蘇凱，徐斌，于曉曉

（1.上海城投集團(tuán)研究總院，上海 200031；2.上海交通大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，上海 200240）

將廢塑料用于道路瀝青的改性，既能明顯提高路面的質(zhì)量，又減緩了廢塑料的污染，是廢塑料“變廢為寶”的一種可持續(xù)發(fā)展方式[1]。因近期廢塑料污染海洋事件發(fā)酵[2]，以及我國禁止進(jìn)口廢舊塑料政策的出臺(tái)，廢舊塑料成為全球關(guān)注的環(huán)境問題與社會(huì)問題[3]，使廢塑料在改性瀝青領(lǐng)域的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)[4-5]。

國內(nèi)外對廢塑料改性瀝青已進(jìn)行大量研究，這些研究大都以單一高質(zhì)量的回收塑料改性瀝青展開，與實(shí)際廢塑料回收產(chǎn)業(yè)鏈不相符，研究成果很難具有代表性。廢塑料改性瀝青普遍存在的相分離現(xiàn)象，也使研究數(shù)據(jù)重復(fù)性差。廢塑料的組成和性質(zhì)及其回收方式的復(fù)雜性影響了廢塑料改性瀝青（WPMA）的加工與道路工程應(yīng)用?？偟膩碚f，人們在廢塑料的高溫性能方面已達(dá)成共識(shí)，而低溫和疲勞性能仍存爭議、熱儲(chǔ)存離析和廢塑料的混雜問題仍期待解決[1,4-6]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，WPMA 的推廣還需與已大量應(yīng)用的SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青等競爭，從全價(jià)值鏈、最佳化的視角進(jìn)行全壽命周期評(píng)估。

廢塑料的混雜及其改性瀝青熱儲(chǔ)存離析的問題導(dǎo)致改性瀝青性能變異大，影響了改性瀝青路面質(zhì)量的連續(xù)性。為避免這些問題，目前常采用二級(jí)以上的高質(zhì)量聚烯烴回收料制備抗車轍劑，采用干法直投的生產(chǎn)工藝來解決儲(chǔ)存離析，但這同時(shí)也降低了使用廢塑料的環(huán)保特點(diǎn)以及帶來施工過程中的監(jiān)管難題[1]。因此，從廢塑料回收利用的角度認(rèn)清廢塑料改性瀝青的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，闡明廢塑料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)、加工時(shí)的結(jié)構(gòu)演化和路用性能的關(guān)系，對推動(dòng)廢塑料在道路工程中的合理應(yīng)用具有重要意義。

通過綜述廢塑料改性瀝青的研究進(jìn)展，從廢塑料的回收現(xiàn)狀、化學(xué)組分和基本性質(zhì)出發(fā)，闡述了其在瀝青道路工程應(yīng)用時(shí)，不同廢塑料的分散過程和增強(qiáng)作用，評(píng)述了WPMA 混合料性能及其優(yōu)化方法，并進(jìn)一步總結(jié)和展望了其未來發(fā)展方向。

1 廢塑料的來源和性質(zhì)

1.1 廢塑料回收利用的緊迫性和對策

隨著塑料制品消費(fèi)量不斷增大，廢棄塑料也不斷增多。目前廢棄塑料主要為塑料薄膜、塑料絲及編織品、泡沫塑料、塑料包裝箱及容器、管道、日用塑料制品、塑料袋和農(nóng)用地膜等[3,7-10]。此外隨著人民生活水平提高，建筑行業(yè)和家電、汽車行業(yè)產(chǎn)生的廢塑料也日益劇增。據(jù)了解，全球廢塑料產(chǎn)量達(dá)3×108t，但回收利用率不足20%[3]。這些廢塑料的存在形式各種各樣，包括生活垃圾、工業(yè)垃圾以及海洋、河流和湖泊中的廢棄物等，這些塑料不會(huì)生物降解，只會(huì)慢慢崩解、分解成小碎片甚至微粒，很難從海洋中清除。如果這些微粒被魚類吸收，它們最終會(huì)進(jìn)入人類的食物鏈，但公眾普遍對塑料微粒的健康危害不甚了解[2]。

我國在垃圾治理政策上的重大變化，引發(fā)了全球?qū)U塑料治理的廣泛關(guān)注。2016年中國接收了全球56%的塑料垃圾，但從2018年起，政府禁止進(jìn)口包括生活源廢塑料在內(nèi)的“洋垃圾”[3]。此舉導(dǎo)致中國香港、英國和美國等地的廢棄物大量堆置，令世界開始重新審視生活垃圾的歸宿。解決廢塑料的途徑通常有減量化、多次利用和回收等方法：

一是從源頭上減量、減類和長壽命化設(shè)計(jì)或使用生物降解塑料；

二是采用回收再生的方法，提高回收分揀技術(shù)，拓展再利用方向；

三是將難以處理的塑料固體廢棄物采用填埋、焚燒的方法進(jìn)行處理。

因國情不同，各國有異，美國以填埋為主，但占地大。歐洲、日本則以焚燒為主，雖然焚燒進(jìn)行熱能回收是廢舊塑料回收利用的主要方法之一[2,3]，但焚燒會(huì)釋放出有害氣體，污染大氣。我國每年瀝青混合料的用量達(dá)4×108t，如果能將廢舊塑料應(yīng)用于瀝青混合料的生產(chǎn)中，將為廢舊塑料的大規(guī)模有效利用開辟未來可期的綠色發(fā)展方向。

