废旧聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）/竹渣纤维对沥青混合料性能的影响

Effect of Waste Polyethylene Terephthalate (PET) Plastic/Bamboo Residue Fiber on Performance of Asphalt Mixture

摘要

为减少处置竹渣和废旧塑料带来的环境危害，同时改善沥青混合料的路用性能，以竹渣纤维和废旧聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）粉末作为改性剂，采用干法制备PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料，探究PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能及水稳定性能，对比分析竹渣纤维和PET粉末掺量对沥青混合料路用性能的影响。结果表明：PET/竹渣纤维粉末能够提高沥青混合料的高温稳定性和水稳定性能，改善其低温抗裂性能。与基质沥青混合料相比，5.5% PET和1.0%竹渣纤维改性的沥青混合料动稳定度提高160.1%，弯拉破坏强度和弯拉破坏应变分别提高21.7%和26.3%，浸水残留稳定度与残留强度比分别提高16.7%和10.6%。废旧PET粉末可以提高沥青混合料高温性能，竹渣纤维可以有效弥补PET对沥青混合料的低温性能影响。研究为废旧塑料和竹渣纤维在道路工程中的资源化利用提供参考。

Abstract

To reduce the environmental hazards caused by the disposal of bamboo residue and waste plastics, and to improve the road performance of asphalt mixtures, bamboo residue fiber and waste polyethylene terephthalate (PET) powder were used as modifiers. The dry method was employed to prepare PET/bamboo residue fiber composite modified asphalt mixture. The high-temperature stability, low-temperature crack resistance and water stability of the PET/bamboo residue fiber composite modified asphalt mixture were investigated, and the effects of bamboo residue fiber and PET powder content on the road performance of the asphalt mixture were compared and analyzed. The test results showed that the PET/bamboo residue fiber powder could improve the high-temperature stability and water stability of asphalt mixture, and enhance its low-temperature crack resistance. Compared with the base asphalt mixture, the asphalt mixture modified with 5.5% PET and 1.0% bamboo residue fiber showed a 160.1% increase in dynamic stability. Its flexural tensile strength and flexural tensile strain at failure increased by 21.7% and 26.3%, respectively. The residual stability and residual strength ratio after water immersion increased by 16.7% and 10.6%, respectively. The waste PET powder enhanced the high-temperature performance of asphalt mixtures. Meanwhile, bamboo residue fiber could effectively compensate for the negative impact of PET on the low-temperature performance of asphalt mixtures. The study provides a reference for the resourceful utilization of waste plastics and bamboo residue fiber in road engineering.

Graphical abstract

关键词

聚对苯二甲酸乙二醇酯 / 竹渣纤维 / 沥青混合料 / 高温稳定性能 / 低温抗裂性能

Key words

PET / Bamboo residue fiber / Asphalt mixture / High-temperature stability / Low-temperature crack resistance

沥青路面作为车辆运行的载体，长期承受着荷载、雨雪、温度变化和光照等因素的综合作用，随着运营时间的延长，路面逐渐会出现裂缝、车辙等损坏现象，给道路的运营安全带来隐患，减少道路使用寿命^[1-3]。为改善沥青混合料的路用性能，提高沥青路面的服务功能，国内外专家学者已研发出多种类型的沥青改性剂^[4-6]。其中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性剂因其卓越性能在我国沥青路面中被广泛应用。然而，SBS改性剂的价格高，导致沥青路面铺筑费用居高不下，因此SBS替代材料成为研究热点之一。近年来，包装业的快速发展产生大量废旧塑料。如果能够筛选出适宜的废旧塑料来替代部分SBS并应用于道路工程，不仅会增加道路沥青改性剂的可选类型，也将有助于废旧塑料的循环再利用。诸多研究表明，采用废旧塑料作为沥青改性剂不仅能为废旧塑料的处置提供有效途径，还能提升沥青混合料的路用性能^[7-9]。LI等^[10-11]选用聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)两种废旧塑料分别作为沥青改性剂，发现废旧塑料改性沥青相较于基质沥青具有更优良的高温性能和水稳定性，并确定废旧塑料改性沥青的改性过程主要为物理变化。曾伟^[12]选取不同形态的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料为研究对象，系统分析PET塑料的掺入方式对沥青混合料性能的影响。结果表明，相较于湿法工艺，干法工艺在塑料改性沥青混合料的制备中更具适用性。陈国夫^[13]采用氨解法制备的PET添加剂对沥青进行改性，评价PET改性沥青的结构与性能，研究其对再生骨料-沥青黏结性能的影响规律，明确其对再生骨料沥青混合料路用性能的影响。滕士如^[14]研究PET塑料颗粒及粉煤灰对沥青混合料路用性能的影响，提出路用性能最优的PET塑料掺量，并通过工程应用验证其可行性。EL-NAGA等^[15]通过间接拉伸和车辙等试验探究废PET改善沥青路面性能及其在路面应用中的效益。结果表明，废PET的加入有助于提高沥青混合料的强度，还能节省部分沥青用量并延长路面使用寿命。AMERI等^[16]探究PET对沥青混合料的改善效果。结果表明，与基质沥青混合料相比，PET改性沥青混合料展现出更高的弹性和更佳的抗车辙性能。

