朱曲平， 黃 剛

(1.重慶工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，重慶 400056； 2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

0 引言

將廢舊塑料再生資源化回收并加工成熱塑性樹脂類瀝青改性劑，既有利于環(huán)保，又能降低工程造價、提高瀝青路面抗車轍性能。國內(nèi)大量研究成果與實體工程應(yīng)用表明[1-3]，聚乙烯、聚丙烯改性劑經(jīng)簡單攪拌后可完全融化混溶于基質(zhì)瀝青中，具有制備工藝簡單、單價低等優(yōu)勢，廢舊塑料可用作瀝青混凝土的抗車轍劑或高模量劑，能明顯提高瀝青的粘度和軟化點，使瀝青的高溫性能、力學(xué)強度、勁度得到改善，抗流變性能、抗車轍的能力和抗永久變形能力增強，但聚乙烯、聚丙烯改性瀝青的低溫延展性較差，甚至?xí)r青混凝土的低溫性能產(chǎn)生負(fù)面影響，聚乙烯、聚丙烯改性瀝青混凝土一般也僅用于我國南方夏炎熱區(qū)瀝青路面或用作氣候溫潤區(qū)重載瀝青路面的抗車轍層(通常為中面層)[4]。橡膠類丁苯橡膠(SBR)改性劑具備優(yōu)異的低溫性能，但SBR改性劑對瀝青混合料高溫性能改善效果不明顯，不能克服全國頻發(fā)的極端高溫天氣和重載車輛荷載作用下瀝青路面抗車轍需求，SBR改性劑多與其他抗車轍性能優(yōu)異的改性劑進行復(fù)配后，可應(yīng)用于瀝青混凝土表面層或中面層。

為了提升聚乙烯、聚丙烯改性瀝青混凝土的低溫性能，國內(nèi)許多學(xué)者開展了復(fù)合改性技術(shù)方面研究，已有研究主要集中在聚乙烯(聚丙烯)復(fù)合橡膠粉、復(fù)合纖維、復(fù)合SBS等[4-9]。但已有研究較少涉及廢舊塑料復(fù)合SBR改性瀝青、混合料性能評價與應(yīng)用相關(guān)研究。本文選擇聚丙烯編織袋、塑料盆凳等廢舊聚丙烯塑料(WPP)和礦泉水瓶、塑料薄膜等廢舊聚乙烯塑料(WPE)為研究對象，將WPP、WPE在250 ℃條件下融化成液體，加入裂化劑，使廢舊塑料的分子鏈斷裂，然后降溫至200 ℃左右，加入硫磺穩(wěn)定劑并攪拌均勻，最后在200 ℃條件下由造粒工藝制作單個顆粒質(zhì)量≤0.03 g塑料顆粒，此外，為了進一步提升WPP、WPE改性劑的低溫性能，將WPP、WPE分別與SBR進行復(fù)配，基于室內(nèi)試驗研究WPP、WPE廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青的針入度指標(biāo)性能與流變性能，優(yōu)化了適宜的WPP、WPE與SBR摻配比例，進而采用常規(guī)三大路用性能試驗與室內(nèi)小型加速加載試驗評價了WPP、WPE復(fù)配SBR改性AC-20瀝青混合料的路用性能與長期穩(wěn)定性，最后鋪筑了WPP/SBR復(fù)合改性瀝青混合料試驗段。本文研究成果為廢舊塑料資源化回收利用提供了思路，也為廢舊塑料復(fù)合SBR改性瀝青的推廣應(yīng)用提供了借鑒。

1 試驗

1.1 原材料

a.廢舊塑料:選用日常生活中常見的2種塑料產(chǎn)品回收材料。1#為廢舊聚丙烯塑料(Waste Polypropylene Plastics，簡稱WPP)，典型代表有聚丙烯編織袋、塑料盆凳等。2#為廢舊聚乙烯塑料(Waste Polyethylene，簡稱WPE)，主要代表物有礦泉水瓶、塑料薄膜等，PE中混雜有廢舊高密度聚乙烯(LDPE)和低密度聚乙烯。雖然在高溫條件下，經(jīng)簡單攪拌后，廢舊塑料可完全融化混溶于基質(zhì)瀝青中，然而由于廢舊塑料與瀝青的分子結(jié)構(gòu)差異較大，二者的相容性差，在貯存、運輸過程中，溫度降低在熔點以下或停止攪拌后，塑料分子快速聚合、聚集、分層，導(dǎo)致塑料類改性瀝青離析，這不僅降低了改性瀝青品質(zhì)，也容易堵塞泵送設(shè)備管道，影響設(shè)備的運行[10-12]。為了改善塑料增強廢舊塑料改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性、改善塑料類改性瀝青的貯存穩(wěn)定性，首先將WPP、WPE在250 ℃條件下融化成液體，加入裂化劑，使廢舊塑料的分子鏈斷裂，然后降溫至200 ℃左右，加入硫磺穩(wěn)定劑并攪拌均勻，最后在200 ℃條件下由造粒工藝制作單個顆粒質(zhì)量≤0.03 g塑料顆粒。WPP、WPE具體性質(zhì)如表1所示。

b.基質(zhì)瀝青：選用遼寧盤錦A-70基質(zhì)瀝青和成品5%SBS改性瀝青(以下簡稱5%SBS)，瀝青膠結(jié)料主要技術(shù)指標(biāo)見表2，瀝青膠結(jié)料技術(shù)性能均滿足JTG F40-2004要求。