1.2 瀝青改性用廢塑料的來源及分類

廢舊塑料改性瀝青的使用效果受塑料種類、共混程度、添加助劑和回收、加工工藝的影響[11-14]。塑料由樹脂和助劑組成，不同的樹脂具有不同分子鏈結(jié)構(gòu)，同一樹脂也有分子量大小、分布和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)方面的差異。塑料的加工方法和回收工藝也會(huì)促使其進(jìn)一步變化，因而回收而來的廢舊塑料組成繁雜、性質(zhì)多變。因此研究廢塑料改性瀝青不等同于研究單一塑料改性瀝青，必須了解各種不同塑料的組成、來源及各個(gè)變因?qū)r青性能影響的基本規(guī)律。

塑料的結(jié)構(gòu)包括鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。鏈結(jié)構(gòu)包括近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)，近程結(jié)構(gòu)包括化學(xué)結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)型，遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)包括構(gòu)象、分子量及其分布，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)包括結(jié)晶、非晶等[15]。這些結(jié)構(gòu)影響了改性瀝青的相結(jié)構(gòu)和性能。以最常用于瀝青改性的聚乙烯（PE）塑料為例，分子量與分子量分布不同的PE 與瀝青的相容性明顯不同，一般認(rèn)為高熔體流動(dòng)性（分子量較低）的PE 與瀝青相容性更好，分子量越低、分子量分布越寬的PE 改性瀝青臨界開裂溫度越低。高密度聚乙烯（HDPE）結(jié)晶度更高，導(dǎo)致其與瀝青相容性降低，但因HDPE 結(jié)晶度高，更容易提高改性瀝青混合料的模量[16-19]。塑料中的常用助劑包括防老劑、填充料、著色劑、阻燃劑和無機(jī)填料等，除無機(jī)填料含量較高時(shí)會(huì)影響改性瀝青制備過程的分散以及穩(wěn)定性之外，其它助劑的含量少，對瀝青性能影響不大。

塑料根據(jù)其力學(xué)性質(zhì)和耐熱溫度等可分為通用塑料、工程塑料，根據(jù)交聯(lián)情況可分為熱塑性和熱固性，除此外還有塑料與纖維等構(gòu)成的復(fù)合材料。常見的塑料基本信息如表1所示。

用于瀝青改性的塑料以通用塑料為主，主要原因是改性瀝青加工一般低于200 ℃，與通用塑料加工的溫度窗口接近。通用塑料中又以聚烯烴塑料為主，包括PE、聚丙烯（PP）等主要品種，其產(chǎn)量約占塑料總量的1/3。從瀝青路面本身抗車轍需求來說，PE、PP 都具有匹配的加工溫度和優(yōu)良的抗車轍性能，是抗車轍劑的主要成分，相對PE，PP 的結(jié)晶程度高、模量更高，更有利于改善瀝青的高溫性能，但PP 的熔點(diǎn)更高，容易造成分散困難[4]。

工程塑料的加工溫度較高，難于在瀝青中熔融。但隨著PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯，工程塑料）瓶料用量急增和污染隨處可見，廢PET 在瀝青混合料中的研究也顯著增多，將PET 直接干法添加，或進(jìn)行水解、酯交換等改性，降低其熔融溫度，可改善其改性瀝青的效果[20-22]。熱固性塑料因含有化學(xué)交聯(lián)鍵，其在瀝青中不熔融?？刹捎媒到獾姆椒?，比如大量熱固性交聯(lián)的PE 塑料可裂解為PE 蠟，既改善了與瀝青的相容性，又提高了改性瀝青的流動(dòng)性[17]。因此，工程塑料和熱固性塑料較少用于瀝青改性，但作為固廢處理的手段，可嘗試少量用作瀝青混合料的集料。

表1 塑料的基本信息

還有一類最常見的混雜塑料，含多種無法分揀開的塑料，其本身力學(xué)強(qiáng)度較差，不宜再次用作塑料制品，用作改性瀝青具有較高的循環(huán)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。該類混雜塑料主要有三個(gè)來源：一是本身就以復(fù)合膜或復(fù)合材料構(gòu)成，回收時(shí)難以分開，如許多PE/PA 復(fù)合薄膜、汽車油箱等；二是廢塑料、廢紙、建材和廢舊汽車等回收加工行業(yè)挑揀剩余的混雜塑料；三則是生活垃圾中的廢舊塑料[21]?；祀s塑料的改性瀝青性質(zhì)相對單一PE 要差，但從廢塑料的全價(jià)值鏈、最佳化的視角來看，混雜廢塑料在道路改性瀝青的價(jià)值最高，一是避免了回收塑料成本高昂的分類處理問題，二是為混雜廢塑料的高值化利用找到了途徑，促進(jìn)其循環(huán)利用。

