潘軍輝

(江西省公路科研設計院, 江西 南昌　330002)

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PET改性瀝青結(jié)合料性能試驗研究

潘軍輝

(江西省公路科研設計院, 江西 南昌330002)

為了得到PET改性瀝青結(jié)合料的性能,對摻加不同PET用量的瀝青結(jié)合料進行紅外光譜試驗、粘度試驗、常規(guī)瀝青試驗和Superpave試驗，并對試驗結(jié)果進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在瀝青中加入PET后，吸收峰的位置變化不大，表明PET與瀝青主要為物理反應；隨著PET用量的增加，改性瀝青的粘度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢， 針入度呈現(xiàn)出增大的趨勢，軟化點趨勢是先增大后減小，延度值不斷減小，復數(shù)模量呈現(xiàn)降低趨勢，相位角呈現(xiàn)降低趨勢；勁度模量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。

道路工程； 瀝青； PET； 性能試驗

0　引言

在瀝青路面的使用壽命和使用性能中，瀝青結(jié)合料的性能起著重要的作用，為了提高瀝青結(jié)合料的性能，目前多在瀝青中添加聚合物改性劑的方法來實現(xiàn)[1，2]。

另一方面,由于人們環(huán)保意識的增強,世界各國對于大量廢棄聚合物的處理與利用日益關注。我國每年產(chǎn)生大量的廢棄聚合物,其中廢舊塑料約250萬t[3，4]。綜合利用這些廢塑料不僅可以保護環(huán)境,而且可以節(jié)約資源，廢棄聚合物作為瀝青改性劑是綜合利用它的新方法之一。在廢舊塑料瓶中，含有PET成分的較多。PET聚酯是由對苯二甲酸與乙二醇聚合而成的聚對苯二甲酸乙二醇組成[5]，PET瓶多為一次性試驗，由此造成的環(huán)境污染較為嚴重，如果能對PET瓶進行回收利用于瀝青的改性劑，不僅可以較輕污染，同時也可以節(jié)省資源。

基于此，本文將PET破碎分離后制備改性劑加入瀝青中，采用紅外光譜試驗、粘度試驗、常規(guī)瀝青試驗和Superpave試驗方法，分析PET加入后瀝青的性能變化。

1　原材料及試驗方案

1.1瀝青及PET

試驗時的瀝青材料為AH — 50基質(zhì)瀝青，其相關的技術標準為：25 ℃針入度為46(0.1 mm)，軟化點為51.7 ℃，130 ℃的粘度為0.187 Pa.s，15 ℃延度為105 cm。

PET為廢棄塑料瓶回收，廢舊瓶料經(jīng)過破碎、磨細、干燥、熔融等工序后形成了回收纖維，經(jīng)過反復的清洗，除去瓶料中的粘結(jié)劑、灰塵及殘留物，最后得到了回收纖維的直接為10 μm。

1.2PET摻加工藝

試樣制備時，將基質(zhì)瀝青加熱到120 ℃，先用恒速攪拌機在500 r/min的速度攪拌下，根據(jù)前期研究，在瀝青中分別加入1%、2%、3%、5%及10%的PET，攪拌1 h后，再利用高速剪切乳化機，在 10000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切1 h，然后采用低速攪拌的方式除去氣泡，試驗時的溫度保持在120 ℃，制備樣品用于后續(xù)試驗研究。

1.3試驗方法

本次試驗首先對PET改性瀝青的化學變化進行了研究，采用傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀(FTIR)對其進行了研究，將PET改性瀝青配置為二氯甲烷溶液，而后均勻的涂抹溴化鉀的薄片上，進行紅外光譜分析，測試范圍為4 000～400 cm-1。

