廢舊塑料改性瀝青的性能研究

賴增成,劉 克,楊錫武,楊大田

(1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100089;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶 400074;3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京 100088)

廢舊塑料改性瀝青的性能研究

賴增成1,劉 克2,3,楊錫武2,楊大田2

(1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100089;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶 400074;3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京 100088)

對(duì)比研究了回收塑料所含的 3種主要樹(shù)脂對(duì)瀝青性能的影響,結(jié)果表明:隨摻量增加,低密度聚乙烯 (LDPE)、高密度聚乙烯 (HDPE)、聚丙烯 (PP)均使瀝青常溫粘度、軟化點(diǎn)、當(dāng)量脆點(diǎn)提高,而延度降低;LDPE,HDPE改善高溫性能的效果優(yōu)于 PP,但 HDPE容易造成離析;3種樹(shù)脂按不同比例復(fù)配后的改性瀝青的性能無(wú)突變,它們對(duì)瀝青性能的影響規(guī)律相同,僅在個(gè)別指標(biāo)的量上有所差異,因此直接使用未經(jīng)分類的混雜塑料改性瀝青具有技術(shù)可行性.

道路工程;改性瀝青;廢舊塑料;瀝青混合料;改性劑;車轍

重載交通已使傳統(tǒng)基質(zhì)瀝青密集配混合料難以維持穩(wěn)定.粗集料斷級(jí)配混合料的大量應(yīng)用使改性瀝青用量不斷增長(zhǎng),各種新型改性劑層出不窮.廢舊塑料改性瀝青具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性[1-4],其研究已開(kāi)展 25年,但始終未得以廣泛應(yīng)用[5].目前,我國(guó)面臨較大的是能源、環(huán)境壓力,而廢舊塑料改性瀝青在減少固廢、節(jié)約石油資源方面具有一定的意義.

廢舊塑料改性瀝青技術(shù)目前存在三大問(wèn)題[6]:回收混雜塑料分類困難[7];離析嚴(yán)重難以熱存[8-12];低溫性能爭(zhēng)議較大[13-14].目前,對(duì)后兩個(gè)問(wèn)題研究較多,而解決回收分類問(wèn)題的最好辦法,是直接使用混雜廢舊塑料改性瀝青,其可行性研究應(yīng)首先考察混雜塑料中各種樹(shù)脂對(duì)瀝青性能的影響差異:1)若影響規(guī)律相同且“量”上差異很小,則回收塑料中各種樹(shù)脂比例的變化不會(huì)使改性瀝青性能產(chǎn)生較大波動(dòng);2)若影響規(guī)律相同且“量”上差異較大,則可根據(jù)回收塑料中各種樹(shù)脂比例預(yù)判其改性瀝青的性能;3)若規(guī)律不同,則不同批次回收的混雜塑料對(duì)瀝青性能的影響將具有較大波動(dòng),即不能直接使用混雜廢舊塑料改性瀝青.本文選擇了廢棄量較大的 3個(gè)樹(shù)脂品種,對(duì)其改性瀝青性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),研究了不同品種樹(shù)脂對(duì)瀝青性能的影響,并對(duì)直接使用混雜回收塑料改性瀝青技術(shù)的可行性進(jìn)行了論證.

1 原材料與試樣制備

原材料:1)基質(zhì)瀝青:中海 70#重載交通瀝青,25℃針入度 77(0.1 mm),10℃延度 73.5 cm,軟化點(diǎn)48℃;2)廢舊塑料:紅色 LDPE、白色 HDPE、綠色 PP,皆成顆粒狀,分別由衣物包裝袋、食品容器、塑料板凳經(jīng)熔融,擠塑,切割而成.

試樣制備:基質(zhì)瀝青加熱至 180℃并保持;將廢舊塑料顆粒放入熱態(tài)瀝青中,用玻璃棒勻速攪拌至軟化 (約 15 min);啟動(dòng)剪切機(jī)并以 4 000 r·min-1剪切 15 min;停止剪切并使試樣溫度保持在 150～180℃,靜置 10 min;再次升溫至 180℃,以 4 000 r·min-1剪切 5 min;試樣入模.

2 結(jié)合料性能研究

2.1 三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果及分析從表 1、表 2和表 3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

表1 不同摻量 LDPE改性中海 70#瀝青的針入度試驗(yàn)結(jié)果 0.01mm

表2 不同摻量 HDPE改性中海 70#瀝青后的針入度試驗(yàn)結(jié)果 0.01 mm

表3 不同摻量 PP改性中海 70#瀝青后的針入度試驗(yàn)結(jié)果 0.01 mm

1)隨著 LDPE摻量增加,改性瀝青在 3個(gè)試驗(yàn)溫度的針入度逐漸下降,證明摻入 LDPE可使瀝青常溫粘度提高.