塑料在加工、使用、回收和再利用過程中受到光、熱、氧氣等因素的綜合影響，其結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生較為復(fù)雜的變化。為了研究回收廢塑料改性瀝青的性能，首先要充分考慮它們的組成和性質(zhì)的特點(diǎn)。國內(nèi)外對塑料老化規(guī)律的研究，大部分基于人工可控的加速老化條件下，探討某種或幾種因素對材料性能的影響。而塑料在實(shí)際使用過程中，受到紫外線、溫度和濕度等因素的綜合作用，在回收時(shí)還會(huì)受到清洗、破碎、加工過程的作用，其結(jié)構(gòu)和性能的變化情況較復(fù)雜，關(guān)于這方面的報(bào)道較少。袁聰慧等對市售典型的回收聚烯烴塑料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)回收程度對瀝青的高溫性能影響較大，一般因PE老化過程中有微交聯(lián)現(xiàn)象，改性瀝青的高溫性能更優(yōu)，PP 則在使用過程中易降解，再生程度較高的PP 改性瀝青高溫性能下降，這為進(jìn)一步研究回收塑料改性瀝青提供理論依據(jù)，能夠根據(jù)回收塑料的性能進(jìn)行優(yōu)化選擇，使不同的回收塑料得到合理利用，真正實(shí)現(xiàn)回收塑料的環(huán)保價(jià)值[23]。

1.3 廢舊塑料的回收再生方法

不同塑料制品的形狀、種類和含量比例不同，回收再生方法也有所不同。有的直接破碎使用，有的則需要分類清洗等。德國等發(fā)達(dá)國家則更多使用自動(dòng)化分揀裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類、連續(xù)破碎、造粒等流程[1,23]。目前我國廢塑料的回收主要經(jīng)過人工篩檢分類后，經(jīng)過破碎、清洗、造粒、改性等流程，變成可以再次利用的再生料。以LDPE 薄膜回收再生為例，其再生工藝流程主要有粉碎、干燥和造粒三道工序。本色好的LDPE再生顆粒料，稱為一級(jí)料，一般可應(yīng)用于常規(guī)制品生產(chǎn)；本色差、性能稍弱的二級(jí)料應(yīng)用于吹黑膜和垃圾袋生產(chǎn)工序；剩余的是混雜程度高、價(jià)格更低的三級(jí)料。除了熔融造粒之外，廢舊塑料也可直接粉碎成毫米尺寸的顆粒，比如PS、PVC等材料?；蛑苯油斗诺綖r青混合料拌和過程中進(jìn)行干法改性。

基于廢塑料回收利用現(xiàn)狀，從循環(huán)經(jīng)濟(jì)價(jià)值鏈最佳角度出發(fā)，瀝青改性用廢舊塑料的選用原則是：以“廢”為主，價(jià)廉的“舊”塑料為輔，這樣才具有廢塑料改性瀝青的環(huán)保意義[1]。

2 廢塑料改性瀝青的分類

2.1 按照制備工藝分類

根據(jù)廢塑料改性瀝青混合料制備工藝不同，WPMA 主要有干法、濕法和干濕法結(jié)合三種工藝。

濕法工藝是指將廢塑料與瀝青在高溫下預(yù)混和分散，制備改性瀝青，然后與集料等拌和制備WPMA 混合料的工藝。該工藝起源于20世紀(jì)80年代，最早為奧地利的Novophalt 膠體磨技術(shù)，我國早期改性瀝青技術(shù)的推廣和應(yīng)用也是基于此技術(shù)。濕法工藝的塑料改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性差，這嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展，致使至今仍未大量推廣[24-30]。但是，因濕法工藝分散效果更好，其改性效果優(yōu)于干法工藝[31-32]。

干法工藝是指在瀝青混合料拌和階段，將廢塑料顆粒加入到熱集料中，再噴入基質(zhì)瀝青混合，直接制備WPMA 混合料的工藝。干法工藝起源于20世紀(jì)80年代，是路面抗車轍修復(fù)工程的良好選擇，21世紀(jì)初從法國引進(jìn)PR 類高模量抗車轍劑技術(shù)，又因我國重載交通導(dǎo)致路面車轍病害頻發(fā)，該技術(shù)在我國獲得快速發(fā)展，并已形成交通部和地方標(biāo)準(zhǔn)[33-35]。但干法工藝應(yīng)用中存在塑料分散不均勻、混合溶脹不充分、與瀝青石料結(jié)合不好易松散，混合料發(fā)干等現(xiàn)象；此外，因回收塑料形狀各異，熔融特性不同造成分散不均一。同時(shí)還存在質(zhì)量監(jiān)管難，時(shí)有偷工減料現(xiàn)象，也減緩了該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化推廣。

為提高干法工藝效果，一方面可通過提高塑料的熔體流動(dòng)速率、減小塑料顆粒尺寸的方法[36]，在生產(chǎn)過程中常采用提高油石比、增加拌和溫度和時(shí)間，并在拌和后增加燜料工藝等手段。高油石比有利于提高瀝青與廢塑料的相互作用，促進(jìn)廢塑料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，改善體積性質(zhì)、抗老化、耐疲勞性能，但也會(huì)增加筑路成本。燜料可以延長瀝青和廢塑料的作用時(shí)間，促進(jìn)兩者的融合，使得各相間結(jié)合效果更好。有報(bào)道稱先加入瀝青再加入塑料，更有利于混合料性能的提升[36]。

