肖 川，蒋兴华，杨锡武，邱延峻

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031;2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031;3.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074）

废旧塑料改性沥青储存稳定性试验

肖 川1，蒋兴华2，杨锡武3，邱延峻1

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031;2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031;3.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074）

以4类废旧塑料改性剂与分别经过裂化处理的加工塑料改性剂，采用合理的制备工艺对90#与70#基质沥青进行改性，并采用优化的离析试验分析方法对不同类型废旧塑料改性沥青展开研究，最后基于热分析试验对作用机理进行分析。结果表明:经裂化处理的加工废旧塑料改性沥青的储存稳定性相比原塑料改性沥青得到明显改善;4种通过裂化处理的加工废旧塑料改性沥青经8 h和48 h离析以后，评价指标均表征出良好的储存稳定性，为生活废旧塑料改性沥青的推广应用提供了依据。

道路工程;废旧塑料;改性沥青;离析试验;储存稳定性;热分析

目前能源危机日益突出，环境压力急剧增加，废旧塑料改性沥青以其优异的高温稳定性及显著的环保性，在国内外筑路材料研究与道路工程建设中受到广泛关注［1-3］。但由于废旧塑料中各种塑料类型复杂、性质差异大，再加上塑料本身的聚合特性，使得塑料改性沥青的离析现象严重［4-5］。废旧塑料改性沥青的热储存稳定性不足，成为制约其推广应用的关键因素。国内外学者均对废旧塑料改性沥青的离析问题进行了相关研究［6-9］，就目前来看:废旧塑料改性剂的生产制作工艺和离析控制的研究进展缓慢;废旧塑料改性沥青贮存稳定性的评价方法还不统一，笔者则为本项目研究提供了另寻途径的思路与借鉴。

笔者以改善生活废旧塑料改性沥青的储存稳定性为核心目标，采用合理的离析试验分析方法对不同种类废旧塑料改性沥青的离析程度进行评价，并通过综合热分析仪对其作用机理进行研究。

1 原材料性质及试验方案

1.1 废旧塑料改性沥青材料组成与性质

针对制备废旧塑料改性沥青的不同种类生活废旧塑料及母体基质沥青进行原材料性质分析，是研究废旧塑料改性沥青性能的基础。

1.1.1 废旧塑料材料性质

本次研究将不同种类的废旧塑料改性剂总体归为2大类:一类是由塑料厂家将回收分类后的废旧塑料通过挤塑机制得的塑料颗粒改性剂，称为原塑料改性剂;另一类是将前者在试验室经裂化处理后得到的改性剂，称为加工塑料改性剂。

1）原塑料改性剂

原塑料改性剂可以细化为废旧塑料薄膜、随机混杂塑料、废旧塑料盆凳、废旧塑料容器4类（分别简称 1#、2#、3#、4#），如图 1。

图1 原塑料改性剂类型Fig.1 Types of untreated waste plastic

1#为废旧塑料薄膜制成的塑料颗粒，呈红色，主要成分为废旧低密度聚乙烯（Waste Low Density Polyethylene，简称WLDPE）;2#为随机混杂废旧塑料制成的塑料颗粒，呈黑色，这种废旧塑料是回收后没有进行种类划分而直接随机混杂的塑料，成分较为复杂，主要成分为废旧聚乙烯（系低密度、中密度、高密度聚乙烯的混合物）;3#为废旧塑料盆凳制成的塑料颗粒，呈绿色，主要成分为废旧聚乙烯塑料和废旧聚丙烯塑料（Waste Polypropylene Plastics，简称WPP）;4#为废旧塑料容器制成的塑料颗粒，呈白色，主要成分为废旧聚丙烯塑料和废旧高密度聚乙烯（Waste High Density Polyethylene，简称 WHDPE）。

