廢棄PET/SBR復合改性瀝青的流變及老化性能研究

戴林

摘要：為評價廢棄聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）與丁苯橡膠（SBR）對瀝青流變與老化性能的影響，文章通過在不同摻量下制備PET/SBR復合改性瀝青（PRA），采用常規試驗、高低溫流變試驗、老化試驗和相容性試驗等，對PRA在不同溫度和老化水平下的流變性能進行研究。結果表明：PET和SBR均能改善PRA的高溫穩定性和低溫抗裂性，且PRA的性能優于單一改性瀝青；PET摻量的增加不利于改性劑與瀝青的相容性，而SBR的添加有利于改善PRA的相分離現象；PET和SBR的復合改性顯著提高了PRA的抗老化性能，不同老化程度下，S值老化因子與R值老化因子的線性相關性很高。

關鍵詞：道路工程；改性瀝青；聚對苯二甲酸乙二醇酯；丁苯橡膠；流變性能；老化性能

中圖分類號：U416.03? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0058-04

0 引言

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一種熱塑樹脂材料，因其具有優異的密封性、防水性和抗裂性，因此被大規模用于塑料瓶的制備［1-2］。然而一次性塑料瓶的使用壽命非常短，且分解速度很慢，同時，PET的積累還會產生大量有機污染物，對生態環境和人體健康產生負面影響［3-4］。目前，廢棄PET的再利用包括物理回收和化學回收，化學回收的優勢在于將PET制備成其他工業增值材料，并減少填埋處理PET的占地面積，而PET的化學回收率仍然較低。因此，已有研究將廢棄PET作為瀝青路面材料，研究表明PET可以改善瀝青的高溫性能，但其低溫性能與相容性還有待進一步提升［5-6］。丁苯橡膠（SBR）是最早工業化的橡膠材料，在二戰前由德國開發，并在美國廣泛使用以取代天然橡膠。已有研究結果表明，SBR的添加有利于改善瀝青的溫度敏感性，尤其是瀝青的低溫流變性能［7-8］。因此，為促進廢棄塑料的有效回收利用，并提高瀝青的路用性能，選擇廢棄PET與SBR共混制備PET/SBR復合改性瀝青（PRA）。通過常規性能試驗、流變學表征和老化性能評價，對PRA的高溫、低溫和老化性能進行評價。本研究旨在提高廢棄PET塑料的回收率，立足“雙碳”的戰略需求，促進瀝青路面的綠色低碳建造。

1 試驗材料與方案

1.1 原材料

選擇70#道路石油瀝青作為基質瀝青，其主要性能指標如表1所示。SBR膠粉由天津某橡塑公司提供，其性能指標見表2。廢棄PET材料由湖南某塑料公司提供，制備流程為回收廢棄水瓶后清洗并干燥，然后切割成小塊，通過化學轉化制備出苯酰胺衍生物的殘留物，作為本次試驗所用的廢棄PET改性劑。

1.2 改性瀝青制備

廢棄PET按瀝青質量的1%和2%，SBR按瀝青質量的3%、4%和5%，定量添加到基質瀝青中。PRA的制備過程為將道路石油瀝青在160 ℃的加熱條件下至熔融態；將定量的PET粉末摻入熱瀝青中，采用高速剪切儀進行攪拌、剪切，剪切速率、剪切溫度和剪切時間分別為4 000 r/min、170 ℃和30 min；直到PET與瀝青充分相容后，再加入定量的SBR粉末，保持相同的剪切條件，剪切30 min后在160 ℃的烘箱內發育40 min，制備得到不同摻量下的PRA。如表3所示為各種摻量下所有瀝青試樣的縮寫。

1.3 試驗方法

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中規定的試驗方法，對瀝青試驗開展針入度（T0604）、軟化點（T0606）、延度（T0605）試驗。同時，對PRA進行老化處理，包括短期老化和長期老化。使用旋轉薄膜烘箱試驗在163 ℃下加熱85 min，獲得短期老化瀝青試樣。長期老化瀝青試樣是基于短期老化瀝青試樣，采用壓力老化儀，在100 ℃和2.1 MPa下處理20 h后得到的。

為評價PRA的高溫流變性能，基于Kinexus動態剪切流變儀（DSR）進行多重應力蠕變與恢復（MSCR）試驗。MSCR試驗的溫度掃描范圍為64 ℃，以確定不可恢復蠕變柔量（Jnr）和恢復率（R）。彎曲梁流變儀（BBR）試驗采用Cannon公司的BBR儀器，BBR試件尺寸為127 mm×6.35 mm×12.7 mm。試驗在-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃的溫度下進行，以確定低溫度下的蠕變勁度（S）和蠕變速率（m）。

