再生聚苯乙烯摻配改性劑對瀝青混合料性能的影響分析

馮新軍， 解明衛編譯

(1.長沙理工大學 道路結構與材料交通行業重點實驗室, 湖南 長沙 410114； 2.長沙理工大學 交通運輸工程學院)

1 前言

道路是世界上最常見的、也是目前消耗建筑材料最多的建筑結構物之一。歐洲91.9%的道路采用瀝青混合料鋪筑，對瀝青這種來源于石油的有限材料的需求量很高。提取和加工瀝青過程中，會向大氣中排放0.048 kg二氧化碳當量/kg，鋪筑1 km的道路需要43.7 t的瀝青，排放高達2.1 t二氧化碳當量。

在歐洲每年產生2 580萬t廢塑料。為減少瀝青對環境的有害影響，該文研究廢塑料替代瀝青的可能性。研究選取廢塑料是由于聚苯乙烯(PS)具有熱塑性和最低的玻璃化溫度，又是全球消耗最多的聚合物之一。為了給瀝青混合料提供所需的剛度和熱穩定性，研究選用高抗沖聚苯乙烯和通用聚苯乙烯作為改性劑，并采用干法制備改性瀝青混合料：將改性劑、集料和未改性的瀝青一起直接加入攪拌機轉鼓中攪拌均勻。

目前中國已有關于回收廢塑料加入瀝青混合料的研究。楊錫武等采用Ⅰ型廢舊塑料改性劑(造粒工藝制作)和Ⅱ型廢舊塑料改性劑(加熱和加穩定劑處理工藝制作)分別制備了Ⅰ型和Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青，對比分析了Ⅰ、Ⅱ型廢舊塑料改性瀝青及混合料的性能；何澤等分別對回收廢舊塑料(RP)改性瀝青及混合料和廢舊塑料經過裂化的加工塑料(CRP)改性瀝青及混合料的性能進行了研究；賴增成等對低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)單一改性瀝青及復合改性瀝青的性能進行了研究。然而中國對于采用干法制備再生聚苯乙烯改性瀝青混合料的研究很少，而采用廢舊塑料代替部分瀝青的混合料研究尚未見報道。

該文對兩種PS摻配比例以替代部分瀝青的瀝青混凝土(AC-16S)的性能進行評價，替代率分別為1%和2%，占瀝青總量的23%和46%。研究的主要目的是在不降低瀝青混合料性能的情況下減少瀝青混合料的瀝青用量，并進行生命周期評價(LCA)，比較降低瀝青用量的混合料和常規混合料的環境影響。降低瀝青用量從環境角度(瀝青是一種石油化合物，它的儲量是有限的)和經濟角度來看(瀝青僅占混合料總重量的4%～5%，卻占總成本的60%)都是重要的。

2 材料和方法

2.1 材料

研究采用輝綠巖(2.93 g/cm3)作為粒徑大于2 mm的集料，石灰石(2.725 g/cm3)作為較小顆粒(包含填料)組成密級配瀝青混合料。對照組和試驗混合料中均使用常規的50/70針入度等級的瀝青。對照組混合料的組成如表1所示，試驗混合料在此基礎上改變得到。

表1 AC-16S混合料組成及配比(REF)

此外，通過干法加入3種不同的聚苯乙烯(PS)樣品作為改性劑：再生塑料衣架聚苯乙烯(HPS)、再生高抗沖聚苯乙烯(HIPS)和通用級聚苯乙烯(GPPS)。3種聚合物均產自西班牙。

根據當地采石場和一家石油公司在2015年提供的集料和瀝青成本(輝綠巖、石灰巖、50/70#瀝青價格分別為16、7、450歐元/t)數據可知，所采用的瀝青混合料中瀝青成本將占整個混合料成本的61%。

所使用的塑料成本隨著其預處理所需步驟的增加而增加。HPS來自純塑料衣架，其生產只需研磨至足夠小粒度?；厥盏腉PPS和HIPS都需要兩個額外的步驟：分離雜質和使用造粒機獲得相似大小的顆粒。塑料在造粒機中被加熱直到熔化，然后被從一個孔壓出，并切割冷卻的塑料股線。

2.2 試件的制備過程

材料在試驗室攪拌機中混合。大約300 kg材料被分成研究中3種不同的樣品類型。集料和瀝青分別加熱到170、155 ℃。對照組混合料中的原料按以下順序加入到轉鼓中：粗集料、細集料、瀝青。攪拌1 min后，加入填料再攪拌4 min使所有材料攪拌均勻。

這個過程對于試驗混合料略有不同，一部分瀝青被等質量PS替代?？紤]到該工藝更容易在瀝青廠生產以及顆粒采用其他尺寸或形狀的情況，在這些混合料中，在加入粗集料之后加入未加熱的PS，與集料攪拌30 s，然后繼續進行如前所述的過程。此外，在試驗的第1步中，HPS不均勻會影響密度值以及集料與PS的黏結。

