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废轮胎胶粉应用缓解路建资源矛盾

时间:2015-03-19 来源:中国轮胎翻新与循环利用网 点击:

文 | 余  强

随着我国汽车工业的快速发展,废旧轮胎的产生量也在逐年增加,据相关资料报道,2013年我国废旧轮胎的年产生量已达近3亿条,重量约1000多万吨,这种橡胶固体废弃物永远不会自行降解消失,处置不当会给社会和环境带来巨大影响。

另一方面,伴随着国家经济的高速增长和汽车工业的发展,汽车轮胎的需求量迅速攀升,发达国家的轮胎企业如米其林、普利斯通、佳通等世界知名轮胎制造企业在华建立制造工厂,特别是发达国家的资源消耗型企业也纷纷将生产基地转移到内地,使原本就十分紧张的资源供求矛盾日益加剧。

目前,我国已成为世界上橡胶消耗第一大国,仅天然橡胶的消耗量就占世界总产量的20%以上,而我国的橡胶资源严重不足,仅占世界橡胶资源的10%不到,70%以上的橡胶资源靠进口,对外依存度很高,这对我们国家的经济建设及经济安全影响都很大。

随着我国经济持续增长,公路建设迅速发展,基础设施道路建设需求不断加大,近二十多年平均每年建成通车高速公路总里程达2000多公里,在建和待建的高速公路还有20000多公里。而且我国一些早期修建的高等级公路也相继进入大中修和改建阶段,平均每年约2000-3000公里。这将进一步加剧道路建设材料资源(石油沥青与合成橡胶)的供求矛盾。

因此,有效利用废旧轮胎资源是解决这个问题的好办法,利用废旧轮胎替代SBS、SBR等合成橡胶铺筑高等级公路建设,即能提高路用性能,延长道路使用寿命,又能降低成本,节约建设资金,是目前我国公路行业节能环保,废轮胎资源循环利用最佳模式。所以,有效利用再生资源固体废物--废轮胎改性道路沥青技术具有重大经济、社会和环保意义,不仅能消除固废物给环境带来的影响,而且还节约资源,有利于缓解我国石油和橡胶资源紧缺局面。将废旧轮胎加工成橡胶粉是国际上通用的废旧轮胎再生处理方法,其中废轮胎胶粉应用在公路行业中是废旧轮胎处理的主要途径之一。

橡胶粉在沥青混料中的作用机理

废轮胎橡胶粉来自汽车的废旧轮胎,轮胎胶粉中含有天然橡胶、合成橡胶、硫磺、碳黑、防老化剂和抗氧化剂等化学成分(如表1所示),这些成分对改善普通沥青的品质都十分有益。胶粉中含有一般25%~40%的天然橡胶,能够有效地提高沥青的软化点、改善沥青低温流动性、降低针入度、提高延度,使沥青产生可逆的弹性变形。因此,胶粉可以补充沥青老化而失去的软组分所具有的性能,从而延长沥青胶体老化周期,胶粉中的碳黑可以改善沥青的粘附性、耐久性和抗磨性、提高沥青混合料的抗车辙性能;硫磺硫化体系可以改善沥青的温度稳定性;胶粉中含有一定量的防老剂及紫外线吸收剂等能够有效提高改性沥青抗老化性能,延长道路使用寿命。

胶粉改性沥青是以15%~25%的胶粉作为改性剂的改性沥青,由于胶粉中含有较多有益成分,胶粉改性沥青能显著提高沥青的高、低温性能、抗疲劳性及抗老化性能,因此胶粉改性沥青已广泛成功应用于高速公路、高等级公路的建设及维修养护工程中。

表1  废轮胎胶粉主要化学成分
检测项目 载重车胎
天然橡胶(NR)  70
丁苯橡胶(SBR)  20
顺丁橡胶,  10
橡胶烃含量 % 48.2
硫磺, % 1.7
游离硫, % 0.03
无机硫, % 0.7
灰份, % 6.8
炭黑, % 29.5
SiO2, % 0.4
CaCO3, % 0.4
丙酮抽出物, % 9.6
 

