CN114804721A - 高抗疲劳废弃pet塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法 - Google Patents

高抗疲劳废弃pet塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法，涉及沥青材料技术领域，解决了现有技术中大掺量胶粉改性沥青混凝土抗疲劳能力不足的问题。本发明的高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法可以有效改善沥青分子间的电荷分布，使制备的改性橡胶沥青具有强大的静电力聚集作用，大大提高了大掺量胶粉改性沥青混凝土的抗疲劳能力。本发明工艺简单，添加剂使用量少且制备成本较低，能有效改善橡胶沥青的抗疲劳性能，同时能消耗废弃塑料瓶，具有显著的经济效益、环境效益和工程价值。

Description

高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法
技术领域
本发明涉及沥青混凝土技术领域，特别涉及一种高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法。
背景技术
废弃塑料瓶是生活中常见的垃圾，其数量随着人口增长和城市发展呈指数增长。大量废弃塑料瓶的堆放不仅占用土地资源，而且会对土壤水质造成巨大污染。尽管废弃塑料瓶可以通过传统物理法进行循环回收处理，如注塑、挤出等，但因无法彻底清洗干净，不能用于制作高质量的塑料制品，且回收处理过程中可能会导致部分回收塑料发生降解反应，使其性能下降，整体回收利用率低。
废弃PET塑料作为一种聚酯类的聚合物，除了物理加工的方法外，其化学处理的方法有氨解法、醇解法和水解法。由于胺类化合物相较于醇和水外具有较高的反应活性，故其在处理PET时不仅不需要反应催化剂，而且有着反应热能较低、反应时间短的优势。正因氨解反应的发生，废弃PET塑料经处理得到的纯化产物存在氨基结构特征，其被用于沥青改性，能一定程度改善沥青与集料之间的粘附特性。
尽管大掺量橡胶沥青混凝土具有优越的抗车辙能力和抗老化特性，能承受重载交通的侵害、有效遏制反射裂缝的产生与扩展及较好的抗低温开裂能力，但由于胶粉在高温条件下对沥青进行改性过程中，其发生了部分降解，导致大掺量橡胶沥青混凝土的抗疲劳特性较差，为路面长期服役性能埋下了隐患。
如今，由于交通量和车辆荷载的迅速增加，沥青路面在重载交通条件下抗疲劳变形的性能极大程度决定了其服役寿命和其他路用性能的可靠性，也是沥青路面养护周期、养护成本的关键性因素。因此，研究制备高抗疲劳性的废弃塑料基添加剂改性橡胶沥青混凝土具有显著的经济效益、环境效益和工程价值。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法，以解决现有大掺量胶粉改性沥青混凝土抗疲劳能力不足的问题的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)将胶粉在120℃-140℃条件下进行预热，保温至少30min后，与基质沥青在140℃-200℃条件下混合，以转速3500rpm-7000rpm剪切30min-200min，得到轮胎胶粉改性沥青；
2)在160℃-180℃条件下，加热所述轮胎胶粉改性沥青至流动状态，按照所述轮胎胶粉改性沥青质量的1-3％加入废弃PET塑料基添加剂混合，连续搅拌30min，获得废弃PET改性橡胶沥青；
3)按照花岗岩矿料设计级配，将花岗岩矿料中各粒径的花岗岩集料以及矿粉至于160-180℃条件下预热，保温至少4h，并将所述废弃PET改性橡胶沥青在160℃-180℃条件下加热至熔融流动状态；
4)在160℃-180℃条件下，将预热的所述花岗岩集料预拌均匀后加入流动状态的所述废弃PET改性橡胶沥青，搅拌时间不小于90s，然后，加入预热的所述矿粉，继续拌合至少90s，确保拌合均匀后出料，得到高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土。
可选地，步骤1)中所述胶粉的用量为所述基质沥青的用量的18％-20％。
可选地，步骤2)中所述废弃PET塑料基添加剂通过以下方法制得：将废弃PET塑料破碎成薄片后，按照1∶2的质量比与三乙烯四胺溶剂混合，在150℃-170℃条件下反应2h，再立即将反应产物倒入常温水中，随后经真空抽滤、反复水洗、低温干燥及机械磨粉处理，获得粉状废弃PET塑料基添加剂。
可选地，步骤3)中所述花岗岩矿料的设计级配为SMA-10型间断级配，所述SMA-10型间断级配为：花岗岩集料：9.5-13.2mm：6％-8％，4.75-9.5mm：56％-60％，2.36-4.75mm：7％-9％，1.18-2.36mm：4％-6％，0.075-1.18mm：8％-10％，＜0.075mm：1％-2％；矿粉：8％-12％。
可选地，步骤4)中所述废弃PET改性橡胶沥青的用量为所述花岗岩集料的用量的6.5-7.0％。
本发明所述的高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的抗疲劳指标如下：在相同应力水平下高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的疲劳寿命明显高于普通橡胶沥青与酸性集料拌合制备的混凝土。具体来看，在低应力水平和高应力水平下，高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的疲劳寿命均明显高于普通橡胶沥青混凝土，说明废弃PET塑料基添加剂能提高橡胶沥青混凝土的疲劳寿命。
本发明的原理在于：采用TETA(三乙烯四胺)对废弃PET塑料瓶(聚对苯二甲酸乙二酯，PET)进行氨解法反应，使其降解形成具有正电荷和活性氨基化学产物。将纯化后的该产物作为橡胶沥青改性剂，能在一定程度上改变橡胶沥青原有的酸碱特性，改善橡胶沥青的分子结构特征和电荷分布。当废弃PET改性橡胶沥青与酸性集料进行拌合制备混凝土后，二者之间产生的化学效应、电荷效应及吸附效应等相互作用，使改性橡胶沥青具有强大的静电力聚集作用。