2）加工塑料改性剂

加工塑料改性剂是对以上4种由挤塑机制作的废旧塑料颗粒，分别进行裂化加工而得到的“塑料块”。经裂化处理的加工塑料改性剂，主要是解决塑料改性沥青的离析问题，核心目标是在保证塑料改性沥青各项性能指标的前提下，提高其储存稳定性。加工塑料改性剂表面光滑、材质均匀、脆性较高，敲碎后断面均质具有较好的纹理。由4种不同原塑料分别经过裂化加工制成的加工塑料改性剂如图2。

根据已有研究成果，采用PE或者EVA进行沥青改性时，改性剂的剂量宜为3% ～6%［2］。NOVOLAHT在实践中建议使用PE改性时的推荐掺量为5%［8］。本次试验中，综合考虑废旧塑料特性，统一采用6%掺量（改性剂质量占基质沥青质量的百分比）来研究生活废旧塑料改性道路沥青性能。

图2 加工塑料改性剂类型Fig.2 Types of treated waste plastics

1.1.2 基质沥青的性质

基质沥青作为废旧塑料改性沥青的母体原料，其性质与废旧塑料改性沥青密切相关。笔者在研究过程中选择广东茂名90#以及中海油70#两种国产沥青作为基质沥青，其主要的常规技术指标见表1。

表1 基质沥青主要检验指标Tab.1 Test results of base asphalt

1.2 废旧塑料改性沥青的制备

制备废旧塑料改性沥青的关键在于保证改性剂与母体沥青的充分融合，本次研究拟定的废旧塑料改性沥青制备步骤为:

1）称取400～500 g的基质沥青，然后根据所称取的基质沥青质量以及塑料改性剂质量配比要求（拟定废旧塑料为沥青质量的6%），计算出所需要的塑料质量，用电子天平称取待用;

2）将基质沥青在电炉上加热至（160±5）℃，在放入称取好的塑料，在160～180℃之间使塑料溶胀，溶胀期间用玻棒搅拌，使塑料变软，均匀分散于母体沥青中，其溶胀时间大约为15～45 min（原塑料溶胀时间较长，加工塑料溶胀时间较短）;

3）将溶好的混合沥青置于高速剪切仪中进行高速剪切，剪切温度保持在160～170℃，剪切速度为5 000 r/min，剪切时间为15 min（加工塑料）或30 min（原塑料）;

4）最后将制备好的废旧塑料改性沥青浇模，测试沥青的性能指标。

1.3 离析试验分析方法

本次研究参考交通部JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对于聚合物改性沥青的离析试验要求，结合废旧塑料改性沥青自身特点及试验的操作性与可行性，对离析试验方法作出适当调整，对废旧塑料改性沥青进行定性评价与定量判定相结合的离析试验分析，具体方案为:

1）将试样在135℃的烘箱中静置（24±1）h后，观测其表面和断面情况，判断是否有明显分界层，并按照现行规程要求（表2［10］）进行改性沥青离析情况定性评价;

表2 离析试验定性评价Tab.2 Qualitative evaluation of segregation test

2）分别采用玻璃试管（直径约25 mm，长约200 mm，一端开口，带塞）和经过胶带缠裹处理的一次性纸杯（纸杯高8 cm，顶部内径7.4 cm，底部内径6.3 cm）作为盛样容器来进行改性沥青离析试验;

3）将制备好的试样在高温状态下放入135℃的烘箱中，静置不同考察时间（如6，8，10，48 h等）后取样，选定试样顶部与底部的软化点及针入度之差作为评价指标，来评价原塑料改性沥青和加工塑料改性沥青的离析情况，图3为待测试样示例。

图3 待测试样Fig.3 Samples to be tested

2 离析试验结果分析

通过对试验结果的总结与分析发现:试验采用的2种器皿（玻璃试管和纸杯）在评价同一种改性沥青时，纸杯表现出与玻璃管相一致的趋势，以2种容器进行试验的软化点最大差值为1.4℃，最小为0℃;针入度最大差值为0.2 mm，最小为0 mm，对判定结果几乎没有影响。所以用纸杯取代玻璃试管判定废旧塑料改性沥青离析试验结果是可行的。加之纸杯容器具有价格低廉、取样操作简便、观测试样断面直观等优势，统一采用纸杯作为试验器皿的试验结果来进行塑料改性沥青储存稳定性的分析。

