再生聚氯乙烯改性SMA-13瀝青混合料性能研究

為研究兩種再生PVC（廢棄塑料包裝和廢棄塑料水管）對瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）的性能影響，文章設計三種不同摻量（瀝青質量比的2%、3%和4%）制備再生聚氯乙烯改性SMA瀝青混合料（PVC-SMA），通過靜態蠕變試驗、動穩定度試驗、抗滑試驗、凍融劈裂試驗和半圓彎曲（SCB）試驗，研究PVC-SMA的路用性能。結果表明：兩種再生PVC能改善PVC-SMA的水穩定性，而對其抗滑性能有負面影響；再生PVC提高了PVC-SMA的累積應變值、蠕變剛度、動穩定度和應力強度因子，說明PVC改善了PVC-SMA的高溫穩定性和低溫抗裂性；由PVC-SMA的路用性能結果可知，廢棄塑料水管PVC比廢棄塑料包裝PVC對其性能影響更加顯著。

道路工程；瀝青混合料；瀝青瑪蹄脂碎石；再生聚氯乙烯；路用性能

U416.03A110344

作者簡介：

黃東波（1991—），工程師，主要從事公路工程試驗檢測工作。

0" 引言

瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）由間斷級配的粗集料嵌擠形成骨架，并通過瀝青膠漿填充所組成。由于材料組成的特殊性，SMA的施工成本比傳統的瀝青路面更為昂貴［1-2］。SMA是一種熱拌瀝青混合料，相比于常規密級配瀝青混合料，具有更高的抗車轍變形能力、抗反射裂縫性能、抗滑性能和低噪音等優勢［3］。目前已有多種廢棄材料應用于SMA瀝青路面，通過降低原材料成本、提高瀝青性能和減少環境污染，開發出多種新型綠色SMA瀝青路面材料，包括橡膠粉、鋼渣、廢油殘渣等［4-6］。隨著生活水平的提高和工業化的發展，塑料垃圾的產生對生態環境造成了嚴重的污染［7］。目前所使用的高分子塑料主要有聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）等［8］。現如今PVC數量約占全球塑料使用量的12%，2013年已達到3 850×104 t，且以每年約3%的速度增長。高分子塑料的處理方式包括填埋和焚燒，均對環境有不利的影響，因此PET、PE和PP等已被用于道路工程來制備綠色瀝青材料［9］。最近的研究表明，高分子塑料能改善瀝青的力學性能，而針對PVC對SMA的路用性能影響的研究仍然不足［10-11］。因此，本文針對兩種不同來源下（廢棄塑料包裝和廢棄塑料水管）的PVC，制備不同摻量下的再生聚氯乙烯改性SMA瀝青混合料（PVC-SMA），采用凍融劈裂試驗、擺值試驗、車轍試驗、靜態蠕變試驗和半圓彎曲（SCB）試驗等，研究再生PVC對PVC-SMA的路用性能影響。

1" 原材料與試驗方法

1.1" 原材料

本研究使用的基質瀝青為70#道路石油瀝青，如表1所示是常規瀝青試驗結果，其結果滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）（以下簡稱技術規范）。

由于SMA混合料骨架結構明顯，瀝青含量高，因此，加入瀝青混合料質量比為0.3%的木質素纖維作為穩定劑，該纖維的表觀密度為0.851 g/cm3。此外，采用由廢棄塑料包裝和廢棄塑料水管提取的再生PVC碎屑，兩種PVC的摻量（與基質瀝青的質量比）分別設置為2%、3%和4%。粗集料為輝綠巖碎石，而細集料為石灰巖機制砂，集料的性能指標均滿足技術規范的要求。