近年来，竹材的应用已拓展至纺织、家居、包装、医药以及航空航天等多个领域^[17]。竹材产业的蓬勃发展和应用规模不断扩大，因此产生大量的竹渣。目前，竹渣的处置方式主要以焚烧为主，这不仅造成环境污染，还导致其中的竹渣纤维无法得到充分利用。竹渣纤维是从竹渣中筛选和剪切得到的一种生物质纤维，目前在道路工程中的应用研究较少。贾暗明^[18]对竹纤维进行表面改性后掺入沥青混合料中进行路用性能测试。结果显示，改性后的竹纤维可使沥青混合料的高温性能提高25.97%。JIA等^[19-20]将竹纤维加入沥青混合料中，对沥青混合料的路面性能进行研究。结果表明，竹纤维能够显著提升沥青混合料的抗车辙性、抗裂性和耐久性。LI等^[21-22]研究发现，竹纤维改性沥青的高温性能得到提升，但低温性能受到一定的不利影响。刘克非等^[23]对竹纤维进行改性以增强其与沥青的黏结性，进而将其掺入稀浆封层中。结果表明，经过表面处理去除果胶的竹纤维与沥青的相容性大幅提高。因此，针对废旧塑料低温脆性明显、影响沥青和沥青混合料低温性能的现状，借助竹渣纤维在沥青混合料中的加筋交联作用，可以弥补其低温性能的不足，实现废旧塑料和竹渣纤维在道路工程中的循环利用。

本实验选择PET粉末和长度小于10 mm的竹渣纤维作为改性剂，采用干拌工艺分别制备PET改性沥青混合料和PET/竹渣纤维改性沥青混合料，对比不同改性沥青混合料性能的差异，重点研究不同掺量竹渣纤维和PET粉末对AC-16型沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性的影响，探究竹渣纤维和废旧PET塑料在沥青混合料中的适用性。

1 实验部分

1.1 主要原料

PET粉末，熔融温度185 ℃，密度1.03 g/cm³，灰分1.4%，粉尘1.7%，拉伸强度106 MPa，熔体质量流动速率41.83 g/10 min，颗粒直径1 mm，悟空会（江西）再生资源有限公司；竹渣纤维，直径10~50 µm，长度5~15 mm，密度1.31 g/cm³，洪雅统建竹木制品有限公司；70#基质沥青，25 ℃延度>100 cm，25 ℃针入度67.5 (0.1 mm)，软化点47.3 ℃，山东京博控股集团有限公司；集料，矿粉，柞水铁力耐特石料厂；集料与矿粉按照JTG E42—2005^[24]测试，均符合要求。

1.2 仪器与设备

沥青混合料拌和机，LHJB-30，北京蓝航中科测控技术研究所；轮碾成型机，SYD-0703，上海昌吉地质仪器有限公司；全自动车辙试验机，LHCZ-6，北京蓝航中科测控技术研究所；沥青混合料弯曲疲劳试验机，PLD-100，西安力创材料检测技术有限公司；烘箱，101-5，上海光地仪器设备有限公司；马歇尔自动击实仪，SYD-0702A，550 mm×550 mm×1 740 mm，上海昌吉地质仪器有限公司；马歇尔稳定度测定仪，LWD-3C，北京蓝航中科测控技术研究所；恒温水槽，600，北京科委永兴仪器有限公司；低温溢流水箱，LHYL-111，北京蓝航中科测控技术研究所；浸水天平，KD-10000，福州科迪电子技术有限公司。

