廢舊塑料改性瀝青研究綜述

邱 林 謝紅平 譚恒程 簡會東 張琴光

廢舊塑料改性瀝青研究綜述

邱 林1謝紅平1譚恒程2簡會東3張琴光2

（1.云南省建設投資控股集團有限公司路橋總承包部，云南 昆明 650051； 2.西南交通建設集團股份有限公司，云南 昆明 650051；3.云南建投集團交通建設股份有限公司，云南 昆明 650051）

塑料因其性能優良而應用廣泛，而隨之產生的廢物污染是世界環境難題，將其作為瀝青添加劑是一大處置利用渠道。總結分析歸納了已有廢塑料對瀝青及其混合料性能改性研究的主要成果，并探討了塑料改性瀝青的發展狀況及仍存在的問題，以期為處置廢舊塑料及提高瀝青性能提供一定的參考。

道路工程；廢舊塑料；改性；瀝青

0 概述

隨著我國經濟社會的日益發展，塑料產品的使用量加大，廢塑料的累積，特別是焚燒以及掩埋帶來的環境污染，已經成為當下亟待解決的問題，而將廢塑料作為瀝青添加劑是一大處置利用渠道。關于廢舊塑料提高瀝青及其混合料高溫穩定性的研究已經長達近三十年，但是仍然沒有得到廣泛應用，對聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等聚合物的熱行為研究表明，在130~140℃時容易軟化，而尚未發生氣體析出。每年生活和工業中廢棄的塑料數量龐大，廢舊塑料的分類回收近年來已經逐漸成為一個成熟的體系，分類回收的廢舊塑料用途廣泛，可用于不同領域。廢舊塑料分類回收的主要過程一般都是經過清洗、造料，加工成粒料或粉料，然后直接銷售或者使用。將廢舊塑料用于瀝青改性，不僅處置了廢舊塑料，避免其污染環境，而且提高了瀝青路面的穩定性、力學特性和抗低溫性等，延長了使用壽命，具有極大的社會及經濟效益。

1 常用廢舊塑料改性劑種類及作用

常見的改性劑一般可分為橡膠類、橡膠塑料類、樹脂類三種：

1）橡膠類具有優良的抗低溫開裂性能，可增大瀝青與粒料的粘附力。

2）橡膠塑料類改性劑即熱塑性彈性體。使用較多的是SBS。

3）樹脂類：一般有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等。PP又分為IPP（等規）、SPP（間規）、APP（無規），PE分為LDPE（低密度）、HDPE（高密度）和LLDPE（線性密度）。此類改性劑具有高溫穩定性好，提高粘結力、抗沖擊、震動能力的特點。

目前，國內使用較多的是PE和SBS。據已有研究證明，PE能明顯改善瀝青的高溫穩定性，并能提高瀝青的綜合性能。SBS改性瀝青具有較好的高、低溫性能，溫敏性好，且具有良好的力學性質，是目前世界上需求量最高的改性瀝青。

2 改性瀝青的混合及檢測方法

改性劑和基質瀝青一般采用高速剪切機高速剪切混合。

基礎的檢測方法一般有：

1）三大指標：包括針入度、延度、軟化點。

2）薄膜烘箱試驗：模擬生產HMA過程中發生的老化，用來測定試驗中老化瀝青樣品，同時與儲存穩定性試驗的結果結合，可以判斷瀝青在運輸過程中存在的問題。

3）儲存穩定性：用于測定各類瀝青的儲存穩定性。

4）熒光顯微鏡：用于鑒定瀝青的組分、大致含量和特征。

5）FTIR（傅里葉紅外光譜分析）：主要用于測試高分子有機材料，確定不同高分子鍵的存在，確定材料的結構，如單鍵、雙鍵等。

一些國外的研究人員還會采用布氏旋轉粘度試驗、動態剪切流變試驗（DSR）、DSC熱分析法、瀝青彎曲梁蠕變勁度試驗（BBR）等。

改性瀝青的好壞，不僅與基質瀝青材料以及改性劑品質有關，二者的配伍性也是改性試驗能否成功的一個非常重要的因素。

3 單一塑料對瀝青改性

聚乙烯可用于改善路面的車轍和開裂性能。張爭奇分析了聚乙烯（PE）改性瀝青的高、低溫及耐久性，并對性能改善原因進行了探討。Khan I M等采用DSR試驗得到，LDPE和HDPE都能提高瀝青的抗車轍性能和溫度敏感性，LDPE添加量為10%時，車轍因子最大，高溫性能顯著提升；而HDPE添加量為4%時，車轍因子為全部試驗溫度下最大值，PG分級為其他試驗添加量下最佳。Cristina Fuentes-Audén等發現聚乙烯含量為總質量的15%時，瀝青的熱性能和流變性能得到顯著改善。

但是由于回收分類困難的緣故，楊錫武等、袁聰慧等對高溫熱貯存穩定性較差、低溫性能等的爭議，后者通過高剪切混合乳化機試驗測得回收的HDPE相較HDPE軟化點更高，針入度更低，延度更低，這是由于材料隨著老化時間的延長，在使用過程、重復加工、回收以后，分子鏈斷裂、支化和交聯，這證明廢塑料回收利用價值上升。賴增成等同樣使用LDPE、HDPE、PP常規試驗，發現LDPE、HDPE、PP都會使得瀝青針入度減小，軟化點提高，不過HDPE摻量達到5%時會出現瀝青表面結皮，凹凸不平，容易導致離析，而PP要到達6%以上才產生離析，相容性比較結果為：LDPE＞PP＞HDPE。

