回收微塑料制备改性沥青混凝土及其性能研究

Study on Preparation and Properties of Modified Asphalt Concrete by Recycling Microplastics

摘要

为了提高沥青混凝土的综合性能，利用废旧聚丙烯（PP）微塑料改性基质沥青，制备AC-13沥青混凝土，研究沥青及沥青混凝土的性能。结果表明：加入微塑料提高了改性沥青的抗变形能力和耐高温稳定性，也提高了沥青混凝土的力学性能、高温稳定性、低温稳定性和水稳定性。微塑料掺量为4%时，与基质沥青相比，改性沥青的25 ℃针入度降低20%，软化点提高12 ℃。微塑料掺量为4%时，与基质沥青混凝土相比，改性沥青混凝土的浸水马歇尔残留度（MS₀）和冻融劈裂抗拉强度比（TSR）分别提高11.6%和12.8%，动稳定度提高86%，车辙深度降低67.0%，空隙率（VV）降低14.6%，稳定度（MS）和饱和度（VFA）分别提高21.1%和7.8%，低温弯曲破坏应变提高35.6%。

关键词

聚丙烯微塑料 / 改性沥青混凝土 / 力学性能 / 高温稳定性 / 低温稳定性

Key words

Polypropylene microplastics / Modified asphalt concrete / Mechanical properties / High temperature stability / Low temperature stability

沥青混凝土路面抵抗车辆损坏的能力和抗自然因素影响的能力较强，具有路面平整、少扬尘、排水性好、耐磨损等优点^[1]。随着公路交通压力越来越大，对沥青混凝土路面提出了更高的技术标准要求，比如热稳定性高、低温弹塑性好和水稳定性好等，而对沥青进行改性是提高沥青混凝土路面综合性能的主要手段^[2-4]。聚丙烯(PP)具有优异的力学性能、抗疲劳性能及加工简单等特点，并且PP的耐湿热、抗弯等性能优于一般塑料^[5-6]。PP是研究较多的沥青改性剂，对改善沥青耐热性能效果显著^[7]。废旧的PP塑料制品被丢弃后难以降解，会逐渐变为0.2~5.0 mm微塑料，这些微塑料进入水体成为危害水体环境和人体健康的新型污染物，如何处理这些微塑料成为研究者关注的问题^[8-9]。如果将废旧PP微塑料进行回收利用，不仅减少了微塑料的污染且节约石油资源，还能够提高沥青混凝土的性能^[10]。废旧PP微塑料与沥青的形态和结构存在差异，为了使微塑料均匀分散到沥青基体中，需要用高速剪切机搅拌使废旧微塑料与沥青充分混合^[11]。程培峰等^[12]用回收的PP与丁苯橡胶复合改性基质沥青，并研究了改性沥青的性能变化。结果表明：PP/丁苯橡胶复合提高了改性沥青的高温和低温性能。赖增成等^[13]研究了低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和PP三种回收塑料对沥青性能的影响。结果表明：三种塑料使沥青常温黏度和软化点提高，但降低了沥青延度。然而，改性沥青需要应用到沥青混凝土中，而这些研究主要侧重于塑料改性沥青的性能，缺少对改性沥青混凝土的研究。目前，回收微塑料在沥青及沥青混凝土中的应用研究较少。

本实验选用回收的微塑料对沥青进行改性，并制备沥青混凝土，通过研究改性沥青的针入度、软化点、延度及改性沥青混凝土的力学性能、高温稳定性、低温稳定性和水稳定性。探究微塑料用于改性沥青混凝土的可能性，为微塑料的回收利用提供指导。

1 实验部分

1.1 主要原料

基质沥青，70#沥青，中国石化集团金陵石油化工有限责任公司；微塑料，回收的废旧PP塑料，粒径0.2~5.0 mm；碎石，成分为玄武岩，粒径为5~15 mm、机制砂，粒径为0~5 mm，市售；矿粉，成分为石灰石，粒径为0~0.6 mm，石家庄亿田矿产品有限公司。