干濕復(fù)合工藝是在濕法改性瀝青與集料中加入塑料顆粒，拌和制備WPMA 混合料的工藝，由國內(nèi)部分學(xué)者研發(fā)，以進(jìn)一步提高混合料的綜合性能，避免或彌補(bǔ)干法工藝的不穩(wěn)定性[37]。該工藝結(jié)合干法和濕法兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，具有混合料性能優(yōu)，可以發(fā)揮兩種工藝各自優(yōu)勢，達(dá)到消耗廢塑料和改善路用性能的雙重目的，但過高的施工成本限制了推廣應(yīng)用。

綜上所述，無論是濕法工藝、干法工藝還是干濕法工藝，如何在改性瀝青混合料中有效地形成廢塑料改性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是保證良好發(fā)揮塑料改性作用的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 按照種類和含量分類

根據(jù)塑料組成特點(diǎn)以及與瀝青相容情況，改性瀝青用的塑料可分為聚烯烴類、PS、PVC、PET、熱固性塑料和復(fù)合材料類等。這些塑料改性瀝青的作用機(jī)理因其在瀝青混合料中的分散狀態(tài)和與瀝青、石料相互作用不同而有所不同，作用機(jī)理在后文詳述。

廢塑料在瀝青中的摻量是影響WPMA 性能的最主要因素。根據(jù)廢塑料摻量和施工黏度的不同，WPMA 可分為低摻量（內(nèi)摻3%以下），常規(guī)摻量（內(nèi)摻3%～6%），高摻量（內(nèi)摻6%以上）WPMA。低摻量WPMA 加工方便、路面易于壓實(shí)，并且對低溫性能影響不大，有時(shí)具有一定的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性，是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。常規(guī)摻量則在混合料中形成增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，能明顯提高混合料的抗車轍性能，在重載交通或炎熱地區(qū)應(yīng)用較多，但容易出現(xiàn)混合料干澀等現(xiàn)象。高摻量的聚烯烴塑料改性瀝青通?？捎糜诟吣Ａ繛r青的制備，而高摻量的混雜塑料、PET 和熱固性塑料等改性瀝青則主要以處理廢物為目的[38-40]。

不同種類廢塑料、不同摻量下的塑料改性瀝青或混合料性能研究較受關(guān)注，并且集中于干法改性，而對于不同摻量下的廢塑料-瀝青或者廢塑料-瀝青-集料體系中微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的研究較少、尚且較淺。

2.3 廢橡塑復(fù)合改性瀝青

廢橡塑改性瀝青是指廢塑料與橡膠復(fù)合后改性瀝青。因廢塑料改性瀝青的模量較高，容易造成路面的低溫或疲勞開裂，為此常采用添加橡膠的方法來改善低溫和疲勞性能，又不降低高溫性能。這些塑料主要包括以PE、PP、PVC、EVA 和PET為代表的熱塑性聚合物，橡膠包括膠粉、SBS 熱塑性彈性體等[41-45]。復(fù)配改性可以結(jié)合廢塑料和橡膠材料的特質(zhì)，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，改善瀝青的綜合性能，如廢橡膠與聚烯烴復(fù)合可以提高瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性[45]，廢橡膠與SBS、纖維材料復(fù)合可改善瀝青高溫性能及儲(chǔ)存過程中的性能變化。其中，廢塑料/SBS 復(fù)合改性瀝青提高了瀝青的耐老化、耐低溫和抗車轍性能等，已有較好的工程應(yīng)用[46]。

3 廢塑料改性瀝青及混合料的機(jī)理

3.1 廢塑料改性瀝青的機(jī)理

高分子改性瀝青一般要求高分子與瀝青有良好相容性，加工過程中不降解，改性瀝青的黏度不影響施工，改性瀝青熱儲(chǔ)存時(shí)不離析，改性效果高低溫性能兼顧等，其中以高分子與瀝青之間的相容性最為重要，它直接影響了改性瀝青的性能。相容性決定了廢塑料在瀝青中的溶脹程度、分散及分布情況，進(jìn)而改變了WPMA 的高低溫性能、黏彈性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性能等[24]。廢塑料對瀝青的改性基本為物理作用，主要包括廢塑料被瀝青輕質(zhì)組分溶脹，引起體積增加形成網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)作用（即網(wǎng)絡(luò)學(xué)說）。溶脹的塑料顆粒間相互接觸、構(gòu)成塑料網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)增強(qiáng)作用，同時(shí)剩余的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)成分相對增加，有助于提高與集料的作用[47-48]。增強(qiáng)作用主要體現(xiàn)在提高瀝青的黏聚力和高溫強(qiáng)度，至于低溫柔韌性方面，因廢塑料低溫下模量高于瀝青的模量，導(dǎo)致改性瀝青低溫模量升高，難以起到增韌作用，但可以起到鉚接作用，阻止裂紋的擴(kuò)展[49]。下面以聚乙烯改性瀝青為例，進(jìn)一步描述其改性機(jī)理。