表1 廢舊塑料主要性質(zhì)Table1 Themainpropertiesofwasteplastics種類密度/(g·cm-3)熔體流動速率/0.1g·min-1斷裂伸長率/%WPP0.9430.3257WPE0.9260.3584

c.丁苯橡膠改性劑(SBR)：丁苯橡膠(SBR)改性劑由中石化生產(chǎn)，型號為SBR-1502，外觀為白色顆粒狀粉末，平均粒度為80目，干膠含量為100%，結(jié)合苯乙烯含量為18%。

1.2 復(fù)配方案及復(fù)合改性瀝青制備

已有研究成果表明，純凈的聚乙烯改性瀝青的聚乙烯摻量一般為3%～8%，SBR改性瀝青的SBR劑量一般均為4%～6%?？紤]到廢舊塑料中含有一定數(shù)量的雜質(zhì)，且廢舊WPP、WPE市場單價約2 500～2 700元/t，單價略低于基質(zhì)瀝青(2 900～3 500元/t)，結(jié)合工程經(jīng)濟性和抗車轍性能要求，試驗研究采用了較大WPP、WPE摻量，同時降低了SBR改性劑摻量。試驗研究初選的WPP、WPE摻量為6%、9%、12%、15%，每種WPP、WPE摻量下變化SBR改性劑摻量為2.5%、3.5%，對照組為基質(zhì)瀝青、12%WPP、12%WPE、5%SBS(成品)改性瀝青(以下簡稱6%WPP、9%WPP、12%WPP、15%WPP、6%WPE、9%WPE、12%WPE、15%WPE、2.5%SBS、3.5%SBS)。

表2 瀝青膠結(jié)料主要性能指標(biāo)Table2 Mainperformanceindexesofasphaltbinder指標(biāo)針入度/(0.1mm)5℃延度/cm10℃延度/cm軟化點/℃135℃黏度/(Pa·s)25℃彈性恢復(fù)率/%48h軟化點差/℃A-70基質(zhì)瀝青77.5 4.321.349.5—57.6—5.0%SBS63.635.693.467.42.7681.52.2

復(fù)合改性瀝青制備過程中發(fā)現(xiàn)，摻加WPP或WPE后，僅需簡單攪拌就可實現(xiàn)WPP、WPE與基質(zhì)瀝青混溶，而SBR改性瀝青制備則需要經(jīng)過溶脹、分散磨細(xì)、繼續(xù)發(fā)育3個過程。由于摻加WPP、WPE改性劑后改性瀝青的粘度快速增大，導(dǎo)致聚合物改性瀝青制備時剪切難度增大，因此，復(fù)合改性瀝青制備時，首先將SBR改性瀝青溶脹、剪切磨細(xì)后再添加WPP或WPE。具體制備工藝如下：① 將基質(zhì)瀝青在160 ℃條件下加熱至液體流動狀態(tài)，然后加入設(shè)計用量5%SBR改性劑，攪拌速率500 rad/min，使聚合物改性劑溶脹20 min；② 升溫聚合物改性劑與瀝青共混物溫度至170 ℃，開啟剪切機，以4 500 rad/min速率剪切30 min，完成剪切磨細(xì)制備工藝；③ 按照設(shè)計的SBR改性劑摻量，其余摻量SBR改性瀝青均通過5%SBR改性瀝青加熱至170 ℃后再添加基質(zhì)瀝青稀釋而成，將設(shè)計摻量的WPP或WPE添加到低劑量聚合物改性瀝青中，調(diào)劑剪切速率至2 000～2 500 rad/min，剪切10 min；④保持復(fù)合改性瀝青共混物溫度為160 ℃，發(fā)育40 min，即可完成復(fù)合改性瀝青制備。

2 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青性能

2.1 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青針入度指標(biāo)性能

按照J(rèn)TG F40-2004針入度體系指標(biāo)要求評價廢舊塑料復(fù)配SBR、SBS聚合物改性瀝青性能，主要包括25 ℃針入度、軟化點、5 ℃延度、135 ℃運動粘度、25 ℃彈性恢復(fù)率、48 h離析軟化點差。針入度指標(biāo)體系試驗方法嚴(yán)格參照J(rèn)TG F40-2004要求進行，結(jié)果見表3。