1.2 仪器与设备

高速剪切机，RMRH，江苏鲁米智能装备制造有限公司；沥青针入度测定仪，SK-4509Z，大连石科仪器有限公司；沥青软化点试验器，HSY-2806B，上海颀高仪器有限公司；低温沥青延度仪，SY-1.5C，河北中仪伟创试验仪器有限公司；电热鼓风干燥箱，ZYLH-H01，中研立华仪器科技（苏州）有限公司；沥青混合料低温弯曲综合性能试验机，LHZH-6，上海盛世慧科检测设备有限公司；马歇尔稳定度仪，LWD-4A4B4C，沧州鸿浩杰科建筑仪器有限公司；沥青混合料冻融劈裂试验仪，SYD-0720，献县科宇高铁仪器设备厂。

1.3 样品制备

1.3.1 回收微塑料改性沥青的制备

表1为改性沥青配方。将回收的PP微塑料用清水反复冲洗干净，然后放入40 ℃的干燥箱中烘干。根据表1将基质沥青加热至160 ℃，再将干燥的PP微塑料加入基质沥青中。电动搅拌20 min，在剪切机中以4 000 r/min剪切30 min，得到改性沥青。

1.3.2 改性沥青混凝土的制备

采用AC-13沥青混凝土配合比，根据JTG F40—2004确定目标配合比与最佳用油量，确定基质沥青的最佳油石比为4.7%、改性沥青的最佳油石比为4.5%。表2为AC-13沥青混凝土配比。

1.4 性能测试与表征

沥青性能测试：按JTG E20—2011进行沥青和改性沥青的25 ℃针入度、软化点和5 ℃延度测试。

沥青混凝土性能测试：按JTG E20—2011进行沥青混凝土的车辙试验、低温弯曲试验、马歇尔试验和冻融劈裂试验。

2 结果与讨论

2.1 改性沥青性能分析

沥青的主要性能包括针入度、软化点、延度。针入度越大，则沥青越软。软化点越高，说明沥青对温度敏感性越差，其温度稳定性和耐热性能越好。延度指沥青的延展度，一定温度下的延度越大，说明沥青在该温度下的塑性越好。表3为基质沥青和改性沥青的针入度。从表3可以看出，加入微塑料后，改性沥青的25 ℃针入度逐渐降低，掺入2%、4%和6%的微塑料，改性沥青的针入度比基质沥青分别降低8%、20%和25%，说明微塑料的加入，提高了沥青的黏度。另外，微塑料掺量不超过4%时，沥青分散状态良好。但是，当微塑料掺量为6%时，沥青表面结成厚皮。可能是因为PP微塑料掺量较少时，PP微塑料均匀分散在基质沥青中，PP微塑料增加了沥青黏度，降低了沥青针入度。PP微塑料掺量过高时，微塑料发生离析，微塑料出现部分聚集，导致沥青表面出现结皮现象^{[12, 14]}。因此，PP微塑料掺量不宜超过4%，否则造成沥青内部组分分布不均匀且沥青表面结皮。

图1为基质沥青和改性沥青的软化点。

从图1可以看出，随着微塑料掺量的增加，改性沥青的软化点显著提高，掺入2%、4%和6%的微塑料，改性沥青的软化点比基质沥青分别提高6、12和16 ℃，说明微塑料提高了沥青的热稳定性。因为PP塑料属于高黏高弹组分，其分子结网率高，增加了沥青组分的黏度，限制了沥青分子运动，需要更多热量促使沥青分子流动，从而提高了沥青软化点温度^[15]。

微塑料掺量不高时，其与沥青相容性较好。因为沥青基质与PP塑料都是聚合物，主要以烯烃类分子结合或聚合而成，其分子结构相似。并且微塑料与基质沥青的熔融温度相近，沥青的熔融温度为40~180 ℃，这些改性剂的熔融温度一般在85~200 ℃，在加入条件下通过机械搅拌能够将这些改性剂的大分子链均匀分散到沥青液体中，相互间较好互融^[16-17]。

相比于基质沥青，微塑料改性沥青25 ℃针入度更低、软化点更高，说明改性沥青的抗变形能力更强、耐高温稳定性更高。微塑料最优掺量为4%，与基质沥青相比，25 ℃针入度降低20%，软化点提高12 ℃。

