PET改性沥青结合料性能试验研究

潘军辉

(江西省公路科研设计院, 江西 南昌　330002)



PET改性沥青结合料性能试验研究

潘军辉

(江西省公路科研设计院, 江西 南昌330002)

为了得到PET改性沥青结合料的性能,对掺加不同PET用量的沥青结合料进行红外光谱试验、粘度试验、常规沥青试验和Superpave试验，并对试验结果进行分析。结果发现在沥青中加入PET后，吸收峰的位置变化不大，表明PET与沥青主要为物理反应；随着PET用量的增加，改性沥青的粘度呈现出先增大后减小的趋势， 针入度呈现出增大的趋势，软化点趋势是先增大后减小，延度值不断减小，复数模量呈现降低趋势，相位角呈现降低趋势；劲度模量呈现出先减小后增大的趋势。

道路工程； 沥青； PET； 性能试验

0　引言

在沥青路面的使用寿命和使用性能中，沥青结合料的性能起着重要的作用，为了提高沥青结合料的性能，目前多在沥青中添加聚合物改性剂的方法来实现[1，2]。

另一方面,由于人们环保意识的增强,世界各国对于大量废弃聚合物的处理与利用日益关注。我国每年产生大量的废弃聚合物,其中废旧塑料约250万t[3，4]。综合利用这些废塑料不仅可以保护环境,而且可以节约资源，废弃聚合物作为沥青改性剂是综合利用它的新方法之一。在废旧塑料瓶中，含有PET成分的较多。PET聚酯是由对苯二甲酸与乙二醇聚合而成的聚对苯二甲酸乙二醇组成[5]，PET瓶多为一次性试验，由此造成的环境污染较为严重，如果能对PET瓶进行回收利用于沥青的改性剂，不仅可以较轻污染，同时也可以节省资源。

基于此，本文将PET破碎分离后制备改性剂加入沥青中，采用红外光谱试验、粘度试验、常规沥青试验和Superpave试验方法，分析PET加入后沥青的性能变化。

1　原材料及试验方案

1.1沥青及PET

试验时的沥青材料为AH — 50基质沥青，其相关的技术标准为：25 ℃针入度为46(0.1 mm)，软化点为51.7 ℃，130 ℃的粘度为0.187 Pa.s，15 ℃延度为105 cm。

PET为废弃塑料瓶回收，废旧瓶料经过破碎、磨细、干燥、熔融等工序后形成了回收纤维，经过反复的清洗，除去瓶料中的粘结剂、灰尘及残留物，最后得到了回收纤维的直接为10 μm。

1.2PET掺加工艺

试样制备时，将基质沥青加热到120 ℃，先用恒速搅拌机在500 r/min的速度搅拌下，根据前期研究，在沥青中分别加入1%、2%、3%、5%及10%的PET，搅拌1 h后，再利用高速剪切乳化机，在 10000 r/min的转速剪切1 h，然后采用低速搅拌的方式除去气泡，试验时的温度保持在120 ℃，制备样品用于后续试验研究。

1.3试验方法

本次试验首先对PET改性沥青的化学变化进行了研究，采用傅氏转换红外线光谱分析仪(FTIR)对其进行了研究，将PET改性沥青配置为二氯甲烷溶液，而后均匀的涂抹溴化钾的薄片上，进行红外光谱分析，测试范围为4 000～400 cm-1。

对上述样品按照传统试验方法和Superpave方法试验研究。试验时，采用Brookfield粘度仪测定90～160 ℃的粘度；采用针入度试验器、软化点测定仪及沥青延度仪对样品的针入度、软化点和延度检测，并与基质沥青的结果对比；改性沥青的高温流变试验在动态剪切仪(DSR)上进行，试验时的采用的频率为10 rad/s(1.59 Hz)，采用车辙较易发生时的温度64 ℃和70 ℃，获得复数模量G*和相位角δ；在评价沥青结合料的低温性能时，采用沥青低温弯曲梁流变仪对沥青进行BBR小梁试验，小梁试件的尺寸为101.6×12.7×6.4 mm，试验时的温度为-6、-12,和-18 ℃。根据上述试验方法对PET改性沥青的性能进行试验研究。