利用废轮胎胶粉作为沥青改性剂制备胶粉改性沥青,胶粉颗粒与基质沥青在高温180℃左右充分混合,胶粉逐步发生熔胀、吸附、脱硫、降解等一系列物理化学反应,胶粉颗粒吸收沥青中的轻质组分而熔胀并粘聚,同时在颗粒表面形成沥青质含量较高的凝胶膜,随着反应时间的增加,胶粉颗粒通过凝胶膜连接,形成一个粘度较大的连续相混溶体系;伴随着胶粉颗粒与沥青的熔胀过程,部分胶粉颗粒还会发生脱硫和分子降解反应,交联剂硫、防老剂等外加剂和炭黑等活性成分会通过界面交换作用进入沥青胶体体系;而未裂解的胶粉颗粒在沥青悬浮液中均匀分布,最终形成较稳定的相混溶体系。

其作用机理可分为四个阶段:Ⅰ 胶粉颗粒体积熔胀阶段,沥青胶体结构发生转变(胶粉颗粒吸收沥青中的轻质组分),沥青中的胶粉吸附沥青中轻组分,使沥青组分产生迁移,沥青组分经过渗透、扩散进入胶粉网络,沥青质相对含量越来越多,从而使沥青胶体结构向溶凝胶型结构发育。Ⅱ 胶粉颗粒通过凝胶膜连接形成连续相体系,胶粉吸收沥青中的油分而熔胀,部分恢复了生胶性质,胶粉重新具有一定的粘性,能够较均匀地悬浮分散在沥青中,并通过凝胶膜相互连接,形成粘度较大的连续相体系,这种混溶体系不仅保持了基质沥青的主要物理力学性质,也在一定程度上恢复了胶粉部分生胶的粘性和可塑性,从而产生改性效果。Ⅲ 部分胶粉颗粒脱硫、降解,活性成分进入沥青胶体体系(部分化学改性作用),在高温机械搅拌作用下,胶粉发生适度裂解,变成小型网状结构和少量链状物,随着反应的进行,胶粉与沥青发生物质交换,胶粉中的硫、炭黑、二氧化硅、氧化铁等活性成分物质进入沥青胶体体系中,起到改善沥青温度敏感性、低温性能及耐老化性能的作用。Ⅳ 大部分胶粉颗粒对沥青有加劲作用,胶粉加入沥青中可形成加劲结构,胶粉三维随机分布,独立存在,构成连续相,胶粉间靠凝胶膜连接,熔胀后的胶粉与沥青组分之间存在一定化学链接,使混溶体系能够形成相容稳定结构。
 

在胶粉对沥青的改性过程中,橡胶粉颗粒随着目数的加大或粒径的减小,改性沥青的针入度、软化点、延度及粘度都会发生变化,软化点、弹性恢复和粘度有一定程度降低,而针入度和延度都有所提高。这是因为胶粉粒径不同造成的,胶粉的粒径越小,其比表面积越大,在高温沥青中越容易熔胀,在搅拌和研磨过程中越容易发生降解反应,使胶粉在沥青中的溶解性大为提高,这对沥青针入度、延度提升有利,但软化点会有不同程度的降低。而粒径大的胶粉在沥青中尽管也发生了熔胀降解反应,但始终还保留一定的硫化胶粉网状分子结构,并同沥青组分形成一定交联,使沥青的软化点和弹性恢复性能优于粒径小的胶粉,因此对沥青改性并非胶粉粒径越小越好,从产业化技术应用角度考虑,胶粉目数适中的级配胶粉综合改性效果较好。

胶粉改性沥青混合料技术

胶粉在沥青混合料中的作用机理与胶粉同沥青的作用机理紧密相关,无论是干法工艺还是湿法工艺,胶粉在高温拌和过程中均会与沥青发生一定程度的物理化学反应,使沥青变得更加粘稠,橡胶粉颗粒能够使沥青混凝土的弹性增加,从而缓解汽车荷载对路面的作用,改善路面的受力状态,延长路面的使用寿命。下面从几个方面分析胶粉对混合料技术性能的影响,客观评价胶粉改性沥青混凝土的路用性能。我们通过天津市市政工程研究院室内胶粉改性沥青混合料与SBS改性沥青混合料试验数据(见表3-1、3-2)对比研究,一般性地表征胶粉改性沥青混合料材料的优异性能。试验用SBS改性沥青为行标1-D标准,胶粉改性沥青为CRM-3标准(天津市废轮胎胶粉改性沥青路面技术规程DB/T29-161-2006)。

