废弃塑料生物油在沥青路面中的应用研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ,收稿日期:?作者简介:程毕(),男,工程师,主要从事高速公路项目建设管理工作。文章编号:?()?废弃塑料生物油在沥青路面中的应用研究程毕(湖南省高速公路集团有限公司,湖南 长沙 )摘要:将废旧聚合物二次利用于废旧沥青,对于环境保护有显著意义。采用水热液化对废旧塑料高密度聚乙烯()材料进行处理,得到生物油(),并将其制备成不同掺量(、)的 再生沥青。采用三大指标、温度扫描、多重应力蠕变、低温弯曲梁试验对不同掺量 再生沥青的高、低温性能进行研究;最后分析了 再生沥青混合料的路用性能变化规律。试验发现:沥青老化后逐渐硬化,然而加入生物油 可以显著软化老化沥青,使
2、其流变性能显著提高。掺量为 的生物油可以将老化沥青恢复到老化前的状态,其中低温性能超出原有水平,高温性能略有下降,低温抗裂性能大幅度提升。结果表明,废塑料水热液化生产的生物油可作为老化沥青的潜在再生剂,实现废旧沥青的回收利用,从而达到节能减排效果。关键词:道路工程;废塑料;生物油;再生沥青;流变性能;路用性能中图分类号:文献标志码:前言沥青在服役期间,由于长期暴露在阳光、水、氧、热等环境下会发生老化现象,导致路用性能降低,路面的使用寿命大幅度缩减 ,同时随着大量改扩建项目进行,所产生的大量废旧沥青混合料的合理处理问题已日益受到关注 。从节能减排方面考虑,采用沥青路面再生技术回收利用这些废旧沥青
3、混合料是一种有效的处理方式,其回收关键技术之一便是选用合适的沥青再生剂 。目前,我国道路工程中广泛使用的沥青再生剂大多属于石油基类,这类再生剂是从石化副产物中提取所得,主要以芳烃油为基础油,不仅成本较高且大多存在抗老化性能不足的问题 。近年来,热解生物油被提出作为沥青黏结剂的化学改性剂。然而,热液化生物油作为沥青改性剂的可能性仍有待充分开发 。近年来,塑料制品被广泛使用,造成了严重的环境污染,目前大约只有 的塑料能被回收处理,大部分会被焚烧、倾倒,或在工厂里燃烧以产生热量,而这些操作都会对环境产生一定的危害 。因此,越来越多的科研人员开始思考对这种有害废物进行多样化回收利用。基于此,本研究选用
4、常见商用塑料 高密度聚乙烯(),通过水热液化生产废塑料生物油(),然后将生物油加入到老化沥青中制备再生沥青,研究其对老化沥青的再生效果,为废塑料的二次利用提供新思路。材料与方法 沥青本文采用中石化公司生产的 级石油沥青,具体性能参数如表 所示。表 沥青的技术指标密度()针入度()()延度 软化点 溶解度 废弃塑料生物油制备工艺本文采用粒径 左右的高密度聚乙烯()材料(见图 )。的水热液化处理期程毕:废弃塑料生物油在沥青路面中的应用研究方法为:在 的 高压反应釜中,以 的比例加入 与乙醇溶剂至 后进行水液化反应。在()、和 环境下进行 反应,然后在冷却装置作用下将其冷却至室温,通过通风去除气体,
5、最后对剩余固体和液体混合物进行真空过滤来得到废塑料生物油(见图 ),其物化指标如表 所示。图 高密度聚乙烯()图 塑料生物油表 废塑料生物油物化指标密度()颜色老化后质量损失 元素含量元素含量 棕黄色 沥青老化采用压力老化试验来模拟沥青路面在服役期间出现的长期老化现象。采用压力老化仪进行试验,具体操作流程为:在特制模具中倒入质量为()的沥青,将其摊铺成约为 厚的沥青薄膜,再将试样放置到压力老化仪中,并加压至(),温度和时间参数分别设置为 和 。再生沥青制备改性沥青试件采用高速剪切机 配制。首先,将老化后的沥青加热至(),直至其完全流动。然后加入不同掺量(、)的废塑料生物油与之混合,参考已有研究
