廢胎原液改性瀝青生產(chǎn)工藝研究

王啟明，岳學(xué)軍，劉玉恒

（1.云南省公路投資開發(fā)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650000；2.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南省高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，河南 鄭州 450000）

廢胎原液改性瀝青生產(chǎn)工藝研究

王啟明1，岳學(xué)軍2，劉玉恒3

（1.云南省公路投資開發(fā)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650000；2.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南省高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，河南 鄭州 450000）

為了改善橡膠瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性差、質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，通過對(duì)廢胎原液改性瀝青生產(chǎn)及改性機(jī)理的分析，對(duì)其制備條件及生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，得到了膠粉摻量、剪切時(shí)間、剪切溫度、活化劑摻量對(duì)產(chǎn)品性能的影響，推薦出最佳工藝參數(shù)。采用常壓、高速剪切對(duì)不同橡膠粉摻量、剪切時(shí)間、剪切溫度、活化劑摻量的廢胎原液改性瀝青進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果表明：廢胎原液改性瀝青具有良好的高溫性能、低溫性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

廢胎原液；改性瀝青；橡膠瀝青；儲(chǔ)存穩(wěn)定性

0 引 言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生的廢舊輪胎也越來越多，給社會(huì)和環(huán)境帶來巨大的壓力，導(dǎo)致了“黑色污染”。另一方面，廢舊輪胎作為一種可再生資源，其產(chǎn)品以及延伸制品可廣泛地應(yīng)用于橡膠、化工和交通等國民經(jīng)濟(jì)重要產(chǎn)業(yè)。

廢橡膠、廢舊輪胎的再生利用技術(shù)作為資源再生利用技術(shù)，已在2012年被國家發(fā)改委列入了戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄。中國交通運(yùn)輸行業(yè)在“十二五”發(fā)展規(guī)劃中，明確提出了推行低碳、環(huán)保、節(jié)能道路建養(yǎng)技術(shù)體系的要求。因此，如何合理利用廢舊輪胎，實(shí)現(xiàn)橡膠資源充分再利用，防止環(huán)境污染，是一個(gè)具有重大意義的問題。

1 橡膠瀝青存在的問題

目前，橡膠瀝青以其良好的高低溫性能、應(yīng)力吸收能力和降噪性能，被廣泛地應(yīng)用于公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)的表面封層、應(yīng)力吸收層、瀝青混凝土拌和等領(lǐng)域［1］，但橡膠瀝青在生產(chǎn)和使用的過程中仍然存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）橡膠瀝青在生產(chǎn)和使用過程中，是一個(gè)漫長的脫硫塑化過程，隨著時(shí)間的變化，性能不穩(wěn)定。

（2）溶脹的橡膠粉有膠核存在，不能完全溶解，同時(shí)由于膠粉的密度大于基質(zhì)瀝青的密度，因此橡膠瀝青容易發(fā)生分層離析現(xiàn)象。

（3）膠核的存在使橡膠瀝青混凝土具有較大的彈性，導(dǎo)致混凝土在壓實(shí)完成后產(chǎn)生回彈，壓實(shí)度控制難度較大。

2 生產(chǎn)工藝及改性機(jī)理

廢胎原液改性瀝青是以道路石油瀝青為主要反應(yīng)介質(zhì)，根據(jù)相似相溶的基本原理，將廢舊輪胎橡膠粉投入石油瀝青中，輔以化學(xué)添加劑，在溫度、機(jī)械攪拌等條件下發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化，打破原來的交聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)，使橡膠內(nèi)的S－S鍵及C－S鍵產(chǎn)生斷裂，從而高聚物分子可以較為徹底地溶脹和脫硫塑化，形成廢胎原液，如圖1所示。

圖1 廢胎原液改性瀝青生產(chǎn)機(jī)理

在此過程中，瀝青中的輕質(zhì)油分被吸附，瀝青粘度增加，輪胎橡膠粉發(fā)生裂解，交聯(lián)劑硫、丙酮抽出物、抗老化劑、鋅化合物等外加劑和部分碳黑等活性成分通過界面交換作用進(jìn)入瀝青中，從而使得瀝青的高、低溫性能及抗老化性能得到改善；另一方面，由于脫硫塑化較為徹底，無明顯橡膠核存在，與普通橡膠瀝青相比，其儲(chǔ)存穩(wěn)定性更好，施工質(zhì)量控制難度大大降低。