相对于现有技术，本发明所述的高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法具有以下优势：
1、本发明能将废弃PET塑料瓶再利用，转化为橡胶沥青混凝土功能性添加剂，可极大缓解白色污染问题，减少堆埋，节约资源，利于环保。
2、本发明利用氨解反应降解废弃聚酯塑料并提纯降解产物制备得到的废弃PET添加剂，能在沥青拌合过程中迅速融化分散，不影响沥青的加工特性。
3、本发明制备出的废弃PET添加剂能改善沥青分子电荷分布，促进其与集料之间粘结力的提升，较大程度提高橡胶沥青混凝土的抗疲劳能力，延长其服役寿命。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
本实施例所用的废弃PET塑料基添加剂为将废弃PET塑料进行氨化降解的纯化产物，其制备方法：将废弃PET塑料破碎成薄片后，按照1∶2的质量比与三乙烯四胺溶剂混合，在150℃条件下反应2h，再立即将反应产物倒入常温自来水中，随后经真空抽滤、反复水洗、于25℃-35℃下低温干燥及机械粉磨处理，获得粉状废弃PET塑料基添加剂。
本实施例的高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的具体制备方法为：
1)将胶粉在120℃条件下进行预热，保温至少30min，再将上述胶粉与基质沥青在180℃条件下混合，以转速3500rpm剪切1h，得到轮胎胶粉改性沥青，其中，胶粉的质量为基质沥青的质量的18％；
2)在180℃条件下，加热上述轮胎胶粉改性沥青至流动状态，按照上述轮胎胶粉改性沥青质量的1％加入制备好的废弃PET塑料基添加剂混合，连续搅拌30min，获得废弃PET改性橡胶沥青；
3)按照表1花岗岩矿料设计级配，将花岗岩矿料中各粒径的花岗岩集料以及矿粉置于180℃条件下预热，保温至少4h，并将上述废弃PET改性橡胶沥青在180℃条件下加热至熔融流动状态，其中，花岗岩矿料的设计级配为SMA-10型间断级配，具体级配如表1所示；
表1
Figure BDA0003570220930000051
4)在180℃条件下，向拌合锅中加入上述预热的各粒径的花岗岩集料，预拌均匀后，加入上述熔融流动状态的废弃PET改性橡胶沥青，搅拌时间不小于90s，然后，向拌合锅中加入上述预热的矿粉，继续拌合至少90s，确保拌合均匀后出料，得到高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土，其中，废弃PET改性橡胶沥青的质量为花岗岩集料的质量的6.7％。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)对本实施例高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土进行车辙试验和稳定度试验。
由试验可知，本实施例高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的60℃车辙深度为3.67mm，马歇尔试件稳定度为12.57kN，流值为25.7mm。
对本实施例高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土开展间接拉伸疲劳试验，结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003570220930000061
注：上表数据均根据间接拉伸疲劳试验所得。*为疲劳破坏加载应力。**为疲劳寿命。
由表2可知，在同水平试验条件下，本实施例制备的废弃PET塑料基添加剂能有效改善普通橡胶沥青混凝土的抗疲劳性能。同时，掺入1％废弃PET塑料基添加剂的高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的车辙深度、马歇尔稳定度和流值均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)要求，说明本发明废弃PET塑料基添加剂不影响橡胶沥青混凝土的其他路用性能。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：废弃PET塑料基添加剂的掺量为轮胎胶粉改性沥青质量的2％。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)对本实施例高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土进行车辙试验和稳定度试验。
由试验可知，本实施例高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的60℃车辙深度为3.71mm，马歇尔试件稳定度为12.43kN，流值为25.5mm。
对本实施例高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土开展间接拉伸疲劳试验，结果如表3所示。
表3
Figure BDA0003570220930000071
由上述试验结果可知，对比实施例1，在同水平试验条件下，废弃PET塑料基添加剂掺量的增加可进一步提高普通橡胶沥青混凝土的抗疲劳性能。同时，2％掺量的PET改性橡胶沥青混凝土的车辙深度、马歇尔稳定度和流值均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)要求，说明本发明废弃PET塑料基添加剂不影响橡胶沥青混凝土的其他路用性能。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：废弃PET塑料基添加剂的掺量为轮胎胶粉改性沥青质量的3％。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)对本实施例高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土进行车辙试验和稳定度试验。
