生活廢舊塑料改性瀝青性能及機理研究

楊錫武，劉 克，馮 梅，何 澤

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

生活廢舊塑料改性瀝青性能及機理研究

楊錫武，劉 克，馮 梅，何 澤

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

介紹了裂化處治聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)類生活廢舊塑料的方法。分別將原狀造粒生活廢舊塑料(RP)及裂化生活廢舊塑料(CRP)按6%及8%摻量，摻入茂名90 # 及中海油70 # 兩種基質瀝青中制得生活廢舊塑料改性瀝青，對比試驗研究了基質瀝青及生活廢舊塑料改性瀝青的三大技術指標(針入度、軟化點、延度)及存儲穩定性、低溫彎曲性能、黏度和老化性能。用紅外光譜分析了裂化處治前后生活廢舊塑料以及改性前后瀝青的組成成分變化，研究了裂化處治生活廢舊塑料改性瀝青性能提高的機理。結果表明：各類裂化處治生活廢舊塑料改性瀝青高溫穩定性顯著提高，摻量6%條件下可使中海油70 # 基質瀝青的軟化點由48.7 ℃提高到70 ℃以上；存儲穩定性好，不離析；低溫彎曲、黏度、老化等性能未降低，與基質瀝青性能相近。

道路工程；裂化生活廢舊塑料；原狀造粒生活廢舊塑料；改性瀝青；離析；紅外光譜；機理

0 引 言

目前用生活廢舊塑料改性瀝青的基本方法是把生活廢舊塑料直接投入到瀝青中進行加熱混融改性，通過改性瀝青及其混合料的性能評價其改性效果[1-5]。然而，由于瀝青分子與生活廢舊塑料分子鏈長度和結構差異大，兩者相容性較差，應用中表現為在較高溫度和不斷攪拌外力作用下兩者能均勻相容，但是當溫度稍微降低或停止外力攪拌，塑料分子就會重新聚合，產生離析，對改性瀝青和改性瀝青設備產生不利影響，包括：①影響混合料性能；②在溶脹、泵送、存儲和運輸過程中容易產生離析而堵塞設備管道，影響生產設備的運行。因此，容易離析是生活廢舊塑料改性瀝青在生產中至今未能得到推廣應用的主要原因。基于此，筆者提出了用加穩定劑裂化制作生活廢舊塑料改性劑的方法，并對比研究了PE和PP為主的生活廢舊塑料改性瀝青的路用技術性能，用紅外光譜分析法分析了生活廢舊塑料改性瀝青的機理。

1 試驗材料

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

試驗采用的基質瀝青為茂名90 #和中海油70 #瀝青，其性能如表1。

表1 基質瀝青技術指標試驗結果

1.1.2 原狀造粒生活廢舊塑料(RP)

試驗選取了具有代表性的3種回收生活廢舊塑料顆粒(RP)：

A——以塑料袋、包裝塑料薄膜等造粒而成的廢舊塑料顆粒，主要成分為聚乙烯(PE)。

B——以塑料盆、桶、塑料凳子等生活廢舊塑料制品造粒而成的廢舊塑料顆粒，主要成分為聚丙烯(PP)。

C——以塑料薄膜和其他廢舊塑料制品隨機混合的廢舊塑料顆粒，成分比較雜，除了聚乙烯，還含有其它成分。

分別用RP-A，RP-B，RP-C表示這3種原狀造粒生活廢舊塑料顆粒改性劑。

1.1.3 裂化生活廢舊塑料(CRP)

把生活廢舊塑料(顆粒)加熱至250～260 ℃，同時加入裂化劑，使得塑料分子鏈斷裂，冷卻，即制作得生活裂化廢舊塑料改性劑。由于通過高溫加熱的裂化處理，其性能已不同于原狀造粒生活廢舊塑料，稱其為裂化生活廢舊塑料(CRP)，分別用CRP-A，CRP-B，CRP-C表示。

