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废轮胎橡胶粉改性沥青的资源化应用

时间:2016-05-01    来源:中国轮胎循环利用网    点击:
——以京港澳高速公路为例

车莉昵1  张国华2   张顺佳2  岳燕敏2

(1. 天津海泰环保科技发展股份有限公司,300384,天津 2. 河北工业大学能源与环境工程学院,300401,天津)

摘  要:

废旧轮胎被称为“黑色污染”,其回收和处理技术一直是世界性难题。本文对国内外废轮胎的再利用现状做了调研分析,详细叙述了废轮胎胶粉改性沥青在公路上的应用情况。并从工艺流程、经济效益、公路性能等方面与基质沥青和SBS改性沥青做出了比较。最终得出废轮胎胶粉改性沥青的应用对于我国经济的发展具有重要的战略意义。

关键词:废轮胎  胶粉改性沥青   基质沥青  高速公路

 

引言

2015年我国汽车保有量达到 1.4 亿辆,产生的废旧轮胎数量近 3 亿条,重量达到 1080 万吨,如果包括摩托车等其他机动车用轮胎和助力车、自行车等非机动车用胎在内,废旧轮胎产生量已超过 4.5亿条,总重量达到 1380 万吨左右,折合天然橡胶资源约530万吨,相当于我国6.5年的天然橡胶产量, 预计2020年废旧轮胎产生量将超过2000万吨。 生产1吨低端轮胎约需3—4吨石油,生产1吨高端轮胎约需8吨石油,2000万吨轮胎约12000万吨石油,相当大庆油田3年、胜利油田4年的开采量1。 对于60%的石油和40% 以上的合成橡胶需要进口的中国来说,废旧轮胎的资源化再利用的战略意义非同一般。我国废橡胶综合利用已经形成了自己的模式,主要以生产再生橡胶为主以及发展硫化橡胶粉和胶粒的直接应用。近年来,废橡胶应用越来越广泛,比较突出的是橡胶改性技术的发展。经过多年的技术改进,胶粉改性沥青技术已成熟,已广泛应用到全国各地的道路、防水卷材施工中,节省了大量资源12

1 国内外废轮胎胶粉改性沥青的应用现状

美国应用胶改沥青铺路已有20多年,路面的热稳定性和防冻性都很好,而且可以减少维修费用。俄罗斯伏尔加格勒应用胶改沥青铺路, 减少了因路面湿滑引起的交通事故。英国萨里郡应用胶改沥青铺路,可减少70%的噪音。

我国废轮胎胶粉改性沥青应用于公路上已有十多年的历史,经过十多年的高负荷运行检验,在减少路面裂缝和提高路面的稳定性等方面均有良好的效果。2013年,包括京港澳在内的国内六条公路被作为绿色公路试点项目,均采用废胶粉改性沥青作为主体沥青。该产品大规模应用于有“天下第一路”之称的京港澳高速公路“京石高速改扩建工程”建设。该项目全长224公里,双向8车道,共应用10万多吨废轮胎胶粉改性沥青材料,节省SBS橡胶3000多吨、沥青16000多吨,共节省1亿多元投资,约300多万条废轮胎得到有效利用。京港澳高速公路“京石高速改扩建工程”是迄今为止在中外公路建设史上单条高速公路应用胶粉改性沥青最大的工程,交通部、河北省政府高度重视,它是我国第一条科技示范路和低碳环保示范路[2]

2 废轮胎胶粉改性沥青公路的性能

橡胶沥青是指将不少于15%的废轮胎胶粉添加到沥青中,在不低于200 ℃ 的温度下,经过长时间(不少于45min)的搅拌后制得的一种粘结材料。改性过程属于物理改性过程,胶改沥青的生产工艺流程:

胶粉改性沥青的性能优越,针入度、软化点、延度各项性能均满足指标要求(见表1)。针入度能够反映沥青的软硬程度,针入度越小,沥青越硬,夏季高温情况下不容易发软,适合用于南方地区,针入度越大,沥青越软,低温情况下不容易开裂,适合用于北方地区。软化点反映的是沥青软化时的温度。夏季高温时,由于沥青吸热,路面温度会很高,有的会超过60℃,普通沥青的软化点低,沥青容易软化,而胶粉改性沥青的软化点高,不会出现这样的问题35

表1 胶粉改性沥青产品性能指标 
  实测指标 合同要求指标
25℃针入度(0.1mm) 49-51 40-60
软化点(℃) 65-67 ≥60
180℃旋转黏度(Pa·S) 2.0-2.2 1.5-3.0
5℃延度(cm) 16 ≥10
闪点(℃) 260 ≥230
25℃弹性恢复(%) 86 ≥75
离析(软化点差,℃) 3.5 ≤5
TFOT后 质量变化(%) -0.1 ≤1
针入度比(%) 71 ≥65
5℃延度(cm) 11 ≥5
SBS改性剂添加量 (%) 2.1 ≥2
 