制備4種不同類型的試件用于研究：圓柱形馬歇爾試件(直徑101.6 mm、高度65 mm)，旋轉壓實試件(直徑150 mm、高度100 mm)，車轍板(410 mm×260 mm×50 mm)以及棱柱體試件(410 mm×60 mm×60 mm)。

2.2.1 試件的體積密度和空隙率

準備4個馬歇爾試件以確定所研究的每種混合料的空隙特征。將試驗得到的混合料結果與對照組混合料空隙率(西班牙標準，AC混合料的空隙率為4%～6%)進行對比。

2.2.2 水穩定性試驗

對每種混合料的8個試件進行水穩定性試驗(4干、4濕)。該試驗目的是檢驗水對不同混合料間接拉伸強度(ITS)的影響。采用可記錄試件承受拉力的傳統液壓機進行試驗并得到凍融劈裂殘留強度比。

2.2.3 車轍試驗

對每個混合料的3個試件進行車轍試驗。試驗溫度為60 ℃。試驗目的是通過試驗儀記錄的斜率分析混合料塑性變形。

2.2.4 飛散試驗

盡管肯塔堡試驗一般針對多孔瀝青混合料，而該文研究的是密級配瀝青混合料，依然采用該試驗測定混合料的飛散損失。對每種配方的4個馬歇爾試件進行肯塔堡飛散試驗，得到PS替代瀝青的試驗混合料的飛散損失百分率。

2.2.5 壓實性試驗

每種混合料拌制兩個平行試樣放入旋轉壓實儀中進行試驗計算壓實功，并分析添加聚合物后壓實過程中是否需要改進或不符合公式(1)。根據歐洲標準將儀器設置如下：600 kPa壓力、30 r/min的轉速和0.82°的傾角。

(1)

式中：W為壓實能(kJ)；m為質量(kg)；N為循環次數；α為圓柱形試件的傾角(rad)；A為試件截面面積(m2)；hi為每個周期i中的試件高度(m)；Si為在每個周期中測得的剪應力(kPa)。

2.2.6 剛度試驗

測試每種混合料的8個梁狀試件的剛度和相位角，試驗條件為：在20 ℃的恒溫箱內施加50 με的恒定變形和0.1～30 Hz的不同頻率。

2.2.7 抗疲勞性

采用剛度試驗儀進行疲勞試驗。每種混合料的8個試件在30 Hz的頻率和20 ℃的溫度下進行測試。試驗目的是按式(2)確定疲勞規律。

(2)

式中：Nf為疲勞載荷周期數；ε為應變；a和b為疲勞常數。

2.3 統計數據分析

利用計算機程序Minitab17的推理統計功能分析試驗室測試的結果，對具有代表性的指標進行驗證和推斷。因此，推理測試用來研究PS是否影響瀝青混合料性能。根據夏皮羅維爾克檢驗法0.05的顯著性水平，通過圖1所示的統計檢驗產生的p值來確定。

圖1 推斷統計模型

2.4 生命周期評價(LCA)

LCA提供了一個評價產品在整個生命周期中環境影響的整體框架，從提取原材料到最終處置或回收，包括生產、運輸和使用等不同階段。在這項研究的背景下，根據環境管理標準ISO 14040：2006(ISO 14040,2006)和14044：2006(ISO 14044,2006)對瀝青混合料進行環境分析。

每個生命周期分析包括4個相互依存的階段：目標和范圍、生命周期清單(LCI)、生命周期影響評估(LCIA)和結果解釋(圖2)。

圖2 車轍試驗結果對比

此外，對建模進行如下假設：① 養護是使用階段唯一考慮的過程；② 所有情況下的預期壽命都一樣；③ 預計所有的RAP都將在達到使用壽命時進行回收；④ 不考慮瀝青和PS的原料能量。

3 結果與討論

為研究PS替代瀝青后瀝青混合料的性能，采用減少1%、2%瀝青(質量比)的瀝青混合料作為對照組進行對比。

3.1 聚苯乙烯替代1%和2%瀝青的混合料力學試驗結果

含有1%聚苯乙烯的混合料相對于對照組力學性能更好，但密度值更低。這種低密度值是由于PS在攪拌機中混合時達不到100%熔化造成的，但它能變得足夠軟并與瀝青均勻混合。此外，PS的黏度比瀝青高，溫度降低時結硬更快。這種剛性導致含PS的混合料中空隙率更高(表2)。實際上，通過應用圖2中所示的方案比較試驗組和對照組混合料的空隙時獲得的p值均低于0.05，這表明它們之間的差異有統計學意義。關于水穩定性試驗，如表2所示，所有混合料(約100%)的干濕劈裂強度比(ITSR)大致相同，表明水對其幾乎沒有影響。雖然在試驗組和對照組混合料之間有一些顯著差異(當用HPS替代1%的瀝青時p值為0.03)，表2都表明試驗混合料性能的提高。