2.2 改性沥青混凝土的性能分析

2.2.1 改性沥青混凝土的力学性能

通过马歇尔试验表征沥青混凝土的力学性能，指标主要包括稳定度(MS)、空隙率(VV)和饱和度(VFA)。表4为基质沥青和改性沥青混凝土的力学性能。从表4可以看出，随着微塑料加入，沥青混凝土的VV先降低后升高，MS和VFA均先增大后降低。当微塑料掺量为4%时，AC-13-3#的VV达到最小值，比AC-13-1#降低14.6%。AC-13-3#的MS和VFA都达到最大值，比AC-13-1#提高21.1%和7.8%。

因为微塑料在基质沥青中形成网络空间结构，提高了沥青的黏结力，使沥青与骨料结合紧密且牢固，提高了沥青填充骨料间隙的效率，降低了沥青与骨料的空隙，进而提高了沥青混凝土的稳定度，导致微塑料改性沥青混凝土的力学性能更好^[18-20]。但是，不是微塑料掺量越高越好，微塑料量过大会造成微塑料聚集和分散不均匀，对沥青在骨料间的分散不利，微塑料掺量超过4%时，沥青混凝土的MS和VFA略有下降，VV略有升高，力学性能下降。

微塑料加入后，沥青混凝土的VV先降低，MS和VFA先增大，这也说明微塑料的加入对提高沥青混凝土的力学性能有利。MS直接反映了沥青混凝土的力学性能。而VV和VFA是影响沥青混凝土力学性能和使用寿命的关键因素，沥青混合料的VV过高或VFA过低，说明沥青与骨料之间的结合不紧密，容易造成骨料和沥青剥离、龟裂等，也导致沥青容易渗水、耐水性差，从而加速沥青混凝土的老化，缩短沥青混凝土使用寿命。

2.2.2 改性沥青混凝土的高温稳定性

沥青路面在服役期间的高温稳定性，主要表现为沥青混凝土在高温条件下抵抗变形能力，本文通过60 ℃下高温车辙试验验证沥青混凝土耐高温性能，图2为基质沥青和改性沥青混凝土的高温稳定性。从图2可以看出，基质沥青混凝土动稳定度为2 750次/mm，车辙深度为2.82 mm。随着微塑料的加入，沥青混凝土动稳定度先升高后降低，车辙深度先减小后增大。当微塑料掺量为4%时，沥青混凝土的动稳定度达到最大，为5 122次/mm，是基质沥青混凝土的1.86倍，即提高86%。当微塑料掺量为4%时，沥青混凝土的车辙深度最小0.93 mm，比基质沥青混凝土降低67.0%。但是掺入微塑料后，改性沥青混凝土比基质沥青混凝土的动稳定度显著提高、车辙深度降低，说明微塑料提高了沥青混凝土的抗高温车辙性能。这是因为PP微塑料的加入，在基质沥青内部形成网络空间结构，抑制了沥青分子迁移，增大了沥青黏度，使沥青与砂石骨料的黏结能力增强，沥青混凝土中各组分紧密结合，在受到荷载时，沥青混凝土内部紧密结构抗变形能力较大。微塑料提高了沥青的软化点和耐热性能，微塑料改性沥青混凝土的耐高温性能得到改善，抗车辙性能提高^[21-22]。然而，当微塑料掺量过高时，微塑料会出现离析和聚集，造成了改性沥青内部成分分布不均匀，也影响了改性沥青混凝土的整体性，最终导致沥青混凝土的耐高温车辙性能虽然优于基质沥青混凝土，但是比掺入4%微塑料的沥青混凝土略差。

动稳定度和车辙深度反映了沥青混凝土抵抗车辆动荷载的能力。从图2可以看出，微塑料提高了沥青混凝土的高温稳定性，微塑料掺量达到或超过2%，沥青混凝土的动稳定度能够满足JTG F40—2004中夏季炎热地区混合料动稳定度 \ge2 800次/mm的要求。