3 生產(chǎn)工藝條件研究

廢胎混合液改性瀝青性能與其制備工藝密切相關(guān)，膠粉摻量、壓力、攪拌方式等參數(shù)均會(huì)對(duì)廢胎橡膠的脫硫塑化產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響廢胎原液的性能［2］。綜合室內(nèi)試驗(yàn)條件及國內(nèi)外研究基礎(chǔ)，本文采用常壓、高速剪切，對(duì)不同橡膠粉摻量、剪切時(shí)間、剪切溫度、活化劑量的廢胎原液改性瀝青進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)其生產(chǎn)工藝的參數(shù)進(jìn)行研究［3－5］。研究過程采用正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一個(gè)四因素三水平的廢胎混合液改性瀝青正交試驗(yàn)表，如表1所示。

表1 廢胎混合液改性瀝青L9（34）正交試驗(yàn)

測試以上9組廢胎混合液改性瀝青試樣的性能指標(biāo)，分析各影響因素對(duì)橡膠瀝青高、低溫可塑性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響。

3.1 各因素對(duì)高溫性能的影響分析

以軟化點(diǎn)評(píng)價(jià)廢胎混合液改性瀝青的高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 廢胎混合液改性瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)正交試驗(yàn)結(jié)果

同一水平下的各試件軟化點(diǎn)值之和越大，則說明在該條件下廢胎混合液改性瀝青高溫性能越好。計(jì)算每個(gè)因素3個(gè)水平條件下軟化點(diǎn)之和的極差，可反映出各因素對(duì)高溫性能的影響程度。

由表3可知，廢胎混合液改性瀝青的軟化點(diǎn)隨橡膠粉摻量的增大而增大。

分析原因?yàn)椋合鹉z在瀝青中脫硫塑化過程中吸收了瀝青中的輕質(zhì)油分，使瀝青“硬度”逐漸提高；另一方面，橡膠粉中大分子量物質(zhì)的混入，也使瀝青軟化點(diǎn)逐漸提高。

表3 同一摻量水平下各軟化點(diǎn)之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，廢胎混合液改性瀝青的軟化點(diǎn)隨剪切時(shí)間的增加而出現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。

表4 同一剪切水平下各軟化點(diǎn)之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

分析原因?yàn)椋杭羟袝r(shí)間與橡膠在瀝青中的溶脹分散時(shí)間是密切關(guān)聯(lián)的，反應(yīng)初期隨著剪切時(shí)間的增加，膠粉在瀝青中的溶脹分散程度逐漸提高，廢胎原液軟化點(diǎn)逐漸升高。當(dāng)反應(yīng)到達(dá)一定程度后，橡膠分子中的S－S鍵逐漸被打斷，分子量減小，軟化點(diǎn)逐漸降低。

由表5可知，廢胎混合液改性瀝青的軟化點(diǎn)隨反應(yīng)溫度升高而發(fā)生的變化并不明顯，當(dāng)溫度上升到220℃，軟化點(diǎn)差值降低4.9℃。

表5 同一反應(yīng)溫度水平下各軟化點(diǎn)之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

分析原因?yàn)椋弘S著反應(yīng)溫度的升高，橡膠中的S－S鍵、C－S鍵打開的速度加快，化合物分子量逐漸降低，軟化點(diǎn)降低；但反應(yīng)溫度升高也會(huì)促進(jìn)瀝青的溶脹，并吸收瀝青中輕質(zhì)油分，使軟化點(diǎn)升高。

由表6可知，廢胎混合液改性瀝青的軟化點(diǎn)隨活化劑摻量的增大而降低。

表6 同一反活化劑摻量水平下各軟化點(diǎn)之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

分析原因?yàn)椋涸趶U胎原液改性瀝青的制備過程中，活化劑是促進(jìn)橡膠脫硫的關(guān)鍵因素，硫化橡膠在脫硫塑化的過程中，橡膠脫硫加速，使得廢胎膠粉的分子量迅速減小，因此軟化點(diǎn)逐漸降低。

以上各因素對(duì)橡膠瀝青高溫性能的影響程度從大到小依次是橡膠粉摻量、剪切時(shí)間、活化劑摻量、剪切溫度。

3.2 各因素對(duì)低溫性能的影響分析

以5℃延度評(píng)價(jià)廢胎混合液改性瀝青的低溫可塑性能［2］，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 廢胎混合液改性瀝青5℃延度指標(biāo)正交試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算每個(gè)因素3個(gè)水平下5℃延度之和及其極差，可反映出各因素對(duì)低溫可塑性的影響程度。