由表2可知：試驗組混合料性能顯著提高，與對照組混合料相比，斜率降低了40%～60%(圖2)。PS顆粒比瀝青不易受溫度影響，因此剛度下降少。盡管具有較高百分比的空隙，但混合料呈現出更好的抵抗塑性變形能力。因此，試驗組混合料特別適用于路面易出現塑性變形的高溫地區。另一方面，如表2所示，與所有對照值相比，試驗組減少1%的瀝青(w/o1%)將導致混合料的力學性能較差。但是，這些變化僅僅是在空隙率方面具有統計學意義。

試驗結果表明：3種塑料中HPS改性效果最好。原因如下：其空隙率和密度在所有其他塑料結果的范圍內，在車轍試驗中表現出最好的性能，并且其制備僅需對其進行研磨，與其他塑料(HIPS和GPPS)相比簡化了相關的過程。

當用HPS代替混合料中2%的瀝青時，密度低于參考值和1%PS混合料的值，導致空隙率升高，如表2所示。這說明，PS摻量越高，空隙率越高。如在1%PS混合料中一樣，這種現象是由未熔化的顆粒引起的，這些顆粒在混合料中會作為額外的集料，從而提高了空隙率。同樣，關于這個參數的差異有統計學意義(p值<0.05)。

水穩定性試驗(表2)結果中1%PS混合料未浸水和浸水樣品的RT值都顯著降低。這表明：1%PS樣品會使混合料的水穩定性更差。然而根據歐洲標準，ITSR值為84%仍符合常規瀝青混合料規范要求。在車轍試驗中2%HPS試驗混合料得到與1%PS取代瀝青的混合料相似的結果，數據和統計分析都表明其抗車轍性明顯優于對照組混合料(表2和圖2)，這是由于PS顆粒提供了額外的剛性并且降低了混合料的溫度敏感性。然而，目測2%HPS的車轍板黏結性不足，特別是在邊角處容易剝離。

表2 1%、2%PS改性混合料的空隙率、水穩定性、車轍試驗結果

3.2 飛散試驗結果

盡管肯塔堡飛散試驗不是AC混合料的常規測試，仍可用其量化上述黏結性的不足(表3)。在減少1%瀝青(w/o1%)的混合料中，材料飛散損失明顯大于對照組混合料。然而，這些數值低于多孔瀝青混合料的規范要求，考慮到混合料之間的差異，認為是可以接受的。

表3 肯塔堡試驗(飛散試驗)結果

在替代2%瀝青情況下的混合料，飛散損失高達45%(表3)而不可接受。因此對這種替代率的混合料是不可行的。在統計學上，減少1%或2%瀝青的混合料與HPS替代瀝青的混合料之間沒有顯著差異，因此無法得出混合料中HPS摻量的影響。

3.3 動態測試結果

試驗研究了HPS替代1%瀝青混合料的動態特性，包括壓實性試驗、剛度試驗和疲勞試驗。替代2%瀝青混合料，由于缺乏黏結性，沒有研究其動態特性。

壓實性試驗結果如圖3所示，由圖3表明聚苯乙烯的含量越高，達到相同密度所需的壓實能越高。這些結果與PS改性混合料的密度結果一致，因為PS改性混合料的空隙率更高，需要更多的壓實能才能達到相同的壓實程度。但是，試驗混合料不需達到對照組混合料密度值就可得到足夠的抗車轍能力。該試驗結果也與添加HPS后混合料的空隙率增幅一致。統計學方面，與對照組相比沒有顯著差異(p值> 0.05)。

圖3 壓實性試驗結果(累積能量與達到密度的關系)

表4和圖4為剛度測試的結果，用于計算混合料的動態模量。兩種情況下的剛度值非常相似，而HPS改性混合料的相位角稍低，表示更具有彈性。然而，試驗組和對照組混合料的統計學比較產生了0.05的p值，表明它們之間的差異不顯著， HPS改性混合料在車轍試驗中表現出更高的性能。這可能是由于試驗是在20 ℃進行的，瀝青表現出較高的剛性。由于在這種條件下結合料的硬度較高，所以它與HPS之間的差異較小。因此，統計學分析中，HPS混合料的空隙率比車轍試驗數據影響更大?；旌狭系钠谠囼灲Y果如表5所示。所采用的破壞準則為混合料一旦達到S0/2的應力值就會破裂，其中S0為初始應力即在施加的變形下經過100次循環后對應的應力值。N為達到該值的循環次數，也稱為斷裂循環，ε6為混合料在1×106次循環時的變形，被認為是材料疲勞強度的代表值。盡管在疲勞試驗中1%HPS混合料的ε6值略低(表5)，但根據統計學分析，對照組混合料和試驗組混合料之間沒有明顯差異。