1.3 PET改性沥青混合料制备

将PET粉末与竹渣纤维按比例称取，与集料共同在沥青混合料拌和机中进行干拌，拌和温度控制在185~195 ℃，拌和90 s。然后将70#基质沥青加入拌和机中，拌和温度为185~195 ℃，拌和90 s。最后，将烘箱中提前称好并加热保温的矿粉加入，沥青混合料的拌和温度为185~195 ℃，拌和90 s后，即制得PET/竹渣纤维改性沥青混合料。图1为PET/竹渣纤维改性沥青混合料制备流程。废旧PET改性沥青混合料的制备过程和参数控制与图1的流程一致。为研究PET和竹渣纤维对沥青混合料性能的影响，设计不同PET和竹渣纤维掺量的改性沥青混合料试样，表1为改性沥青混合料的配方。PET改性沥青混合料(4.5%PET)表示PET质量分数为4.5%的改性沥青混合料；PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.0%PET/1.5%竹渣纤维)表示质量分数为5.5%的PET复合质量分数为1.0%的竹渣纤维改性沥青混合料。

PET改性沥青混合料以及PET/竹渣纤维改性沥青混合料均采用了AC-16型级配。AC-16型级配是一种广泛应用于道路工程的标准级配类型，其级配设计方法参照JTG F40—2004^[25]要求。表2为集料筛分结果。表3为AC-16型沥青混合料合成级配的筛孔通过率。合成级配各种矿料百分含量为：16~19 mm碎石(0)、10~15 mm碎石(28%)、5~10 mm碎石(24%)、3~5 mm碎石(17%)、0~3 mm机制砂(28%)、矿粉(3%)。

按照JTG E20—2011规范中T 0702—2011的击实法成型标准马歇尔试件，对沥青混合料试件毛体积相对密度、流值、稳定度、空隙率、沥青饱和度和矿料间隙率进行测量和计算，最终确定PET改性沥青混合料马歇尔试件的最佳油石比为4.5%。

1.4 性能测试与表征

PET改性沥青混合料和PET/竹渣纤维改性沥青混合料的制备与路用性能测试按照JTG E20—2011^[26]进行。其中，采用沥青混合料取样法(T 0701—2011)、沥青混合料试件制作方法(击实法)(T 0702—2011)、沥青混合料试件制作方法(轮碾法)(T 0703—2011)、压实沥青混合料密度试验(水中重法)(T 0706—2011)、沥青混合料马歇尔稳定度试验(T 0709—2011)、沥青混合料弯曲试验(T 0715—2011)、沥青混合料车辙试验(T 0719—2011)及沥青混合料冻融劈裂试验(T 0729—2000)进行沥青混合料路用性能研究。

车辙试验：采用车辙试验模拟实际荷载作用下，不同改性剂掺量的改性沥青混合料在高温环境中的车辙变形过程，以此反映改性沥青混合料的抗车辙性能。

低温弯曲试验：通过低温弯曲试验，测定不同类型改性沥青混合料的弯拉破坏强度、弯曲劲度模量和弯拉破坏应变，以探究不同改性剂掺量对沥青混合料低温性能的影响，并评价其低温抗裂性能。

浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验：通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，测试改性沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比，综合评价不同改性剂掺量对其水稳定性的影响。

2 结果与讨论

2.1 高温稳定性分析

图2为改性沥青混合料车辙试验结果。从图2可以看出，基质沥青混合料碾压痕迹最明显，改性沥青混合料中，改性沥青混合料(4.5%PET和5.5%PET)碾压痕迹明显，动稳定度未满足规范要求，说明高温抗车辙性能较差。PET/竹渣纤维改性沥青混合料中，PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.5%PET/1.0%竹渣纤维)几乎看不到明显的车辙轮迹，说明该掺量的复合改性沥青混合料的高温抗车辙性能最佳。

