《Case Studies in Construction Materials》：Superpave Mix Design of Plastic-Modified Asphalt Mixtures: Hybrid Mixing and Workability Analysis
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为解决废塑料处置难题及提升沥青路面性能，研究人员采用创新的混合干拌工艺，将回收HDPE与PET集成到沥青混合料中。研究通过多尺度实验探究了热-化学-流变特性及压实性，证明了该方法的可行性，并发现HDPE在混合温度下部分软化并与沥青相互作用，而PET则作为刚性颗粒组分强化结构。该工艺实现了均匀混合，无结块现象，为废塑料在路面工程中的规模化应用提供了标准化方案。
在全球塑料产量呈指数级增长而回收率不足9%的背景下，大量塑料垃圾对陆地及海洋生态系统构成了严重威胁。与此同时，作为全球主要路面形式的沥青路面正面临着日益繁重的交通荷载与极端气候条件的双重考验，易出现车辙、疲劳开裂等早期损坏。聚合物改性沥青已被证明是提升路面性能的有效手段。将废弃塑料，尤其是高密度聚乙烯（HDPE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）这两种全球产量最大的塑料，回收用于改性沥青，为提升路面性能与实现塑料循环经济提供了一个极具前景的路径。然而，将废塑料有效融入沥青混合料并满足严苛的Superpave体积配合比设计要求，依然面临诸多挑战。传统的湿法和干法工艺各有局限：湿法存在相分离、储存稳定性差且需要专用设备；干法则常常面临分布不均、成团以及混合温度下塑料可能降解等问题，导致混合料性能不稳定。此外，关于HDPE和PET这两种热力学特性迥异的塑料如何影响混合料在Superpave体系下的可压实性及体积行为，目前研究尚不充分。
针对这些问题，来自沙迦大学土木与环境工程系的研究人员Waleed Zeiada、Kussai W. Alrini、Osama F.S. AbuShabaan、Ghazi Al-Khateeb、Fatma Abdulrahman和Helal Ezzat，在《Case Studies in Construction Materials》上发表了一项研究。他们开发并系统评估了一种创新的混合干拌工艺，用于将回收HDPE和PET塑料颗粒纳入Superpave体积配合比设计体系，旨在攻克传统干法工艺中塑料分散不均匀和成团的难题，并深入探究了不同类型塑料对混合料体积性能、可压实性及沥青-塑料间相互作用的影响。
为了回答上述问题，研究团队设计了一个全面的多尺度实验计划。关键技术方法包括：利用差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）表征HDPE与PET的熔融与热降解行为，以确定其与沥青拌和温度的兼容性；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析塑料及回收沥青的化学结构与相互作用；通过旋转粘度计和动态剪切流变仪（DSR）评估沥青的流变性能；执行基于Superpave标准的体积配合比设计，在多个沥青含量下测定混合料的体积特性（如空隙率、矿料间隙率等）；并使用旋转压实仪，通过压实能量指数和致密化斜率等参数，量化不同塑料掺量与类型对混合料可压实性的影响。
4.1. 塑料特性
研究首先通过热分析确认了HDPE和PET的基本特性。DSC结果显示，HDPE的熔点在130.8°C，低于典型的沥青混合温度（160°C），这意味着它在拌和过程中会软化甚至部分熔化。而PET的熔点高达237.1°C，远高于拌和温度，因此在混合过程中保持固态颗粒形态。TGA分析进一步表明，两种塑料在沥青生产和铺筑温度下都具有良好的热稳定性，不会发生分解，这消除了对环境有害气体排放的担忧。FTIR光谱揭示了二者化学结构的差异：HDPE结构简单，主要为饱和烷烃链；PET则含有酯键和芳香环等官能团。这些特性差异预示着它们在沥青体系中将扮演不同的角色。
4.2. 沥青与集料特性
研究所用的60/70沥青符合AASHTO M323的性能等级（PG）要求，被确定为PG 64-22S，其流变参数如G*/sin δ等均满足规范。集料来自阿联酋的Gabro石料，级配采用美国联邦公路管理局的标准，符合Superpave设计要求。随着HDPE或PET的加入，混合料的合成比重（Gsb）因塑料比重较低而略有下降，这在设计计算中已予以考虑。