由表3可知，摻加WPP、WPE兩種廢舊塑料均能明顯增大基質(zhì)瀝青和低劑量SBR改性瀝青的高溫性能，同時降低低溫延展性、彈性恢復(fù)性能與施工和易性。具體表現(xiàn)為：

a.隨著WPP、WPE摻量的增大，復(fù)合改性瀝青的軟化點增大、針入度減小，2.5%SBR、3.5%SBR摻量下，WPP設(shè)計摻量由6%增大至15%，WPP復(fù)配SBR改性瀝青的軟化點分別降低了39.6%(WPP復(fù)配2.5%SBR)、40.7%(WPP復(fù)配3.5%SBR)，軟化點分別增大了18.6%、17.4%。WPE設(shè)計摻量由6%增大至15%，WPE復(fù)配SBR改性瀝青的軟化點分別降低了38.2%(WPE復(fù)配2.5%SBR)、41.5%(WPP復(fù)配3.5%SBR)，軟化點分別增大了19.8%、19.6%。WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青的針入度遠(yuǎn)小于5%SBS改性瀝青，在WPP、WPE摻量不小于9%時，廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青的軟化點大于5%SBS改性瀝青，當(dāng)兩種廢舊塑料摻量達(dá)到12%時，復(fù)合改性瀝青的軟化點大于70 ℃，增大廢舊塑料摻量后，復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出了塑料類改性瀝青特性，具有優(yōu)異的高溫性能。這是由于而廢舊塑料的結(jié)晶度較低、溶解度參數(shù)較寬，易于充分溶脹并混溶于基質(zhì)瀝青中，WPP、WPE吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，一方面瀝青膠體結(jié)構(gòu)中的硬質(zhì)組分含量增大，使瀝青膠體結(jié)構(gòu)由溶膠型轉(zhuǎn)變?yōu)槟z型，高溫性能提高、硬度增大；另一方面廢舊塑料各分子鏈與瀝青相互熔合，交聯(lián)構(gòu)成完整的架構(gòu)體系，塑料分子所形成的晶體結(jié)構(gòu)限制了瀝青分子的移動，使瀝青的存在形態(tài)與膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這有利于提高瀝青的勁度、硬度，從而表現(xiàn)為針入度降低、軟化點增大。

表3 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青針入度指標(biāo)性能Table3 PenetrationindexperformanceofwasteplasticcompoundSBRmodifiedasphalt廢舊塑料摻量/%聚合物改性劑25℃針入度/(0.1mm)軟化點/℃5℃延度/cm25℃彈性恢復(fù)率/%135℃粘度/(Pa·s)軟化點差/℃RTFOT后針入度比/%5℃延度/cm 6%WPP2.5%SBR55.864.421.272.51.771.476.715.4 9%WPP46.468.219.467.02.101.679.413.612%WPP39.573.715.363.52.412.081.210.315%WPP33.776.410.258.22.532.282.46.5 6%WPP3.5%SBR53.666.128.887.21.881.677.519.5 9%WPP44.869.624.583.22.361.880.516.412%WPP37.674.921.478.52.572.182.414.215%WPP31.877.615.676.22.952.384.59.1 6%WPE2.5%SBR57.862.525.576.31.571.277.617.5 9%WPE49.366.622.373.22.031.780.314.812%WPE40.471.317.469.02.322.082.211.815%WPE35.774.912.166.62.622.283.48.1 6%WPE3.5%SBR55.663.830.685.31.681.479.421.1 9%WPE47.467.926.181.52.181.981.218.612%WPE38.872.421.577.62.482.383.515.815%WPE32.576.316.973.92.782.485.310.2基質(zhì)瀝青 77.549.54.3———61— 5%SBS 63.667.435.681.52.762.28125.7 5%SBR 74.853.767.5—1.681.97948.812%WPP 41.771.4脆斷43.52.24脆斷12%WPE 42.970.1脆斷46.72.08脆斷

b.隨著WPP、WPE摻量的增大，復(fù)合改性瀝青老化前后的5 ℃延度減小，同時25 ℃彈性恢復(fù)率降低，增大廢舊塑料不利于瀝青膠結(jié)料的低溫性能與彈性恢復(fù)性能，這主要是，廢舊塑料對瀝青性能的改善主要為物理改性，改性瀝青高溫性能與低溫性能一般為相反面，在常溫或低溫條件下，原本溶解的塑料分會以結(jié)晶形式析出，彈性成分向黏彈性成分和塑性成分轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青變硬、變脆，從而表現(xiàn)為低溫性能降低和彈性恢復(fù)率減小。低溫性能和彈性恢復(fù)性能方面，WPP、WPE單一改性瀝青在延度試驗開始時出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，并且25 ℃彈性恢復(fù)率不足50%，低溫延展性極差，導(dǎo)致其僅適用于南方夏炎熱地區(qū)。摻加3.5%SBR改性劑后，復(fù)合改性瀝青的5 ℃延度能達(dá)到20 cm以上(15%WPP除外)，滿足JTG F40-2004規(guī)范SBS類改性瀝青(I-D)技術(shù)要求，摻加SBR改性劑能彌補WPP、WPE改性瀝青低溫性能的不足，擴大WPP、WPE改性瀝青的使用范圍。

c.隨著WPP、WPE摻量的增大，復(fù)合改性瀝青的135 ℃粘度增大、48 h離析軟化點差增大、RTFOT后針入度比增大，總體上廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青135 ℃粘度不超過3.0 Pa·s，48 h離析軟化點差不超過2.5 ℃，施工和易性、熱貯存穩(wěn)定性和抗老化性能良好。