表4为改性沥青混合料高温车辙试验结果。从表4可以看出，随着PET掺量的增加，改性沥青混合料的45 min与60 min车辙变形量逐渐减小，动稳定度增加，高温性能逐渐提升，但仅当废旧PET质量分数为6.5%时，PET改性沥青混合料(6.5%PET)的动稳定度符合现阶段规范要求(≥2 800 次/mm)，其余PET掺量的改性沥青混合料并不满足要求。PET/竹渣纤维的两种改性沥青混合料的动稳定度均符合现阶段规范要求，这与图2车辙板外观反映的结果基本一致。与基质沥青混合料相比，PET改性沥青混合料(6.5%PET)动稳定度增加68.1%，PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.5%PET/1.0%竹渣纤维)动稳定度增加160.1%，PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.0%PET/1.5%竹渣纤维)动稳定度提高148.4%，证明PET或PET和竹渣纤维的共同作用均能够有效提高改性沥青混合料的高温性能。与PET改性沥青混合料(6.5%PET)相比，PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.0%PET/1.5%竹渣纤维)动稳定度提高47.8%，PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.5%PET/1.0%竹渣纤维)动稳定度提高54.8%，说明用竹渣纤维代替部分PET粉末，能够进一步提高沥青混合料高温稳定性。由于沥青混合料采取干拌方法，PET/竹渣纤维与集料、矿粉在热环境中相互作用，PET粉末在高温熔融状态及竹渣纤维的加筋作用，这种协同作用不仅增强了PET与集料表面的黏结力，还借助竹渣纤维的吸油特性减少了游离沥青的含量，进一步提高了集料与沥青之间的黏附效果，从而显著增强了改性沥青混合料的高温性能。因此，在保证混合料级配各项指标符合要求的前提下，采用部分竹渣纤维替代PET能够减少PET粉末的掺量，降低造价，更好地提高改性沥青混合料的高温性能。在南方高温地区的沥青路面，若采用干法拌和工艺制备PET改性沥青混合料，改性沥青混合料6.5%PET、5.0%PET/1.5%竹渣纤维及5.5%PET/1.0%竹渣纤维，均可满足该地区对沥青路面高温性能的要求。

2.2 低温抗裂性能分析

图3为改性沥青混合料的低温弯曲试验结果。从图3a可以看出，改性沥青混合料的弯拉破坏强度均比基质沥青混合料提升，增加竹渣纤维后的改性沥青混合料弯拉强度提升明显，PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.5%PET/1.0%竹渣纤维)效果最佳，较基质沥青混合料增加21.7%。这说明合适掺量的竹渣纤维有助于提高改性沥青混合料在低温状态下的抗解黏效果，在竹渣纤维的加筋联结作用下，改性沥青混合料仍然可以与集料之间保持良好的相互黏连效果，减缓了由于塑料低温脆性给沥青混合料带来的不利影响。

从图3b可以看出，PET改性沥青混合料弯拉破坏应变值均大于基质沥青混合料，但是本研究选择的3种掺量的PET改性沥青混合料的弯拉破坏应变均不能满足规范要求(≥2 500×10^-6)，但是用竹渣纤维替代部分PET的改性沥青混合料均符合规范要求。PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.5%PET/1.0%竹渣纤维)的弯拉破坏应变达到最大，相较于基质沥青混合料和PET改性沥青混合料(5.5%PET)分别提高26.3%和20.1%。这是由于在高温干拌工艺下，PET粉末熔融后与竹渣纤维首先裹覆于集料表面，并使集料间出现“团聚加筋”现象，沥青加入后进一步增强了黏结性和混合料的整体韧性，降低了混合料的低温破裂温度。在温度下降时，虽然PET有低温脆性特征，但是竹渣纤维的加筋效果可以有效提高混合料的韧性，使混合料的抗拉强度依然高于其收缩应力，确保了改性沥青混合料的低温抗裂效果，虽然改善幅度相对较小，但是依然能够满足改性沥青混合料路用低温性能的规范要求。因此，对于在低温地区的部分沥青路面，若采用干法拌和工艺制备PET改性混合料，仅掺加PET粉末的改性沥青混合料不能满足沥青路面的低温路用性能要求，但5.0%PET/1.5%竹渣纤维和5.5%PET/1.0%竹渣纤维均可有效提升沥青混合料低温性能，满足低温地区的沥青路面使用要求。

2.3 水稳定性能分析

2.3.1 浸水马歇尔试验

图4为改性沥青混合料浸水马歇尔试验的样貌对比，表征了浸水48 h后马歇尔稳定度测试的状态。从图4可以看出，PET/竹渣纤维改性沥青混合料浸水马歇尔试件保持较为完整，没有出现明显的软化松散现象。

