再生塑料引入方法对沥青混合料性能影响的研究

《Journal of Cleaner Production》：Study on the impact of recycled plastic introduction methods on the performance of asphalt mixtures

　　

每年产生数百万吨废塑料，但回收率仍然很低。将再生塑料用于沥青路面建设是一种有益利用废塑料的有前景方法。有多种方法可将再生塑料引入沥青混合料；然而，过去大多数研究都集中在实验室生产的塑料改性沥青混合料上。工厂生产条件与实验室条件显著不同，因此可能影响塑料改性沥青混合料的性能。本研究评估了工厂和实验室两种再生塑料引入方法对沥青混合料性能的影响，尤其是在高掺量条件下。研究人员将再生塑料（高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）的混合物）分别引入工厂生产的松散沥青混合料中（在工厂和实验室条件下）。再生聚乙烯（PE）的掺量分别为沥青混合料总质量的0%、0.75%和1.5%。结果表明，引入方法对沥青混合料的抗车辙和抗疲劳开裂性能有显著影响。添加1.5%塑料时，实验室引入的混合料抗裂性提高了45.5%，而工厂引入的混合料则降低了24.4%。再生PE对马青烯（maltenes）的吸收以及再生塑料的增强效应被认为是影响性能结果的关键因素。本研究证明了在评估再生塑料改性沥青混合料性能时，采用实际生产条件的重要性。

**论文解读：再生塑料引入方法对沥青混合料性能的影响**

**研究背景与问题**
全球每年产生超过4.6亿吨塑料，但回收率极低，大量废塑料在环境中积累，对生态系统造成严重威胁。将再生塑料用于沥青路面建设，是一种可持续的废物利用途径，可减少垃圾填埋、节约自然资源并降低能耗。目前，再生塑料引入沥青混合料的方式主要有湿法（塑料与热沥青结合后再与集料混合）和干法（塑料直接与集料混合）。干法因其操作简便、成本较低而更具应用潜力。然而，现有研究大多基于实验室条件，而工厂生产条件（如集料加热温度更高、混合时间更长）与实验室存在显著差异，可能导致塑料与沥青/集料之间的结合机制不同。过去少数工厂研究（如美国国家沥青技术中心（NCAT）和弗吉尼亚交通研究委员会（VTRC）的工作）通常采用低塑料掺量，且对照组与改性组使用了不同沥青，导致性能对比存在偏差。因此，有必要在高掺量条件下，系统比较工厂引入与实验室引入再生塑料对沥青混合料性能的影响，以指导实际应用。

**研究目的与意义**
本研究旨在对比工厂和实验室两种引入方式下，再生聚乙烯（PE）改性沥青混合料（尤其是高掺量）的性能差异。研究发现，引入方法对混合料的抗车辙和抗裂性能产生显著且有时相反的影响，这揭示了以往基于实验室评估的局限性，强调了在真实生产条件下评价再生塑料改性沥青混合料性能的重要性。该论文发表于《Journal of Cleaner Production》。

**关键技术方法**
研究团队与华盛顿州交通运输改进委员会、巴特尔格朗德市合作，在巴特尔格朗德的Eaton Boulevard铺设了试验路段。采用工厂生产的对照沥青混合料（含20%再生沥青路面材料（RAP），设计沥青含量5.5%，集料公称最大粒径12.5 mm，沥青等级PG 58H-22）。再生塑料为粉碎的LDPE和HDPE混合物。在工厂条件下，通过Hi-Tech 10K自动喂料系统将塑料加入双筒逆流式拌和楼的RAP进料口，先与过热集料和RAP混合，再加入沥青。在实验室条件下，将工厂生产的无塑料松散混合料加热至150°C，然后加入相同比例的再生PE，再加热至146°C压实。性能测试包括：汉堡车辙试验（HWTT，AASHTO T324，50°C湿条件，20,000次）评估抗车辙和抗水损；IDEAL-CT试验（ASTM D8225，室温，加载速率50 mm/min）评估抗裂性能，采用间接拉伸强度（IDT strength）、CT指数（CT-index）和柔韧性指数（FI）等指标。样本尺寸为直径150 mm、厚62 mm，目标空隙率7%±0.5%，每种条件3个平行样。