2.2 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青流變性能

按照Superpave瀝青膠結(jié)料PG等級的技術(shù)要求(ASTM D6373)，采用動態(tài)剪切流變試驗(DSR)和彎曲蠕變勁度試驗(BBR)評價廢舊塑料WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青的流變性能。

2.2.1動態(tài)剪切流變試驗

按照AASHTO T315-02要求進行DSR試驗，在64 ℃～82 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，間隔6 ℃為一個高溫分級，DSR試驗金屬板直徑25 mm，施加10 rad/s頻率的正弦振蕩荷載，板間隙為1 mm，試驗結(jié)果見表4。

表4 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果Table4 DynamicshearrheologicaltestresultsofwasteplasticcompoundedSBRmodifiedasphalt廢舊塑料聚合物改性劑不同溫度原樣瀝青G?/sinδ不同溫度RTFOT后老化G?/sinδ64℃70℃76℃82℃64℃70℃76℃82℃ 6%WPP2.5%SBR11.645.752.130.9121.1311.904.981.56 9%WPP16.019.064.041.3430.4218.288.712.7612%WPP19.5712.536.202.1637.1724.9613.154.3215%WPP20.6013.947.032.3439.1525.2814.354.57 6%WPP3.5%SBR12.456.762.320.9523.6613.986.401.70 9%WPP17.2410.154.981.5032.7520.5910.623.3712%WPP21.8112.536.862.4541.4624.7613.844.7615%WPP22.2313.177.292.6942.2526.1314.395.33 6%WPE2.5%SBR10.454.341.940.8519.869.394.161.62 9%WPE14.927.933.891.1328.3416.328.032.1612%WPE18.3811.415.631.8935.3322.7211.183.5915%WPE19.2712.676.772.1836.5925.2913.084.13 6%WPE3.5%SBR11.325.552.120.9321.519.644.031.86 9%WPE14.808.614.421.2228.1217.308.402.7412%WPE18.6712.136.842.1335.4825.0112.994.2715%WPE19.6312.987.022.3237.3925.6013.354.51基質(zhì)瀝青 2.680.92——5.122.19— — 5%SBS 16.059.144.281.6531.2417.128.123.04 5%SBR 2.880.95——5.562.45— — 12%WPP 18.8012.095.652.0535.7423.3111.833.8712%WPE 17.7710.094.531.7734.8921.6210.633.59

由表4可知:

a.廢舊塑料摻量對復(fù)合改性瀝青的抗車轍因子(G*/sinδ)影響顯著，在64 ℃～82 ℃測試溫度范圍內(nèi)，12%WPP、12%WPE改性瀝青的G*/sinδ大于5%SBS改性瀝青。說明12%WPP、12%WPE改性瀝青有更好的高溫抗車轍性能。WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青保留了WPP、WPE改性瀝青優(yōu)異的高溫性能，摻加SBR能略微增大廢舊塑料改性瀝青的G*/sinδ，但SBR對復(fù)合改性瀝青G*/sinδ的改善效果有限。

b.按照superpave瀝青膠結(jié)料PG等級的技術(shù)要求(ASTM D6373)，在WPP、WPE摻量不小于9%時，WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青老化前G*/sinδ>1.0 kPa，RTFOT后G*/sinδ>2.2 kPa，9%～15%WPP、9%～15%WPE復(fù)配2.5%～3.5%SBR改性瀝青的高溫PG分級可達(dá)到82 ℃，說明廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青具有優(yōu)異的高溫抗車轍性能。

c.在相同測試溫度條件下，增大WPP、WPE摻量對復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ的影響趨勢相同，在6%～12%摻量范圍內(nèi)，增大WPP、WPE摻量對G*/sinδ的改善較為明顯，WPP、WPE摻量超過12%后，增大WPP、WPE摻量，復(fù)合改性瀝青G*/sinδ雖有增大，但增大趨勢減緩，說明復(fù)合改性瀝青的臨界WPP、WPE摻量為12%。這是由于廢舊塑料吸收基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分溶脹后，WPP、WPE膠團數(shù)量與體積增大，并逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，最終形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)WPP、WPE摻量繼續(xù)增大時，WPP、WPE聚集體通過凝膠液膜連接所形成的半固體連續(xù)體系逐漸致密，瀝青結(jié)構(gòu)變化對瀝青連續(xù)相性能的影響逐漸減弱，WPP、WPE溶脹后所形成的聚集體對復(fù)合改性瀝青抗車轍因子的增大作用逐漸減緩。

