廢舊塑料改性瀝青儲存穩定性試驗

肖 川，蔣興華，楊錫武，邱延峻

（1.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031;2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031;3.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

廢舊塑料改性瀝青儲存穩定性試驗

肖 川1，蔣興華2，楊錫武3，邱延峻1

（1.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031;2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031;3.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

以4類廢舊塑料改性劑與分別經過裂化處理的加工塑料改性劑，采用合理的制備工藝對90#與70#基質瀝青進行改性，并采用優化的離析試驗分析方法對不同類型廢舊塑料改性瀝青展開研究，最后基于熱分析試驗對作用機理進行分析。結果表明:經裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青的儲存穩定性相比原塑料改性瀝青得到明顯改善;4種通過裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青經8 h和48 h離析以后，評價指標均表征出良好的儲存穩定性，為生活廢舊塑料改性瀝青的推廣應用提供了依據。

道路工程;廢舊塑料;改性瀝青;離析試驗;儲存穩定性;熱分析

目前能源危機日益突出，環境壓力急劇增加，廢舊塑料改性瀝青以其優異的高溫穩定性及顯著的環保性，在國內外筑路材料研究與道路工程建設中受到廣泛關注［1-3］。但由于廢舊塑料中各種塑料類型復雜、性質差異大，再加上塑料本身的聚合特性，使得塑料改性瀝青的離析現象嚴重［4-5］。廢舊塑料改性瀝青的熱儲存穩定性不足，成為制約其推廣應用的關鍵因素。國內外學者均對廢舊塑料改性瀝青的離析問題進行了相關研究［6-9］，就目前來看:廢舊塑料改性劑的生產制作工藝和離析控制的研究進展緩慢;廢舊塑料改性瀝青貯存穩定性的評價方法還不統一，筆者則為本項目研究提供了另尋途徑的思路與借鑒。

筆者以改善生活廢舊塑料改性瀝青的儲存穩定性為核心目標，采用合理的離析試驗分析方法對不同種類廢舊塑料改性瀝青的離析程度進行評價，并通過綜合熱分析儀對其作用機理進行研究。

1 原材料性質及試驗方案

1.1 廢舊塑料改性瀝青材料組成與性質

針對制備廢舊塑料改性瀝青的不同種類生活廢舊塑料及母體基質瀝青進行原材料性質分析，是研究廢舊塑料改性瀝青性能的基礎。

1.1.1 廢舊塑料材料性質

本次研究將不同種類的廢舊塑料改性劑總體歸為2大類:一類是由塑料廠家將回收分類后的廢舊塑料通過擠塑機制得的塑料顆粒改性劑，稱為原塑料改性劑;另一類是將前者在試驗室經裂化處理后得到的改性劑，稱為加工塑料改性劑。

1）原塑料改性劑

原塑料改性劑可以細化為廢舊塑料薄膜、隨機混雜塑料、廢舊塑料盆凳、廢舊塑料容器4類（分別簡稱 1#、2#、3#、4#），如圖 1。

圖1 原塑料改性劑類型Fig.1 Types of untreated waste plastic

1#為廢舊塑料薄膜制成的塑料顆粒，呈紅色，主要成分為廢舊低密度聚乙烯（Waste Low Density Polyethylene，簡稱WLDPE）;2#為隨機混雜廢舊塑料制成的塑料顆粒，呈黑色，這種廢舊塑料是回收后沒有進行種類劃分而直接隨機混雜的塑料，成分較為復雜，主要成分為廢舊聚乙烯（系低密度、中密度、高密度聚乙烯的混合物）;3#為廢舊塑料盆凳制成的塑料顆粒，呈綠色，主要成分為廢舊聚乙烯塑料和廢舊聚丙烯塑料（Waste Polypropylene Plastics，簡稱WPP）;4#為廢舊塑料容器制成的塑料顆粒，呈白色，主要成分為廢舊聚丙烯塑料和廢舊高密度聚乙烯（Waste High Density Polyethylene，簡稱 WHDPE）。

2）加工塑料改性劑

加工塑料改性劑是對以上4種由擠塑機制作的廢舊塑料顆粒，分別進行裂化加工而得到的“塑料塊”。經裂化處理的加工塑料改性劑，主要是解決塑料改性瀝青的離析問題，核心目標是在保證塑料改性瀝青各項性能指標的前提下，提高其儲存穩定性。加工塑料改性劑表面光滑、材質均勻、脆性較高，敲碎后斷面均質具有較好的紋理。由4種不同原塑料分別經過裂化加工制成的加工塑料改性劑如圖2。