對上述樣品按照傳統(tǒng)試驗方法和Superpave方法試驗研究。試驗時，采用Brookfield粘度儀測定90～160 ℃的粘度；采用針入度試驗器、軟化點測定儀及瀝青延度儀對樣品的針入度、軟化點和延度檢測，并與基質(zhì)瀝青的結(jié)果對比；改性瀝青的高溫流變試驗在動態(tài)剪切儀(DSR)上進行，試驗時的采用的頻率為10 rad/s(1.59 Hz)，采用車轍較易發(fā)生時的溫度64 ℃和70 ℃，獲得復數(shù)模量G*和相位角δ；在評價瀝青結(jié)合料的低溫性能時，采用瀝青低溫彎曲梁流變儀對瀝青進行BBR小梁試驗，小梁試件的尺寸為101.6×12.7×6.4 mm，試驗時的溫度為-6、-12,和-18 ℃。根據(jù)上述試驗方法對PET改性瀝青的性能進行試驗研究。

2　試驗結(jié)果

2.1紅外光譜試驗結(jié)果

對上述指標的PET改性瀝青樣品，采用紅外光譜法對進行分析。本文為了便于評價PET改性瀝青機理，僅采用5%的PET用量，繪制其紅外光譜。其結(jié)果如圖1所示。

圖1　PET改性瀝青的紅外光譜Figure 1　FTIR of the base and modified asphalt samples

從瀝青紅外光譜的試驗結(jié)果可知，基質(zhì)瀝青與PET改性瀝青的吸收值具有明顯的區(qū)別，表明PET加入后瀝青的透光率發(fā)生改變，但其改變僅為峰值大小的改變，峰值出現(xiàn)的位置改變較少，這反映出PET與瀝青的反映主要為物理反應。

從圖中與基質(zhì)瀝青相比，PET改性瀝青在1700 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，其原因應為PET添加劑的C=O引起。1600 cm-1處的吸收峰主要是瀝青中的C=C引起，基質(zhì)瀝青在1600 cm-1具有很高的吸收峰，但經(jīng)過PET改性后，該處的吸收峰降低明顯，這表明經(jīng)過PET的改性處理后，吸收了瀝青中的烴類物質(zhì)。1300 cm-1處的吸收峰主要是SO2引起的，圖中可知基質(zhì)瀝青并不存在該吸收峰，但是PET改性瀝青出現(xiàn)了新的吸收峰，表明了PET存在硫成分。

從紅外光譜分析結(jié)果可知PET與瀝青的反應主要為物理的融合，也發(fā)生著輕微的著化學反應，具有一定的熱力學的不穩(wěn)定性。這從PET改性瀝青的室內(nèi)試驗也可發(fā)現(xiàn)，PET顆粒與瀝青共混后，PET顆粒容易出現(xiàn)離析凝聚，上浮到瀝青上部。在后續(xù)的試驗中和應用中應保證改性瀝青不出現(xiàn)離析，從而保證其性能的穩(wěn)定性。

2.2PET改性瀝青的粘度試驗

由上述分析可知，PET與瀝青主要是物理反應為主，其主要是PET微粒在較高溫度下在瀝青的油相中膨脹形成類似膠體狀的物理過程。正是由于PET微粒的膨脹導致了溶脹的膠粒與瀝青之間的自由空間減少，從而引起粘度的增加，PET吸收了瀝青中的較輕組分，體系粘度增加。不同PET用量和試驗溫度下的粘度結(jié)果如圖2所示。

粘度是由流體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)之間的引力形成內(nèi)摩擦,從而在外部表現(xiàn)為抵抗流體流動的能力。由圖2可知 : 隨著PET用量的增加，改性瀝青的粘度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這表明在PET的作用下，瀝青的粘度增大，但當其用量較多時，粘度的也呈現(xiàn)緩慢出緩慢降低。

PET與瀝青的反應主要是由于有PET中的主要成分為聚對苯二甲酸乙二酯，其結(jié)晶度小，熔點較低，有利于和瀝青混溶。經(jīng)過磨成粉粒后可以均勻地分散于瀝青中。同時PET與瀝青形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青膠體通過細小顆粒連接在一起，同時顆粒吸收瀝青中的油分溶脹，引起瀝青中瀝青質(zhì)的含量相對增加，從而改變了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)和粘彈性質(zhì)，使瀝青變粘。