2.2.2低溫彎曲蠕變勁度試驗

參考ASTM D6648-01及AASHTO T313-09進行低溫彎曲蠕變試驗(BBR)，將廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青經(jīng)RTFOT老化后澆筑長127 mm、厚6.35 mm、寬12.7 mm試樣。試驗溫度分別為-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃，預(yù)加荷載35 mN(維持20 s)，試驗過程中施加試驗荷載為980 nN，荷載維持時間為240 s，彎曲梁流變試驗儀以0.5 s時間間隔自動記錄并計算荷載及變形，結(jié)果匯總見表5。

由表5可知: ①根據(jù)Superpave瀝青膠結(jié)料性能分級規(guī)范(M320-03)，瀝青膠結(jié)料的蠕變斜率越大，表明其低溫應(yīng)力松弛性能越好，勁度模量越大，瀝青膠結(jié)料的脆性越大，更易于產(chǎn)生低溫開裂，因此限制勁度模量≤300 MPa，蠕變斜率m≥0.3。12%WPP、12%WPE改性瀝青在-12 ℃溫度下，不滿足Superpave瀝青膠結(jié)料低溫分級要求，在所有瀝青試樣中，5%SBR改性瀝青的勁度模量最小，同時蠕變斜率最大，表明其低溫性能最優(yōu)，而12%WPP、12%WPE的低溫性能最差，摻加WPP、WPE改性劑降低了瀝青的低溫性能，這與5 ℃延度試驗結(jié)果一致。② 相同試驗溫度條件下，WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青的勁度模量隨WPP、WPE摻量增大而增大，蠕變斜率隨WPP、WPE摻量增大而減小，增大WPP、WPE降低了復(fù)合改性瀝青的低溫性能。相同WPP、WPE摻量條件下，隨著SBR摻量的增大，復(fù)合改性瀝青的蠕變斜率增大、勁度模量減小，當(dāng)SBR摻量達(dá)到3.5%時，9%～15%WPP、9%～15%WPE復(fù)配3.5%SBR改性瀝青的低溫PG分級可達(dá)到-18 ℃，6%WPP、6%WPE復(fù)配3.5%SBR改性瀝青的低溫PG分級可達(dá)到-24 ℃，說明將WPP、WPE與3.5%SBR進行復(fù)配，保留了SBR改性劑優(yōu)異的低溫性能，SBR賦予復(fù)合改性瀝青優(yōu)異的低溫抗裂性能。

表5 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青彎曲梁流變試驗結(jié)果Table5 RheologicaltestresultsofcurvedbeamswithSBRmodifiedasphaltmixedwithwasteplastics廢舊塑料聚合物改性劑不同溫度勁度模量/MPa不同溫度蠕變斜率m-12℃-18℃-24℃-12℃-18℃-24℃ 6%WPP2.5%SBR130.4243.6348.60.4420.3730.262 9%WPP177.7293.7420.70.3870.2020.24112%WPP240.4335.3484.20.3540.2560.19215%WPP289.6406.2535.50.3210.2190.151 6%WPP3.5%SBR107.5190.5284.50.4680.3930.308 9%WPP118.8229.0324.90.4230.3570.29312%WPP160.5256.5351.30.4070.3240.26115%WPP204.6294.4392.40.3710.3030.239 6%WPE2.5%SBR122.2214.7307.80.4860.3940.286 9%WPE170.6267.0372.70.4140.3220.25312%WPE227.7313.6431.60.3720.2850.19615%WPE281.6378.4477.80.3420.2570.162 6%WPE3.5%SBR89.0164.3249.10.4910.4140.331 9%WPE107.6199.1277.20.4420.3960.31512%WPE146.1223.2319.40.4250.3540.28115%WPE185.6267.5347.90.3780.3150.257基質(zhì)瀝青 271.6396.5548.40.3120.2020.111 5%SBS 119.1236.9340.60.4370.3420.247 5%SBR 35.0114.7207.80.5650.4930.41212%WPP 395.3553.8778.80.2140.1090.06612%WPE 371.5536.3726.50.2220.1150.072

2.3 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青微觀形貌

采用基恩士(中國)有限公司生產(chǎn)的Cossim熒光顯微觀察9%WPP、12%WPP改性瀝青及12%WPP+3.5%SBR、12%WPE+3.5%SBR的微觀形貌，結(jié)果見圖1。

由圖1(a)、(b)可見，9%WPP、12%WPP改性瀝青共混體系存在明顯的兩相狀態(tài)，由于WPP對基質(zhì)瀝青性能的改性屬于物理改性范疇，WPP改性劑顆粒懸浮于基質(zhì)瀝青連續(xù)相中，并且隨著WPP改性劑摻量的增大，WPP吸收瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹后，WPP顆粒聚集體分布越來越密集，單位面積內(nèi)瀝青相減少而WPP分散相增大，單位面積內(nèi)WPP聚結(jié)或膠團數(shù)量變化導(dǎo)致改性瀝青性能發(fā)生變化，當(dāng)WPP摻量增大至12%時，WPP在基質(zhì)瀝青處于均勻、飽和狀態(tài)，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大于臨界WPP摻量后改性瀝青宏觀性能變化幅度趨于平緩。