2　试验结果

2.1红外光谱试验结果

对上述指标的PET改性沥青样品，采用红外光谱法对进行分析。本文为了便于评价PET改性沥青机理，仅采用5%的PET用量，绘制其红外光谱。其结果如图1所示。

图1　PET改性沥青的红外光谱Figure 1　FTIR of the base and modified asphalt samples

从沥青红外光谱的试验结果可知，基质沥青与PET改性沥青的吸收值具有明显的区别，表明PET加入后沥青的透光率发生改变，但其改变仅为峰值大小的改变，峰值出现的位置改变较少，这反映出PET与沥青的反映主要为物理反应。

从图中与基质沥青相比，PET改性沥青在1700 cm-1处出现了新的吸收峰，其原因应为PET添加剂的C=O引起。1600 cm-1处的吸收峰主要是沥青中的C=C引起，基质沥青在1600 cm-1具有很高的吸收峰，但经过PET改性后，该处的吸收峰降低明显，这表明经过PET的改性处理后，吸收了沥青中的烃类物质。1300 cm-1处的吸收峰主要是SO2引起的，图中可知基质沥青并不存在该吸收峰，但是PET改性沥青出现了新的吸收峰，表明了PET存在硫成分。

从红外光谱分析结果可知PET与沥青的反应主要为物理的融合，也发生着轻微的着化学反应，具有一定的热力学的不稳定性。这从PET改性沥青的室内试验也可发现，PET颗粒与沥青共混后，PET颗粒容易出现离析凝聚，上浮到沥青上部。在后续的试验中和应用中应保证改性沥青不出现离析，从而保证其性能的稳定性。

2.2PET改性沥青的粘度试验

由上述分析可知，PET与沥青主要是物理反应为主，其主要是PET微粒在较高温度下在沥青的油相中膨胀形成类似胶体状的物理过程。正是由于PET微粒的膨胀导致了溶胀的胶粒与沥青之间的自由空间减少，从而引起粘度的增加，PET吸收了沥青中的较轻组分，体系粘度增加。不同PET用量和试验温度下的粘度结果如图2所示。

粘度是由流体内部分子结构之间的引力形成内摩擦,从而在外部表现为抵抗流体流动的能力。由图2可知 : 随着PET用量的增加，改性沥青的粘度呈现出先增大后减小的趋势，这表明在PET的作用下，沥青的粘度增大，但当其用量较多时，粘度的也呈现缓慢出缓慢降低。

PET与沥青的反应主要是由于有PET中的主要成分为聚对苯二甲酸乙二酯，其结晶度小，熔点较低，有利于和沥青混溶。经过磨成粉粒后可以均匀地分散于沥青中。同时PET与沥青形成网状结构，沥青胶体通过细小颗粒连接在一起，同时颗粒吸收沥青中的油分溶胀，引起沥青中沥青质的含量相对增加，从而改变了沥青的胶体结构和粘弹性质，使沥青变粘。

沥青具有较高的粘度可在高温环境下有效的抵制车辙发生，但粘度过大会使得沥青混凝土变硬变脆，导致其低温裂缝出现的概率增大。因此改性沥青的粘度存在着合理的范围。

2.3PET改性沥青的常规试验

表1为不同用量PET改性沥青的针入度、软化点和延度结果。

表1 PET改性沥青常规试验结果Table1 Conventionaltestsofthebaseandmodifiedasphaltsamples沥青类型25℃针入度/(0.1mm)软化点/℃15℃延度/cm基质沥青4651.7>105+1%PET4751.8>105+2%PET5151.385+3%PET5551.178+5%PET585169+10%PET6150.856

从表1可以看出: 掺加PET后沥青的针入度呈现出增大的趋势，表明PET用量的增加对沥青的硬化效果较为明显。究其原因是PET量越多，对沥青中的轻质组分吸收能力越强，使得沥青的针入度增大，沥青的胶浆增大。

采用环球法分别对不同PET用量下的改性沥青软化点进行测试，其测试结果可知PET的加入后，软化点的变化不大，其趋势是先增大后减小，并在10%的PET用量时，沥青的软化点最小。

分别对不同PET用量的改性沥青进行了15 ℃的延度试验，从结果知，随着PET用量的增大，改性沥青的延度值不断减小，这是由于PET的加入使得沥青相相对运动的阻力增大，自由运动能力受到抑制，使得改性沥青的低温延展能力下降。

2.4PET改性沥青的Superpave试验

试验时对不同用量的PET改性沥青进的复合模量及相位角进行试验和统计分析，得到表2结果。

表2 PET改性沥青DSR试验结果Table2 DSRtestsofthebaseandmodifiedasphaltsamples指标试验温度/℃基质沥青+3%PET+5%PET复数模量G*641.4191.3561.197701.4201.3581.199相位角δ6488.0686.9586.197088.8688.0287.47