瀝青具有較高的粘度可在高溫環(huán)境下有效的抵制車轍發(fā)生，但粘度過大會使得瀝青混凝土變硬變脆，導致其低溫裂縫出現(xiàn)的概率增大。因此改性瀝青的粘度存在著合理的范圍。

2.3PET改性瀝青的常規(guī)試驗

表1為不同用量PET改性瀝青的針入度、軟化點和延度結(jié)果。

表1 PET改性瀝青常規(guī)試驗結(jié)果Table1 Conventionaltestsofthebaseandmodifiedasphaltsamples瀝青類型25℃針入度/(0.1mm)軟化點/℃15℃延度/cm基質(zhì)瀝青4651.7>105+1%PET4751.8>105+2%PET5151.385+3%PET5551.178+5%PET585169+10%PET6150.856

從表1可以看出: 摻加PET后瀝青的針入度呈現(xiàn)出增大的趨勢，表明PET用量的增加對瀝青的硬化效果較為明顯。究其原因是PET量越多，對瀝青中的輕質(zhì)組分吸收能力越強，使得瀝青的針入度增大，瀝青的膠漿增大。

采用環(huán)球法分別對不同PET用量下的改性瀝青軟化點進行測試，其測試結(jié)果可知PET的加入后，軟化點的變化不大，其趨勢是先增大后減小，并在10%的PET用量時，瀝青的軟化點最小。

分別對不同PET用量的改性瀝青進行了15 ℃的延度試驗，從結(jié)果知，隨著PET用量的增大，改性瀝青的延度值不斷減小，這是由于PET的加入使得瀝青相相對運動的阻力增大，自由運動能力受到抑制，使得改性瀝青的低溫延展能力下降。

2.4PET改性瀝青的Superpave試驗

試驗時對不同用量的PET改性瀝青進的復合模量及相位角進行試驗和統(tǒng)計分析，得到表2結(jié)果。

表2 PET改性瀝青DSR試驗結(jié)果Table2 DSRtestsofthebaseandmodifiedasphaltsamples指標試驗溫度/℃基質(zhì)瀝青+3%PET+5%PET復數(shù)模量G*641.4191.3561.197701.4201.3581.199相位角δ6488.0686.9586.197088.8688.0287.47

由表2可知: 隨著PET摻量的增加，2種溫度下的改性瀝青復數(shù)模量呈現(xiàn)出較為相似的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為降低趨勢。同時相位角隨著PET摻量的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢。由于復數(shù)模量是材料抵抗變形的綜合能力的物理量，而相位角可以在一定程度上反映損耗因子的變化趨勢，故由復數(shù)模量與相位角隨PET增大而減小的趨勢可知，PET的增加，可在一定程度上提高瀝青的彈性恢復能力。

瀝青路面的低溫裂縫是常見的裂縫類型，其原因為低溫環(huán)境下瀝青結(jié)合料的應力松弛能力低，當應力超過瀝青混凝土的極限抗拉強度，路面即出現(xiàn)裂縫，研究也表明，瀝青路面出現(xiàn)的低溫裂縫主要與瀝青結(jié)合料的抗裂性能有關，瀝青的勁度越大，其抵抗路面的抗裂能力越差。同時基質(zhì)瀝青加入改性劑后，低溫性能會有一定的降低。本次對摻加了PET的改性瀝青進行了BBR試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3　PET改性瀝青的BBR試驗結(jié)果Figure 3　BBR test result of the base and modified asphalt samples

從圖3可知: 隨著PET摻量的增加，改性瀝青的勁度模量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，但不同試驗溫度時，這種變化趨勢的程度是不同的，而且摻加PET后瀝青的勁度模量均小于基質(zhì)瀝青的，這表明PET摻的摻入對瀝青的低溫性能具有一定的消弱作用，PET改性瀝青對低溫環(huán)境更加敏感。隨著PET用量的增加，改性瀝青在3種溫度時的m值呈現(xiàn)出先增大后減小，也表明PET和的摻入損傷了瀝青的低溫性能。 SHRP計劃認為瀝青的勁度模量不應超出300 MPa，m值不應低于0.3。從試驗結(jié)果可知，制備的樣品中均滿足-6 ℃和-12 ℃的低溫要求，但不滿足-18 ℃的低溫要求。