1.2 生活廢舊塑料改性瀝青的制作

生活廢舊塑料改性瀝青的制作方法是：將基質瀝青(茂名90 #或中海油70 #)加熱到170 ℃左右，然后把生活廢舊塑料改性劑(RP類：RP-A，RP-B，RP-C和CRP類：CRP-A，CRP-B，CRP-C)倒入瀝青中，融脹10 min，生活廢舊塑料改性劑摻量為6%，8%，最后用乳化機剪切8～10 min，改性瀝青即制作完成。

2 試驗結果

2.1 針入度、延度、軟化點

分別測定基質瀝青、摻RP及CRP改性劑的改性瀝青三大技術指標，試驗結果如表2。

表2 基質瀝青、RP/CRP改性瀝青三大技術指標試驗結果

從表2可以看出：

1)在相同摻量條件下，CRP改性瀝青的針入度、軟化點和延度總體上好于RP改性瀝青，改性中海油70 # 瀝青和茂名90 # 瀝青的性能相近。

2)生活廢舊塑料成分不同，改性效果也不同。在相同摻量條件下，以聚丙烯為主的CRP-B或RP-B改性瀝青的軟化點最高，改性效果好于以聚乙烯為主的RP-A，CRP-A。

2.2 存儲穩定性

參考JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》針對SBS改性瀝青存儲穩定性的試驗方法和評價指標，對RP/CRP改性瀝青進行試驗，以對比其存儲穩定性。

根據規范要求，把制作好的CRP改性瀝青倒入試管中，放入165 ℃的烘箱加熱48 h，然后取出靜置于空氣中自然冷卻。取試管上部和底部瀝青進行的軟化點試驗，根據上部和底部改性瀝青的軟化點差值(要求SBS改性瀝青的軟化點差小于2.5 ℃)，評價離析程度。

由于RP改性瀝青離析嚴重，試驗時，筆者直接把制作的改性瀝青試樣置于空氣中冷卻離析，然后測試其軟化點差。

表3、表4是改性瀝青的存儲穩定性試驗結果對比。

表3 CRP改性瀝青的存儲穩定性試驗結果

表4 RP/CRP改性瀝青存儲穩定性試驗結果

從表3、表4可以看出：

1)RP改性瀝青存儲穩定性很差，試樣上下部軟化點差遠大于2.5 ℃，且試樣表面粗糙，嚴重離析，不能滿足聚合物改性瀝青的離析控制要求。

2)無論是離析8 h還是48 h，CRP摻量從6%增加到8%，CRP改性瀝青試樣上下部軟化點差都小于2.5 ℃，試樣表面光滑，無分層現象，完全滿足改性瀝青的上下軟化點差小于2.5 ℃的離析控制指標要求。

3)在相同摻量條件下，PE、PP廢舊塑料改性瀝青的離析指標沒有明顯差別，基質瀝青標號對離析沒有明顯影響。

2.3 黏 度

按照JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0610—1993瀝青布氏旋轉黏度試驗方法，對比研究了RP/CRP改性中海油70 #瀝青在80，110，135，165，180 ℃溫度下的旋轉黏度，以評價生活廢舊塑料改性劑對瀝青黏度的影響。

不同溫度下基質瀝青及改性瀝青的黏度試驗結果及其黏溫關系式如表5。

表5 基質瀝青、RP/CRP改性瀝青的黏度試驗結果及黏溫關系式

注：*180 ℃時，改性瀝青黏度超出旋轉黏度計量程，故無記錄。

選擇黏度為(0.17±0.02)Pa·s時的溫度為最佳拌和溫度，黏度為(0.28±0.03)Pa·s時的溫度為最佳壓實成型溫度，從而計算得出廢舊塑料改性瀝青混合料的最佳拌和溫度與最佳壓實溫度，如表6。

表6 基質瀝青、RP/CRP改性瀝青混合料的最佳拌和、壓實溫度

從表5、表6可以看出：

1)RP和CRP都提高了瀝青的旋轉黏度，在135 ℃條件下，RP改性瀝青的旋轉黏度是CRP改性瀝青的2～3倍，在165～180 ℃條件下，RP改性瀝青的旋轉黏度高于CRP改性瀝青，CRP改性瀝青的旋轉黏度與基質瀝青相近。