由表2可知: 随着PET掺量的增加，2种温度下的改性沥青复数模量呈现出较为相似的变化规律，均表现为降低趋势。同时相位角随着PET掺量的增加而呈现降低的趋势。由于复数模量是材料抵抗变形的综合能力的物理量，而相位角可以在一定程度上反映损耗因子的变化趋势，故由复数模量与相位角随PET增大而减小的趋势可知，PET的增加，可在一定程度上提高沥青的弹性恢复能力。

沥青路面的低温裂缝是常见的裂缝类型，其原因为低温环境下沥青结合料的应力松弛能力低，当应力超过沥青混凝土的极限抗拉强度，路面即出现裂缝，研究也表明，沥青路面出现的低温裂缝主要与沥青结合料的抗裂性能有关，沥青的劲度越大，其抵抗路面的抗裂能力越差。同时基质沥青加入改性剂后，低温性能会有一定的降低。本次对掺加了PET的改性沥青进行了BBR试验，试验结果如图3所示。

图3　PET改性沥青的BBR试验结果Figure 3　BBR test result of the base and modified asphalt samples

从图3可知: 随着PET掺量的增加，改性沥青的劲度模量呈现出先减小后增大的趋势，但不同试验温度时，这种变化趋势的程度是不同的，而且掺加PET后沥青的劲度模量均小于基质沥青的，这表明PET掺的掺入对沥青的低温性能具有一定的消弱作用，PET改性沥青对低温环境更加敏感。随着PET用量的增加，改性沥青在3种温度时的m值呈现出先增大后减小，也表明PET和的掺入损伤了沥青的低温性能。 SHRP计划认为沥青的劲度模量不应超出300 MPa，m值不应低于0.3。从试验结果可知，制备的样品中均满足-6 ℃和-12 ℃的低温要求，但不满足-18 ℃的低温要求。

劲度模量与m值的比值S/m可以在一定程度上反映出沥青的抗低温性能，其值越大，表明沥青的抗低温性能越好。从计算结果表3可知: 随着PET用量的增加，3种试验温度下的S/m值均呈现出先降低后增大的趋势，但仍低于基质沥青的值，这也反映了PET的加入会降低沥青的低温性能。

表3 PET改性沥青的S/m值Table3 S/mofthebaseandmodifiedasphaltsamples试验温度/℃基质沥青+3%PET+5%PET-6314.7240.3261.5-12695.0567.7678.3-181902.11335.71812.6

3　结论

通过以上的试验研究和分析，本文主要得出以下结论：

PET的加入后吸收峰的位置变化不大，表明PET与沥青主要为物理反应， PET改性沥青在1700 cm-1和1300 cm-1处的出现了新的吸收峰，同时在1600 cm-1的吸收峰与基质沥青相比有明显的降低。

随着PET用量的增加，改性沥青的粘度呈现出先增大后减小的趋势，这表明在PET的作用下，沥青的粘度增大，但当其用量较多时，粘度的也呈现缓慢出缓慢降低。

从沥青的常规试验可知，掺加PET后沥青的针入度呈现出增大的趋势，软化点的变化不大，其趋势是先增大后减小，延度值不断减小。从沥青的Superpave试验可知，掺加PET后复数模量呈现降低趋势，相位角呈现降低趋势；劲度模量呈现出先减小后增大的趋势，从劲度模量与m值的比值S/m也可反映出这种趋势。

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Experiment on the Properties of PET Modified Asphalt

PAN Junhui

(Jiangxi Highway Research and Design Institute，Nanchang,Jiangxi 330002,China)

In order to get the PET modified asphalt binder performance, asphalt binder adding different amount of PET was tesed used infrared spectrum test, viscosity test, conventional asphalt test and Superpave test, while the test results are analyzed. The results show that when the PET was added into the asphalt, absorption peak position changes little, shown that the reaction between PET and asphalt is physical; with the increase of PET content, the viscosity of modified asphalt increases first and then decreases, penetration increases, the softening point of the trend increased first and then decreased, ductility value decreases and the complex modulus decreases, the phase angle decreases; stiffness modulus showed a trend of increasing first.

road engineering; asphalt binder; PET; performance test

2015 — 01 — 05

潘军辉(1975 — )，男，江西临川人，高级工程师，研究方向：公路路基和路面工程

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0286 — 04