聚乙烯改性瀝青的機(jī)理認(rèn)為，將聚乙烯加入到瀝青中后，在高溫和強(qiáng)剪切的作用下，聚乙烯以粒狀或者微絲狀分散在瀝青中，形成部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)間的強(qiáng)烈的相互作用約束了瀝青，限制了瀝青膠體的流動(dòng)性，增強(qiáng)了抵抗外力的能力，因而提高了改性瀝青體系的黏度和高溫變形能力，增加了其抵抗外荷的能力。但是，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成有一拐點(diǎn)，達(dá)到這一拐點(diǎn)后改性瀝青黏度迅速提高。這一拐點(diǎn)受塑料鏈結(jié)構(gòu)、分子量和瀝青的成分影響。對于PE 改性瀝青，其含量達(dá)到一定程度（一般 ＞ 4%）時(shí)才有效果。如果PE 含量較低，PE 以獨(dú)立的微粒分散于瀝青中。但是低含量的PE 改性瀝青也具有明顯的高溫改性效果，這說明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成并不是提高高溫性能的唯一原因，此時(shí)，主要是PE 的塑性、粒度、分散均勻性、表面吸附以及瀝青組成等因素的綜合作用[6]。

相對于PE 改性瀝青，PS、PVC 改性瀝青研究較少，主要借鑒PE 改性瀝青機(jī)理。而對于PS和PVC 等極性較大的塑料，與瀝青中的芳香分和膠質(zhì)相互作用強(qiáng)，溶脹效果差，改性瀝青的性能提升不顯著，且熱儲(chǔ)存時(shí)容易發(fā)生下沉[25-27]。EVA 與瀝青中的飽和分和芳香分都有較好的相互作用，改性瀝青的效果較好[28,29]。對于混雜塑料改性瀝青時(shí)，首先要考察混雜塑料中不同樹脂成分對瀝青性能的影響差異。廢塑料來源廣泛，不同組分與瀝青相容性不同，易引發(fā)改性瀝青儲(chǔ)存離析問題。廢塑料品質(zhì)難控制，使WPMA 及其混合料性能不穩(wěn)定，帶來性能變異性等問題。而對于PET、熱固性塑料和復(fù)合材料類，因其在瀝青中分散困難，其改性瀝青機(jī)理研究還較少。

對于干法塑料改性瀝青機(jī)理研究主要借助濕法改性瀝青機(jī)理，集中在廢塑料顆粒在瀝青混合料中的分布情況上，目前的深入研究還很少，基本處于描述階段。研究表明，干法工藝中廢塑料顆粒在瀝青混合料中的分散和分布發(fā)生在拌和、運(yùn)輸、攤鋪及碾壓等筑路的全過程中。受制于體系復(fù)雜且無專門研究方法，具體的干法機(jī)理尚不明晰，可借鑒濕法中廢塑料改性機(jī)理進(jìn)一步研究。

3.2 廢塑料改性瀝青混合料機(jī)理

雖然塑料種類眾多、成分各異，但在改性瀝青效果上均發(fā)現(xiàn)：塑料提高瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度、抗車轍動(dòng)穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度；黏附性變好，凍融劈裂強(qiáng)度提高。這些作用可以借鑒纖維增強(qiáng)瀝青混合料的抗裂原理加以解釋，主要包括穩(wěn)定膠漿、界面增強(qiáng)和橋接增強(qiáng)等[50]。根據(jù)不同塑料與瀝青的相互作用及在混合料中的存在狀態(tài)，可將塑料改性瀝青混合料機(jī)理分為類瀝青作用、改性劑、類纖維增強(qiáng)和粗細(xì)集料等4 個(gè)類別進(jìn)行表述。

a）類瀝青的黏連作用。融化的塑料成分通過礦粉與瀝青一起形成膠漿裹附在石料表面，在石料與瀝青、石料與石料之間形成一個(gè)搭橋的作用，產(chǎn)生較大的黏結(jié)力，提高了瀝青混合料的黏結(jié)強(qiáng)度。通用塑料中PS、PVC 等因在瀝青中溶脹較小，本身又具有黏結(jié)性，主要通過類瀝青黏連發(fā)揮作用[26,27]。

b）類改性劑的黏連和網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)作用。通用塑料中的PE、PP 等在瀝青溶脹作用下，體積膨脹易在瀝青混合料中形成網(wǎng)構(gòu)搭橋增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度，本身也同瀝青一起通過礦粉形成膠漿發(fā)揮黏結(jié)和增稠作用。較高的溶脹作用雖然有利于形成網(wǎng)絡(luò)，但是因吸收了瀝青中輕質(zhì)組分，一方面也減少了混合料裹覆性，加之這類塑料低于其熔點(diǎn)后黏性減弱，混合料容易干澀和發(fā)散；但另一方面，黏附性較好的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)相對增加，瀝青混合料的耐水性能增加[33]。

c）類纖維的增強(qiáng)作用。PET 與瀝青相容性較差，也難以熔融（熔點(diǎn)達(dá)260 ℃），但因結(jié)晶度小和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，在混合料拌和過程中石料的撞擊和作用下可能分散呈纖維狀，起到類似纖維增強(qiáng)混凝土的作用，亦可認(rèn)為PE、PP 有類纖維增強(qiáng)瀝青混合料的作用[51-52]。

d）粗細(xì)集料作用。熱固性塑料、難以熔融的工程塑料和復(fù)合材料等，當(dāng)加入瀝青混合料中，形狀基本不發(fā)生改變，可認(rèn)為充當(dāng)集料作用[20,53]。