勁度模量與m值的比值S/m可以在一定程度上反映出瀝青的抗低溫性能，其值越大，表明瀝青的抗低溫性能越好。從計算結(jié)果表3可知: 隨著PET用量的增加，3種試驗溫度下的S/m值均呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢，但仍低于基質(zhì)瀝青的值，這也反映了PET的加入會降低瀝青的低溫性能。

表3 PET改性瀝青的S/m值Table3 S/mofthebaseandmodifiedasphaltsamples試驗溫度/℃基質(zhì)瀝青+3%PET+5%PET-6314.7240.3261.5-12695.0567.7678.3-181902.11335.71812.6

3　結(jié)論

通過以上的試驗研究和分析，本文主要得出以下結(jié)論：

PET的加入后吸收峰的位置變化不大，表明PET與瀝青主要為物理反應， PET改性瀝青在1700 cm-1和1300 cm-1處的出現(xiàn)了新的吸收峰，同時在1600 cm-1的吸收峰與基質(zhì)瀝青相比有明顯的降低。

隨著PET用量的增加，改性瀝青的粘度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這表明在PET的作用下，瀝青的粘度增大，但當其用量較多時，粘度的也呈現(xiàn)緩慢出緩慢降低。

從瀝青的常規(guī)試驗可知，摻加PET后瀝青的針入度呈現(xiàn)出增大的趨勢，軟化點的變化不大，其趨勢是先增大后減小，延度值不斷減小。從瀝青的Superpave試驗可知，摻加PET后復數(shù)模量呈現(xiàn)降低趨勢，相位角呈現(xiàn)降低趨勢；勁度模量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，從勁度模量與m值的比值S/m也可反映出這種趨勢。

[1]唐新德，韓念鳳，賀忠國，等．蒙脫土/SBS復合改性瀝青性能研究[J]．建筑材料學報，2010,13(4):550-554.

[2]董允，紀軼來，張國強,等．SBS復配EVA改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)及DSR分析[J]．中外公路，2007,27(3):183-187.

[3]李永真,王貴珍,呂靜,等. 廢PET瓶回收再生技術及應用進展[J].化學工程與裝備,2010(6):145-146.

[4]李瑞芳.PET瓶回收再生技術進展[J].廣東化工，2009(7):302-305.

[5]谷松原,鄭玲鈺，柴子奇.PET用于道路面層材料的可行性研究[J].西部交通科技，2012(11):12-14.

[6]沈永鑫,張華集,張雯,等.PE—LD/PVDC/PE—LD復合薄膜回收料制備共混材料的研究[J].中國塑料，2012(1)：93-97.

[7]譚憶秋，郭猛，曹麗萍. 常用改性劑對瀝青粘彈特性的影響[J].中國公路學報,2013,26(4):7-15.

[8]陳華鑫，郭鋒，矯芳芳，等.聚合物改性瀝青再生結(jié)合料微觀分析[J].中外公路,2010(6):195-199.

[9]王嵐,胡江三,陳剛. 聚合物改性瀝青及混合料高低溫性能試驗研究[J].公路工程,2014(4):69-72.

Experiment on the Properties of PET Modified Asphalt

PAN Junhui

(Jiangxi Highway Research and Design Institute，Nanchang,Jiangxi 330002,China)

In order to get the PET modified asphalt binder performance, asphalt binder adding different amount of PET was tesed used infrared spectrum test, viscosity test, conventional asphalt test and Superpave test, while the test results are analyzed. The results show that when the PET was added into the asphalt, absorption peak position changes little, shown that the reaction between PET and asphalt is physical; with the increase of PET content, the viscosity of modified asphalt increases first and then decreases, penetration increases, the softening point of the trend increased first and then decreased, ductility value decreases and the complex modulus decreases, the phase angle decreases; stiffness modulus showed a trend of increasing first.

road engineering; asphalt binder; PET; performance test

2015 — 01 — 05

潘軍輝(1975 — )，男，江西臨川人，高級工程師，研究方向：公路路基和路面工程

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0286 — 04