根據已有研究成果，采用PE或者EVA進行瀝青改性時，改性劑的劑量宜為3% ～6%［2］。NOVOLAHT在實踐中建議使用PE改性時的推薦摻量為5%［8］。本次試驗中，綜合考慮廢舊塑料特性，統一采用6%摻量（改性劑質量占基質瀝青質量的百分比）來研究生活廢舊塑料改性道路瀝青性能。

圖2 加工塑料改性劑類型Fig.2 Types of treated waste plastics

1.1.2 基質瀝青的性質

基質瀝青作為廢舊塑料改性瀝青的母體原料，其性質與廢舊塑料改性瀝青密切相關。筆者在研究過程中選擇廣東茂名90#以及中海油70#兩種國產瀝青作為基質瀝青，其主要的常規技術指標見表1。

表1 基質瀝青主要檢驗指標Tab.1 Test results of base asphalt

1.2 廢舊塑料改性瀝青的制備

制備廢舊塑料改性瀝青的關鍵在于保證改性劑與母體瀝青的充分融合，本次研究擬定的廢舊塑料改性瀝青制備步驟為:

1）稱取400～500 g的基質瀝青，然后根據所稱取的基質瀝青質量以及塑料改性劑質量配比要求（擬定廢舊塑料為瀝青質量的6%），計算出所需要的塑料質量，用電子天平稱取待用;

2）將基質瀝青在電爐上加熱至（160±5）℃，在放入稱取好的塑料，在160～180℃之間使塑料溶脹，溶脹期間用玻棒攪拌，使塑料變軟，均勻分散于母體瀝青中，其溶脹時間大約為15～45 min（原塑料溶脹時間較長，加工塑料溶脹時間較短）;

3）將溶好的混合瀝青置于高速剪切儀中進行高速剪切，剪切溫度保持在160～170℃，剪切速度為5 000 r/min，剪切時間為15 min（加工塑料）或30 min（原塑料）;

4）最后將制備好的廢舊塑料改性瀝青澆模，測試瀝青的性能指標。

1.3 離析試驗分析方法

本次研究參考交通部JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對于聚合物改性瀝青的離析試驗要求，結合廢舊塑料改性瀝青自身特點及試驗的操作性與可行性，對離析試驗方法作出適當調整，對廢舊塑料改性瀝青進行定性評價與定量判定相結合的離析試驗分析，具體方案為:

1）將試樣在135℃的烘箱中靜置（24±1）h后，觀測其表面和斷面情況，判斷是否有明顯分界層，并按照現行規程要求（表2［10］）進行改性瀝青離析情況定性評價;

表2 離析試驗定性評價Tab.2 Qualitative evaluation of segregation test

2）分別采用玻璃試管（直徑約25 mm，長約200 mm，一端開口，帶塞）和經過膠帶纏裹處理的一次性紙杯（紙杯高8 cm，頂部內徑7.4 cm，底部內徑6.3 cm）作為盛樣容器來進行改性瀝青離析試驗;

3）將制備好的試樣在高溫狀態下放入135℃的烘箱中，靜置不同考察時間（如6，8，10，48 h等）后取樣，選定試樣頂部與底部的軟化點及針入度之差作為評價指標，來評價原塑料改性瀝青和加工塑料改性瀝青的離析情況，圖3為待測試樣示例。

圖3 待測試樣Fig.3 Samples to be tested

2 離析試驗結果分析

通過對試驗結果的總結與分析發現:試驗采用的2種器皿（玻璃試管和紙杯）在評價同一種改性瀝青時，紙杯表現出與玻璃管相一致的趨勢，以2種容器進行試驗的軟化點最大差值為1.4℃，最小為0℃;針入度最大差值為0.2 mm，最小為0 mm，對判定結果幾乎沒有影響。所以用紙杯取代玻璃試管判定廢舊塑料改性瀝青離析試驗結果是可行的。加之紙杯容器具有價格低廉、取樣操作簡便、觀測試樣斷面直觀等優勢，統一采用紙杯作為試驗器皿的試驗結果來進行塑料改性瀝青儲存穩定性的分析。