2.1 离析程度定性分析

分别对原塑料与加工塑料改性沥青取样，观察2种废旧塑料改性沥青的断面发现:对于原塑料，不管是在常温自然冷却离析下还是在烘箱静置离析条件下，试样表面均出现明显的裂纹、结皮，上层有分散状物质上浮，断面有明显分界层，试样表面和断面均呈蜂窝麻面状，有厚的结皮，局部位置黏度特别大，呈黏稠状，可以观察到有细小的废旧塑料微粒，离析现象严重;对于加工塑料，不管是在烘箱中静置时间为6，8，10 h或48 h，试样的表面和断面均光亮匀称，无麻面，光泽度好，无结皮与分界现象。图4为8 h离析后，1#废旧塑料的2种改性沥青试样对比图。

图4 不同废旧塑料改性沥青试样断面对比Fig.4 Cross-section comparison of different waste plastic-modified asphalt

总体而言，由定性分析表明:经裂化处理的加工废旧塑料改性沥青的储存稳定性明显优于原塑料改性沥青。

2.2 离析程度定量分析

将离析试验试样的静置时间参数选定为8 h和48 h，以试样上、下部的软化点及针入度之差作为评价指标进行定量分析。

2.2.1 8 h 离析试验

通过定性分析已判断原塑料改性沥青离析严重，故首先将原塑料与加工塑料改性沥青试样静置8 h后进行试样上、下部的软化点差与针入度差评价。若在8 h后就有明显离析情况，足以说明这种改性沥青的储存稳定性存在问题;同时，静置8 h也是模拟一桶沥青从170℃自然冷却至常温的时间。不同种类废旧塑料改性沥青的8 h离析试验对比结果如图5。

图5 8 h离析试验测定结果对比Fig.5 Comparison of 8 h segregation test results

8 h离析试验结果表明:以4种原塑料改性剂对90#与70#进行改性后，各种原塑料改性沥青的储存稳定性都较差，上、下层软化点差值最小为13.2℃，最高达到25.8℃，针入度最大差值为0.7 mm;而加工塑料改性沥青上、下层软化点最大差值仅为1.5℃，针入度最大差值为0.2 mm，一致证明:原塑料改性沥青离析现象严重，而基于裂化处理的加工塑料改性剂，能够显著提高塑料改性沥青的储存稳定。针对不同种类原塑料，裂化加工技术的改善作用均显著，证明了其推广应用的可行性。

2.2.2 48 h 离析试验

工程学类实验室包括物理学、电工、药剂学、中药制备、制药工程、实训中心等实验室，其中有毒有害物质、放射性保护、用电安全、机械类损伤等是安全防控重点。

由于原塑料改性沥青在8 h自然冷却条件就已经出现严重离析，笔者仅对加工塑料改性沥青试样在48 h（与离析试验规范［10］要求相一致）烘箱静置后进行离析试验对比分析，试验结果见表3。

表3 加工塑料改性沥青48 h离析试验技术指标测定结果Tab.3 Results of treated waste plastics-modified asphalt in 48 h separation test

以试样上、下部软化点差ΔT为核心指标，针入度差ΔZ为辅助指标对4种加工塑料对不同沥青改性后得到的改性沥青进行评价，由表3的试验数据可以得出:

1）以4种经裂化处理的加工塑料分别对90#与70#基质沥青改性后的塑料改性沥青，均具有较好的储存稳定性。试样的上、下层软化点最大差值为1.4℃，最小差值为0℃，完全符合不大于2.5℃的规范要求［11］。