由圖1(c)、(d)可見，在12%WPP、12%WPE與3.5%SBR復(fù)合改性瀝青中，WPP(WPE)與SBR混溶于基質(zhì)瀝青，并形成連續(xù)、均勻致密體系，兩種改性劑溶脹物出現(xiàn)連續(xù)相，并在基質(zhì)瀝青中形成致密的“蜂形”結(jié)構(gòu)。相較于12%WPP改性瀝青，12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性瀝青“蜂形”分布呈連續(xù)相分布，WPP、WPE與SBR單向連續(xù)體系向“蜂形”結(jié)構(gòu)連續(xù)體系轉(zhuǎn)變，“蜂形”結(jié)構(gòu)更加均勻、致密，復(fù)合改性劑在瀝青中的分布形態(tài)與結(jié)構(gòu)決定了其針入度指標(biāo)性能與流變性質(zhì)。

(a)9%WPP改性瀝青

3 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料性能

為驗證廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料路用性能與耐久性，試驗研究采用AC-20礦料級配中值，采用12%WPP、12%WPE、5%SBS、12%WPP+3.5%SBS、12%WPE+3.5%SBS共5種改性瀝青，室內(nèi)馬歇爾試驗確定12%WPP改性瀝青混合料、12%WPE改性瀝青混合料、5%SBS改性瀝青混合料、12%WPP+3.5%SBS復(fù)合改性瀝青混合料、12%WPE+3.5%SBS復(fù)合改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.7%、4.7%、4.8%、4.9%、4.9%，下文中的瀝青混合料性能試驗均在最佳油石比條件下測試。

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用60 ℃車轍試驗、單軸貫入剪切試驗、恒高度頻率掃描試驗，綜合評價廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料性能。車轍試驗方法參照T0719-2011進行，單軸貫入剪切強度試驗方法參照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》附錄F進行，恒高度頻率掃描試驗采用直徑150 mm、高50 mm旋轉(zhuǎn)壓實試件，試驗溫度為60 ℃，加載頻率10 Hz，以剪切模量G*與相位角φ為抗剪切強度評價指標(biāo)。試驗結(jié)果匯總見表6。

表6 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料高溫性能試驗結(jié)果Table6 HightemperatureperformancetestresultsofwasteplasticcompoundSBRmodifiedasphaltmixture改性瀝青類型車轍試驗單軸貫入剪切試驗恒高度頻率掃描d60min/mmDS/(次/mm)剪切強度/MPa剪切模量/MPa相位角/(°)12%WPP1.9367981.057108.857.812%WPE1.9761980.94396.460.35%SBS2.3846590.89478.965.412%WPP+3.5%SBR1.7874871.113116.844.412%WPE+3.5%SBR1.8566481.074107.946.7

由表6可知，12%WPP、12%WPE改性瀝青混合料的車轍試驗動穩(wěn)定度、單軸貫入剪切強度和恒高度剪切模量均大于5%SBS改性瀝青混合料，車轍試驗加載60 min后的車轍深度及恒高度剪切相位角均小于5%SBS改性瀝青混合料，廢舊塑料復(fù)配3.5%SBR改性劑后，復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度、剪切強度與剪切模量均有一定幅度提高，同時車轍試驗加載60 min后的車轍深度及恒高度剪切相位角均減小，3種高溫性能試驗結(jié)果一致，即高溫抗車轍性能排序：12%WPP+3.5%SBR>12%WPE+3.5%SBR>12%WPP>12%WPE>5%SBS。WPP、WPE改性瀝青混合料及WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青混合料均具備優(yōu)異的抗車轍性能，可適用于抗車轍性能要求嚴(yán)苛的瀝青路面表面層或中面層。

3.2 低溫抗裂性

低溫彎曲試驗方法參照J(rèn)TG E20-2011規(guī)范T0715方法，試驗溫度-10 ℃，加載速率50 mm/min，結(jié)果見表7。

由表7可知，12%WPP、12%WPE改性瀝青混合料低溫彎曲破壞時的跨中擾度不足0.4 mm，彎曲應(yīng)變均小于2 000 με，這主要是塑料改性劑增加了瀝青混合料的韌性與整體脆性，降低了瀝青混合料的柔性，導(dǎo)致12%WPP、12%WPE改性瀝青混合料的低溫性能整體較差。將12%WPP、12%WPE與3.5%SBR復(fù)配后，復(fù)合改性瀝青的破壞應(yīng)變增大至3 453.5、3 574.7με，考慮低溫彎曲小梁試件跨中擾度、彎拉強度、彎曲應(yīng)變和勁度模量4個技術(shù)指標(biāo)，12%WPP+3.5%SBR、12%WPE+3.5%SBR兩種復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能與5%SBS改性瀝青混合料基本相當(dāng)，均滿足JTG D50-2017冬嚴(yán)寒區(qū)低溫彎曲破壞應(yīng)變大于3 000με的技術(shù)要求。