2)HDPE的摻量小于 5%時(shí)瀝青針入度有明顯下降,證明低摻量的 HDPE即可提高瀝青常溫粘度;當(dāng)其摻量達(dá)到 5%時(shí),由于改性瀝青表面大量結(jié)皮,凹凸不平,很難測(cè)出改性瀝青的針入度,證明 HDPE的摻量是影響改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的因素之一,摻量稍高時(shí)就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重離析;摻量為 3%的 HDPE改性瀝青的針入度低于摻量為 4%的針入度,推斷是摻量 4%時(shí),HDPE微粒就已經(jīng)開(kāi)始大量聚集,分布密度降低,說(shuō)明 HDPE在低摻量時(shí)就有發(fā)生離析的趨勢(shì),這進(jìn)一步證明 HDPE與瀝青的相容性極差.

3)PP摻入可使瀝青針入度減小,證明其也能提高瀝青常溫黏度;與 HDPE的情況類似,在高摻量時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重離析以至影響測(cè)試;但其摻量達(dá)到 6%時(shí)才會(huì)出現(xiàn)明顯離析,說(shuō)明 PP與瀝青的相容性比 HDPE稍好,但仍不如 LDPE.

4)3種改性瀝青在低摻量時(shí) PI明顯下降,說(shuō)明此時(shí)瀝青感溫性增強(qiáng);隨摻量增加,3種改性瀝青的 PI出現(xiàn)不同的變化規(guī)律:HDPE與 PP改性瀝青開(kāi)始增大,而 LDPE改性瀝青繼續(xù)減小,證明 LDPE的摻入可使瀝青的感溫性增強(qiáng),但 HDPE與 PP對(duì)瀝青感溫性的影響尚不好斷定,因?yàn)?HDPE和 PP改性瀝青的20℃針入度實(shí)測(cè)值明顯受離析影響,導(dǎo)致其 PI的可信度下降.

5)HDPE和 PP改性瀝青的T800極不規(guī)律,參考價(jià)值不大;在不同摻量下 HDPE和 PP改性瀝青T1.2總是高于基質(zhì)瀝青,說(shuō)明 HDPE和 PP使瀝青低溫時(shí)變得更脆,但其變脆程度隨摻量的變化規(guī)律尚無(wú)法定論.

6)LDPE改性瀝青的T800與T1.2都隨摻量的增加而逐漸提高,證明LDPE摻入使瀝青變硬,高溫性能提高,低溫性能下降,而且低溫性能下降的程度要大于高溫性能提高的程度.

如表 4所示,3種廢舊塑料摻入瀝青后呈現(xiàn)同樣規(guī)律:即延度都隨摻量增加而迅速下降,說(shuō)明這 3種廢舊塑料都降低了瀝青的低溫變形能力.

表4 不同摻量的廢舊塑料改性中海 70#瀝青 15℃延度的試驗(yàn)結(jié)果 cm

如表 5所示,3種廢舊塑料改性瀝青的軟化點(diǎn)都隨廢舊塑料摻量的增加而提高,證明 3種廢舊塑料都能夠提高瀝青的高溫穩(wěn)定性;LDPE和 HDPE對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性的改善最大,在它們摻量小于 4%時(shí)瀝青軟化點(diǎn)提高較為緩慢,但摻量大于 4%后軟化點(diǎn)提高迅速,摻量為 6%時(shí)可提高瀝青軟化點(diǎn) 20℃左右;相對(duì)于其他 2種,PP改性瀝青的軟化點(diǎn)提高均勻而緩慢,摻量每增加 1%,軟化點(diǎn)提高 2～5℃左右.

表5 不同摻量廢舊塑料改性中海 70#瀝青后的軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果 ℃

2.2 混雜廢舊塑料改性瀝青可行性分析為便于使用,廢舊塑料往往是經(jīng)擠塑切粒后再用于改性瀝青.根據(jù)復(fù)合材料學(xué)觀點(diǎn),共混材料性質(zhì)可能在各原材料性質(zhì)之間,也可能產(chǎn)生突變.因此,經(jīng)擠塑的混雜廢舊塑料改性瀝青的性質(zhì)也可能產(chǎn)生突變.筆者將前述3種塑料按多種比例熔融共混后改性瀝青,又用廢棄購(gòu)物袋、編織袋、泡沫(樹(shù)脂成分分別為 LDPE,PP,PS)按質(zhì)量比m(LDPE)∶m(PP)∶m(PS)=1∶1∶1,m(LDPE)∶m(PP)∶m(PS)=5∶1∶1改性瀝青,多次試驗(yàn)的結(jié)果表明,三大指標(biāo)值均保持在各單一品種塑料改性瀝青之間.廖利等人也曾得到類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[15].因此,未經(jīng)分類的混雜廢舊塑料改性瀝青的性能無(wú)突變.

由 2.1節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:1)3種樹(shù)脂改性瀝青性能隨摻量增加具有完全相同的變化規(guī)律:軟化點(diǎn)逐漸提高而延度逐漸降低;2)LDPE與 HDPE在相同摻量下改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度值差異很小;3)HDPE與PP改性瀝青的 20℃針入度并不規(guī)律 (針入度試樣散熱較慢,針尖由試樣上部扎入,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果受試樣離析影響很大),但總體上針入度隨摻量增加而下降.

