲度模量均小于SBS改性沥青，说明其混合料柔韧性较好，对沥青路面的抗裂比较有利。

2.4 抗水损性能

在我国南方，夏季常常出现高温多雨天气，加之车流量大，水损害现象十分突出，故为探究改性沥青混合料的抗水损害性能，进行了冻融劈裂强度试验。将废旧塑料A、B和C按0.3%掺量直接投入到沥青混合料中拌和，按照JTG E-20—2011中的T0716—2011要求成型马歇尔试件，并按照规范要求进行冻融试验，用沥青压力试验仪测试劈裂强度，并计算得到冻融劈裂抗拉强度比，试验结果见表6。

由表6可知，加入沥青改性剂后混合料的冻融劈裂抗拉强度明显增大。其中加入废旧塑料A对沥青混合料抗水损害能力改善最明显，优于SBS改性沥青混合料。从劈裂强度值来看，改性剂都提高了沥青混合料的强度。说明聚合物可以提高沥青与石料的粘结力，增强了抵抗剥落的能力，使水难以进入到沥青与石料界面，有效地减少了沥青的剥落率，从而增强了路面的抗水损害性能。

表6 沥青混合料冻融劈裂试验结果

3 结论

（1）废旧塑料能有效地增强沥青及沥青混合料的路用性能，明显增强其高温抗车辙能力、抗水损能力等。PVC基回料改性沥青混合料动稳定度达到12 480次/mm；PE基回料改性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比达到92.1%，且PE基改性沥青对混合料低温的抗裂性优于SBS改性沥青。

（2）PE基废旧塑料对沥青及沥青混合料的改善效果明显优于PP基和PVC基，但由于其来源杂，导致回收料的用途、加工性等参差不齐，性能不稳定。故在基体的选择和工艺的调整上，需要严格控制，以确保改性剂质量的均一性。

（3）将废旧塑料用于道路工程，具有节约、环保的效益，符合有可持续发展理念，是未来沥青改性剂产品的发展方向。

[1] 肖川，蒋兴华，杨锡武，等.废旧塑料改性沥青储存稳定性试验[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2011（5）：943-947.

[2] 赖增成，刘克，杨锡武，等.废旧塑料改性沥青的性能研究[J].海南大学学报：自然科学版，2010（4）：358-362.

[3] 丛培良，刘建飞，沙川，等.聚合物改性沥青填缝料的性能研究[J].新型建筑材料，2014（5）：72-75.

[4] X Yang，Zhanping You.High temperature performance evaluation of bio-oil modified asphalt binders using the DSR and MSCR tests[J].Construction and Building Materials，2015，76：380-387.

[5] Yang Kang，Mingyu Song，Liang Pu，et al.Rheological behaviors of epoxy asphalt binder in comparison of base asphalt binder and SBS modified asphalt binder[J].Construction and Building Materials，2015，76：343-350.

[6] Cesare Oliviero Rossi，Assunta Spadafora，Bagdat Teltayev，et al. Polymer modified bitumenRheological properties and structural characterization[J].Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2015，480：390-397.

Study on road performance of different polymer-based waste plastics modified asphalt and mixture

XIONG Zijia，HONG Jinxiang，DENG Cheng，HUANG Chong
（Jiangsu Sobute New Materials Co.Ltd.，Nanjing 211103，China）

PE，PVC，PP based recycling waste plastic particles were prepared by a melt-blending process which were used to modify asphalt.The road service performance，such as high temperature stability，low temperature cracking resistance and water stability，of the modified asphalt and mixtures were evaluated.The results showed that：PE-based polymer materials can greatly improve the asphalt and the mixtures road performance.The softening point increased to 67.5℃，dynamic stability reached 12 480 times/mm，freeze-thaw splitting strength ratio was 92.1%，low temperature toughness better than SBS modified asphalt.However，recycled material PE-based performance variability is large，so when the waste plastic recycling，the source material should be strictly controlled in order to ensure the stability of the modifier quality.

recycling waste plastic，modified asphalt，road service performance，variability

TU528.42

A

1001-702X（2016）08-0054-04

2016-01-14

熊子佳，女，1988年生，湖北汉川人，硕士，主要从事道路材料研究工作。