廢塑膠粉復(fù)合改性瀝青及其混合料性能研究

王元元，董 強(qiáng)，李昌洲

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

廢舊輪胎膠粉改性瀝青具有良好的路用性能［1-3］，不僅減少了反射裂縫，提高了路面的耐久性，同時具有良好的抗疲勞性能，而且將廢舊輪胎膠粉作為改性劑來使用解決了資源浪費(fèi)問題，有利于環(huán)保［4］。因此，廢舊輪胎膠粉已作為一種瀝青改性劑被廣泛地應(yīng)用于道路工程中。

橡膠瀝青的研究與使用結(jié)果表明［5-6］:由于路面材料和路面結(jié)構(gòu)組成的差異、國內(nèi)外使用環(huán)境的不同以及橡膠瀝青自身的特殊屬性等因素，橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有待進(jìn)一步改善和提高。筆者將廢塑料聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)兩種廢塑料制成顆粒或粉末連同廢輪胎膠粉一起添加到基質(zhì)瀝青中，通過物理和化學(xué)等加工工藝加工成廢塑膠粉復(fù)合改性瀝青，以期望可以通過復(fù)合改性工藝在不改變其他路用性能的同時進(jìn)一步提高傳統(tǒng)橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

1 廢塑膠粉復(fù)合改性瀝青試驗(yàn)

1.1 廢塑膠粉復(fù)合改性瀝青的制備

筆者選用聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)兩種廢塑料，兩種廢塑料在使用前均已加工成廢塑料顆粒或粉末，見圖1和圖2。文獻(xiàn)［7-8］在Singapore70#基質(zhì)瀝青中摻入20%(內(nèi)摻)的30目廢輪胎膠粉以及0.6%(內(nèi)摻)的廢塑料顆粒，在190℃的高溫下，使用高速剪切儀以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切1h制備廢塑膠粉復(fù)合改性瀝青。同時筆者也進(jìn)行了傳統(tǒng)橡膠瀝青的制備，制備工藝為:在Singapore70#基質(zhì)瀝青中摻入20%(內(nèi)摻)的30目廢輪胎膠粉，在190℃的高溫下，使用高速剪切儀以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切1h制備傳統(tǒng)橡膠瀝青。

圖1 廢舊聚丙烯顆粒Fig.1 Particles of waste PP

圖2 廢舊聚氯乙烯粉末Fig.2 Powder of waste PVC

1.2 廢塑膠粉復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)檢驗(yàn)

分別對制備的廢塑料-橡膠粉復(fù)合改性瀝青和傳統(tǒng)橡膠瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、180℃運(yùn)動黏度、彈性恢復(fù)及延度等指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 廢塑料-橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)檢測Table 1 Test results of waste plastic-crumb rubber modified asphalt

由表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，除了廢聚丙烯—橡膠粉復(fù)合改性瀝青180℃黏度不滿足技術(shù)要求外，其他指標(biāo)均滿足橡膠瀝青的技術(shù)要求。

2 廢塑膠粉復(fù)合改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)

混合料級配選用SMA-13級配，具體級配范圍見圖3，設(shè)計(jì)空隙率為3% ～5%，通過馬歇爾體積設(shè)計(jì)法確定廢聚丙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料、廢聚氯乙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料、傳統(tǒng)橡膠瀝青混合料的最佳油石分別為7.0%，7.2%和6.5%，以此為基礎(chǔ)分別對3種瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水溫定性進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 級配曲線Fig.3 Diagram of design gradation

2.1 高溫性能試驗(yàn)

由于輪轍儀是一種簡潔快速的室內(nèi)車轍模擬試驗(yàn)設(shè)備，能夠經(jīng)濟(jì)快速地評價瀝青混合料的抗車轍性能。因此，輪轍儀在各國的瀝青混合料的質(zhì)量控制和配合比設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。分別對3種改性瀝青混合料進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

?

由表2可知，加入廢塑料PVC混合料高溫性能沒有得到提高，但是加入廢塑料PP卻使混合料高溫性能得到一定程度的提高。雖然廢聚丙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青180℃的運(yùn)動黏度只有0.93 Pa·s，遠(yuǎn)小于橡膠瀝青和廢聚氯乙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青，然而在橡膠瀝青摻入PP廢塑料后，混合料車轍動穩(wěn)定度卻大幅度提高。也就是說瀝青膠結(jié)料高溫拌合黏度降低，但是混合料60℃的動穩(wěn)定度卻提高了，這樣即有利于混合料的拌合、攤鋪，又不影響混合料路面高溫路用性能。分析認(rèn)為:PP在高溫剪切擠壓時發(fā)生分子間位移，產(chǎn)生不飽和鍵，不飽和鍵與橡膠顆粒發(fā)生化學(xué)接枝反應(yīng)，使膠粉大分子與聚丙烯分子化學(xué)接枝反應(yīng)緊密地結(jié)合。然而PP是長分子鏈結(jié)構(gòu)，同時玻璃化溫度、活化能都較低，在180℃的環(huán)境中，PP分子鏈運(yùn)動能力大大提高，把彼此相鄰的膠粉顆粒撐開，使得廢聚丙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青180℃的運(yùn)動黏度明顯低于傳統(tǒng)橡膠瀝青。在60℃時，PP分子鏈已經(jīng)結(jié)晶收縮，結(jié)晶后的PP分子鏈不僅自身的強(qiáng)度大大提高，而且進(jìn)一步拉近了相鄰橡膠顆粒間的距離，使得瀝青混合料高溫穩(wěn)定性得到提高。