2)RP和CRP改性瀝青的黏度系數與感溫系數均大于基質瀝青。聚丙烯類廢舊塑料改性瀝青的旋轉黏度以及感溫系數總體大于聚乙烯類塑料改性瀝青。因此，聚丙烯類改性瀝青混合料的拌和、壓實溫度應高于聚乙烯類改性瀝青混合料的拌和壓實溫度。

3)CRP改性瀝青在135 ℃的旋轉黏度均未超過3 Pa·s，滿足我國瀝青路面施工技術規范對Ⅲ類聚合物改性瀝青技術要求。

2.4 低溫性能

根據美國SHAP規范的小梁彎曲蠕變試驗(BBR)進行瀝青低溫性能測試(圖1)。基質瀝青選擇中海油70 #，RP/CRP改性劑，試驗結果見表7。

圖1 瀝青小梁低溫彎曲蠕變試驗Fig.1 Asphalts BBR test

基質瀝青改性劑品種摻量/%S/MPam64100．475RP?ARP?B6611900105530．3900．426中海油70#CRP?ACRP?BCRP?C6866888571080010950994563100．3940．5000．3990．4320．221

從表7可以看出：

1)RP/CRP改性瀝青的勁度S總體高于基質瀝青的，m值低于基質瀝青的。表明RP/CRP改性劑使得瀝青蠕變速率降低、應力松弛性能變差，導致瀝青的低溫性能降低。

2)相同摻量條件下，CRP改性瀝青的m值大于RP改性瀝青的，而勁度模量小于RP改性瀝青的，表明CRP改性瀝青的低溫性能好于RP改性瀝青。

2.5 老化性能

塑料在太陽光紫外線作用下容易老化，路面暴露于野外環境中，加入生活廢舊塑料改性劑的瀝青是否也會由于陽光的作用而加速老化是值得研究的課題。筆者采用JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0610—1993瀝青旋轉薄膜加熱試驗對RP/CRP改性瀝青進行老化實驗研究，試驗結果如表8。

表8 基質瀝青、RP/CRP改性瀝青旋轉薄膜加熱老化性能指標

從表8可以看出：

1)RP/CRP改性瀝青老化后的質量損失、殘留針入度比和軟化點均大于基質瀝青，針入度小于基質瀝青。說明RP/CRP改性瀝青更容易老化。

2)CRP-A改性瀝青比RP改性瀝青更容易老化；而RP-B類的老化性能則相反。

3 改性機理分析

紅外光譜是一種分子吸收光譜。其分析識別物質的原理是：當紅外光照射化合物分子時，部分波長的紅外光被分子吸收，吸收峰的位置及強度與組成分子的各原子質量、化學鍵的性質及化合物的幾何構型有關，因此利用紅外吸收光譜就可以鑒別由不同原子及化學鍵所組成的物質，識別各種同分異構體。

3.1 RP/CRP

根據紅外光譜分析原理及在塑料分析中的應用，筆者對聚乙烯和聚丙烯為主的RP-A，RP-B和CRP-A，CRP-B及其改性瀝青進行了紅外光譜分析，以了解原狀造粒及裂化處治后生活廢舊塑料的差別，分析生活廢舊塑料的改性機理。試驗在重慶大學材料科學學院綜合實驗室進行。原狀造粒和裂化生活廢舊塑料的紅外分析譜如圖2。

圖2 RP/CRP的紅外分析譜圖Fig.2 Infrared analysis spectra of RP/CRP

對比圖2中RP-A，RP-B和CRP-A，CRP-B的圖譜吸收峰可知：

1)RP-A的主要成分為PE；相對而言，RP-B的結構較復雜，其主要成分為PP，并含有少量PE；同時，在兩種生活廢舊塑料的紅外光譜中均沒有醇、酚、芳香烴、酰胺官能團的相關紅外吸收峰的存在，表明采用的生活廢舊塑料樣品RP-A，RP-B中不含EVA，PET，PC等塑料成分。

