废旧聚苯乙烯泡沫-沥青复合材料的性能研究

Study on Properties of Waste Polystyrene Foam-asphalt Composites

摘要

随着废弃聚苯乙烯泡沫（EPS）对环境的影响日益严重，对其进行回收再利用成为研究热点。研究通过制备不同EPS质量分数（0、2%、5%、8%、10%）的废旧EPS泡沫-沥青复合材料，探究废旧EPS添加比例对沥青复合材料性能的影响。结果表明：随着EPS添加量的增加，复合材料的拉伸强度和冲击强度均显著提高，尤其当EPS的质量分数为8%时，复合材料的拉伸强度达到2.35 MPa。适量添加废旧EPS（质量分数为8%~10%）能够有效改善泡沫-沥青复合材料的综合性能，使其具有良好的环境适应性和安全性，为废旧EPS在道路建设中的应用提供技术支持。

Abstract

With the increasingly serious environmental impact of discarded expanded polystyrene (EPS) foam, its recycling and reuse has become a research hotspot. In this study, waste EPS foam-asphalt composites with different EPS mass fractions (0, 2%, 5%, 8%, 10%) were prepared to investigate the influence of the proportion of waste EPS on the properties of asphalt composites. The results show that with the increase of EPS addition, both the tensile strength and impact strength of the composites are significantly improved, especially when the mass fraction of EPS is 8%, the tensile strength of the composites reaches 2.35 MPa. The appropriate addition of waste EPS (mass fraction of 8% to 10%) can effectively enhance the comprehensive performance of foam-asphalt composites, providing them with good environmental adaptability and safety, and offering technical support for the application of waste EPS in road construction.

Graphical abstract

关键词

聚苯乙烯 / 泡沫 / 沥青

Key words

Polystyrene / Foam / Asphalt

随着全球对环保和可持续发展的关注不断加深，废旧材料的回收与再利用成为了重要的研究课题。聚苯乙烯泡沫(EPS)作为一种常见的塑料废弃物，在日常生活中被广泛用于包装、建筑等领域^[1-2]，但其难以降解的特性使其处理与回收成为挑战^[3-4]。传统的废旧EPS处理主要依赖填埋和焚烧，不仅占用大量土地资源，还会对环境造成二次污染。因此，通过创新的技术将废旧EPS有效回收利用已成为当前材料科学与环境工程领域的研究热点。

为了应对废旧EPS处理对环境带来的挑战，研究人员逐渐将其回收利用于工程材料的开发中。EPS凭借其轻质、隔热、隔音等优良特性，被尝试应用于道路建设领域^[5-6]。代瑞娟等^[7]研究发现，EPS能够有效增强泡沫混凝土的稳定性和力学性能，当小颗粒EPS的质量分数为3%时，复合材料的表观密度为463 kg/m³，孔隙率为63%，较空白组增加43.18%，抗折强度和抗压强度分别高达2.43 MPa和7.10 MPa。贾琨^[8]将水泥材料、EPS颗粒和其他添加剂进行混合，制备无机-有机复合建筑外墙外保温EPS材料，发现EPS的掺入能够使建筑外墙的复合材料的保温性能和力学性能均得到有效提升。此外，将EPS大量运用到塑料混凝土的制备中可在改善泡沫混凝土表观密度及力学性能等方面发挥重要作用^[9-11]。因此，在泡沫-沥青复合材料中，EPS作为一种改性材料，被加入沥青中，不仅为废旧材料的循环利用提供了解决方案，还可以改善复合材料的性能^[12]。程曾煜^[13]对废旧EPS泡沫塑料改性沥青混凝土进行研究，对其孔隙率及高温稳定性进行测定，发现这种新型沥青复合材料不仅具有较好的抗裂性、耐高温性和耐久性，还因其环保特性和经济性，被广泛应用于高速公路、机场跑道等高性能道路的建设中^[14-15]。WU等^[16]利用有限元模拟研究发现，当EPS用量越少时，沥青基质内部的应力和应变也随之减小。然而，有研究指出，EPS容易形成致密的薄膜层，能够与沥青产生较强的界面相互作用^[17-19]。鉴于此，将废旧EPS与沥青复合既可以实现EPS的资源化利用^[20]，又能改善沥青的力学性能、热稳定性及耐候性，从而提高沥青复合材料的整体性能，降低传统沥青材料对环境的不利影响。本文深入探究废旧EPS质量分数对沥青复合材料的综合性能的影响，以期为沥青复合材料的应用提供依据，同时为废旧EPS的环境友好型回收与利用提供新的解决方案。

1 实验部分

1.1 主要原料

废旧聚苯乙烯泡沫(EPS)，来自回收的建筑废弃泡沫，当地的废料回收商；沥青，常规道路用沥青60/70，中国石油化工集团公司；矿物填料，微细石粉，P-400，某地矿产供应商；抗氧剂，AO-80，东华化工公司；增韧剂，T-100，东华化工公司。

1.2 仪器与设备

万能材料试验机，Instron 5969，美国Instron公司；动态力学分析仪(DMA)，Q800，美国TA仪器公司；维卡软化温度测试仪，ZWK-300A，山东精工仪器有限公司；热重分析仪(TG)，TG209F1，德国耐驰公司。