2.1 離析程度定性分析

分別對原塑料與加工塑料改性瀝青取樣，觀察2種廢舊塑料改性瀝青的斷面發現:對于原塑料，不管是在常溫自然冷卻離析下還是在烘箱靜置離析條件下，試樣表面均出現明顯的裂紋、結皮，上層有分散狀物質上浮，斷面有明顯分界層，試樣表面和斷面均呈蜂窩麻面狀，有厚的結皮，局部位置黏度特別大，呈黏稠狀，可以觀察到有細小的廢舊塑料微粒，離析現象嚴重;對于加工塑料，不管是在烘箱中靜置時間為6，8，10 h或48 h，試樣的表面和斷面均光亮勻稱，無麻面，光澤度好，無結皮與分界現象。圖4為8 h離析后，1#廢舊塑料的2種改性瀝青試樣對比圖。

圖4 不同廢舊塑料改性瀝青試樣斷面對比Fig.4 Cross-section comparison of different waste plastic-modified asphalt

總體而言，由定性分析表明:經裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青的儲存穩定性明顯優于原塑料改性瀝青。

2.2 離析程度定量分析

將離析試驗試樣的靜置時間參數選定為8 h和48 h，以試樣上、下部的軟化點及針入度之差作為評價指標進行定量分析。

2.2.1 8 h 離析試驗

通過定性分析已判斷原塑料改性瀝青離析嚴重，故首先將原塑料與加工塑料改性瀝青試樣靜置8 h后進行試樣上、下部的軟化點差與針入度差評價。若在8 h后就有明顯離析情況，足以說明這種改性瀝青的儲存穩定性存在問題;同時，靜置8 h也是模擬一桶瀝青從170℃自然冷卻至常溫的時間。不同種類廢舊塑料改性瀝青的8 h離析試驗對比結果如圖5。

圖5 8 h離析試驗測定結果對比Fig.5 Comparison of 8 h segregation test results

8 h離析試驗結果表明:以4種原塑料改性劑對90#與70#進行改性后，各種原塑料改性瀝青的儲存穩定性都較差，上、下層軟化點差值最小為13.2℃，最高達到25.8℃，針入度最大差值為0.7 mm;而加工塑料改性瀝青上、下層軟化點最大差值僅為1.5℃，針入度最大差值為0.2 mm，一致證明:原塑料改性瀝青離析現象嚴重，而基于裂化處理的加工塑料改性劑，能夠顯著提高塑料改性瀝青的儲存穩定。針對不同種類原塑料，裂化加工技術的改善作用均顯著，證明了其推廣應用的可行性。

2.2.2 48 h 離析試驗

工程學類實驗室包括物理學、電工、藥劑學、中藥制備、制藥工程、實訓中心等實驗室，其中有毒有害物質、放射性保護、用電安全、機械類損傷等是安全防控重點。

由于原塑料改性瀝青在8 h自然冷卻條件就已經出現嚴重離析，筆者僅對加工塑料改性瀝青試樣在48 h（與離析試驗規范［10］要求相一致）烘箱靜置后進行離析試驗對比分析，試驗結果見表3。

表3 加工塑料改性瀝青48 h離析試驗技術指標測定結果Tab.3 Results of treated waste plastics-modified asphalt in 48 h separation test

以試樣上、下部軟化點差ΔT為核心指標，針入度差ΔZ為輔助指標對4種加工塑料對不同瀝青改性后得到的改性瀝青進行評價，由表3的試驗數據可以得出:

1）以4種經裂化處理的加工塑料分別對90#與70#基質瀝青改性后的塑料改性瀝青，均具有較好的儲存穩定性。試樣的上、下層軟化點最大差值為1.4℃，最小差值為0℃，完全符合不大于2.5℃的規范要求［11］。

2）4 種加工塑料改性瀝青試樣上、下層針入度差得最大值為0.2 mm，相比原塑料的針入度差（0.7 mm）有顯著提高。但通過對比發現，針入度評價指標的靈敏性不足，難以有效評價不同塑料種類改性瀝青的差異性。

3）加工塑料改性瀝青8 h與48 h離析試驗中同標號同摻量瀝青的軟化點和針入度存在差異性，說明塑料改性瀝青的熱儲存過程是一個不穩定的動態平衡過程，隨著時間的推移，其性質不斷發生變化。

