1. 引言
近年来，随着经济和工业的快速发展，塑料制品的广泛应用导致塑料废弃物产量持续增长，给环境治理带来了巨大压力[1]。如何有效回收利用废弃塑料，已成为资源再利用和环境保护领域的重要课题。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为一种常见的热塑性塑料，其回收利用价值高，且在建筑、交通等领域具有广泛的应用潜力[2] [3]。将废PET塑料应用于沥青改性中，不仅可降低工程材料成本，还可有效减少塑料废弃物对环境的负面影响，实现资源化利用与生态效益的双重提升。
已有研究表明，塑料聚合物用于沥青改性能显著提升沥青混合料的力学性能，尤其是在抗车辙性能、刚度与耐久性方面表现突出[4] [5]。与传统商用弹性体聚合物相比，废塑料具备一定的工程性能优势及经济环保效益。马子嵘采用离析试验和动态流变试验研究四种废旧塑料(PE、PP、PVC、PS)对沥青的改性效果，分析了流变特性与相容性之间的关系，发现PE改性沥青具有最佳相容性[6]。王枫成梳理了废旧塑料对沥青及沥青混合料高温、低温、抗老化和疲劳性能的改善作用，分析了目前存在的问题，并展望了未来沥青道路工程用废旧塑料的研究方向[7]。苏凯从废塑料材料性质、回收利用现状和道路工程应用情况等角度进行了综述并分析了其难以利用的根源；从废塑料与沥青的作用原理出发，调研与综述了废塑料、改性沥青的结构与混合料性能关系、混合料特征与常用的优化方法[8]。滕士如对外掺PET塑料颗粒对沥青混凝土路用性能影响开展了研究，发现外掺PET塑料颗粒可以提高沥青混凝土的路用性能，结合基础试验及实际工程，推荐4% PET塑料颗粒为最适宜掺量[9]。刘新成利用PET作为SBS改性沥青的改性剂，有效提升了SBS改性沥青的流变性能[10]。当前国内对废PET在沥青中的应用研究仍处于起步阶段，相关文献多集中于原生塑料改性，而对再生塑料、尤其是生活来源废PET的研究较少[11]-[13]。此外，不同掺量对改性效果的影响尚缺乏系统性实验数据支撑，对混合料长期使用性能的研究亦较为有限。
沥青混合料的耐久性主要体现在其抵抗温度变化、荷载作用以及环境老化等外部因素影响下保持结构稳定的能力[14]。已有研究指出，适量添加废塑料可改善混合料的和易性、稳定性及抗车辙能力，尤其在高温条件下的变形控制方面表现良好[15]-[17]。然而，过量掺入可能导致沥青粘结剂性能劣化，如脆性增加、低温抗裂性下降等问题[18] [19]。因此，确定合理的废塑料掺量，并系统评估其对改性沥青工程性能的影响，是推动废塑料资源化利用的关键。
基于上述背景，本研究选取生活来源的废PET塑料作为改性材料，通过干法掺入不同掺量的废PET (0%、2%、4%、6%、8%)制备改性沥青，并从沥青粘结剂和混合料两个层面开展系统性能评价。采用动态剪切流变仪(DSR)与旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)测试改性沥青的高温性能及老化特性，结合马歇尔试验与车辙试验分析混合料的力学与抗变形性能。研究旨在明确废PET对沥青工程性能的具体影响，探索其在路面材料中的应用可行性，为推动废塑料高值化利用与绿色道路建设提供理论依据与技术支撑。
2. 试验材料和方法
2.1. 试验材料
本研究所使用的沥青为金陵70#基质沥青，沥青的物理性能如表1所示。废弃塑料瓶(PET)来源于本地，经清洗后粉碎至0.45 mm的颗粒尺寸，用作沥青改性剂。研究所用PET材料如图1所示。沥青混合料选用典型的用于路面上面层的AC-13密级配沥青混合料，集料选用花岗岩。表2列出了所用集料的物理性能，表3为配合比设计集料筛分实验结果。
Table 1. Asphalt test index
表1. 沥青试验指标
试验项目 |
单位 |
试验结果 |
试验规程 |
135℃旋转粘度 |
Pa∙s |
0.53 |
T0625 |
针入度 |
0.1 mm |
40.2 |
T0604 |
闪点 |
℃ |
260 |
T0611 |
Figure 1. (A) Waste PET plastic; (B) After grinding the plastic; (C) Preparation of modified asphalt; (D) PET modified asphalt
图1. (A) 废旧PET塑料；(B) 塑料研磨后；(C) 改性沥青制备；(D) PET改性沥青
Table 2. Aggregate performance test index
表2. 集料性能试验指标
检验项目 |
检验结果 |
技术要求 |
试验规程 |
压碎值，% |
19.3 |
≤28 |
T0316 |
洛杉矶磨耗值，% |
15.4 |
≤30 |
T0317 |
针片状颗粒含量，% |
4.75~9.5 mm |
15.7 |
≤20 |
T0312 |