因此可證實(shí):

1)3種樹(shù)脂對(duì)瀝青性能的影響規(guī)律相同,直接使用混雜回收塑料改性瀝青是可行的;

2)不同樹(shù)脂改性瀝青只在幾個(gè)性能指標(biāo)的“量”上有所差異 (例如 HDPE容易導(dǎo)致離析,PP提高高溫指標(biāo)的效果較差),混雜塑料改性瀝青應(yīng)按其中各種樹(shù)脂所占比例來(lái)預(yù)判這幾個(gè)指標(biāo).

3 混合料性能研究

混合料研究選用了與瀝青相容性最好的 LDPE作為改性劑,摻量 5%.按上節(jié)制備方法,將 LDPE改性瀝青分多次制備至足夠混合料試驗(yàn)用量后,集中在較大容器中混勻.在拌制混合料前的 2次加熱過(guò)程中改性瀝青有結(jié)皮現(xiàn)象,經(jīng)人工再攪拌后結(jié)皮分散,但仍可見(jiàn)很多小顆粒.w=5%的 LDPE原指標(biāo)為:25℃針入度 37(0.1 mm);15℃延度 13.6 cm;軟化點(diǎn) 64.2℃,2次加熱后應(yīng)產(chǎn)生一定變化.中海 70#與改性瀝青的擊實(shí)溫度分別為 145℃,165℃,對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖 1所示.

對(duì)于同樣級(jí)配,若擊實(shí)溫度選擇合理 (保證基質(zhì)瀝青與改性瀝青在同一粘度下?lián)魧?shí)),則兩者體積指標(biāo)不會(huì)有太大差異.由試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,LDPE改性瀝青密度、飽和度較中海 70#低,而孔隙率、礦料間隙率偏高,可證明兩者擊實(shí)溫度差異過(guò)小 (應(yīng)降低中海 70#擊實(shí)溫度).即使在此結(jié)構(gòu)不理想的情況下,混合料仍依靠 LDPE改性瀝青的高黏度使穩(wěn)定度提高 2 kN左右,證明 LDPE確實(shí)提高了混合料 60℃的抗變形能力.在油石比小于 5%的情況下,LDPE改性瀝青混合料流值較低,證明 LDPE使混合料在小變形即發(fā)揮最大強(qiáng)度的能力提高,有益于提高抗車轍能力.

車轍試驗(yàn)結(jié)果顯示 (見(jiàn)表 6):w=5%的 LDPE改性 90#的混合料的穩(wěn)定度 (DS)均值比基質(zhì)瀝青約高3 500次·mm-1;w=5%的 LDPE改性 90#混合料各試件 DS差異較大,變異系數(shù)達(dá) 26%(基質(zhì)瀝青為7%).結(jié)果說(shuō)明:廢舊塑料改善了混合料的高溫穩(wěn)定性;離析致使改性瀝青性能不穩(wěn)定,直接影響到車轍試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性.雖然改性瀝青 2次加熱后經(jīng)過(guò)人工攪拌再混勻,未見(jiàn)宏觀離析,但可推斷廢舊塑料依舊結(jié)成小顆粒,其分布不均,致使每次制樣用瀝青性能不同.可以預(yù)見(jiàn),若使用其他更難溶的廢舊塑料品種將使試驗(yàn)結(jié)果離散性更大.

圖1 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果 次·mm-1

4 結(jié) 論

1)LDPE,HDPE,PP均使瀝青常溫黏度、軟化點(diǎn)、當(dāng)量脆點(diǎn)提高,延度降低,感溫性增強(qiáng),LDPE能增強(qiáng)混合料抗車轍能力;

2)3種樹(shù)脂改性瀝青只在個(gè)別指標(biāo)的“量”上有所差異,而影響規(guī)律相同,直接使用混雜回收塑料改性瀝青在技術(shù)上是可行的.

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Performance ofWaste PlasticsModified Asphalt

LA I Zeng-cheng1,LIU Ke2,3,YANG Xi-wu2,YANGDa-tian2
(1.China Highway Engineering Consulting Group CompanyLTD,Beijing 100089,China;2.School of Civil Engineering&Architecture,Chongqing JiaotongUniversity,Chongqing 400074,China;3.Institute of Highway,Ministry of Transport,Beijing 100088,China)

The effects of the three main resin contained in the recycling plastics on the performance ofmodified asphaltwere compared,and the results indicated that with the increas of dosage,the asphalt viscosity at room temperature,softening point and equivalent crisp points were enhanced by low density polyethylene(LDPE),high density polyethylene(HDPE)and polypropylene(PP),and the ductilitywere reduced;the effectsofLDPE,HDPE on the high temperature performance were superior than that of PP,but HDPE easily lead to separation;modified asphaltwith blended resins had no performance mutation,the influence law of them were similar,there were differences of seldom index.Taken together,using unclassified mixed plastic formodifying asphaltwas feasible.

road engineering;modified asphalt;waste plastics;hotmix asphalt;modifier;rutting

U 416.217 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

A

1004-1729(2010)04-0358-05

2010-03-23

賴增成 (1982-),男,廣東湛江人,中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司工程師,碩士.