不同塑料對瀝青混合料有不同改性瀝青機(jī)理，但也要注意到塑料改性瀝青時(shí)，因塑料吸收瀝青成分，減少了瀝青的有效裹覆，會(huì)帶來混合料發(fā)澀、黏性變差等現(xiàn)象，帶來低溫收縮和疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn)增加。

4 廢塑料改性瀝青的性能

4.1 高低溫性能

不同種類的塑料在瀝青中或多或少發(fā)生溶脹，溶脹程度較高的聚烯烴類塑料形成類似SBS改性瀝青的強(qiáng)連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因其模量更高，導(dǎo)致抗車轍能力優(yōu)于常規(guī)SBS 改性瀝青。為提高SBS 改性瀝青混合料的抗車轍能力，常添加廢塑料基的抗車轍劑，用其復(fù)合改性瀝青既能提高路面的抗車轍性能和耐老化性能，又能節(jié)省工程造價(jià)[46]。我國路面因重載交通有較多車轍病害，近些年來塑料作為抗車轍劑，對路面高溫時(shí)重載路面或上坡、十字交叉路口路面的抗車轍效果明顯。

對于塑料改性瀝青及其混合料的低溫性能至今仍存在爭議。對于塑料改性瀝青，傳統(tǒng)的5 ℃延度和針入度試驗(yàn)、彎曲梁流變（BBR）、直接拉伸（DTT）、弗拉斯脆點(diǎn)和動(dòng)態(tài)機(jī)械分析（DMA）試驗(yàn)方法相繼被用于評(píng)價(jià)塑料改性瀝青的低溫性能，發(fā)現(xiàn)其低溫性能變差[54]。但從高分子物理角度來講，因PE 等塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，本身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又具有加筋增強(qiáng)作用，塑料顆粒在瀝青混合料中仍可作為體系的應(yīng)力集中點(diǎn)，耗散沖擊能，起到鈍化裂紋的能力[49]，混合料低溫破裂能增加，低溫性能變好。為進(jìn)一步改善塑料改性瀝青混合料的低溫性能，也借鑒塑料工業(yè)中橡膠增韌的理念，常采用塑料/橡膠復(fù)合路線，改善低溫性能[41-45,55]。還ｓ有采用廢機(jī)油復(fù)合的方法來改善低溫性能或相容性[56]。

4.2 疲勞性能和耐老化性能

塑料改性瀝青的疲勞性能是瀝青路面在使用過程中疲勞破壞的一種形式，受瀝青的流變性、自愈合和耐老化性影響。改性瀝青的疲勞性能通過SHRP 試驗(yàn)中G*sinδ來評(píng)價(jià)，也有通過LAS掃描來評(píng)價(jià)[57-58]，因塑料增加了模量和減少了自愈合性能，導(dǎo)致疲勞性能下降。

塑料本身分子鏈主鏈飽和耐老化性能優(yōu)良，因此WPMA 耐老化性能優(yōu)異。耐老化性能的提高主要是因?yàn)椋篧PMA 的瀝青膜厚度及黏度均高于基質(zhì)瀝青，瀝青與空氣接觸的機(jī)會(huì)被大大降低；廢塑料為飽和化學(xué)鍵鍵合而成的的高分子鏈，使得廢塑料在老化過程中發(fā)生可降低抗疲勞和低溫抗裂性能的降解反應(yīng)。WPMA 的耐老化性能研究主要集中在采用熱和紫外光模擬的室內(nèi)試驗(yàn)方式[59-60]。廢塑料、瀝青在老化過程中發(fā)生化學(xué)變化，廢塑料因吸收軟瀝青質(zhì)形成保護(hù)性的“倉庫”為主。

4.3 加工及環(huán)保性能

WPMA 在濕法加工時(shí)與SBS 改性瀝青相似。但因塑料改性瀝青難以穩(wěn)定的問題，現(xiàn)在廢塑料改性瀝青大都以干法使用。其混合料的施工溫度等工藝類似SBS 改性瀝青。但因塑料的熔融流變性質(zhì)與SBS 不同，容易造成改性瀝青混合料黏性不足，會(huì)比SBS 改性瀝青難壓實(shí)，并因塑料在壓實(shí)階段的結(jié)晶收縮等，造成路面出現(xiàn)微裂紋。

WPMA 加工環(huán)保性能主要依賴于回收塑料的來源及質(zhì)量，另外也受防離析穩(wěn)定化技術(shù)種類的影響。除PVC 或含鹵素的阻燃劑塑料外，塑料受熱較為穩(wěn)定，改性瀝青的環(huán)保性能較SBS 改性瀝青要好[6]。降低加工溫度、縮短加工時(shí)間、采用全封閉生產(chǎn)設(shè)備或增設(shè)尾氣處理設(shè)備等也可解決改性瀝青行業(yè)普遍存在的環(huán)保問題。

