废旧塑料改性沥青混合料路用性能研究

2020-07-08白玉凤王楠楠

山西交通科技 2020年2期

白玉凤，王楠楠

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

塑料制品作为一种新型材料，因其成本低、防水性好、质量轻等特点，近些年来在我国的应用呈增长趋势[1]。食品包装袋、塑料地膜、水杯等产品的生产都离不开塑料，这些产品在使用过后便成为废弃塑料。随着人们对环境保护及资源可持续利用的愈发重视，大量的国内外研究者对采用废旧塑料作为沥青改性剂铺筑路面的各项性能进行了探索研究。周研等[2]使用荧光显微镜观察了废旧塑料对改性沥青高温稳定性能的影响。白启荣[3]对原样沥青和塑料改性沥青的三大指标进行了分析对比，提出废旧塑料改性沥青可以提升改性沥青的高温性能。李春歌[4]围绕干法制得的废旧塑料改性沥青在混合料中的分散状态及干法沥青混合料的路用性能做了大量的研究，研究成果表明废旧塑料改性沥青混合料具有良好的水稳定性、低温抗裂性及高温稳定性。杨锡武[5]用红外光谱分析了改性前后沥青的组分成分变化，结果表明，废旧塑料可以提升改性沥青的高温稳定性及存储稳定性。王声毅等[6]分析对比了废旧塑料改性沥青和SBS改性沥青混合料的各项性能差异，试验结果表明废旧塑料与SBS改性沥青混合料的路用性能相近，可用于道路施工中的SMA沥青混合料。

综上所述，使用废旧塑料作为沥青改性剂，可以有效地提升沥青混合料的高温稳定性、水稳定性等路用性能。但现有的研究中，废旧塑料的掺量多凭经验确定，鲜有研究具体给出废旧塑料的合理掺量。因此本研究通过车辙实验、冻融劈裂实验和低温弯曲实验对不同废旧塑料（CRP）掺量对混合料路用性能的影响进行了深入的研究，在考虑路面性能及经济效益的同时，确定最佳的废旧塑料（CRP）掺量，以指导实际生产。

1 试验材料

1.1 基质沥青

本研究中使用的沥青为韩国SK-70号基质沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）规定进行操作[7]，对所用基质沥青的主要性能进行试验检测，其主要技术指标见表1所示。

表1 基质沥青性能测试结果

1.2 CRP改性剂

采用目前常用的湿法工艺制备CRP改性沥青及混合料，具体步骤是将SK-70号基质沥青加热至170℃，将计算好掺量的CRP改性剂慢慢加至基质沥青中，使用搅拌仪进行搅拌，使CRP在基质沥青中均匀分散。再使用高速剪切机以3 000转/min在180℃下搅拌制得CRP改性沥青。本研究中使用的CRP掺量为 4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%、8.0%。

1.3 集料配合比设计

图1 AC-13设计级配曲线图

本研究中使用的集料为石灰岩，级配为AC-13如图1所示。根据马歇尔设计方法确定的普通沥青混合料和CRP改性沥青混合料的油石比为4.4%和4.2%。与普通沥青混合料相比，CRP改性沥青混合料对最佳油石比的影响不大。

2 CRP改性沥青性能研究

采用常用的沥青性能评价指标对不同CRP掺量下改性沥青的性能进行评价，即针入度、软化点、延度和黏度，这些指标是目前常用的沥青性能评价指标。不同掺量的改性沥青性能指标测试结果见图2所示。

图2 不同CRP掺量改性沥青性能试验结果对比

随着改性沥青中CRP改性剂掺量的增加，改性沥青的针入度增加，软化点降低，且随着CRP掺量的增加，改性沥青针入度和软化点的变化幅度降低，这表明CRP改性剂的添加可以增强改性沥青的高温稳定性。但随着CRP掺量的增加，改性沥青的低温延度显著降低，但低温延度指标能否评价改性沥青的低温性能及与沥青混合料低温性能的相关性还存在争议，有待进一步研究。此外，当CRP掺量超过5.5%时，改性沥青的黏度超过规范要求，为了不对施工和易性造成过大的影响，在施工中有必要控制改性沥青中CRP改性剂的掺量。

3 改性沥青混合料路用性能试验研究

3.1 不同掺量改性沥青混合料的高温稳定性试验研究

沥青路面的高温稳定性是指在夏季高温时，混合料在车轮荷载的长期反复作用下抵抗永久变形的能力。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中“T0719—2011 沥青混合料车辙试验”中所规定的方法，对不同CRP掺量的沥青混合料的动稳定度进行测试，试验结果见图3所示。

试验结果表明，经CRP改性后的沥青混合料其高温稳定性远超规范要求。随着CRP掺量的增加，混合料的动稳定度也随之增加。废旧塑料对沥青混合料的高温性能的提升效果显著，但随着CRP掺量由6.5%增长到8.0%，高温稳定性提升有限，因此基于性价比的考虑，沥青混合料中CRP的掺量不宜超过6.5%。

3.2 不同掺量改性沥青混合料的低温抗裂性试验研究

在沥青各种类型的早期损害中，有将近80%的损害是与路面的水稳定性相关的，沥青混合料的水稳定性主要依靠沥青与集料间的相互作用，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中“T0729—2000沥青混合料冻融劈裂试验”所规定的方法，在试验温度为25℃和加载速率为50 mm/min的试验条件下进行沥青混合料的冻融劈裂强度试验，以检验其水稳定性，试验结果见图4所示。

图4 不同CRP掺量沥青混合料的冻融劈裂试验结果对比

试验结果表明，废旧塑料改性沥青混合料的劈裂抗拉强度比TSR远超规范要求，且随着废旧塑料掺量的增加，TSR值也随之增长，当废旧塑料改性剂掺量达到8.0%时，沥青混合料的劈裂抗拉强度比达到了88.4%，较之普通沥青混合料提升了10.3%。这主要是因为添加CRP对沥青进行改进，提升了改性沥青的黏度，进而提升了沥青与集料间的黏附力，从而提升了沥青混合料的水稳定性。

3.3 不同掺量改性沥青混合料的低温抗裂性能试验研究

通过低温弯曲试验对沥青混合料的低温性能进行检测。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中“T 0715—2011 沥青混合料弯曲试验”所规定的方法，在试验温度为-10℃±0.5℃和加载速率为50 mm/min的试验条件下进行沥青混合料的低温弯曲试验，以检验不同CRP掺量下沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见图5所示。

图5 不同CRP掺量沥青混合料的低温弯曲试验结果对比

试验结果表明，CRP掺量在4.0%～5.5%时，沥青混合料的低温抗裂性随着CRP掺量的增加而增加。但随着CRP掺量的进一步增加，沥青混合料的低温抗裂性逐渐减弱。因此，CRP的掺量应控制在一个合理的范围内，综合考虑其他路用性能及改性沥青相关性能，本研究建议在实际工程中改性沥青CRP的最佳掺量应控制在5.5%左右。