≥9.5 mm |
7.3 |
≤15 |
与沥青的粘附性等级 |
4 |
≥4 |
T0616 |
软弱颗粒含量，% |
1.7 |
≤5 |
T0320 |
Table 3. Aggregate screening test results
表3. 集料筛分试验结果
筛分尺寸(mm) |
下限 |
上限 |
优选级配 |
19 |
100 |
100 |
100 |
13.2 |
90 |
100 |
93 |
9.5 |
72 |
83 |
77 |
6.7 |
54 |
71 |
62.5 |
4.75 |
43 |
61 |
53.5 |
2.36 |
28 |
45 |
35.5 |
1.18 |
19 |
35 |
28.5 |
0.6 |
13 |
27 |
20.5 |
0.3 |
9 |
20. |
14 |
0.15 |
6 |
13 |
8.5 |
0.075 |
4 |
7 |
5 |
2.2. 样品制备与测试
样品制备分为两个阶段：塑料改性沥青粘结剂样品制备和塑料改性沥青混合料样品制备。
在第一阶段，通过高剪切混合工艺制备不同掺量的PET改性沥青样品，PET质量占沥青的比例分别为0%、4%、6%和8%。结合多次预实验结果，确定最优混合工艺参数为：温度180℃，混合时间40分钟，剪切转速2000 rpm。采用动态剪切流变仪(DSR)对改性与未改性的沥青粘结剂进行测试，评估其粘弹性性能、刚度模量与弹性响应，并考察短期老化前后的抗车辙性能。为分析废PET改性沥青的温度敏感性，试验在50℃、58℃、60℃、64℃和70℃多个温度下进行。
第二阶段采用湿拌法，将改性沥青与集料混合，制备塑料改性沥青混合料。混合料中PET掺量控制在4%至8%，混合料最佳沥青用量为4.9%。为满足区域工程要求，采用占干集料质量1.5%的水合石灰作为矿粉填料。为全面评估PET对混合料性能的影响，开展了马歇尔稳定度试验、马歇尔流值试验、马歇尔指数计算以及车辙试验，分析混合料在结构稳定性与高温变形抵抗能力方面的性能表现。
3. 结果与讨论
3.1. 老化前PET改性沥青流变特性
为了评估沥青粘结剂的抗车辙性能，开展了动态剪切流变(DSR)试验。试验结果表明，所有PET改性样品均表现出良好的抗车辙性能指标，达到可接受水平。如图2和图3所示，相较于未改性的基质沥青，PET改性沥青样品在高温(70℃)条件下表现出更高的复合剪切模量(G*)和更大的相位角(δ)，说明其高温刚度和抗永久变形能力显著增强。改性粘结剂在高温下不易发生形变，从而提升了其抗车辙性能。
随着温度的升高，PET改性样品仍保持较强的刚度和弹性性能，体现出良好的温度稳定性。这种性能提升归因于PET颗粒在沥青质相中的均匀分散和一定程度的物理膨胀效应，使得改性沥青的粘度和和易性得到改善。图中所示的G*和δ的变化趋势进一步验证了PET与沥青基体之间的良好相容性，表明PET的加入有效增强了粘结剂的弹性和变形恢复能力。这一现象可能与PET在沥青中的特性及其所引发的微观结构调整密切相关，进一步支持了PET在改性沥青中的应用潜力。
Figure 2. The complex modulus of unaged PET modified asphalt
图2. 未老化PET改性沥青的复数模量
Figure 3. The phase Angle of unaged modified asphalt
图3. 未老化改性沥青的相位角
3.2. 老化后PET改性沥青流变特性
图4和图5展示了不同PET掺量对RTFOT老化后沥青粘结剂粘弹性性能的影响。通过动态剪切流变(DSR)测试，在50℃至70℃范围内对改性沥青的复合剪切模量(G*)与相位角(δ)进行了表征，以评估其温度敏感性与抗老化性能。
从图4可见，随着PET掺量的增加，G*值在各测试温度下均有所提高，说明改性沥青在老化后仍保持较高的刚度，有利于抵抗高温下的永久变形。同时，图5中的相位角结果显示，6%~8% PET掺量显著降低了δ值，相较于未改性沥青，表现出更强的弹性响应。这一趋势表明，PET的引入增强了粘结剂的弹性模量，抑制了粘结剂在热氧化老化过程中的弹性退化。
此外，PET改性沥青样品表现出更低的热氧化硬化程度，说明其具有更优的抗老化能力。与未改性样品相比，改性粘结剂在老化后维持了更好的柔韧性与结构稳定性，降低了裂缝扩展和永久变形的风险。这种性能提升可归因于PET颗粒在沥青质中的分散作用及其对分子结构稳定性的增强，从而改善了沥青与集料之间的黏附性与协同变形能力，提升了材料整体的耐久性与抗裂性能。
Figure 4. The complex modulus of modified asphalt after aging
图4. 老化后改性沥青的复数模量
Figure 5. The phase angle of modified asphalt after aging
图5. 老化后改性沥青的相位角