4.3. 混合干拌工艺优化
初步试验发现，传统的将塑料直接与热集料干拌的方法会导致HDPE在高温下（≥170°C）变色、结团，影响其分散。因此，研究团队优化了工艺，提出了混合干拌法。该方法的核心步骤是：先将加热的集料与沥青预拌，形成一层均匀的沥青涂层；随后，再将研磨至1.18 mm以下的精细塑料粉末（掺量为集料重量的0.5%、1.0%和1.5%）逐步加入并搅拌。这一改进有效解决了塑料颗粒结块问题，实现了塑料在混合料中的均匀分布，且与常规沥青厂操作兼容。
4.4. 塑料与沥青的相互作用
通过从掺有1.5%塑料的混合料中提取并回收沥青，研究人员评估了塑料与沥青的相互作用。流变测试显示，HDPE改性沥青在64°C和70°C下的G/sin δ值相较于基质沥青分别提高了66%和61%，表明其高温抗车辙能力显著增强。这是由于HDPE在拌和温度下软化，部分融入沥青相，形成了聚合物网络。相比之下，PET改性沥青的G/sin δ值变化甚微（在64°C下降低11%，70°C下基本不变），表明PET作为刚性填充颗粒，并未显著改变沥青的流变性质。FTIR分析为这一机制提供了化学证据：在PET改性沥青的谱图中，检测到了属于PET酯键特征的新峰（C=O和C-O-C），表明部分PET分子片段可能因热作用进入了沥青相；而HDPE改性沥青的谱图未出现明显新峰，说明其与沥青的相互作用主要是物理性的分散与熔融。此外，对提取后集料颗粒的视觉检查也证实，PET颗粒仍清晰可见并镶嵌于沥青膜中，而HDPE则更难与沥青区分。
4.5. 体积性能
研究系统地评估了不同塑料掺量对Superpave体积设计参数的影响。随着塑料掺量增加，达到4%目标空隙率（Va）所需的设计沥青含量（DAC）呈现不同的变化趋势。对于HDPE改性混合料，DAC随着掺量增加而降低（从对照组的4.59%降至1.5%掺量时的4.19%），表明HDPE部分替代了有效沥青，这可能与其较低的密度和部分熔融特性有关。相反，PET改性混合料的DAC则随掺量增加而小幅增加（从4.59%增至4.69%），PET作为刚性颗粒占据体积，可能需要更多沥青来充分包裹。所有改性混合料的关键体积参数，如矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）和粉胶比（DR），均在Superpave规范要求范围内，证明了混合干拌工艺能够生产出体积合规的塑料改性沥青混合料。
4.6. 可压实性
压实性是评价混合料施工和易性的关键指标。研究通过旋转压实仪数据，计算了压实能量指数和致密化斜率来量化可压实性。结果表明，HDPE的加入显著提高了压实能量指数，意味着需要更多的能量才能达到目标密度，即可压实性变差。这归因于HDPE软化后增加了混合料的粘度和内聚力。而PET的加入对压实能量指数的影响相对较小，在较低掺量下甚至略有改善。在致密化斜率方面，HDPE改性混合料在所有掺量下都表现出更低的斜率，表明其在压实中后期的致密化速率减慢，进一步印证了其压实阻力更大的结论。这些发现对于指导现场压实作业至关重要。
结论与讨论
本研究成功开发并验证了一种用于将回收HDPE和PET塑料集成到沥青混合料中的混合干拌工艺。该工艺通过先以沥青预涂覆集料，再加入细磨塑料粉末，有效防止了塑料颗粒结团，实现了均匀分散，且无需特殊设备，具有实际工程应用的可行性。研究证实，由于熔点和化学性质的差异，HDPE和PET在沥青混合料中扮演着截然不同的角色：HDPE在拌和温度下软化，部分与沥青相互作用，显著提升了沥青的高温流变性能，但同时也增加了混合料的压实阻力；而PET在拌和过程中保持固态，主要作为刚性填充颗粒，对沥青流变性影响甚微，但对混合料的体积特性和内部结构有影响。在Superpave体积设计体系下，两种塑料改性混合料在合适的掺量（≤1.5%）下均可满足所有体积规范要求。研究还系统量化了塑料类型和掺量对混合料可压实性的影响，为施工质量控制提供了依据。这项工作不仅为解决塑料废弃物问题提供了一条新的循环经济途径，还为在满足严格性能标准的前提下，将回收塑料规模化应用于沥青路面建设提供了科学依据和技术指导。未来研究可进一步探究这些改性混合料的长期力学性能（如抗疲劳、抗水损害）和环境效益。