4.4 熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性能

WPMA 熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性包括儲(chǔ)存離析和熱氧老化引起性能變化兩方面。在熱儲(chǔ)存離析方面，由于廢塑料與瀝青間結(jié)合力較弱，密度較小的廢塑料在浮力作用下易上浮，而密度較大的廢塑料則發(fā)生下沉。以PE 改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性為例，經(jīng)強(qiáng)力分散后的PE 以細(xì)微顆粒形態(tài)彌散于瀝青中，布朗熱動(dòng)力引起PE 顆粒無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，顆粒間發(fā)生無數(shù)次相互碰撞；在表面能的作用下，一定概率的有效碰撞使顆粒結(jié)合，顆粒直徑不斷增長。PE 塑料微粒密度小于瀝青，受浮力作用凝聚在上層且離析程度隨塑料用量增加[61]。

改善WPMA 儲(chǔ)存穩(wěn)定性的方法主要有三類：第一類是塑料接枝改性，改變與瀝青的相容性；第二類是降低廢塑料的尺寸；第三類是與其他材料復(fù)合改變密度等。僅靠單一途徑難以妥善解決沉降問題，如減小廢塑料尺寸或接枝相容會(huì)提高成本等。一方面通過接枝方法，如接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯、MAH，加蒙脫土納米粒子降低塑料顆粒表面能，減少顆粒間的有效碰撞[62-68]。Hesp 等通過化學(xué)反應(yīng)使PE 微粒外包丁二烯-丙烯腈，用“空間位阻穩(wěn)定層”屏蔽分子間引力，阻止改性劑再結(jié)合[65]。高光濤等用LDPE 與SBS力化學(xué)共混，摻加反應(yīng)劑使SBS 與瀝青間形成化學(xué)鍵，制得穩(wěn)定的PE 復(fù)合改性瀝青[67]。利用“等密度法”，將炭黑、白炭黑與PE 共混提高穩(wěn)定性,后期還可將蒙脫土及廢橡膠制成復(fù)合材料，提高穩(wěn)定性[68]。這些嘗試雖提高了穩(wěn)定性，但沒有得到真正商業(yè)化應(yīng)用。

改性瀝青儲(chǔ)存過程中會(huì)發(fā)生瀝青和塑料的熱氧降解，為防止離析，都加以攪拌，EN13399 和ASTMD7173-11 都指定了該評(píng)價(jià)方法，但這樣會(huì)帶來瀝青的老化。因塑料比不飽和橡膠有更好的耐熱氧老化性能，老化過程中的性能衰減相比SBS 改性瀝青要小[62]。

5 廢塑料改性瀝青混合料的性能

廢塑料改變了瀝青的流變性能和混合料的黏結(jié)行為，下面從混合料的設(shè)計(jì)、高低溫性能、疲勞性能等幾方面對廢塑料改性瀝青及其混合料性能進(jìn)行評(píng)述。

5.1 混合料的設(shè)計(jì)

因塑料在瀝青混合料加工過程中有較好的變形追隨能力，混合料一般無需特殊設(shè)計(jì)，只需對瀝青含量適當(dāng)調(diào)整。WPMA 混合料相結(jié)構(gòu)與其級(jí)配、油石比以及廢塑料等參數(shù)密切相關(guān)，一般因塑料吸收瀝青溶脹，黏結(jié)的輕質(zhì)組分減少，溫度降低到熔點(diǎn)后更多的表現(xiàn)出類似纖維作用，因此油石比需要適量增加。對于WPMA 油石比，當(dāng)用于密級(jí)配（AC）時(shí)，一般要高于基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青，但油石比可采用范圍變寬。當(dāng)用于瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）時(shí)，可不使用纖維，WPMA 仍具有較好的膠漿穩(wěn)定性，相同油石比下，經(jīng)濟(jì)性更好。對于多孔大孔隙開級(jí)配（OGFC），WPMA 因其混合料模量較高，韌性不足，抗飛散能力不足。但對于OGFC 混合料，聚烯烴改性瀝青具有較好的耐油蝕性能[69-70]。

對于廢塑料改性瀝青的使用和設(shè)計(jì)，因其具有顯著提高瀝青混合料模量的特點(diǎn)，也可借鑒近期正式發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36143—2018《道路用高模量抗疲勞瀝青混合料》[71]。該“高模量抗疲勞瀝青混合料”的概念來源于法國高模量瀝青混合料，其混合料模量高、抗疲勞性能好、易壓實(shí)、施工均勻性好、表面密實(shí)不滲水，可提高路面的抗車轍、抗推移性能，延長維修間隔，節(jié)約養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

5.2 高低溫性能

塑料能在瀝青混合料中溶脹搭接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，明顯提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、高溫模量和抗車轍性能，但目前對塑料改性瀝青混合料低溫性能的評(píng)價(jià)還眾說紛紜。與SBS 改性瀝青混合料相比，塑料改性瀝青混合料的高溫性能更優(yōu)，而低溫性能更弱。