3.3. 马歇尔试验结果
马歇尔试验主要用于评估沥青混合料在重复交通荷载作用下的抗破坏与抗车辙变形能力。图6至图8分别展示了不同PET掺量下的马歇尔稳定性、马歇尔流值以及马歇尔商(MarshallQuotient, MQ)。
从图6可以看出，随着PET掺量的增加，混合料的马歇尔稳定性显著提高，表明塑料改性沥青具有更强的抗剪切破坏和变形能力。马歇尔稳定性作为评价沥青混合料抗变形能力的关键指标，直接反映其在承受交通荷载时的结构稳定性和抗车辙性能。图7显示，随着PET掺量的增加，混合料的马歇尔流值呈下降趋势，说明材料刚度增强，变形能力减弱。
马歇尔商(MQ)是马歇尔稳定性与流值之比，常被用于评价沥青混合料的抗车辙性能。图8所示结果表明，6%和8%的PET掺量显著提升了混合料的MQ值，说明其抗永久变形能力明显增强。虽然PET的加入对稳定性具有积极作用，但同时会导致混合料的流值降低，表现出一定的脆性趋势。该现象与已有研究结果一致。
Figure 6. Marshall stability result
图6. 马歇尔稳定度结果
Figure 7. Flow value test results
图7. 流值试验结果
Figure 8. The result of the Marshall quotient test
图8. 马歇尔商试验结果
PET粒子的掺入提升了改性沥青在剪切混合过程中的分散均匀性，从而提高了混合料的整体刚度和结构完整性。这种均匀分布有效改善了骨料–粘结剂界面的黏附性，有助于增强材料的承载与抗剪性能。较高的MQ值进一步说明了改性混合料在高温条件下的抗车辙能力显著增强，表明其长期服役性能更优。此外，图6~8中的数据回归分析结果显示，马歇尔稳定性、流值和MQ值与PET掺量之间的拟合相关系数分别为R2 = 0.985、R2 = 0.979和R2 = 0.988，具有较强的相关性，验证了PET改性对沥青混合料力学性能提升的有效性。
3.4. 车辙试验结果
车辙是影响路面结构性能和使用寿命的主要病害之一，尤其在高温环境下更为显著。研究表明，车辙变形与沥青粘结剂对温度与应力的敏感性密切相关，尤其在使用改性粘结剂时更为复杂。因此，评估改性沥青对混合料抗车辙性能的影响对于优化路用性能具有重要意义。
车辙试验中所用数据为每种PET掺量下测得的三个样本结果的平均值。图9展示了不同PET掺量对混合料车辙深度的影响。与未改性的基质沥青(0% PET)相比，掺加4%、6%和8%废PET塑料的改性沥青混合料表现出更低的车辙深度，平均值分别为8.82 mm、5.59 mm和3.25 mm，表明废PET的引入显著提高了混合料的抗永久变形能力。这一性能改善可归因于PET塑料与基质沥青在物理和化学特性方面的差异。在高剪切混合过程中，PET与沥青之间可能发生化学反应和物理嵌合，改变了改性粘结剂的微观结构和颗粒分布，增强了其宏观工程性能。特别是，PET的分子结构和其在沥青基体中的分散状态导致了材料弹性的提升。这种弹性增强可能源于分子链之间的键合作用和聚集结构的形成，从而提高了混合料在高温下抵抗剪切和压缩应力的能力
Figure 9. The influence of PET plastic content on rutting
图9. PET塑料含量对车辙的影响
4. 结论
在温度波动显著的环境条件下，沥青路面易受到开裂与车辙等结构性损伤：低温会导致热缩开裂，中等温度诱发疲劳损伤，而高温则易产生车辙变形。基于这一特点，通过添加外部改性剂以优化沥青混合料的组成相，可显著改善其工程性能。本研究以废聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料为改性剂，通过高剪切工艺将其掺入沥青粘结剂中，从而制备改性沥青混合料。研究的主要结论如下：
(1) 动态剪切流变仪(DSR)测试结果表明，PET改性沥青在降低沥青粘结剂高温变形敏感性方面表现优异，显著提高了其抗车辙能力。随着PET掺量的增加，复合剪切模量显著升高，相位角下降，表明材料弹性增强。在50℃~70 ℃测试温度范围内，PET改性样品表现出更优的抗车辙性能。
(2) 经短期热氧化老化(RTFOT)处理后，PET改性沥青样品仍表现出较高的剪切模量和更低的相位角，说明其具备较强的抗老化能力与较好的高温弹性。这表明PET添加剂可有效增强混合料在施工及服役早期阶段的耐久性。
(3) 马歇尔试验结果显示，废PET改性混合料具备更高的刚度和稳定性，能够更有效地抵抗重载条件下的剪切应力。相较于基质沥青混合料，对应的马歇尔稳定性值显著提高，尽管对马歇尔流量的影响较小。马歇尔商(MQ)值的升高进一步验证了改性混合料在抗永久变形性能方面的优势。
(4) 掺加8%废PET的改性沥青混合料在车辙试验中表现出最佳性能，显著降低了车辙深度，提高了抗变形能力。这一结果支持了废塑料作为沥青增强材料在高温稳定性方面的潜力。
NOTES
*通讯作者。