表7 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料-10℃低溫彎曲試驗結(jié)果Table7 -10℃lowtemperaturebendingtestresultsofwasteplasticcompoundedSBRmodifiedasphaltmixture改性瀝青類型破壞荷載/kN跨中擾度/mm彎拉強度MPa彎曲應(yīng)變/με勁度模量/MPa12%WPP1.0150.32688.291715.73699.712%WPE1.1290.36179.221898.93571.75%SBS1.6500.695813.473653.03687.412%WPP+3.5%SBR1.3360.657810.903453.53156.212%WPE+3.5%SBR1.5290.680912.483574.73491.2

3.3 水穩(wěn)定性

按照J(rèn)TG F40-2004規(guī)范要求，采用馬歇爾殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強度比評價廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。水穩(wěn)定試驗方法參照J(rèn)TG E20-2011，試驗結(jié)果見表8。

表8 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料-水穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table8 WasteplasticcompoundSBRmodifiedasphaltmixture-waterstabilitytestresults改性瀝青類型浸水馬歇爾試驗凍融劈裂試驗未浸水MS/kN浸水后MS/kNMS0/%未凍融ITS/MPa凍融后ITS/MPaTSR/%12%WPP10.489.7092.61.1261.03792.112%WPE9.919.0791.51.0430.95391.45%SBS11.2510.9096.91.2611.20395.412%WPP+3.5%SBR12.4712.2898.51.4751.42096.312%WPE+3.5%SBR12.1411.8597.61.3511.29796.0

由表8可知，4種改性瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比(MS0)與凍融劈裂強度比(TSR)均大于90%。復(fù)配SBR改性劑后，復(fù)合改性瀝青混合料的MS0與TSR均達(dá)到了95%以上，水穩(wěn)定性略優(yōu)于5%SBS改性瀝青混合料，這主要是WPP、WPE溶脹后對瀝青的增黏作用以及SBR與WPP、WPE形成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，均有助于提高瀝青混合料的界面粘聚力，從而改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.4 抗疲勞性能(MMLS1/3加速加載試驗)

在最佳油石比條件下采用旋轉(zhuǎn)壓實成型試件，按照MMLS1/3試模尺寸要求切割標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3個平行試件?？刂圃囼灉囟葹?0 ℃，考慮試件厚度與AC-20混合料公稱最大粒徑的匹配關(guān)系，試件厚度采用6 cm，試驗?zāi)z輪接地壓強0.7 MPa，加載頻率40 Hz(60次/h)，測試試驗輪不同加載次數(shù)下試件的車轍變形量，結(jié)果匯總見表9。

由表9、圖2可知：

圖2 MMLS1/3試驗不同加載次數(shù)車轍發(fā)展曲線

a.隨著試驗?zāi)z輪加載次數(shù)的增加，5種改性瀝青混合料的車轍深度呈先快速增大后緩慢增加的兩階段發(fā)展趨勢：壓密變形階段、剪切蠕變穩(wěn)定階段。對比發(fā)現(xiàn)，壓密變形階段，5種改性瀝青混合料的車轍變形量均相差不大，壓密變形產(chǎn)生的車轍占瀝青混合料總車轍深度的50%以上。

b.承受相同試驗輪荷載作用下，5種改性瀝青混合料的車轍深度大小排序：5%SBS>12%WPE>12%WPP>12%WPE+3.5%SBR>12%WPP+3.5%SBR。剪切蠕變穩(wěn)定階段，車轍發(fā)展速率大小排序與車轍深度由大到小排序一致:5%SBS(0.036 mm/萬次)>12%WPE(0.029 9 mm/萬次)>12%WPP(0.028 6 mm/萬次)>12%WPE+3.5%SBR(0.023 8 mm/萬次)>12%WPP+3.5%SBR(0.017 7 mm/萬次)。

表9 廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青混合料加載過程中的車轍深度Table9 RuttingdepthduringtheloadingprocessofwasteplasticcompoundSBRmodifiedasphaltmixture加載次數(shù)/萬次不同改性瀝青混合料加載過程中的車轍深度/mm12%WPP12%WPE5%SBS12%WPP+3.5%SBR12%WPE+3.5%SBR11.4451.4511.4621.4671.46231.9912.0032.0111.7651.81852.252.4762.5482.0192.151102.4472.7422.9032.2312.412152.7272.9723.3372.4222.686202.9623.2993.5942.6232.803253.1023.483.8722.7753.073303.3433.7834.0822.8613.175353.5943.9224.3562.933.268403.7114.1594.4393.0123.357453.8124.3094.5323.0653.433503.9454.3984.6943.1183.596554.0044.4834.8273.1713.662604.0534.5314.9193.2273.738654.1154.5765.0583.2433.841704.1534.6295.1273.2823.864754.2174.6655.1783.3133.904804.2614.7185.2493.3433.937

c.加載80萬次后，12%WPE+3.5%SBR改性瀝青混合料、12%WPE+3.5%SBR改性瀝青混合料的車轍深度僅為3.343、3.937 mm，且加載結(jié)束后輪跡處未見微裂縫或縱向隆起病害，兩種復(fù)合改性瀝青混合料具有優(yōu)異的抗永久變形性能。