采用聚合物改性瀝青離析試驗來分析PRA的儲存穩定性，以評價PET、SBR與基質瀝青的相容性。將加熱后的50 g瀝青試驗倒入鋁箔管中。然后將鋁箔管密封并垂直放置在163 ℃的烤箱中48 h。加熱后取出鋁箔管，冷卻至室溫后，將鋁箔管剪切等分剪成3份，通過測試鋁箔管上下部分的軟化點，計算二者差值來評價PRA的儲存穩定性。

2 結果與討論

2.1 三大指標

如圖1所示為各種瀝青試樣的針入度結果。針入度反映了瀝青的稠度，也可以表示瀝青的相對黏度。由圖1可知，隨著SBR含量的增加，改性瀝青的針入度降低，說明SBR的加入增加了改性瀝青的稠度。針入度的增加可以歸因于兩個因素：（1）SBR作為一種丁苯橡膠改性劑，其中的橡膠成分可以增強瀝青的硬度；（2）SBR是一種高分子量材料，隨著SBR摻量的增加，改性瀝青體系的分子量增加，因此PRA的針入度呈下降趨勢。同樣，隨著PET摻量的增加，PRA的針入度降低，在所有瀝青試樣中，P2R5的針入度最低，且在4%和5%SBR摻量下PRA（P2R4和P2R5）的針入度相差不大。

軟化點是瀝青高溫性能的重要指標，軟化點越高，表明瀝青更不易塑性變形。以前的研究顯示PET可以改善瀝青的高溫性能，這在本試驗中得到了證實［6］。與基質瀝青和SBR改性瀝青相比，PET改性瀝青的軟化點更高，這可能是由于PET能夠吸收瀝青中的輕質組分，從而增加瀝青質組分的相對含量，增強改性瀝青的粘聚性。添加SBR后，PRA的軟化點進一步提高，且隨著SBR摻量的增加，軟化點的提高更加明顯，說明PRA的高溫性能有所改善，高溫性能的增強可歸因于SBR膠粒增加了PRA的黏度和抗剪切流動性。同樣，在所有瀝青試樣中，在SBR的4%和5%摻量下PRA的軟化點相差不大。見圖2。

5 ℃的瀝青延度能反映瀝青的塑性變形能力，延性值越高，塑性流動性越好。由圖3可知，與基質瀝青相比，SBR能顯著改善PRA的延度，而PET會略微降低延度。隨著SBR摻量的增加，PRA的延度值增加。這是因為SBR的分子鏈中存在大量的橡膠組分，使改性瀝青體系具有很高的彈性，這些彈性組分可以增強瀝青中的柔韌性和彈性，從而改善其低溫性能。同時，PET與SBR的交聯組分形成空間網絡結構，提高改性瀝青的延度。當SBR摻量達到4%后，改性瀝青延度的增加速度減慢，這可歸因于瀝青系統中由于SBR摻量過高而導致膠體含量飽和。

2.2 相容性能

為了定量評價PRA的儲存穩定性，通過鋁箔管上、下部分的軟化點差值來表征。如圖4所示為PRA的聚合物改性瀝青離析試驗結果，評價PET和SBR對瀝青的相容性能，軟化點差值越高，改性瀝青相分離現象越嚴重。由圖4可知，隨著PET摻量的增加，PRA的軟化點差值增大，造成這種現象的原因是PET顆粒在重力作用下沉積到瀝青底部，而SBR的添加可以改善PRA的相容性，使得PRA的軟化點差值下降。根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004），如果改性瀝青的軟化點差值＞2.5 ℃，則認為其在高溫下的相容狀態不穩定。由圖4可知，除了2%PET改性瀝青（P2R0），其他瀝青試樣的軟化點差值均＜2.5 ℃，這說明本次試樣制備的PRA具有較好的高溫儲存穩定性。

2.3 高溫流變性能

不同老化水平下PRA的MSCR結果如圖5和圖6所示。不可恢復蠕變柔量（Jnr）可以評價瀝青的車轍抗變形能力，而恢復率（R）可以表征瀝青的彈性成分。一般來說，較低Jnr值和較高R值的瀝青具有較好的抗車轍變形性能和彈性。由圖5和圖6可知，PET和SBR均能顯著提高PRA的R值而降低Jnr值，且PET對瀝青高溫性能的改善效果高于SBR。與單一改性瀝青相比，PRA的Jnr值更低且R值更高，PRA的高溫效果更佳的原因可以歸納為：（1）PET的加入是瀝青高溫性能改善的主要原因，且與摻量總體上呈正相關關系；（2）SBR增加了橡膠組分在瀝青中的相對比例，使改性后的瀝青更容易形成空間網狀結構；（3）SBR提高了改性瀝青體系中極性組分的比例，為提高瀝青的高溫性能創造了有利條件；（4）PET和SBR本身具有優異的彈性和變形恢復能力，這有助于提高PRA的彈性性能。