3.2 RP/CRP改性瀝青

為了解RP/CRP在瀝青中的作用機理，應用紅外光譜分析法分別對中海油70 #基質瀝青，及摻RP-A，RP-B和CRP-A，CRP-B的改性瀝青進行了紅外光譜分析，改性劑摻量均為6%，分析結果如圖3。

圖3 基質瀝青、RP/CRP改性瀝青的紅外光分析譜圖Fig.3 Infrared spectra of matrix asphalt and RP/CRP modified asphalts

從圖3可以看出：

1)RP和CRP改性瀝青的紅外光譜圖與基質瀝青的基本相同，RP和CRP改性瀝青中沒有生成與基質瀝青不同的官能團，生活廢舊塑料并沒有與瀝青發生化學反應，其對瀝青的改性是物理改性。

2)RP和CRP對瀝青的改性都是物理改性，但由于CRP分子鏈長度降低，支鏈增多，生成了—OH基團，分子間聚合的能量降低，使得CRP在機械力和分子間的范德華力作用下更容易分散在瀝青相中而不易產生離析，即CRP改性瀝青與RP改性瀝青的存儲穩定性和高溫性能在機理上是不同的。

4 結 論

1)裂化生活廢舊塑料(CRP)改性瀝青的軟化點、延度和針入度性能指標好于原狀造粒廢舊塑料(RP)改性瀝青，同時具有良好的存儲穩定性，不離析，黏度和低溫性能滿足我國Ⅲ類聚合物改性瀝青技術要求，解決了生活廢舊塑料改性瀝青存儲穩定性差的問題，同時可以較大地提高瀝青的高溫穩定性。

2)生活廢舊塑料經裂化處治后，分子鏈長度降低，支鏈增多，生成了—OH基團，雙鍵結構增多，使其與瀝青有更好的相容性而不產生離析。但生活廢舊塑料改性瀝青中沒有新的物質生成，屬于物理改性。

3)根據原狀造粒生活廢舊塑料和裂化生活廢舊塑料改性瀝青的基本技術性能指標和存儲穩定性的對比之試驗結果，推薦采用裂化生活廢舊塑料作瀝青改性劑。

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(責任編輯 田文玉)

Performance and Mechanism Investigation of Recycled Plastic Modified Asphalts

YANG Xiwu, LIU Ke, FENG Mei, HE Ze

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

The method of cracking polyethylene (PE) and polypropylene (PP) was introduced. Two kinds matrix asphalts—Maoming-90 and CNOOC-70—were chosen, and blended with cracking recycled plastics(CRP) or non-cracking recycled plastics(RP) by mass of 6% and 8% respectively. Three indexes (penetration, soften point and ductility), storage stability, low-temperature bending property, viscosity and aging performances of the modified asphalts mixed with cracking recycled plastics were compared and studied. The component variation of RP and CRP, and the components variation of the asphalts with or without modifier were test analyzed with infrared spectrum. The modified asphalt mechanism was analyzed. Test results show that the high-temperature property of all kinds CRP modified asphalts increase greatly, the soften point of CNOOC-70 asphalt with CRP modifier addition of 6% can grow from 48.7 ℃ to more than 70 ℃，and demonstrate sound storage stability without segregation and meanwhile demonstrate their low-temperature bending property, viscosity and aging performances similar to that of matrix asphalt.

highway engineering; recycling plastics(RP); cracking recycled plastics(CRP); modified asphalt; segregation; infrared spectrum; mechanism

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.01.06

2014-02-28；

2016-10-08

重慶市交通委員會科技項目([2008]15)

楊錫武(1963—)，男，云南鶴慶人，教授，博士，主要從事路基路面工程的教學和研究。E-mail: yangxw 01@126.com。

U414.3

A

1674-0696(2017)01-030-06