6、,以 的剪切速率,在()下剪切 ,制备不同 含量的再生沥青,对照组老化沥青制备步骤相同 。试验方法本文采用水热液化方式处理高密度聚乙烯得到生物油,加入到老化沥青中制备成不同掺量的 再生沥青。通过对不同 掺量下的再生沥青、老化沥青和基质沥青分别进行三大指标、温度扫描、多重应力蠕变恢复和弯曲梁流变试验,分析试验数据,探讨 的再生效果,最后对 再生沥青混合料的路用性能进行分析。具体试验流程如图 所示。图 试验流程 性能分析 三大指标试验沥青三大指标试验结果见图 。针入度可以用来对沥青进行分级,主要表征沥青的软硬程度。图 ()可知,沥青老化后,针入度数值大幅度减小。随着 掺量增加,沥青的针入度数值逐渐
7、增加,与老化后基质沥青相比,增加幅 度 分 别 为:、和 ,当 掺量为 时,再生沥青已经等同未老化前基质沥青的数值。软化点可以反映出沥青的高温性能,由图()可以看出,对老化沥青软化点数值有消极影响,并随着掺量增大逐渐明显,与老化后基质沥青相 比,下 降 幅 度 分 别 为:、和 ,当 掺量为 时,再生沥青的软化点数值略微低于未老化前基质沥青的数值,差值约为 。延度主要用来表示沥青受到外力时的低温抗裂性能。由图()可知,随着 掺量增加,沥青的延度湖南交通科技 卷数值逐渐增加,与老化后基质沥青相比,增加幅度分别为:、和 。当 掺量为 时,再生沥青的延度数值超过未老化前基质沥青的数值,约高出 。()
8、针入度()软化点()延度图 三大指标试验结果根据上述分析可知,当 掺量为 时,再生沥青的物理性能均恢复到未老化基质沥青的水平,其中延度超出沥青未老化前水平较多。温度扫描试验本文基于 中的温度扫描模型,平行振荡板直径选用 ,试验间隙为 ,温度区间为 ,对 不 同 掺 量(、)的废弃生物油再生沥青测试,得到复数剪切模量、相位角和车辙因子。图 为沥青高温性能试验结果。()复数剪切模量()相位角()车辙因子图 高温性能试验结果从图()可以看出,沥青的复数剪切模量在 老化后显著增加,老化过程导致沥青刚度增大。废弃生物油有助于软化沥青黏合剂。再生沥青的复数剪切模量比 老化基质沥青低得多。与物理性能表现不同
9、的是,当掺量为 时,再生沥青的复数剪切模量与老化前的基质沥青十分接近,但随着掺量增加,并没出现低于老化前基质沥期程毕:废弃塑料生物油在沥青路面中的应用研究青复数剪切模量的情况,作为再生剂表现较好。建议使用含量为 的 再生剂恢复老化沥青。较低的沥青斜率代表较低的温度敏感性。试验结果表明,再生沥青对温度的敏感性高于老化沥青,但低于原始沥青,这一结论与物理性能的研究结果一致。相位角用于评价沥青的黏弹性,沥青作为黏弹性材料,相位角越大,其黏性成分越多 。由图()可以看出,沥青的相位角在 老化后大幅度减小,老化沥青中的弹性成分要高得多,因为 老化沥青的相位角远低于原始沥青的相位角。这也是沥青在老化后会变
10、硬的原因。明显增加了 老化沥青黏合剂的相位角,特别是在较高温度下。这表明 再生剂增加了老化沥青的黏性组分含量,因为 中黏性组分的含量高。说明可以作为再生剂来恢复老化沥青性能。随着掺量增加,再生沥青的相位角出现增长,逐渐趋近于老化前的状态。与复数剪切模量的变化规律相同,未出现超过老化前基质沥青相位角的情况。车辙因子越大,沥青在高温下抵抗车辙的能力就越强 。由图 ()可见,老化后,再生沥青的车辙因子均小于基质沥青,并且随着 掺量增加,逐渐趋近于老化前的数值。如 时,沥青老化后车辙因子随 掺量增加而减小,相较于老化后 基 质 沥 青,下 降 幅 度 分 别 为:、和 。此外,不同种类沥青的高温失效温
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