2.2 低溫性能試驗(yàn)

實(shí)踐表明低溫彎曲試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地評價瀝青混合料低溫抗裂性能。因此，筆者對廢聚丙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青、廢聚氯乙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青、橡膠瀝青混合料進(jìn)行了低溫彎曲試驗(yàn)以評價混合料低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同種類瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Different types of asphalt mixture low temperature bending test results

2.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

分別對PP-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料、PVC-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料、傳統(tǒng)橡膠瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)殘余穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)以評價混合料的水穩(wěn)定性。具體試驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。

表4 不同種類瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Different types of asphalt mixture immersion marshall test results

表5 不同種類瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Different types of asphalt mixture splitting freeze-thaw test results

由表4和表5可知，經(jīng)廢塑料改性后混合料的水穩(wěn)定性仍然滿足技術(shù)要求，抗水穩(wěn)定性的好壞情況為:廢聚丙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料優(yōu)于橡膠瀝青混合料，橡膠瀝青混合料又優(yōu)于廢聚氯乙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料。

3 結(jié)論

1)經(jīng)廢塑料復(fù)合改性后的橡膠瀝青，除廢聚丙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青180℃的運(yùn)動黏度明顯降低以外，其他技術(shù)指標(biāo)均滿足橡膠瀝青技術(shù)要求。

2)經(jīng)廢塑料復(fù)合改性后的橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性等路用性能指標(biāo)均滿足橡膠瀝青混合料技術(shù)要求。加入廢塑料PP可以一定程度提高橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

3)通過對混合料高低溫性能、水穩(wěn)定性的檢測，廢聚丙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料性能都是最優(yōu)的。相比之下，3種改性瀝青路用性能好壞的排序順序是:廢聚丙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料優(yōu)于橡膠瀝青混合料，廢聚氯乙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料相對較弱。

4)廢聚丙烯-橡膠粉復(fù)合改性瀝青不僅大幅度降低了膠結(jié)料的高溫黏度，同時混合料的路用性能還得到了一定程度地提高，即給施工帶來了便利又不影響路用性能。在橡膠瀝青中加入廢聚丙烯不僅解決了白色廢物和黑色廢物處理問題，而且還能一定程度地提高瀝青混合料的路用性能，具有顯著地環(huán)境效益和社會效益。

［1］Xiao F，Zhao WB，Amirkhanian SN.Fatigue behavior of rubberized asphalt concrete mixtures containing warm asphalt additives［J］.Construction and Building Materials，2009，23(10):44-51.

［2］肖川，凌天清.廢舊橡膠粉改性瀝青材料在道路工程中的應(yīng)用與研究［J］.公路工程，2009，34(4):49-53.Xiao Chuan，Ling Tianqing.Research of waste crumb rubber modifier used in highway engineering［J］.Highway Engineering，2009，34(4):49-53.

［3］Chiu Chuite.Use of ground tire rubber in asphalt pavements:Field trial and evaluation in Taiwan［J］.Resources，Conservation and Recycling，2008(52):522-532.

［4］Xiao F，Amirkhanian S N，Juang C H.Rutting resistance of rubberized asphalt concrete pavements containing reclaimed asphalt pavement mixtures［J］.Journal of materials in Givil Engineering，2007(19):75-83.

［5］肖川.橡膠瀝青及混合料高溫性能與施工工藝研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2009.

［6］Chiu Chuite，Lu Licheng.A laboratory study on stone matrix asphalt using ground tire rubber［J］.Construction and Building Materials，2007(21):1027-1033.

［7］凌晨，趙可強(qiáng).廢塑膠改性瀝青及混合料技術(shù)參數(shù)研究［C］//白琦峰.2009國際橡膠瀝青大會中文論文集.江蘇:江蘇省交通運(yùn)輸廳，2009:23-28.

［8］陳麗.廢塑料-橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料試驗(yàn)研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2011.

［9］交通部公路科學(xué)研究院.橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［10］JTG F 40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.