1.2" 改性瀝青制備

為控制PVC顆粒細度能更好地與瀝青結合，對不同類型的PVC碎屑進行水洗以清除雜質，隨后在真空烘箱中以60 ℃溫度進行干燥，并對其剪切過篩得到PVC顆粒。在140 ℃左右的溫度下加熱基質瀝青，使其呈流動態，將PVC分別按2%、3%和4%的摻量逐漸添加到瀝青中，并采用高速剪切儀以4 000 r/min的轉速剪切40 min，剪切溫度設置為165 ℃。

1.3" 瀝青混合料制備

級配類型選擇為SMA-13，級配曲線如圖1所示。采用5個不同油石比：5.0%、5.4%、5.8%、6.2%和6.6%成型馬歇爾試件，根據體積指標得到最佳油石比為5.8%。試驗過程中發現PVC摻量對最佳油石比影響不大，因此以最佳油石比所制備的SMA混合料試樣，混合料試樣匯總如表2所示。

1.4" 試驗方案

在最佳油石比5.8%的條件下，對7種SMA混合料開展路用性能試驗，分別研究其水穩定性、抗滑性能、蠕變性能、高溫穩定性和低溫抗裂性。其中，采用凍融劈裂強度試驗對PVC-SMA的水穩定性進行評價，評價指標為凍融循環前后的試件劈裂強度比值，即凍融劈裂強度比（TSR）。采用擺式儀評價PVC-SMA的抗滑性能，其擺動速度約為10 km/h，所測擺值（BPN）越高，其抗滑性越好。基于靜態蠕變試驗作為表征PVC-SMA的蠕變抗變形性能，施加150 kPa的恒定單軸靜載應力1 h，使用線性垂直位移傳感器得到垂直變形，計算PVC-SMA的累計應變和蠕變剛度。

采用瀝青混合料車轍試驗和半圓彎曲（SCB）試驗，測定PVC-SMA的高低溫性能，測試溫度分別為60 ℃和-10 ℃。其中，車轍試驗的評價指標為動穩定度（DS），SCB試驗的評價指標為最大荷載（Pcr）、臨界應力強度因子（K1f和K2f）和有效應力強度因子（Kef）。其中，SCB試驗試件高度為150 mm，直徑為150 mm的圓柱形試樣，將其上下部分被切割分離，并對每個半圓試件用金剛石鋸片在中部邊緣處開口，缺口長度為25 mm［12］。SCB試驗的三種加載模式包括A型（開口斷裂）、B型（剪切斷裂）和A/B型（開口+剪切斷裂）。

2" 結果與討論

2.1" 水穩定性試驗結果

圖2所示為對照組和6種PVC-SMA的TSR值試驗結果。由圖2可知，與對照組相比，PVC-SMA的TSR值更高，這說明再生PVC可以改善PVC-SMA的水穩定性，這是因為高分子顆粒增強了瀝青與粗集料的粘附性，并改善了瀝青膠漿的水分敏感性。與對照組相比，針對廢棄塑料包裝PVC，PVC-2B的TSR值提高約40%，而隨著PVC摻量的提升，PVC-3B和PVC-4B的TSR值降低。同時還可以發現廢棄塑料水管PVC變化趨勢相反，與對照組相比，PVC-2S、PVC-3S和PVC-4S的TSR值逐漸增加。所有PVC-SMA的TSR值均≥80%，滿足技術規范，其中，PVC-2B和PVC-4S的TSR值最高。

2.2" 抗滑性能試驗結果

圖3所示為對照組和6種PVC-SMA的BPN值試驗結果。由圖3可知，加入再生PVC降低了PVC-SMA的BPN值，還可以發現，隨著PVC摻量的增加，PVC-SMA的BPN值不斷降低，即抗滑性能呈下降趨勢，但仍滿足技術規范中BPN≥45的要求。抗滑性能的衰減是由于PVC-SMA的瀝青膜厚度增加，減少了車輛輪胎與瀝青混合料之間的摩擦力。對比兩種PVC-SMA的BPN值，廢棄塑料包裝PVC優于廢棄塑料水管PVC，除對照組以外，PVC-2B的BPN值最高。