塑料改性瀝青低溫性能的爭議歸因于混合料的破壞準(zhǔn)則不確定，而且瀝青混合料對于時(shí)間、溫度、材料組成、路面結(jié)構(gòu)組合都十分敏感，況且應(yīng)力場（溫度、荷載、結(jié)構(gòu)）、模量場（時(shí)間、溫度）、材料強(qiáng)度場（石料、瀝青、石料-瀝青界面）等各個(gè)因素又相互影響[1]?；旌狭峡沽研阅艿脑u(píng)價(jià)方法，包括間接拉伸（IDT）、熱應(yīng)力約束試樣（TSRST）、三點(diǎn)彎曲、半圓彎曲（SCB）等試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)塑料對改性瀝青混合料低溫性能有提高作用。

5.3 水穩(wěn)定性能

因塑料吸收瀝青輕質(zhì)組分形成增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，加之剩余的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)成分相對增加，提高了瀝青的黏聚力和黏附力，增加了抗水性能[31,48]。隨著WPMA 的發(fā)展，減小廢塑料尺寸、降低廢塑料對界面的干涉作用，優(yōu)化界面黏附性和自身黏聚力，也可以達(dá)到提高WPMA 混合料耐水性的目的，機(jī)理值得深入研究。實(shí)驗(yàn)室中的浸水馬歇爾試驗(yàn)以及凍融循環(huán)試驗(yàn)僅能測定靜態(tài)作用下試件的耐水性能，而如何測定實(shí)際應(yīng)用中在動(dòng)態(tài)作用下的耐水性能，如高溫雨季時(shí)車輛碾壓，以及老化后材料的耐水性能將是未來的重點(diǎn)。

5.4 疲勞性能

改性瀝青混合料的疲勞性能則通過四點(diǎn)彎曲疲勞等方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。塑料改性瀝青及其混合料的疲勞性能研究發(fā)現(xiàn)，疲勞性能會(huì)比基質(zhì)瀝青下降。通過加入膠粉可提高PE 改性瀝青混合料的疲勞性能。近期研究表明，同等老化條件下的塑料改性瀝青，混合料的疲勞性能更優(yōu)，這與塑料改性瀝青的耐老化性能更優(yōu)有關(guān)[59,60]。因此，廢塑料改性瀝青混合料性能的好壞還存在爭議。

6 總結(jié)與展望

廢塑料用作瀝青改性劑是目前解決廢舊塑料“白色污染”問題最有價(jià)值和前景的途徑之一，廢塑料改性瀝青雖具有優(yōu)異的高溫性能，但是廢塑料改性瀝青技術(shù)目前存在熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性差、低溫性能有爭議和廢塑料混雜導(dǎo)致變異大的問題。我國在借鑒國外WPMA 理論和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上因地制宜，逐步發(fā)展適合國情、具有中國特色的WPMA，前景良好，但仍受到作用機(jī)理不明確、尚無統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范等因素的限制，還未達(dá)到兼具標(biāo)準(zhǔn)化、生態(tài)化和功能化的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)要求。

a）傳統(tǒng)廢塑料瀝青具有突出的高溫抗車轍性能，同時(shí)提高了耐老化、耐水等性能，但疲勞性能、低溫性能仍明顯低于SBS 改性瀝青，并且提高效果存在爭議。

b）塑料改性瀝青的效果濕法工藝優(yōu)于干法工藝，但濕法穩(wěn)定性問題仍未解決，干法廢塑料改性瀝青以其簡便性也得到大量應(yīng)用，干法抗車轍劑的使用已形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其機(jī)理仍需深入研究。

c）不同塑料改性瀝青的機(jī)理有所不同，可歸為類瀝青作用、改性劑、類纖維增強(qiáng)和粗細(xì)集料等4 個(gè)類別，其中聚烯烴改性瀝青的塑料溶脹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改性效果較佳。

d）廢塑料來源不穩(wěn)定，加之塑料在瀝青中的離析現(xiàn)象，造成塑料改性瀝青質(zhì)量難控制等問題。廢橡塑復(fù)合既解決了混雜塑料與廢橡膠的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定問題，又提高了低溫性能，是將來發(fā)展方向。

對未來WPMA 的建議或展望如下：

a）疲勞性能、低溫性能的改善。比如使用更軟的基質(zhì)瀝青、與橡膠類進(jìn)行復(fù)合、提高混合料中的瀝青用量、耐低溫性能好的混合料結(jié)構(gòu)。

b）進(jìn)行材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化設(shè)計(jì)。結(jié)合路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)WPMA 的高性能化。充分利用WPMA 優(yōu)異的高溫性能和耐老化性能，大力推進(jìn)WPMA 在長壽命路面中面層高模量化應(yīng)用。

c）加深對WPMA 改性和使用過程中的多尺度結(jié)構(gòu)的演化和路用性能變化的研究，關(guān)注WPMA 在未來的回收和高效再利用。推進(jìn)低品質(zhì)、雜膠廢塑料的使用，推進(jìn)發(fā)展覆蓋全廢塑料甚至全高分子固廢的處理技術(shù)。

d）加強(qiáng)對廢塑料終極填埋的處理方式的研究。比如工程塑料和復(fù)合熱固性塑料破碎后少量代替集料，考察環(huán)保效果。

e）無論塑料是否用于瀝青路面改性，最終還需進(jìn)行全壽命經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估，與現(xiàn)有SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青進(jìn)行長期使用性能和經(jīng)濟(jì)性的對比。從全價(jià)值鏈、最佳化的視角進(jìn)行全壽命周期評(píng)估。