3 熱分析試驗研究

改性瀝青性能的提高是改性劑的性質、粒度、分散均勻性、表面吸附以及瀝青組成等因素綜合作用的結果。筆者基于熱分析試驗，從作用機理方面對原塑料與加工塑料的材料性質進行研究。通過熱重法（TG法）與差示掃描量熱法（DSC法）分析表明:加工塑料較之原塑料有更低的相對分子質量，更寬的分子量分布以及更短、支化程度更高的高分子鏈，因此兩者在對瀝青改性的效果上有明顯的差別。以3#廢舊塑料改性劑為例，將3#原塑料與加工塑料作對比，所得TG曲線、DSC曲線如圖6。

圖6 廢舊塑料TG、DSC對比Fig.6 Comparison of different waste plastics about TG ＆ DSC

原塑料與加工塑料在TG曲線上的差別較小，對DSC曲線分析可以看出:原塑料在166.1，130.2℃上有2個峰，主峰為166.1℃，可推得其主要成分為PP，副峰為130.2℃可能含有少量HDPE。而加工塑料在147.2，116.6℃的2個峰，較之原塑料，其峰值向低溫方向移動，曲線變得平滑，表明加工塑料的熔點降低，熔限相對變寬。

原塑料與加工塑料的差異表明原塑料經過裂化加工，其結晶性遭到了破壞，結晶度下降。由于結晶度與分子量及分子鏈的柔順性有關，所以推斷加工塑料較之原塑料有更低的相對分子質量，更寬的分子量分布以及更短、支化程度更高的高分子鏈。隨著加工塑料分子量變小，分子間的相互作用力變小，更有利于母體瀝青的侵入，其微粒比原塑料更小，形成的界面更加穩固，黏度提高，力學性能得到改善。

4 結論

通過研究與分析，可得出以下結論:

1）通過離析試驗定性判斷表明:經裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青的儲存穩定性相比原塑料改性瀝青得到顯著改善。

2）經過8 h離析后，4種原塑料改性瀝青的上、下層軟化點差值最高達到25.8℃，針入度最大差值為0.7 mm;而加工塑料改性瀝青上、下層軟化點最大差值僅為1.5℃，針入度最大差值為0.2 mm。說明經裂化處理的加工廢舊塑料改性瀝青的儲存穩定性明顯優于原塑料改性瀝青，證明了以裂化加工技術提高廢舊塑料改性瀝青儲存穩定性的可行性。

3）4 種加工塑料分別對90#與70#基質瀝青改性后的塑料改性瀝青48 h離析試驗試樣的上、下層軟化點最大差值為1.4℃，上、下層針入度差得最大值為0.2 mm，均表現出良好的儲存穩定性。

4）采用定性評價與定量判定相結合的離析試驗評價方法對廢舊塑料改性瀝青進行研究，避免了人為主觀因素的影響，提高了離析判定標準，對廢舊塑料改性瀝青的離析程度作出了更加全面的考察。

5）通過熱分析試驗表明:相比原塑料而言，加工塑料的熔點降低，熔限相對變寬。加工塑料的相對分子質量更低，分子量分布更寬，其高分子鏈的支化程度更高，所以原塑料與加工塑料在對瀝青改性的效果上有明顯的差別。

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Experimental Study on Storage Stability of Waste Plastic-modified Asphalt

XIAO Chuan1，JIANG Xing-hua2，YANG Xi-wu3，QIU Yan-jun1
（1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;
2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，Sichuan，China;
3.School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

According to reasonable preparation technology，the 90#and 70#base asphalt were modified with different types of untreated plastic and treated plastic by tracking.The experimental study on four types of waste plastic-modified asphalt was conducted by optimization segregation test.Finally，the paper made research on mechanism by means of thermal analysis.The result showed that the storage stability of treated plastic-modified asphalt by tracking was superior to untreated plastic-modified asphalt;the evaluation indexes of four types treated plastic-modified asphalt in 8h and 48h segregation test all characterize good storage stability.The findings of the research provided evidences for the popularization and application of domestic waste plastic-modified asphalt.

road engineering;waste plastic;modified asphalt;segregation test;storage stability;thermal analysis

U 414

A

1674-0696（2011）05-0943-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.013

2011-05-20;

2011-06-12

肖 川（1984-），男，湖南湘潭人，博士生，研究方向為道路路面設計與筑路材料研究。E-mail:xcaaa6666@sina.com。