**研究结果**

**3.1 体积特性**
通过测定空隙率（Va）、矿料间隙率（VMA）和沥青饱和度（VFA）发现：随着塑料掺量从0%增至1.5%，VMA基本不变，但空隙率降低，表明再生PE促进了压实。与实验室引入（LM）混合料相比，工厂引入（PM）混合料的空隙率更低（0.75%和1.5%掺量下分别降低40%和72%，LM降低28%和65%），这可能是因为工厂中过热集料更有效地使PE熔化。VFA随塑料掺量增加而升高。

**3.2 车辙性能**
汉堡车辙试验表明，所有混合料在20,000次后的车辙深度均低于WSDOT要求的10 mm（15,000次），且无剥落。PM混合料（0.75%和1.5%）的车辙深度显著低于对照（p值分别为0.03和0.01），抗车辙性能提升。而0.75% LM混合料与对照无显著差异（p=0.58），1.5% LM混合料车辙深度略增（p=0.01）。差异原因：工厂中过热集料（约198°C）促进PE熔化，并可能增强PE对沥青中马青烯的吸收，使混合料变硬，从而提高抗车辙性。

**3.3 抗裂性能**
IDEAL-CT试验结果显示：LM混合料的IDT强度与对照无显著差异，但CT指数和FI显著升高（0.75%和1.5%掺量下CT指数p值分别为0.049和0.02），表明抗裂性增强。PM混合料中，0.75%掺量时CT指数和FI分别比对照降低60%和45%（p值分别为0.003和0.02），抗裂性下降；1.5%掺量时CT指数和FI与对照无显著差异（p值分别为0.29和0.79）。分析认为，工厂高温下PE吸收更多马青烯，使沥青中沥青质比例增加，导致混合料变脆；但1.5%高掺量下，塑料的纤维增强效应可能部分抵消了脆化作用。

**结论与讨论**
本研究证明，再生塑料的引入方法（工厂 vs. 实验室）对沥青混合料性能影响显著甚至相反。工厂引入的PM混合料抗车辙性能更好，但抗裂性可能降低（尤其在低掺量时）；实验室引入的LM混合料抗裂性更优，但抗车辙性未改善。关键在于工厂高温促进PE对马青烯的吸收，以及高掺量塑料的增强效应。研究结论强调：评估再生塑料改性沥青混合料时，必须采用实际生产条件。未来需进行现场性能监测、化学与微观结构分析以验证塑料-沥青相互作用机制，并扩展至不同混合料类型、沥青等级和塑料掺量，同时结合生命周期评价（LCA）量化环境影响。

**研究结论（翻译）**
将再生塑料纳入沥青路面建设有助于废塑料的有益利用。已有研究探讨了不同的塑料引入方法，但大多数集中在实验室条件下。本研究表明，高剂量塑料引入方法（工厂 vs. 实验室）可导致显著不同甚至相反的性能趋势，尤其是在抗裂性方面。这凸显了以往实验室评估中的关键空白，并强调了在塑料改性沥青混合料中评估实际生产条件的重要性。在沥青工厂和实验室中分别引入0.75%和1.5%的再生PE，发现无论引入方法如何，再生PE的加入均降低了空隙率，从而增强了塑料改性沥青混合料的压实性。PM混合料相比对照表现出更好的抗车辙性能；然而，在实验室引入再生PE并未改善混合料的抗车辙性，尤其是在1.5%掺量下。LM混合料的抗裂性能（CT指数和FI值）优于对照；但含0.75%再生PE的PM混合料抗裂性低于对照。认为再生PE对马青烯的吸收（尤其在工厂高温下）降低了PM混合料的抗裂性并提高了抗车辙性。此外，1.5%的高掺量有助于缓解PM混合料抗裂性的降低。本研究结果强调了在研究沥青混合料中再生塑料时，使用实际生产条件的重要性。