1.3 样品制备

表1为废旧EPS泡沫-沥青复合材料的配方。参照表1配方，称取各组分的具体质量。在180~200 ℃的条件下，将沥青置于加热搅拌釜中，恒温加热至完全融化(约20 min)，然后分批缓慢加入预处理后的EPS(破碎至5 mm以下颗粒)，持续搅拌，以确保其均匀分散。随后，加入矿物填料和SBS改性剂并继续搅拌10 min，直至材料呈现均匀混合状态。对于EPS质量分数较高(>8%)的配方，可适当延长搅拌时间至15 min。最终，将混合料倒入模具中自然冷却成型，用于后续性能测试与分析。整个制备过程须严格控制搅拌时间和温度，以防止EPS降解或分层现象发生。

1.4 性能测试与表征

拉伸强度测试：按照GB/T 528—2009，采用万能材料试验机对样品进行拉伸，测量材料在拉伸过程中产生的最大力，并计算拉伸强度。试验温度控制在25 ℃，拉伸速率为50 mm/min，样品为I型哑铃状，标距为 25 mm，宽度为4 mm，厚度为2 mm。

弹性模量测试：按照GB/T 2567—2015，采用动态力学分析仪在一定频率范围内对材料进行动态载荷测试，计算弹性模量。测试温度为20~60 ℃。

维卡软化温度测试：按照ASTM D1525—25，采用维卡软化温度测试仪进行测试。将样品在特定载荷下受热，记录其软化的温度。

TG测试：温度范围100~600 ℃，氮气氛围，气体流速 50 mL/min，升温速率 10 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 废旧EPS质量分数对废旧EPS泡沫-沥青复合材料力学性能的影响

表2为废旧EPS质量分数对废旧EPS泡沫-沥青复合材料力学性能的影响。从表2可以看出，随着废旧EPS质量分数的增加，废旧EPS泡沫-沥青复合材料的力学性能呈现明显变化。拉伸强度、冲击强度和剪切强度均随着EPS质量分数的增加而呈现先逐渐升高后下降的趋势，尤其当EPS的质量分数为8%时，达到最佳值(拉伸强度2.35 MPa，冲击强度19.2 kJ/m²，剪切强度2.05 MPa)。这主要是由于EPS颗粒的弹性和分散作用有助于材料在拉伸和剪切过程中吸收更多的能量^[21]，从而提升了材料的抗拉和抗剪能力。但当EPS的质量分数为10%时，以上力学性能略有下降，表明过高的EPS占比可能导致材料内部结构的非均匀性。当EPS质量分数从0增加至10%时，弹性模量从1 525 MPa降至1 185 MPa，表明EPS的加入改善了材料的柔性，降低了材料的刚性。这主要是由于材料内部EPS分布不均匀处，会在拉伸和剪切过程中产生局部薄弱区域，进而影响材料的承载能力^[22]。

2.2 废旧EPS质量分数对废旧EPS泡沫-沥青复合材料热性能的影响

维卡软化温度是指材料在一定载荷下，软化并开始流动的温度^[23]。通过测定维卡软化温度的变化来表征废旧EPS质量分数对泡沫-沥青复合材料热性能的影响。图1为沥青和废旧EPS泡沫-沥青复合材料的维卡软化温度。从图1可以看出，随着EPS质量分数的增加，复合材料的热稳定性有所提升，表现为软化温度的轻微上升，尤其是在EPS的质量分数为8%时，高达66.31 ℃。这可能是因为适量的EPS增加了材料的结构稳定性。EPS作为一种热塑性材料，其本身具有较高的热软化温度(一般在90 °C以上)^[24]。在复合材料中，EPS的引入会增强材料的整体热稳定性，尤其在2%~8%的添加质量分数时，EPS颗粒能够均匀分散于沥青基体中，形成热阻网络结构。这种网络结构能够在高温下限制沥青分子的流动性，延缓其软化^[25]，从而导致维卡软化温度的上升。当EPS的质量分数为10%时，维卡软化温度略有下降(65.34 ℃)，可能是EPS的占比过高，导致材料的热稳定性略有下降或分散性不足，从而影响了材料整体的热性能。

2.3 废旧EPS质量分数对废旧EPS泡沫-沥青复合材料热重性能的影响

图2为沥青和废旧EPS泡沫-沥青复合材料的TG曲线。从图2可以看出，随着EPS质量分数的增加，废旧EPS泡沫-沥青复合材料的热稳定性显著提升，具体表现为初始分解温度从230 ℃逐渐升高至248 ℃(EPS的质量分数为10%时)，表明材料在低温阶段抗热分解能力增强。同时，最大分解速率温度从380 ℃升至398 ℃，表明材料在高温阶段的分解速率受到抑制，热稳定性进一步提高。此外，在600 ℃时的残炭率从40%下降至30%，表明随着EPS质量分数的增加，挥发性产物增多，但残余物质的减少并未显著削弱材料的热性能。综合来看，适量的EPS(质量分数为8%~10%)能够在提高初始分解温度和最大分解速率温度的同时，保持合理的残炭率，表现出较优的热稳定性。

2.4 废旧EPS质量分数对废旧EPS泡沫-沥青复合材料微观结构的影响

图3为沥青和废旧EPS泡沫-沥青复合材料微观结构的SEM照片。从图3可以看出，随着EPS质量分数的增加，复合材料的微观结构逐渐平整，碎片逐渐减少。这表明适量添加EPS能够提升复合材料的内部密实度，从而影响其宏观力学性能。

3 结论

本文研究了废旧EPS质量分数对泡沫-沥青复合材料性能的影响。结果表明：随着EPS质量分数的增加，复合材料的力学性能、热性能等均有所改善，建议EPS的添加质量分数为8%~10%。

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