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廢輪胎膠粉應用緩解路建資源矛盾

時間:2015-03-19 來源:中國輪胎翻新與循環利用網 點擊:

文 | 余  強

隨著我國汽車工業的快速發展,廢舊輪胎的產生量也在逐年增加,據相關資料報道,2013年我國廢舊輪胎的年產生量已達近3億條,重量約1000多萬噸,這種橡膠固體廢棄物永遠不會自行降解消失,處置不當會給社會和環境帶來巨大影響。

另一方面,伴隨著國家經濟的高速增長和汽車工業的發展,汽車輪胎的需求量迅速攀升,發達國家的輪胎企業如米其林、普利斯通、佳通等世界知名輪胎制造企業在華建立制造工廠,特別是發達國家的資源消耗型企業也紛紛將生產基地轉移到內地,使原本就十分緊張的資源供求矛盾日益加劇。

目前,我國已成為世界上橡膠消耗第一大國,僅天然橡膠的消耗量就占世界總產量的20%以上,而我國的橡膠資源嚴重不足,僅占世界橡膠資源的10%不到,70%以上的橡膠資源靠進口,對外依存度很高,這對我們國家的經濟建設及經濟安全影響都很大。

隨著我國經濟持續增長,公路建設迅速發展,基礎設施道路建設需求不斷加大,近二十多年平均每年建成通車高速公路總里程達2000多公里,在建和待建的高速公路還有20000多公里。而且我國一些早期修建的高等級公路也相繼進入大中修和改建階段,平均每年約2000-3000公里。這將進一步加劇道路建設材料資源(石油瀝青與合成橡膠)的供求矛盾。

因此,有效利用廢舊輪胎資源是解決這個問題的好辦法,利用廢舊輪胎替代SBS、SBR等合成橡膠鋪筑高等級公路建設,即能提高路用性能,延長道路使用壽命,又能降低成本,節約建設資金,是目前我國公路行業節能環保,廢輪胎資源循環利用最佳模式。所以,有效利用再生資源固體廢物--廢輪胎改性道路瀝青技術具有重大經濟、社會和環保意義,不僅能消除固廢物給環境帶來的影響,而且還節約資源,有利于緩解我國石油和橡膠資源緊缺局面。將廢舊輪胎加工成橡膠粉是國際上通用的廢舊輪胎再生處理方法,其中廢輪胎膠粉應用在公路行業中是廢舊輪胎處理的主要途徑之一。

橡膠粉在瀝青混料中的作用機理

廢輪胎橡膠粉來自汽車的廢舊輪胎,輪胎膠粉中含有天然橡膠、合成橡膠、硫磺、碳黑、防老化劑和抗氧化劑等化學成分(如表1所示),這些成分對改善普通瀝青的品質都十分有益。膠粉中含有一般25%~40%的天然橡膠,能夠有效地提高瀝青的軟化點、改善瀝青低溫流動性、降低針入度、提高延度,使瀝青產生可逆的彈性變形。因此,膠粉可以補充瀝青老化而失去的軟組分所具有的性能,從而延長瀝青膠體老化周期,膠粉中的碳黑可以改善瀝青的粘附性、耐久性和抗磨性、提高瀝青混合料的抗車轍性能;硫磺硫化體系可以改善瀝青的溫度穩定性;膠粉中含有一定量的防老劑及紫外線吸收劑等能夠有效提高改性瀝青抗老化性能,延長道路使用壽命。

膠粉改性瀝青是以15%~25%的膠粉作為改性劑的改性瀝青,由于膠粉中含有較多有益成分,膠粉改性瀝青能顯著提高瀝青的高、低溫性能、抗疲勞性及抗老化性能,因此膠粉改性瀝青已廣泛成功應用于高速公路、高等級公路的建設及維修養護工程中。

表1  廢輪胎膠粉主要化學成分
檢測項目 載重車胎
天然橡膠(NR)  70
丁苯橡膠(SBR)  20
順丁橡膠,  10
橡膠烴含量 % 48.2
硫磺, % 1.7
游離硫, % 0.03
無機硫, % 0.7
灰份, % 6.8
炭黑, % 29.5
SiO2, % 0.4
CaCO3, % 0.4
丙酮抽出物, % 9.6
 