2.3" 靜態蠕變試驗結果

下頁圖4和圖5所示為對照組和6種PVC-SMA的累計應變值和蠕變剛度試驗結果，蠕變剛度越高，混合料抗永久變形的能力越大。由圖4可知，再生PVC降低了PVC-SMA的柔韌性和累積應變值，且PVC摻量越高，PVC-SMA的累積應變值減小。由圖5可知，再生PVC可以增加PVC-SMA的蠕變剛度，這是由于再生PVC提高了瀝青與集料之間的粘附性和集料之間的嵌擠性。與對照組相比，PVC-3S和PVC-4S的蠕變剛度增長最大，說明廢棄塑料包裝PVC和廢棄塑料水管PVC均提高了PVC-SMA的抗變形能力，且高摻量下后者比前者的改善效果更高。

2.4" 高溫抗變形試驗結果

下頁圖6所示為對照組和6種PVC-SMA的DS值試驗結果，與對照組相比，再生PVC顯著提高了PVC-SMA的DS值。隨著兩種再生PVC摻量的增加，PVC-SMA的DS值也隨之增加。試驗結果表明，與廢棄塑料包裝PVC相比，廢棄塑料水管PVC對PVC-SMA的高溫性能改善效果更高。此外，對于所有SMA瀝青混合料中，PVC-4S具有最高的高溫抗變形能力。

2.5" 低溫抗斷裂試驗結果

3種加載模式下PVC-SMA的SCB試驗結果如圖7～9所示。由圖7～9可知，隨著再生PVC的摻量增加，3種加載模式下PVC-SMA的SCB指標（Pcr、K1f、K2f、Kef）均升高，這說明兩種再生PVC均能增強PVC-SMA的低溫抗裂性能。還可以發現，較低PVC摻量對PVC-SMA的Kef值的影響較小。隨著PVC摻量的增加，PVC-SMA的Kef值顯著增加。根據加載模式A的SCB結果，與對照組相比，PVC-2B、PVC-3B和PVC-4B可使應力強度因子分別提高5%、10%和15%，而PVC-2S、PVC-3S和PVC-4S可使應力強度因子分別提高2%、15%和30%。這說明在高PVC摻量（4%）下，廢棄塑料水管PVC對PVC-SMA應力強度的提高效果為之前（2%）的兩倍。根據加載模式B的SCB結果，與其他加載模式的區別在于，與對照組相比，PVC-2B、PVC-3B和PVC-4B的應力強度因子分別增加了15%、21%和29%，而PVC-2S、PVC-3S和PVC-4S的應力強度因子分別增加了2%、15%和30%。這說明在加載模式B中，廢棄塑料包裝PVC比廢棄塑料水管PVC對PVC-SMA的低溫性能改善效果更好。

3" 結語

（1）凍融劈裂試驗結果表明，再生PVC提高了PVC-SMA的TSR值，說明再生PVC可以提高PVC-SMA的水穩定性，同時改善瀝青與集料之間的粘附性和集料之間的嵌擠性。

（2）擺值試驗表明再生PVC增加了PVC-SMA的瀝青膜厚度，因此降低了PVC-SMA的擺值和抗滑性能，但所有PVC-SMA的抗滑性能均滿足規范要求。還可以發現，在相同PVC摻量下，廢棄塑料包裝PVC比廢棄塑料水管PVC對PVC-SMA的抗滑性能影響更小，但仍需控制PVC摻量以確保PVC-SMA的抗滑性能滿足要求。

（3）靜態蠕變試驗和車轍試驗表明，再生PVC可以增強PVC-SMA的累計應變值、蠕變剛度和動穩定度，說明兩種再生PVC均能顯著改善PVC-SMA的高溫穩定性。

（4）SCB試驗結果表明，再生PVC摻量的增加均能提高PVC-SMA的最大荷載和應力強度因子，從而改善PVC-SMA的抗低溫開裂性能。

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20240329