PET 对SMA 沥青混合料力学性能的影响研究

2021-04-23马海文

甘肃科技 2021年2期

马海文

（甘肃路桥公路投资有限公司，甘肃兰州 730000）

SMA（沥青玛蹄脂）沥青路面因其耐磨抗滑以及良好的抗车辙特性在国内外高等级路面中得到广泛应用[1]。目前SBS 改性沥青常用于SMA 沥青混合料的黏结剂，但是，由于制作SBS 改性沥青需要专门的改性沥青剪切设备和SBS 改性剂价格较高，这使得SMA 沥青路面的造价相对较高[2]。因此，有必要寻求一种性价比较高的改性剂来替代SMA 沥青混合料中使用的SBS 改性剂；另一方面，全球每年会产生大量的废弃聚合物，其中废塑料（主要成分为PET，PET 聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇，由对苯二甲酸与乙二醇聚合而成）已经超过了1 亿t，塑料制品大多为一次性用品并且分解周期较长，它会对环境造成严重的污染[3]。研究表明PET 具有良好的化学稳定性、耐腐蚀性[4]。其可与沥青在高温条件下相融，提升沥青的高温性能和储存稳定性[5，6]。因此，将这些废塑料应用在公路工程中，综合利用这些废塑料不仅可以保护环境，还可以节约资源和节省公路建设成本。虽然国内对废塑料已有一些应用，但仍未引起重视[7]。

基于此，文章首先对收集的废塑料瓶进行洗涤、干燥和破碎，然后将PET 以干法的方式掺入SMA沥青混合料制备PET 改性的SMA 沥青混合料，采用回弹模量、析漏试验、车辙试验以及水稳定性试验对PET 改性的SMA 沥青混合料的力学性能进行评价。本研究对PET 在沥青路面中的应用推广具有一定的指导意义。

1 原材料

1.1 集料

试验所用的集料为花岗岩，其物理指标见表1，级配如图1 所示。试验所用的填料为波特兰水泥。

表1 集料技术指标试验结果

图1 混合料级配曲线

1.2 沥青

试验采用SK90#沥青，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的相关规定对其技术指标进行测试，结果见表2。

表2 SK90# 沥青技术指标试验结果

1.3 PET 添加剂

PET 为将废弃塑料瓶回收经洗涤、破碎、干燥等工序后形成的细小颗粒，其级配见表3。

表3 经破碎装置破碎得到的PET 级配

2 试验步骤及过程

2.1 试件制备

首先，将沥青和集料分别加热至150℃和200℃；其次，在160±5℃下将沥青和集料搅拌5min，然后把破碎后的PET 加入其中拌和2min（PET 的掺量分别为沥青质量的0%、2%、4%、6%、8%和10%）；最后使用马歇尔击实仪（正反面各50 下）和车辙板成型机在145℃下将拌和均匀的混合料分别成型试验试件，目标空隙率为7%。

2.2 回弹模量试验

回弹模量（MR）表示在去除施加的应力之后施加的应力与可恢复的应变的比值，用于评估沥青混合料的处于弹性阶段时的力学性质，为沥青混合料设计时的重要力学参数。按照ASTM D4123 试验方法使用UTM 机对沥青混合料进行回弹模量试验，试验温度为25℃。

2.3 车辙试验

采用车辙试验评价掺PET 沥青混合料的抗变形能力[8]。每种PET 掺量下制备3 块最佳沥青用量的混合料车辙板，尺寸为300mm×300mm×50mm，总共18 块车辙板。试验前，将车辙板放置在45℃的烘箱里至少6h。读取45min 内的车辙变形，每5min 记录一次。

2.4 析漏试验

根据T0732-2011 规范要求采用网篮法对SMA 沥青混合料进行析漏试验，试验温度为170℃。析漏损失指从网篮中分离出的材料（沥青或沥青与细集料的混合物）占SMA 沥青混合料总质量的百分比。

2.5 水稳定性试验

室内制备6 个SMA 沥青混合料马歇尔试件，并分为两组，每组3 个试件，一组为干燥条件试件，一组为冻融条件试件。其中一组在20℃条件下放置72h；另外一组首先在真空条件下饱水30min，然后在水浴箱中放置72h，水浴箱温度为20℃。完成后对两组试件进行劈裂强度试验，获得用劈裂强度（ITS）。TSR 为冻融条件下混合料的ITS 和干燥条件下混合料ITS 的百分比，TSR 值越大，沥青混合料的水稳定性越好。对SMA 沥青混合料来说，规范需要TSR≥70%。