利用廢輪胎膠粉作為瀝青改性劑制備膠粉改性瀝青,膠粉顆粒與基質瀝青在高溫180℃左右充分混合,膠粉逐步發生熔脹、吸附、脫硫、降解等一系列物理化學反應,膠粉顆粒吸收瀝青中的輕質組分而熔脹并粘聚,同時在顆粒表面形成瀝青質含量較高的凝膠膜,隨著反應時間的增加,膠粉顆粒通過凝膠膜連接,形成一個粘度較大的連續相混溶體系;伴隨著膠粉顆粒與瀝青的熔脹過程,部分膠粉顆粒還會發生脫硫和分子降解反應,交聯劑硫、防老劑等外加劑和炭黑等活性成分會通過界面交換作用進入瀝青膠體體系;而未裂解的膠粉顆粒在瀝青懸浮液中均勻分布,最終形成較穩定的相混溶體系。

其作用機理可分為四個階段:Ⅰ 膠粉顆粒體積熔脹階段,瀝青膠體結構發生轉變(膠粉顆粒吸收瀝青中的輕質組分),瀝青中的膠粉吸附瀝青中輕組分,使瀝青組分產生遷移,瀝青組分經過滲透、擴散進入膠粉網絡,瀝青質相對含量越來越多,從而使瀝青膠體結構向溶凝膠型結構發育。Ⅱ 膠粉顆粒通過凝膠膜連接形成連續相體系,膠粉吸收瀝青中的油分而熔脹,部分恢復了生膠性質,膠粉重新具有一定的粘性,能夠較均勻地懸浮分散在瀝青中,并通過凝膠膜相互連接,形成粘度較大的連續相體系,這種混溶體系不僅保持了基質瀝青的主要物理力學性質,也在一定程度上恢復了膠粉部分生膠的粘性和可塑性,從而產生改性效果。Ⅲ 部分膠粉顆粒脫硫、降解,活性成分進入瀝青膠體體系(部分化學改性作用),在高溫機械攪拌作用下,膠粉發生適度裂解,變成小型網狀結構和少量鏈狀物,隨著反應的進行,膠粉與瀝青發生物質交換,膠粉中的硫、炭黑、二氧化硅、氧化鐵等活性成分物質進入瀝青膠體體系中,起到改善瀝青溫度敏感性、低溫性能及耐老化性能的作用。Ⅳ 大部分膠粉顆粒對瀝青有加勁作用,膠粉加入瀝青中可形成加勁結構,膠粉三維隨機分布,獨立存在,構成連續相,膠粉間靠凝膠膜連接,熔脹后的膠粉與瀝青組分之間存在一定化學鏈接,使混溶體系能夠形成相容穩定結構。
 

在膠粉對瀝青的改性過程中,橡膠粉顆粒隨著目數的加大或粒徑的減小,改性瀝青的針入度、軟化點、延度及粘度都會發生變化,軟化點、彈性恢復和粘度有一定程度降低,而針入度和延度都有所提高。這是因為膠粉粒徑不同造成的,膠粉的粒徑越小,其比表面積越大,在高溫瀝青中越容易熔脹,在攪拌和研磨過程中越容易發生降解反應,使膠粉在瀝青中的溶解性大為提高,這對瀝青針入度、延度提升有利,但軟化點會有不同程度的降低。而粒徑大的膠粉在瀝青中盡管也發生了熔脹降解反應,但始終還保留一定的硫化膠粉網狀分子結構,并同瀝青組分形成一定交聯,使瀝青的軟化點和彈性恢復性能優于粒徑小的膠粉,因此對瀝青改性并非膠粉粒徑越小越好,從產業化技術應用角度考慮,膠粉目數適中的級配膠粉綜合改性效果較好。