2.2.3 改性沥青混凝土的低温稳定性

本实验通过低温弯曲试验表征沥青混合料的低温性能，图3为基质沥青和改性沥青混凝土的低温稳定性。根据JTG F40—2004中规定，冬寒地区改性沥青混合料低温弯曲破坏应变应不低于2 800 μe，冬严寒地区改性沥青混合料低温弯曲破坏应变应不低于3 000 μe。从图3可以看出，AC-13-1#的弯曲破坏应变为2 820 μe，已经不能满足冬严寒地区的要求。随着微塑料的加入，AC-13-2#、AC-13-3#和AC-13-4#的低温弯曲破坏应变分别为3 133、3 825和3 630 μe，均满足JTG F40—2004中冬严寒地区的要求，说明微塑料改性沥青混凝土的耐低温性能得到显著提高。随着微塑料掺量的增加，改性沥青混凝土的低温弯曲破坏应变先增大后降低，微塑料掺量为4%，改性沥青混凝土的低温弯曲破坏应变最大。一方面，因为微塑料在基质沥青中形成网络空间结构，增强了沥青与骨料的黏结力，抑制沥青分子运动的同时，也可以抑制沥青低温开裂；另一方面，微塑料具有一定的韧性，在低温条件下塑料较沥青更柔软，当受到外部荷载时，微塑料有增韧效果，降低了沥青混凝土整体脆性，因此微塑料改性沥青混凝土的低温性能得到改善^[23-25]。但是，微塑料掺量过高时，造成微塑料离析、聚集，改性沥青内部成分分布不均匀。因此，微塑料掺量为4%时，改性沥青混凝土的耐低温性能最好，此时低温弯曲破坏应变应比AC-13-1#提高了35.6%。

2.2.4 改性沥青混凝土的水稳定性

通过浸水马歇尔与冻融劈裂试验，表征沥青混合料的水稳定性。图4为基质沥青和改性沥青混凝土的水稳定性。

从图4可以看出，AC-13-1#的浸水马歇尔残留度(MS₀)为85.2%。微塑料加入后，AC-13-2#、AC-13-3#和AC-13-4#的MS₀分别为88.9%、95.1%和89.6%，分别比AC-13-1#提高了4.3%、11.6%和5.2%。AC-13-1#的冻融劈裂抗拉强度比(TSR)为84.1%.微塑料加入后，AC-13-2#、AC-13-3#和AC-13-4#的TSR分别为87.7%、94.9%和88.5%，分别比AC-13-1#提高了4.3%、12.8%和5.2%。与AC-13-1#相比，微塑料改性沥青混凝土的水稳定性得到提高。因为微塑料改性基质沥青提高了沥青的黏结力，使沥青混凝土中沥青与骨料黏结更紧密，这与微塑料降低了沥青混凝土的VV和提高沥青混凝土VFA的结果一致^{[11, 26]}。但是，并不是微塑料掺量越高越好，过量的微塑料容易聚集，造成沥青组分分散不均匀，反而对沥青与骨料黏结不利。因此，微塑料改性沥青提高了沥青混凝土的水稳定性，微塑料掺量为4%时，沥青混凝土的水稳定性最好，此时沥青混凝土的MS₀和TSR分别比AC-13-1#提高了11.6%和12.8%。

3 结论

随着微塑料加入，相比基质沥青，微塑料改性沥青的25 ℃针入度更低、软化点更高，改性沥青的抗变形能力更强，耐高温稳定性更高。

微塑料的加入提高了改性沥青混凝土的力学性能、高温稳定性、低温稳定性和水稳定性。随着微塑料掺量的增加，改性沥青混凝土的动稳定度先升高后降低，车辙深度先减小后增大，沥青混凝土的VV先降低后升高，MS和VFA都是先增大后降低，低温弯曲破坏应变先增大后降低；沥青混凝土的MS₀和TSR先增大后降低。

微塑料掺量为4%时，改性沥青的综合性能最好，与基质沥青相比，25 ℃针入度降低20%，软化点提高12 ℃。微塑料掺量为4%时，沥青混凝土的综合性能最好，与基质沥青混凝土相比，改性沥青混凝土的MS₀和TSR分别提高了11.6%和12.8%，动稳定度提高86%，车辙深度降低67.0%；VV降低14.6%，MS和VFA分别提高21.1%和7.8%，低温弯曲破坏应变提高35.6%。

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基金资助

信阳农林学院2022年青年教师科研基金“绿色低碳理念下信阳生态文明建设的实然之境与应然之策”(QN2022034)