2.4 低溫流變性能

瀝青在低溫環境下容易發生脆性斷裂，在3種溫度（-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃）和3種老化水平下，測試瀝青試樣的蠕變勁度（S）和蠕變速率（m），BBR試驗結果如表4所示。S值表示瀝青材料的剛度，S越高表示瀝青越脆，越容易開裂。m值代表瀝青材料抵抗應力松弛的能力，m值越高表示抗低溫變形能力越好。從表4可以看出，S值隨溫度的升高而減小，m值隨溫度的升高而增加。不管老化狀態如何，隨著SBR摻量的增加，PRA的S值減小，而m值增大，表明PRA在低溫下的抗裂性能更強。盡管PRA的低溫性能劣于SRB改性瀝青，但優于基質瀝青和PET改性瀝青。這說明SBR的加入增強了PRA的低溫抗變形能力，是因為SBR能在低溫下增強了PRA的蠕變和松弛能力，使瀝青能夠承受更大的應力變形而減少開裂。

2.5 老化性能

由高低溫流變性能結果可知，在不同老化條件下，PRA的指標變化較大，即老化程度越深，瀝青的S值和R值變化越大。為評價PRA的老化性能，基于64 ℃MSCR試驗的R值和-12 ℃BBR試驗的S值，研究不同老化程度下兩個指標的變化程度，老化因子的表達式分別如式（2）、式（3）所示：

恢復率老化因子=（恢復率）老化處理（恢復率）未老化（2）

蠕變勁度老化因子=（蠕變勁度）老化處理（蠕變勁度）未老化（3）

根據式（2）～（3），代入MSCR試驗結果和BBR試驗結果，分別得到4種瀝青的短期老化和長期老化下R值和S值的老化因子，如圖7所示。

由圖7可知，老化后的PRA的老化因子均＞1，說明瀝青老化后R值和]S值均有所增加，與高低溫流變性能結果一致。同時可以發現，由于PET和SBR的添加，不論是S值還是R值，PRA的短期老化因子與長期老化因子均下降，說明PET和SBR均能改善PRA的抗老化性，且復合改性對瀝青老化的改善效果優于單一改性。根據圖7的老化因子結果，對不同老化水平下S值老化因子和R值老化因子，建立擬合曲線關系，如圖8所示。由圖8可知，基于MSCR試驗與BBR試驗，在不同老化程度下，S值老化因子與R值老化因子的線性相關性很高。擬合曲線表達式如表5所示，說明高低溫流變試驗的老化因子存在明顯的線性模型。

3 結語

（1）PET和SBR均能改善PRA的高低溫流變性能和抗老化性能，而SBR能顯著改善PRA的低溫性能。SBR摻量過多會導致瀝青的膠體穩定性下降，最佳改性劑摻量組合推薦為2%PET+4%SBR。

（2）SBR的添加使得PRA的體系發生變化，改善了PRA的相分離現象，由原有的PET、SBR與瀝青組成的分散相和連續相，變化到瀝青與改性劑組成的雙連續相分布，形成均勻的空間網絡結構。

（3）與單一改性相比，PET與SBR的復合改性使得PRA的性能有所增強，然而PRA的改性機理應進一步研究。后續應開展一系列微觀試驗研究，如電鏡掃描試驗、紅外光譜試驗等，揭示瀝青與PET和SBR之間的耦合作用機理。

參考文獻

［1］李 想.離型膜對自粘聚合物改性瀝青防水卷材粘結性能的影響［J］.中國建筑防水，2023（9）：1-3，15.

［2］蘇 凱，徐 斌，于曉曉.廢塑料改性瀝青的研究進展［J］.石油瀝青，2020，34（6）：10-20.

［3］馬海文.PET對SMA瀝青混合料力學性能的影響研究［J］.甘肅科技，2021，37（2）：95-97，76.

［4］惠 嘉，李威威，朱寶林，等.高聚物改性瀝青的研究技術現狀及分析［J］.交通世界，2019（16）：162-165.

［5］潘軍輝.PET改性瀝青結合料性能試驗研究［J］.公路工程，2016，41（4）：286-289.

［6］李 徐，王宏祥.基于生物油表面修飾的PET改性瀝青性能研究［J］.公路工程，2023，48（3）：148-153.

［7］張廉青.SBR改性瀝青的低溫抗裂性能研究［J］.交通世界，2022（29）：48-50.

［8］藺習雄，楊克紅，張艷莉，等.影響SBR改性瀝青粘韌性因素研究［J］.石油瀝青，2023，37（4）：14-18.

作者簡介：戴 林（1985—），工程師，主要從事高等級公路項目建設管理工作。