PET 對SMA 瀝青混合料力學性能的影響研究

馬海文

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730000）

SMA（瀝青瑪蹄脂）瀝青路面因其耐磨抗滑以及良好的抗車轍特性在國內外高等級路面中得到廣泛應用[1]。目前SBS 改性瀝青常用于SMA 瀝青混合料的黏結劑，但是，由于制作SBS 改性瀝青需要專門的改性瀝青剪切設備和SBS 改性劑價格較高，這使得SMA 瀝青路面的造價相對較高[2]。因此，有必要尋求一種性價比較高的改性劑來替代SMA 瀝青混合料中使用的SBS 改性劑；另一方面，全球每年會產生大量的廢棄聚合物，其中廢塑料（主要成分為PET，PET 聚酯為聚對苯二甲酸乙二醇，由對苯二甲酸與乙二醇聚合而成）已經超過了1 億t，塑料制品大多為一次性用品并且分解周期較長，它會對環境造成嚴重的污染[3]。研究表明PET 具有良好的化學穩定性、耐腐蝕性[4]。其可與瀝青在高溫條件下相融，提升瀝青的高溫性能和儲存穩定性[5，6]。因此，將這些廢塑料應用在公路工程中，綜合利用這些廢塑料不僅可以保護環境，還可以節約資源和節省公路建設成本。雖然國內對廢塑料已有一些應用，但仍未引起重視[7]。

基于此，文章首先對收集的廢塑料瓶進行洗滌、干燥和破碎，然后將PET 以干法的方式摻入SMA瀝青混合料制備PET 改性的SMA 瀝青混合料，采用回彈模量、析漏試驗、車轍試驗以及水穩定性試驗對PET 改性的SMA 瀝青混合料的力學性能進行評價。本研究對PET 在瀝青路面中的應用推廣具有一定的指導意義。

1 原材料

1.1 集料

試驗所用的集料為花崗巖，其物理指標見表1，級配如圖1 所示。試驗所用的填料為波特蘭水泥。

表1 集料技術指標試驗結果

圖1 混合料級配曲線

1.2 瀝青

試驗采用SK90#瀝青，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》 的相關規定對其技術指標進行測試，結果見表2。

表2 SK90# 瀝青技術指標試驗結果

1.3 PET 添加劑

PET 為將廢棄塑料瓶回收經洗滌、破碎、干燥等工序后形成的細小顆粒，其級配見表3。

表3 經破碎裝置破碎得到的PET 級配

2 試驗步驟及過程

2.1 試件制備

首先，將瀝青和集料分別加熱至150℃和200℃；其次，在160±5℃下將瀝青和集料攪拌5min，然后把破碎后的PET 加入其中拌和2min（PET 的摻量分別為瀝青質量的0%、2%、4%、6%、8%和10%）；最后使用馬歇爾擊實儀（正反面各50 下）和車轍板成型機在145℃下將拌和均勻的混合料分別成型試驗試件，目標空隙率為7%。

2.2 回彈模量試驗

回彈模量（MR）表示在去除施加的應力之后施加的應力與可恢復的應變的比值，用于評估瀝青混合料的處于彈性階段時的力學性質，為瀝青混合料設計時的重要力學參數。按照ASTM D4123 試驗方法使用UTM 機對瀝青混合料進行回彈模量試驗，試驗溫度為25℃。

2.3 車轍試驗

采用車轍試驗評價摻PET 瀝青混合料的抗變形能力[8]。每種PET 摻量下制備3 塊最佳瀝青用量的混合料車轍板，尺寸為300mm×300mm×50mm，總共18 塊車轍板。試驗前，將車轍板放置在45℃的烘箱里至少6h。讀取45min 內的車轍變形，每5min 記錄一次。

2.4 析漏試驗

根據T0732-2011 規范要求采用網籃法對SMA 瀝青混合料進行析漏試驗，試驗溫度為170℃。析漏損失指從網籃中分離出的材料（瀝青或瀝青與細集料的混合物）占SMA 瀝青混合料總質量的百分比。

2.5 水穩定性試驗

室內制備6 個SMA 瀝青混合料馬歇爾試件，并分為兩組，每組3 個試件，一組為干燥條件試件，一組為凍融條件試件。其中一組在20℃條件下放置72h；另外一組首先在真空條件下飽水30min，然后在水浴箱中放置72h，水浴箱溫度為20℃。完成后對兩組試件進行劈裂強度試驗，獲得用劈裂強度（ITS）。TSR 為凍融條件下混合料的ITS 和干燥條件下混合料ITS 的百分比，TSR 值越大，瀝青混合料的水穩定性越好。對SMA 瀝青混合料來說，規范需要TSR≥70%。