4 WPP復(fù)配SBR改性瀝青混合料的應(yīng)用

S29呼和浩特至涼城段高速公路，設(shè)計時速100 km/h，路基寬26 m。項目區(qū)最冷月氣溫-22.7 ℃～-26.1 ℃；極端氣溫最高38.5 ℃，最低-41.5 ℃，沿線礦產(chǎn)資源豐富，交通荷載分布有明顯的方向性，上行方向重載比例高、軸載重，且為上坡方向，這對瀝青混凝土面層的抗車轍性能、抗疲勞性能及低溫抗裂性能提出來更高要求。施工圖設(shè)計文件要求，縱坡大于3%路段，中面層SBS改性AC-20瀝青混凝土中添加6%(瀝青質(zhì)量比)國產(chǎn)抗車轍劑。根據(jù)室內(nèi)研究成果，試驗段采用12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性AC-20C瀝青混合料，厚度為6 cm，鋪設(shè)路段平均縱坡3.5%，鋪設(shè)單幅長度為2 500 m。調(diào)整后的油石比為4.9%，從運料車取樣試驗，馬歇爾穩(wěn)定度12.7 kN，動穩(wěn)定度7 800次/mm，低溫彎曲應(yīng)變3 585.4 με，TSR為95.5%，滿足設(shè)計文件及JTG D50-2017規(guī)范要求?，F(xiàn)場攤鋪、壓實工藝與相鄰路段SBS改性瀝青混凝土基本一致，碾壓完成后實測壓實度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、平整度等測試結(jié)果均合格，滿足質(zhì)量檢驗評定規(guī)范要求。試驗段于2017年9月鋪筑完成，目前已經(jīng)服役了3 a，試驗路段瀝青混凝土無明顯車轍病害，僅有的病害為間隔約30～50 m橫向裂縫，鉆芯判斷橫向裂縫為半剛性基層反射裂縫，為該區(qū)氣候分區(qū)內(nèi)瀝青路面典型病害，密封膠灌封后即可有效阻止病害進一步發(fā)展，試驗段取得了滿意使用效果。試驗段12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性瀝青混凝土的成功運用，為WPP/SBR復(fù)合改性瀝青在冬嚴(yán)寒區(qū)重載瀝青路面的推廣應(yīng)用提供了借鑒。

5 結(jié)語

a.摻加WPP、WPE明顯提高了基質(zhì)瀝青及低劑量SBR改性瀝青的高溫性能，SBR改性劑能彌補廢舊塑料改性瀝青低溫性能的不足，WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青比5%SBS改性瀝青有更高的軟化點。將廢舊塑料與SBR進行復(fù)配，使瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫延展性和彈性恢復(fù)性能以及抗老化性能得到比較全面的改善。綜合考慮復(fù)合改性瀝青產(chǎn)品的高低溫性能，復(fù)合改性瀝青中的WPP、WPE摻量為9%～12%、SBR摻量為3.5%。

b.廢舊塑料摻量對復(fù)合改性瀝青的抗車轍因子(G*/sinδ)影響顯著，SBR對復(fù)合改性瀝青G*/sinδ的改善效果有限。廢舊塑料復(fù)配SBR改性瀝青具有優(yōu)異的高溫抗車轍性能。將WPP、WPE與3.5%SBR進行復(fù)配，保留了SBR改性劑優(yōu)異的低溫抗裂性能，也疊加了塑料類改性劑優(yōu)異的高溫性能。當(dāng)SBR摻量達(dá)到3.5%時，9%～15%WPP、9%～15%WPE復(fù)配3.5%SBR改性瀝青的PG分級可達(dá)到PG82-18等級。

c.WPP、WPE改性瀝青混合料及WPP、WPE復(fù)配SBR改性瀝青混合料均具備優(yōu)異的抗車轍性能(動穩(wěn)定度>6 000次/mm)、抗水損害性能和抗永久變形能力，兩種復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能與5%SBS改性瀝青混合料基本相當(dāng)，均滿足JTG D50-2017冬嚴(yán)寒區(qū)低溫彎曲破壞應(yīng)變大于3 000με的技術(shù)要求。

d.12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性瀝青混凝土可應(yīng)用于冬嚴(yán)寒區(qū)重載瀝青路面，試驗段12%WPP+3.5%SBR復(fù)合改性瀝青混凝土的成功運用，為WPP/SBR復(fù)合改性瀝青在冬嚴(yán)寒區(qū)重載瀝青路面的推廣應(yīng)用提供了借鑒。