由试验可知，本实施例高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的60℃车辙深度为3.76mm，马歇尔试件稳定度为12.41kN，流值为24.9mm。
对本实施例高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土开展间接拉伸疲劳试验，结果如表4所示。
表4
Figure BDA0003570220930000081
由上述试验结果可知，对比实施例1和2，在同水平试验条件下，随着废弃PET塑料基添加剂掺量的进一步增加，本发明高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的抗疲劳性能仍得到有效提升。综合性价比考虑，建议废弃PET塑料基添加剂的最佳掺量为2％。同时，3％掺量的高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的车辙深度、马歇尔稳定度和流值均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)要求，说明本发明废弃PET塑料基添加剂不影响橡胶沥青混凝土的其他路用性能。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于：使用的沥青为未掺入本发明制备的废弃PET塑料基添加剂的橡胶沥青。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)对未掺入本发明制备的废弃PET塑料基添加剂的橡胶沥青混凝土进行车辙试验和稳定度试验。
由试验可知，未掺入本发明制备的废弃PET塑料基添加剂的橡胶沥青混凝土的60℃车辙深度为3.10mm，马歇尔试件稳定度为12.63kN，流值为27.4mm，均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)。
对未掺入本发明制备的废弃PET塑料基添加剂的橡胶沥青混凝土开展间接拉伸疲劳试验，结果如表5所示。
表5
Figure BDA0003570220930000091
将本发明各实施例的高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土以及对比例1的未掺入本发明制备的废弃PET塑料基添加剂的橡胶沥青混凝土的间接拉伸试验结果汇总如表6所示。
表6
Figure BDA0003570220930000092
由表6可知，在低应力水平和高应力水平下，本发明各实施例的高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的疲劳寿命均高于普通橡胶沥青混凝土(对比例1)，说明本发明制备的废弃PET塑料基添加剂对改善橡胶沥青混凝土沥青路面抵抗循环交通荷载疲劳作用的性能有明显效果。综合性价比考虑，建议废弃PET塑料基添加剂的最佳掺量为2％。另外，对比实施例1-3和对比例1的车辙深度、马歇尔稳定度和流值，说明废弃PET塑料基添加剂不影响橡胶沥青混凝土的其他路用性能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将胶粉在120℃-140℃条件下进行预热，保温至少30min后，与基质沥青在140℃-200℃条件下混合，以转速3500rpm-7000rpm剪切30min-200min，得到轮胎胶粉改性沥青；
2)在160℃-200℃条件下，加热所述轮胎胶粉改性沥青至流动状态，按照所述轮胎胶粉改性沥青质量的1-3％加入废弃PET塑料基添加剂混合，连续搅拌30min，获得废弃PET改性橡胶沥青；
3)按照花岗岩矿料设计级配，将花岗岩矿料中各粒径的花岗岩集料以及矿粉置于160-180℃条件下预热，保温至少4h，并将所述废弃PET改性橡胶沥青在160℃-200℃条件下加热至熔融流动状态；
4)在160℃-200℃条件下，将预热的所述花岗岩集料预拌均匀后加入流动状态的所述废弃PET改性橡胶沥青，搅拌时间不小于90s，然后，加入预热的所述矿粉，继续拌合至少90s，确保拌合均匀后出料，得到高抗疲劳废弃PET塑料改性橡胶沥青混凝土。
2.根据权利要求1所述的高抗疲劳废弃PET改性橡胶沥青混凝土的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述胶粉的质量为所述基质沥青质量的18％-20％。
3.根据权利要求1所述的高抗疲劳废弃PET改性橡胶沥青混凝土的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述废弃PET塑料基添加剂通过以下方法制得：将废弃PET塑料破碎成薄片后，按照1∶2的质量比与三乙烯四胺溶剂混合，在150℃-170℃条件下反应2h，再立即将反应产物倒入常温水中，随后经真空抽滤、反复水洗、低温干燥及机械磨粉处理，获得粉状废弃PET塑料基添加剂。
4.根据权利要求1所述的高抗疲劳废弃PET改性橡胶沥青混凝土的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述花岗岩矿料的设计级配为SMA-10型间断级配，所述SMA-10型间断级配为：花岗岩集料：9.5-13.2mm：6％-8％，4.75-9.5mm：56％-60％，2.36-4.75mm：7％-9％，1.18-2.36mm：4％-6％，0.075-1.18mm：8％-10％，＜0.075mm：1％-2％；矿粉：8％-12％。
5.根据权利要求1所述的高抗疲劳废弃PET改性橡胶沥青混凝土的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述废弃PET改性橡胶沥青的用量为所述花岗岩集料的用量的6.5-7.0％。
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