2）4 种加工塑料改性沥青试样上、下层针入度差得最大值为0.2 mm，相比原塑料的针入度差（0.7 mm）有显著提高。但通过对比发现，针入度评价指标的灵敏性不足，难以有效评价不同塑料种类改性沥青的差异性。

3）加工塑料改性沥青8 h与48 h离析试验中同标号同掺量沥青的软化点和针入度存在差异性，说明塑料改性沥青的热储存过程是一个不稳定的动态平衡过程，随着时间的推移，其性质不断发生变化。

3 热分析试验研究

改性沥青性能的提高是改性剂的性质、粒度、分散均匀性、表面吸附以及沥青组成等因素综合作用的结果。笔者基于热分析试验，从作用机理方面对原塑料与加工塑料的材料性质进行研究。通过热重法（TG法）与差示扫描量热法（DSC法）分析表明:加工塑料较之原塑料有更低的相对分子质量，更宽的分子量分布以及更短、支化程度更高的高分子链，因此两者在对沥青改性的效果上有明显的差别。以3#废旧塑料改性剂为例，将3#原塑料与加工塑料作对比，所得TG曲线、DSC曲线如图6。

图6 废旧塑料TG、DSC对比Fig.6 Comparison of different waste plastics about TG ＆ DSC

原塑料与加工塑料在TG曲线上的差别较小，对DSC曲线分析可以看出:原塑料在166.1，130.2℃上有2个峰，主峰为166.1℃，可推得其主要成分为PP，副峰为130.2℃可能含有少量HDPE。而加工塑料在147.2，116.6℃的2个峰，较之原塑料，其峰值向低温方向移动，曲线变得平滑，表明加工塑料的熔点降低，熔限相对变宽。

原塑料与加工塑料的差异表明原塑料经过裂化加工，其结晶性遭到了破坏，结晶度下降。由于结晶度与分子量及分子链的柔顺性有关，所以推断加工塑料较之原塑料有更低的相对分子质量，更宽的分子量分布以及更短、支化程度更高的高分子链。随着加工塑料分子量变小，分子间的相互作用力变小，更有利于母体沥青的侵入，其微粒比原塑料更小，形成的界面更加稳固，黏度提高，力学性能得到改善。

4 结论

通过研究与分析，可得出以下结论:

1）通过离析试验定性判断表明:经裂化处理的加工废旧塑料改性沥青的储存稳定性相比原塑料改性沥青得到显著改善。

2）经过8 h离析后，4种原塑料改性沥青的上、下层软化点差值最高达到25.8℃，针入度最大差值为0.7 mm;而加工塑料改性沥青上、下层软化点最大差值仅为1.5℃，针入度最大差值为0.2 mm。说明经裂化处理的加工废旧塑料改性沥青的储存稳定性明显优于原塑料改性沥青，证明了以裂化加工技术提高废旧塑料改性沥青储存稳定性的可行性。

3）4 种加工塑料分别对90#与70#基质沥青改性后的塑料改性沥青48 h离析试验试样的上、下层软化点最大差值为1.4℃，上、下层针入度差得最大值为0.2 mm，均表现出良好的储存稳定性。

4）采用定性评价与定量判定相结合的离析试验评价方法对废旧塑料改性沥青进行研究，避免了人为主观因素的影响，提高了离析判定标准，对废旧塑料改性沥青的离析程度作出了更加全面的考察。

5）通过热分析试验表明:相比原塑料而言，加工塑料的熔点降低，熔限相对变宽。加工塑料的相对分子质量更低，分子量分布更宽，其高分子链的支化程度更高，所以原塑料与加工塑料在对沥青改性的效果上有明显的差别。

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LIU Ke，DU Jie.Technical principle of polymer-asphalt reactive blending master batch for producing modified asphalt［J］.New Building Materials，2009（6）:74-77.

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，研究方向为道路路面设计与筑路材料研究。E-mail:xcaaa6666@sina.com。