表5为改性沥青混合料浸水残留稳定度试验结果。从表5可以看出，随着PET粉末质量分数从4.5%提升至6.5%，改性沥青混合料的稳定度与浸水残留稳定度均呈现先升后降的趋势，且在5.5%PET时达到极值，相较于基质沥青混合料，其30 min稳定度增加52.5%，浸水残留稳定度增加10.9%，随后均出现轻微降低。PET/竹渣纤维改性沥青混合料相较于其他类型沥青，其30 min、48 h浸水马歇尔试件的稳定度及浸水残留稳定度均有提升，且浸水残留稳定度均高于规范要求(≥85%)。分析其原因，在高温干拌工艺下，随着PET粉末掺量的增加，其熔融后粘附在集料上，掺量增加时二者之间接触面积变大，使其黏结作用逐渐增强，PET粉末质量分数超过5.5%后，其自身塑性特征将影响部分沥青与集料的黏附效果，进而使30 min、48 h浸水马歇尔稳定度和浸水残留稳定度下降。然而，竹渣纤维较大的比表面积，能够吸附自由沥青，增加沥青的黏稠度和黏聚力，加之自身韧性和在混合料中的加筋效应，能够提高沥青与集料之间的黏结力，有效抵消PET自身塑性影响黏附效果的情况，进而改善沥青混合料抵抗水损害的能力。进一步分析可知，PET与竹渣纤维通过干拌工艺制得的改性沥青混合料不仅满足规范要求，而且较PET改性沥青混合料的水稳定性更佳。相较于基质沥青混合料和PET改性沥青混合料(5.5%PET)，PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.0%PET/1.5%竹渣纤维)浸水残留稳定度分别提高16.7%和5.3%。少量竹渣纤维在改性沥青混合料中相互交织、搭接，形成一种空间网状结构，将集料牢固地连接在一起，增强了沥青混合料的整体密实性，使集料在水的作用下不易发生松动和剥落，从而提高改性沥青混合料的水稳定性能。

2.3.2 冻融劈裂试验

表6为改性沥青混合料冻融劈裂试验结果。从表6可以看出，随着PET粉末掺量的增加，PET改性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度、残留强度比相较于基质沥青混合料均明显提高。相较于基质沥青混合料，PET改性沥青混合料(6.5%PET)残留强度比增加4.3%，且PET改性沥青混合料的残留强度比均高于JTG F40—2004^[25]中大于80%的技术要求。

进一步分析发现，掺加PET粉末与竹渣纤维的改性沥青混合料相较于仅添加PET粉末的沥青混合料，其冻融劈裂抗拉强度、残留强度比提高更加明显。PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.5%PET/1.0%竹渣纤维)残留强度比为89.4%，相较于基质沥青和PET改性沥青混合料(5.5%PET)，其残留强度比分别提高10.6%和7.1%。然而，值得注意的是，PET/竹渣纤维复合改性沥青混合料(5.0%PET/1.0%竹渣纤维)的冻融劈裂抗拉强度与残留强度比反而出现下降。虽然竹渣纤维会进一步增强混合料的整体密实性，但过多的竹渣纤维将影响混合料中沥青与集料的黏结效果，进而对沥青混合料的水稳定性产生不利影响。虽然掺加PET可以满足现阶段沥青混合料的路用水稳定性能，但5.5%PET/1.0%竹渣纤维将发挥沥青混合料最优的水稳定性效果。综上所述，对于沥青路面的水稳定性，采用干法拌和工艺制备PET改性混合料时，仅掺加PET粉末和PET复合竹渣纤维，均可以满足沥青路面的水稳定性要求，具体可以根据沥青路面所在地区的气候条件，结合其他路用性能进行综合优选。

3 结论

PET和竹渣纤维均能够有效提升沥青混合料的高温稳定性能与水稳定性能，竹渣纤维能够弥补PET塑料由于自身塑性给沥青混合料低温抗裂性带来的影响，因此具备在道路沥青混合料中应用的潜力。针对南方高温湿热地区的沥青路面，采用干法工艺制备PET改性混合料时，6.5%PET、5.0%PET/1.5%竹渣纤维及5.5%PET/1.0%竹渣纤维，均可以有效满足该地区沥青路面所需的高温性能和水稳定性要求。对于低温显著地区的沥青路面，采用干法工艺制备PET改性混合料时，仅掺加PET粉末不能满足要求。但采用5.0%PET/1.5%竹渣纤维或5.5%PET/1.0%竹渣纤维均可以有效满足该地区沥青路面所需的低温性能和水稳定性要求。

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基金资助

山东省交通科技项目(2022B27)

陕西省交通科技项目(24-19K)

陕西省交通科技项目(24-20K)