京石高速路面上层采用4cm细粒式改性沥青(SMA-13),中层采用6cm中粒式高掺比胶粉改性沥青(AC-16),下层采用6cm中粒式胶粉改性沥青(AC-20)三层改性沥青铺筑(见图1)。用废轮胎制备的胶粉(CRM)是硫化胶粉,常温下具有较好的稳定性,在-30℃~60℃温度下有良好的弹性和柔性。CRM的最大变形可达到1030%,无外力作用后可恢复变形67。因此胶粉改性沥青公路的高温抗车辙性能和低温抗裂性能明显比普通沥青好的多,京石高速公路的性能指标见表2。

表2 京石高速公路性能

油石比
 (%)
孔隙率
 (%)
矿料间隙
率(%)
沥青饱和度(%) 稳定度
(KN)
流值
(0.1mm)
4.6 4.9 14.7 73 12.7 32.5
试验项目 技术指标 结果
高温抗车辙性能 60℃动稳定度(次/mm)﹥3000   4890
低温抗裂性能 弯拉应变(me)﹥2800 3120
水稳定性   残留稳定度比(%)﹥85 87.3
  冻融劈裂强度比(%)﹥80 85.3  
 
3 废轮胎胶粉改性沥青与基质沥青和SBS改性沥青公路的性能研究

胶粉改性沥青公路在降低噪音、高温防软化、低温防开裂等方面都比基质沥青和SBS改性沥青有优势。胶粉改性沥青的成本价格比基质沥青的高,但是维修周期比基质沥青将近延长了一半,并且胶粉改性沥青公路的维修费用比基质沥青的还要低810。利用胶粉改性沥青铺路能够替代20%-33%的石油资源,而基质沥青和SBS改性沥青却不能,性能比较见表3。

表3 基质沥青、SBS改性沥青、胶粉改性沥青公路指标分析表 

  指标 /种类  普通沥青  SBS改性沥青  胶粉改性沥青 
性能
比较
降噪效果  无  一般  好 
刹车距离  较长  较短  短 
高、低温性能  弱  强  强 
使用寿命  较短  较长  长 
其他
比较
价格 
 
80% 115% 100%
油石比 
 
4.7-4.8% 5-5.3% 5-5.5%
混合料价格  80% 108% 100%
储存时间  ---- ---- 〉15天 
设备投入  ---- 较高  投入少、一对多 
路面维护费用 
 
高  较高  低 
  替代石油资源  0 0 20~33%
 
4 废轮胎胶粉改性沥青与基质沥青和SBS改性沥青公路的成本核算

SBS改性沥青中1吨基质沥青SBS改性剂的掺量为0.046吨,总价格为3623元;废轮胎胶粉改性沥青1吨基质沥青中胶粉掺量为0.2吨,总价格为2950元。单位质量基质沥青的废轮胎胶粉改性沥青的成本比单位质量基质沥青的SBS改性沥青的成本低18%。对于国内道路而言,胶粉改性沥青路面使用寿命可以达到15年,普通沥青路面寿命仅为6〜8年,则胶粉改性沥青路面的大修改造周期至少延长了7年。普通沥青和改性沥青每平米每厘米造价为:普通沥青 3.125元,胶粉改性沥青 4.375元 ,SBS改性沥青 5.375元10。以双向6车道(宽24m)公路为例,修建1km .4cm沥青表面层总造价为:普通沥青路面为110万元,胶粉改性沥青路面为122万元,SBS改性沥青路面为133万元。采用普通沥青使用8年重修4cm面层总费用贴现至起始年为58万元/km,则采用普通沥青铺路使用15年的总投入费用为168万元/km,而采用胶粉改性沥青铺路使用15年总投入费用122万元/km,采用SBS改性沥青铺路使用15年总投入费用为133万元/km。也就是说采用胶粉改性沥青路面可比普通沥青路面在使用期内总费用减少约50万元/km,比SBS改性沥青路面可节约约10万元/km1112

5 总结

将废橡胶粉加入沥青中,可以很好的改善沥青的高低温性能,兼顾了废橡胶回收再利用的需求与沥青材料低成本改性的需求。如果用废轮胎胶粉改性沥青铺设100公里公路,那么其成本可比普通沥青节约5000万元,可延长公路的使用寿命5-10年,可节约沥青石油资源4000吨,可以循环利用废轮胎750000条, 考虑道路维修带来的交通不便,以及加铺胶粉改性沥青路面后可使整体路面结构减薄等因素,其效益更为可观12。同时,胶粉改性沥青路面能大大改善道路的服务水平,提高行车的舒适性和安全性。还能起到一定的降噪效果,可以取代声屏障或隔音窗以及治理污染和节约资源,间接经济效益也十分明。
 
参考文献
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[11]夏玮. 废胶粉改性沥青及沥青混合料路用性能研究 [D][D]. 重庆: 重庆交通大学, 2009.
[12]李明亮. 废轮胎胶粉改性沥青材料的路用性能研究[D][J]. 大连理工大学, 2007.

作者简介

车莉昵,比利时根特大学硕士。天津海泰科技发展股份有限公司董事长助理,原天津CDM项目办公室常务副主任,废轮胎胶粉改性沥青CCER方法学开发项目开发小组副组长,带领团队为废轮胎循环利用行业应对气候变化开发第一个CCER方法学,引领废轮胎循环利用行业积极应对即将开放的全国碳交易市场。曾从事节能与清洁发展机制咨询、市场研究、政策研究等咨询工作,有丰富的国际、国内项目咨询经验。
 

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