3 结果与讨论

3.1 回弹模量

图2 PET 含量对SMA 沥青混合料回弹模量的影响

图2 给出了SMA 沥青混合料回弹模量MR 值与PET 含量的关系。由图可知，回弹模量随着PET含量的增加先增大后减小，而且掺加PET 混合料的回弹模量均大于不掺PET 的混合料，这说明掺加PET 可以很大程度上提高SMA 沥青混合料的回弹模量。当PET 掺量为6%时，SMA 混合料获得了最大的回弹模量2991MPa，与对照组（0%PET）相比，回弹模量增加了16%，而继续掺加PET，SMA 沥青混合料的回弹模量逐渐减小，这是因为PET 在天然状态下是半结晶树脂，其玻璃化转变温度（Tg）约为70℃，在加热PET 之后，PET 转变成为具有晶体性质的物质，这有利于和沥青混溶，当PET 掺量过大时，PET 替代部分沥青，导致混合料的黏结力减小，回弹模量开始减小。

3.2 车辙试验结果

图3 为不同掺量的SMA 沥青混凝土车辙深度随时间的变化曲线。由图可以看出，与普通SMA 沥青混合料（0%PET）相比，掺加PET 的SMA 沥青混合料具有更好的抗永久变形能力。此外，所有混合料的车辙深度在前15min 急剧增加，之后缓慢增加。掺加0%，2%，4%，6%，8%和10%PET 的SMA 沥青混合料的最终车辙深度分别为1.78mm，1.50mm，1.26mm，1.35mm，1.62mm 和1.56mm，当PET 掺量为4%时，车辙深度最小，和对照组相比，车辙深度减少29%。这说明掺加PET 可以有效地改善SMA 混合料的抗车辙能力。

图3 不同掺量PET 的SMA 沥青混合料车辙深度

3.3 析漏试验结果

图4 PET 含量对SMA 沥青混合料析漏损失的影响

SMA 沥青混合料的析漏试验结果如图4 所示，由图可知，沥青混合料的析漏损失随着PET 掺量的增加而减小，且所有混合料的析漏损失均小于规范要求值0.3%。与对照组（0%PET）比较，掺加2%、4%、6%、8%和10%PET 的SMA 沥青混合料的析漏损失分别减小了4.4%、9.7%、15.1%、20.8% 和23.2%，这说明掺加PET 可以很大程度的减小SMA沥青混合料的析漏损失。究其原因，一方面是由于破碎后的PET 加入SMA 沥青混合料以晶体的形式存在，增加了集料的比表面积，从而会吸附更多的沥青；另一方面加入PET 为聚合物，会增加沥青的黏度，改善沥青的热稳定性。因此，PET 掺量越多，析漏损失越小。

3.4 水稳定性

图5 PET 含量对SMA 沥青混合料ITS 的影响

图6 PET 含量对SMA 沥青混合料TSR 的影响

图5 和图6 分别给出了冻融和未冻融条件下，SMA 沥青混合料的ITS 和TSR 随PET 掺量的变化规律。从图6 可以看出，随着PET 掺量的增加，SMA沥青混合料的ITS 逐渐减小。冻融循环后混合料试件的抗拉强度均小于未经过冻融循环的试件，这表明混合料在经历冻融循环后发生了劣化，混合料内部的水分变化会对其抗拉强度产生显著的影响。在冻融条件下，与对照组（0%PET）相比，掺2%，4%，6%，8%和10%PET 的SMA 沥青混合料的ITS 分别降低了4.3%、12%、17.3%、24.9%、29.8%。由图7 可以看出，SMA 沥青混合料的TSR 值随着PET 掺量的增加而逐渐减小，未掺PET、掺2%、4%和6%PET的SMA 沥青混合料的TSR 均大于80%，满足AASHTO T283 和ASTM D4867 中规定的TSR 值的最低要求值80%，这表明掺加PET 不会改善沥青混合料的水稳定性。水稳定性的劣化可归因于混合后的PET 以晶体形式分布在混合料中，这虽然增加了混合料的比表面积，但是却降低了沥青膜厚，水分更容易侵入集料和沥青的表面，从而更容易发生水损害。