膠粉改性瀝青混合料技術

膠粉在瀝青混合料中的作用機理與膠粉同瀝青的作用機理緊密相關,無論是干法工藝還是濕法工藝,膠粉在高溫拌和過程中均會與瀝青發生一定程度的物理化學反應,使瀝青變得更加粘稠,橡膠粉顆粒能夠使瀝青混凝土的彈性增加,從而緩解汽車荷載對路面的作用,改善路面的受力狀態,延長路面的使用壽命。下面從幾個方面分析膠粉對混合料技術性能的影響,客觀評價膠粉改性瀝青混凝土的路用性能。我們通過天津市市政工程研究院室內膠粉改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料試驗數據(見表3-1、3-2)對比研究,一般性地表征膠粉改性瀝青混合料材料的優異性能。試驗用SBS改性瀝青為行標1-D標準,膠粉改性瀝青為CRM-3標準(天津市廢輪胎膠粉改性瀝青路面技術規程DB/T29-161-2006)。

 

由數據可以看出,膠粉改性瀝青混合料性能試驗數據均滿足交通部《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)技術規范要求。兩種混合料級配的膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青混合料技術性能試驗數據基本相當,在高溫抗車轍性能和低溫抗開裂性能方面略高于SBS改性瀝青混合料。

由此,國內外大量相關的試驗研究和工程化應用表明,膠粉改性瀝青材料,具有其它改性瀝青無可比擬優良性能,用膠粉改性瀝青鋪設道路具有以下特點:

高溫穩定性好:路面溫度敏感性低,抗高溫變形能力強

◆ 低溫抗裂性好:橡膠改性瀝青低溫脆點低,路面抗裂性強

◆ 噪音低:減少交通噪音3-8分貝,相當于遠離噪音源100米

◆ 抗濕滑性能高:具有抗滑性縮短剎車距離,提高安全系數

◆ 抗老化性能好:耐老化性比其它路面使用壽命延長5年以上

◆ 經濟性好:材料成本低,可降低建設、維護費用。

諸多工程應用充分表征了膠粉改性瀝青混合料優異的材料性能:

1、重載交通環境下高溫抗車轍能力。如何改善瀝青混合料的高溫穩定性是業界一個重要課題,使用膠粉改性瀝青混合料是一個經濟有效的技術措施。比如,天津海泰環保公司提供CRM-3型(天津市廢輪胎膠粉改性瀝青路面技術規程DB/T29-161-2006)高摻比膠粉改性瀝青,鋪筑的大廣高速公路LQ1-LQ3河北衡大段工程,膠粉改性瀝青混料中摻加了23%的36目橡膠粉,高粘性,其高溫抗車轍性能達到6717(次/mm),已經鋪筑了四年多時間,幾千萬次的交通荷載作用下,鋪裝的結構層沒有產生車轍。

2、應力吸收(防水粘結)層。近些年對瀝青路面早期損壞調查發現,瀝青路面水損壞和瀝青面層與半剛性基層之間的層間粘結狀態不理想,是兩個主要的病害。在瀝青路面中增設防水粘結層是有效技術措施,而膠粉改性瀝青又是這種功能層的最優材料。

2008年,天津市公路局在空客A320大件運輸通道改造工程,采用天津海泰環保公司提供CRM-3型膠粉改性瀝青鋪筑應力吸收層(防水粘結層),對水泥罩面改性施工,有效延緩反射裂縫的發生,功效明顯,使用至今6年無修補。因此,膠粉改性瀝青應力吸收層對于改善路面層間粘結、減少水損壞及抗剪十分有效。

3、低噪音瀝青路面。橡膠粉在瀝青混合料中的使用,是目前國際上降低路面噪音的技術措施之一。與瀝青混合料相關級配技術措施結合使用,是適合我國絕大部分地區低噪音路面的使用方案,適用于城市及周邊的快速路、風景名勝的旅游公路等。

結束語

膠粉改性瀝青作為一種綠色環保道路材料,具有其他改性瀝青無可比擬的優越性能,是實現固廢物再循環利用的最成功模式之一,采用廢輪胎膠粉改性瀝青鋪筑高等級公路建設,是行業技術發展大趨勢??梢灶A計,膠粉改性瀝青在今后相當長的時期內,在包括我國在內的世界各國,將會得到更加廣泛的重視和使用。我國道路建設每年需要200多萬噸改性瀝青,但我國石油、橡膠資源緊缺,路用材料匱乏,將廢輪胎膠粉用于道路建設,可緩解我國道路材料緊張狀況,同時又會創造出巨大的經濟、環境和社會效益,成為新的經濟增長點,推動我國道路建設材料向“高質化、低成本、節約型”轉型提升。

 

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