 

由数据可以看出,胶粉改性沥青混合料性能试验数据均满足交通部《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)技术规范要求。两种混合料级配的胶粉改性沥青与SBS改性沥青混合料技术性能试验数据基本相当,在高温抗车辙性能和低温抗开裂性能方面略高于SBS改性沥青混合料。

由此,国内外大量相关的试验研究和工程化应用表明,胶粉改性沥青材料,具有其它改性沥青无可比拟优良性能,用胶粉改性沥青铺设道路具有以下特点:

高温稳定性好:路面温度敏感性低,抗高温变形能力强

◆ 低温抗裂性好:橡胶改性沥青低温脆点低,路面抗裂性强

◆ 噪音低:减少交通噪音3-8分贝,相当于远离噪音源100米

◆ 抗湿滑性能高:具有抗滑性缩短刹车距离,提高安全系数

◆ 抗老化性能好:耐老化性比其它路面使用寿命延长5年以上

◆ 经济性好:材料成本低,可降低建设、维护费用。

诸多工程应用充分表征了胶粉改性沥青混合料优异的材料性能:

1、重载交通环境下高温抗车辙能力。如何改善沥青混合料的高温稳定性是业界一个重要课题,使用胶粉改性沥青混合料是一个经济有效的技术措施。比如,天津海泰环保公司提供CRM-3型(天津市废轮胎胶粉改性沥青路面技术规程DB/T29-161-2006)高掺比胶粉改性沥青,铺筑的大广高速公路LQ1-LQ3河北衡大段工程,胶粉改性沥青混料中掺加了23%的36目橡胶粉,高粘性,其高温抗车辙性能达到6717(次/mm),已经铺筑了四年多时间,几千万次的交通荷载作用下,铺装的结构层没有产生车辙。

2、应力吸收(防水粘结)层。近些年对沥青路面早期损坏调查发现,沥青路面水损坏和沥青面层与半刚性基层之间的层间粘结状态不理想,是两个主要的病害。在沥青路面中增设防水粘结层是有效技术措施,而胶粉改性沥青又是这种功能层的最优材料。

2008年,天津市公路局在空客A320大件运输通道改造工程,采用天津海泰环保公司提供CRM-3型胶粉改性沥青铺筑应力吸收层(防水粘结层),对水泥罩面改性施工,有效延缓反射裂缝的发生,功效明显,使用至今6年无修补。因此,胶粉改性沥青应力吸收层对于改善路面层间粘结、减少水损坏及抗剪十分有效。

3、低噪音沥青路面。橡胶粉在沥青混合料中的使用,是目前国际上降低路面噪音的技术措施之一。与沥青混合料相关级配技术措施结合使用,是适合我国绝大部分地区低噪音路面的使用方案,适用于城市及周边的快速路、风景名胜的旅游公路等。

结束语

胶粉改性沥青作为一种绿色环保道路材料,具有其他改性沥青无可比拟的优越性能,是实现固废物再循环利用的最成功模式之一,采用废轮胎胶粉改性沥青铺筑高等级公路建设,是行业技术发展大趋势。可以预计,胶粉改性沥青在今后相当长的时期内,在包括我国在内的世界各国,将会得到更加广泛的重视和使用。我国道路建设每年需要200多万吨改性沥青,但我国石油、橡胶资源紧缺,路用材料匮乏,将废轮胎胶粉用于道路建设,可缓解我国道路材料紧张状况,同时又会创造出巨大的经济、环境和社会效益,成为新的经济增长点,推动我国道路建设材料向“高质化、低成本、节约型”转型提升。

 

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