3 結果與討論

3.1 回彈模量

圖2 PET 含量對SMA 瀝青混合料回彈模量的影響

圖2 給出了SMA 瀝青混合料回彈模量MR 值與PET 含量的關系。由圖可知，回彈模量隨著PET含量的增加先增大后減小，而且摻加PET 混合料的回彈模量均大于不摻PET 的混合料，這說明摻加PET 可以很大程度上提高SMA 瀝青混合料的回彈模量。當PET 摻量為6%時，SMA 混合料獲得了最大的回彈模量2991MPa，與對照組（0%PET）相比，回彈模量增加了16%，而繼續摻加PET，SMA 瀝青混合料的回彈模量逐漸減小，這是因為PET 在天然狀態下是半結晶樹脂，其玻璃化轉變溫度（Tg）約為70℃，在加熱PET 之后，PET 轉變成為具有晶體性質的物質，這有利于和瀝青混溶，當PET 摻量過大時，PET 替代部分瀝青，導致混合料的黏結力減小，回彈模量開始減小。

3.2 車轍試驗結果

圖3 為不同摻量的SMA 瀝青混凝土車轍深度隨時間的變化曲線。由圖可以看出，與普通SMA 瀝青混合料（0%PET）相比，摻加PET 的SMA 瀝青混合料具有更好的抗永久變形能力。此外，所有混合料的車轍深度在前15min 急劇增加，之后緩慢增加。摻加0%，2%，4%，6%，8%和10%PET 的SMA 瀝青混合料的最終車轍深度分別為1.78mm，1.50mm，1.26mm，1.35mm，1.62mm 和1.56mm，當PET 摻量為4%時，車轍深度最小，和對照組相比，車轍深度減少29%。這說明摻加PET 可以有效地改善SMA 混合料的抗車轍能力。

圖3 不同摻量PET 的SMA 瀝青混合料車轍深度

3.3 析漏試驗結果

圖4 PET 含量對SMA 瀝青混合料析漏損失的影響

SMA 瀝青混合料的析漏試驗結果如圖4 所示，由圖可知，瀝青混合料的析漏損失隨著PET 摻量的增加而減小，且所有混合料的析漏損失均小于規范要求值0.3%。與對照組（0%PET）比較，摻加2%、4%、6%、8%和10%PET 的SMA 瀝青混合料的析漏損失分別減小了4.4%、9.7%、15.1%、20.8% 和23.2%，這說明摻加PET 可以很大程度的減小SMA瀝青混合料的析漏損失。究其原因，一方面是由于破碎后的PET 加入SMA 瀝青混合料以晶體的形式存在，增加了集料的比表面積，從而會吸附更多的瀝青；另一方面加入PET 為聚合物，會增加瀝青的黏度，改善瀝青的熱穩定性。因此，PET 摻量越多，析漏損失越小。

3.4 水穩定性

圖5 PET 含量對SMA 瀝青混合料ITS 的影響

圖6 PET 含量對SMA 瀝青混合料TSR 的影響

圖5 和圖6 分別給出了凍融和未凍融條件下，SMA 瀝青混合料的ITS 和TSR 隨PET 摻量的變化規律。從圖6 可以看出，隨著PET 摻量的增加，SMA瀝青混合料的ITS 逐漸減小。凍融循環后混合料試件的抗拉強度均小于未經過凍融循環的試件，這表明混合料在經歷凍融循環后發生了劣化，混合料內部的水分變化會對其抗拉強度產生顯著的影響。在凍融條件下，與對照組（0%PET）相比，摻2%，4%，6%，8%和10%PET 的SMA 瀝青混合料的ITS 分別降低了4.3%、12%、17.3%、24.9%、29.8%。由圖7 可以看出，SMA 瀝青混合料的TSR 值隨著PET 摻量的增加而逐漸減小，未摻PET、摻2%、4%和6%PET的SMA 瀝青混合料的TSR 均大于80%，滿足AASHTO T283 和ASTM D4867 中規定的TSR 值的最低要求值80%，這表明摻加PET 不會改善瀝青混合料的水穩定性。水穩定性的劣化可歸因于混合后的PET 以晶體形式分布在混合料中，這雖然增加了混合料的比表面積，但是卻降低了瀝青膜厚，水分更容易侵入集料和瀝青的表面，從而更容易發生水損害。

4 結論

通過研究不同摻量的PET 對SMA 瀝青混合料的影響，并與未摻PET 的SMA 瀝青混合料對比，可得如下結論：

1）SMA 瀝青混合料回彈模量值隨著PET 摻量的增加先增大后減小。PET 摻量為6%時，SMA 瀝青混合料回彈模量值最大，比未摻PET 增加了16%；

2）PET 摻量對SMA 瀝青混合料的抗車轍性能具有顯著的影響，PET 摻量為4%時，車轍深度最小，比未摻PET 減少了29%；

3）PET 可以顯著地減小SMA 瀝青混合料的析漏損失，隨著PET 摻量的增加，析漏損失逐漸減小；

4）SMA 瀝青混合料的水穩定性隨著PET 摻量的增加而發生劣化，但是2%和4%摻量下，其TSR值仍滿足規范要求的80%；

5）PET 的最佳摻量為瀝青質量的4%至6%。