表4 剛度試驗結果(EN 12697-26)

圖4 剛度試驗參數比較

表5 疲勞試驗結果

3.4 生命周期評價結果

LCA的應用分兩種情況，每種情況分為兩種不同的方法。選取功能單元為1 km的道路。情況1中瀝青的替代僅限于表面層，而情況2則考慮了瀝青混合料的完整截面以及在表面層部分瀝青材料被替換。對于兩種情況使用兩種不同的方法建模：① 二次材料(HPS)被認為沒有環境負荷(方法1)；② 產品系統中二次材料的環境負荷計入以前的產品系統中(方法2)。為此，使用了歐洲塑料協會(Plastics Europe，2016)關于歐洲垃圾填埋、回收利用或能源回收率的統計數據。

對全球影響(G.I.)影響最大的類別劃分為4個方面：氣候變化生態系統(C.C.E)，氣候變化人體健康(C.C.H.H)，不可再生資源消耗(F.D)和顆粒物質形成(P.M.F)。在所提出的情況下，HPS替代瀝青的影響都歸于這些影響類別的比較(圖5)。

在分析HPS改性表面層對環境的影響時(情況1)，考慮與二次材料(HPS)有關的環境負荷的方法是至關重要的。二次材料沒有經過特殊處理，它們的環境負荷只在其首次制造時產生(方法1)，所以在瀝青混合料中使用HPS被認為是有利的。相反，當二次材料改性混合料的預期使用壽命等于對照組混合料的使用壽命卻沒有改進力學性能(方法2)時，表明在瀝青混合料中使用HPS這種改性方法稍有不合格。

當分析整個瀝青混合料結構層時(情況2)，兩種方法得到的結果表明：將HPS摻入瀝青混合料中對環境略有好處。此外，將瀝青和HPS的原料能量包含在LCA中已被證明影響其結果，在所有情況下，HPS略優于瀝青。將HPS摻入瀝青混合料會延長其使用壽命，從而減少道路造成的全球環境破壞(圖6)。由圖6可知：隨著預期壽命的增加，潛在的環境指數降低。

4 結論

(1) 該研究的目的是探討通過聚苯乙烯(PS)替代部分瀝青混合料中的瀝青從而獲得由于PS的通用性和可回收性產生的潛在效益。因此，在混合料中1%的瀝青被PS取代的情況下能達到瀝青用量減少和回收聚合物的再利用的目的。PS替代2%瀝青的混合料缺乏黏結力，故放棄了這一方案的研究。

圖5 不同影響類別產生的影響

圖6 道路路面預期壽命的增加

(2) 1%瀝青被PS替代的混合料即使空隙率較高，仍然達到了對照組混合料的力學性能并改善了一些其他性能?？管囖H性能改善尤其顯著，車轍變形減少了50%。壓實性試驗表明需要較高的累積能量來達到與對照組混合料相同的密度。然而，所評價的混合料顯示出具有較高的空隙率，因此這種混合料的設計可能需要與傳統混合料使用不同的標準。動態模量和疲勞的結果完全符合常規AC混合料數值范圍。

(3) 對于HPS替代2%的瀝青，高替代率使混合料缺乏黏結性，因此需要對其進行額外的試驗。通過常用于評價多孔混合料的肯塔堡飛散試驗測試其黏結性。這種技術提供的最顯著的優點是由于PS給混合料提供了更大的硬度，這在一定溫度條件(例如研究中的溫度條件)下是非常有利的性質。然而，這種特點可能導致低溫抗裂性的不足。

(4) 通過對不同類型的瀝青混合料進行生命周期評價發現：HPS改性瀝青混合料在4個方面的影響(不考慮力學性能的提高)幾乎沒有降低。根據車轍試驗結果，HPS改性瀝青混合料的抗車轍性能明顯更好，可能延長路面的預期壽命，從而在不增加施工期間產生環境影響的情況下延長道路的使用壽命。

(5) 用聚苯乙烯替代瀝青減少了瀝青生產和加工中所產生的大氣排放，提高了社會和環境效益。而且，通過干法將PS摻入混合料中不需要工藝的重大改變，并且可以在任何常規設備中進行，與傳統瀝青混合料生產相比不會增加成本。

——編譯自：Marta Vila-Cortavitarte，Pedro Lastra-González，Miguel Angel Calzada-Pérez，Irune Indacoechea-Vega. Analysis of the Influence of Using Recycled Polystyrene as a Substitute for Bitumen in the Behaviour of Asphalt Concrete Mixtures[J].Journal of Cleaner Production，2017：1 279-1 287.