彭賀民研究了PP和PE在瀝青中高溫熔融后，PP提高了瀝青的耐熱性，主要因為針入度的降低；PE改善了瀝青的高溫性能和低溫性能，降低黏度，使得混合料更容易侵透膠體。

PVC作為比較特殊的聚合物，常常需要經過脫除氯化氫階段，張明耀闡述了PVC的回收利用技術，錢慶榮等以廢PVP塑料為原料采用兩階段恒溫法制備PVC瀝青，得出脫除HCL最佳溫度為270℃，所需時間為150分鐘；制備瀝青最佳溫度為410℃，所需時間為120分鐘；且通過紅外光譜分析得知脫氯率達到了預期要求。

綜上所述，單一塑料作為添加劑加入到瀝青中，通常能夠改善瀝青的黏彈性，表現為能夠提高瀝青的抗車轍能力和抗疲勞裂紋性能；其次回收的塑料相較新塑料，由于分子鏈斷裂、支化和交聯使得廢塑料更有回收價值。但是過多地添加高密度的聚乙烯或者聚丙烯，容易導致離析，使得瀝青表面結皮或者凹凸不平，這是瀝青和PE、PP的相容性決定的；另外，塑料對于低溫延性有一定副作用。PVC在瀝青領域研究相對較少，還需開展進一步研究。

4 混合塑料對瀝青改性

現階段更多采用的是多種聚合物共同作為添加劑對瀝青進行改性，一方面對回收的塑料分類困難；另一方面，與單一改性瀝青相比，混合改性可顯著提高瀝青性能。Imran Hafeez等通過DSR試驗研究共聚物，得到在0.01HZ~100HZ的頻率下，共聚物的溫度感性系數會降低。

添加劑的比例，對瀝青的改性有較大的區別。范立嘉等指出車轍劑的種類不同其實是其中PE和PP的比例不同造成的，并通過分析抗車轍劑的紅外譜圖，可以確定PE與PP共混抗車轍劑的比例。林建明等通過傅立葉紅外光譜試驗研究4種常用抗車轍劑，得到抗車轍劑與瀝青結合形成具有交聯網狀結構的瀝青膜并且每一特定比例的PE與PP顆粒共混，得到的是具有唯一形態的、穩定的紅外譜圖。

汪濟奎等發現乙烯/辛烯共聚物（POE）具有優異的力學性能、流變性能和耐化學老化性能。張書言等將POE作為改性劑加入到瀝青中，POE改性瀝青相較PP和PE改性瀝青具有更高的耐熱性能，軟化點與針入度都明顯要低一些。王凱對聚合物固相、瀝青液相的聚合物改性瀝青濃懸浮液的研究，得出當濃度增大到一定固相濃度，粘度趨于無窮大，這時候的固相分率被稱為最大固相分率。

Goutham Sarang對廢塑料的研究，主要通過旋轉壓實儀（SCG）試驗，得到廢塑料可以作為瀝青添加劑增加瀝青混合料的穩定性，并且可以少添加瀝青，代替昂貴的纖維；馬歇爾穩定度以及ITS值也隨著廢塑料添加量的增加而提高，含量為8%時達到最大，馬歇爾穩定度比未添加時提高37%；其用于SMA可提高水穩定性，TSR值由未添加時74%提高到85%~95%。PET同樣作為聚合物，Ahmadinia等將PET塑料加入到瀝青中，發現大量地提高了瀝青的性能，并且能夠減少漏析。而Brown等研究SMA能夠減少漏析同樣是因為包括粗細骨料、礦物填料、瀝青這些穩定劑的大量添加，而廢塑料可以減少這些混合料的添加。

綜上所述，混合塑料以及聚合物，對瀝青的改性具有更明顯的效果。混合塑料是由于其各自有著不同的改性作用，混合起來，對各種性能都有著改善。聚合物則是因為短支鏈以及不飽和鍵等的因素，具有均聚物不具有的更優質的改性效果，使得聚合物更適合添加到瀝青中作為改性劑；并且混合塑料的種類是可以控制的，可以通過紅外譜圖確定混合添加劑的比例，這樣可以得到不同瀝青所需性能以及不同的添加量比例。而每一種聚合物有其最佳的摻和量，超過最佳的摻和量，改性性能會隨著摻和量的提升，性能減少，但是總體來說，比沒有添加仍有著較好的改性作用。

5 總結

無論是單一塑料還是混合塑料還是聚合物，對瀝青的改性都具有積極作用。特別是塑料對瀝青黏彈性的改性，提高了瀝青的高溫穩定性、流變性，影響了抗車轍和抗疲勞裂紋的性能，并且在強度方面還能提高瀝青混合料的間接抗拉強度。而混合塑料作為添加劑，由于塑料對瀝青的影響主要方面一致，因而混合使得瀝青性能得到提升的效果更加顯著，并且不同比例的塑料添加劑可以適用于不同需求的瀝青混合料。聚合物相較均聚物，則對瀝青的性能改善更有優勢，無論是高溫穩定性、防止漏析，還是作為代替其他添加物的穩定劑，都具有積極的意義。對于PVC大量處理的研究在當下仍然是一個需要加大關注力度的領域。

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