由表8可知，廢胎混合液改性瀝青的5℃延度隨橡膠粉摻量增大而增大。

表8 同一摻量水平下5℃延度之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

分析原因?yàn)椋合鹉z粉中大分子量物質(zhì)的混入改善了膠凝物質(zhì)的彈性，使瀝青延度逐漸提高。

由表9可知，廢胎混合液改性瀝青的5℃延度隨剪切時(shí)間增加而增大。當(dāng)剪切時(shí)間由30min增加至60min時(shí)，5℃延度之和上升了6.4cm；當(dāng)剪切時(shí)間由60min增加至90min時(shí)，5℃延度之和上升了1.0cm，上升速度明顯變慢。

分析原因?yàn)椋杭羟袝r(shí)間與橡膠在瀝青中溶脹分散的時(shí)間是密切關(guān)聯(lián)的，反應(yīng)初期隨著剪切時(shí)間的增加，膠粉在瀝青中的溶脹分散程度逐漸提高，廢胎原液5℃延度也隨之逐漸提高。

表9 同一剪切水平下各5℃延度之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

由表10可知，廢胎混合液改性瀝青的5℃延度隨反應(yīng)溫度的升高無明顯變化。

表10 同一反應(yīng)溫度水平下各5℃延度之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

分析原因?yàn)椋弘S著反應(yīng)溫度的升高，橡膠中的S－S鍵、C－S鍵打開的速度加快，化合物分子量逐漸降低，5℃延度降低；但反應(yīng)溫度升高亦會(huì)促進(jìn)瀝青的溶脹，并吸收瀝青中的輕質(zhì)油分，使5℃延度增大。

由表11可知，廢胎混合液改性瀝青的5℃延度隨活化劑摻量的增大而增大。

表11 同一活化劑摻量水平下各5℃延度之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

分析原因?yàn)椋涸趶U胎原液改性瀝青的制備過程中，活化劑是促進(jìn)橡膠脫硫的關(guān)鍵因素。硫化橡膠在脫硫塑化過程中，橡膠脫硫加速，使得廢胎膠粉在瀝青中溶解分散的均勻程度逐漸提高，因此5℃延度逐漸提高。

以上各因素中，對(duì)橡膠瀝青低溫可塑性影響程度從大到小依次是剪切時(shí)間、橡膠粉摻量、活化劑摻量、剪切溫度。

3.3 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

以聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)評(píng)價(jià)廢胎混合液改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性［2］，試驗(yàn)結(jié)果見表12。

計(jì)算每個(gè)因素3個(gè)水平下離析軟化點(diǎn)差值之和的極差，可反映出各因素對(duì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響程度。

表12 廢胎混合液改性瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)正交試驗(yàn)結(jié)果

由表13可知，廢胎混合液改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差值隨橡膠粉摻量的增大而增大。

表13 同一摻量水平下離析軟化點(diǎn)差之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

分析原因?yàn)椋耗z粉含量的增加，提高了膠粉顆粒在瀝青中的溶解分散難度，較多未溶解的橡膠核密度大于瀝青密度，導(dǎo)致廢胎混合液儲(chǔ)存穩(wěn)定性逐漸變差；當(dāng)膠粉含量超過瀝青質(zhì)量20%時(shí)，混合液儲(chǔ)存穩(wěn)定性降低速度加快。

由表14可知，廢胎混合液改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差值隨剪切時(shí)間的增加而減小。

表14 同一剪切水平下各離析軟化點(diǎn)差之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

分析原因?yàn)椋杭羟袝r(shí)間與橡膠在瀝青中的溶脹分散時(shí)間是密切關(guān)聯(lián)的，橡膠瀝青高溫剪切的過程也是溶脹的過程；反應(yīng)初期改性瀝青隨著剪切時(shí)間的增加，膠粉在瀝青中的溶脹分散程度逐漸提高，廢胎原液離析軟化點(diǎn)差逐漸減小。

由表15可知，廢胎混合液改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差值隨剪切時(shí)間的增加而減小。

分析原因?yàn)椋弘S著反應(yīng)溫度的升高，橡膠中的S－S鍵、C－S鍵打開的速度加快，化合物分子量逐漸降低，膠粉在瀝青中的溶解分散速度加快，分解程度更高，因此離析軟化點(diǎn)差值降低。

表15 同一反應(yīng)溫度水平下各離析軟化點(diǎn)差之和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

由表16可知，廢胎混合液改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差值隨活化劑摻量的增大而減小。當(dāng)橡膠粉摻量由0.5%增加至1.0%時(shí)，離析軟化點(diǎn)差值之和降低0.9℃；當(dāng)橡膠粉摻量由1.0%增加至1.5%時(shí)，離析軟化點(diǎn)差值之和降低0.5℃。

表16 同一反活化劑摻量水平下各離析軟化點(diǎn)差的和及其極差試驗(yàn)結(jié)果

分析原因?yàn)椋涸趶U胎原液改性瀝青的制備過程中，活化劑是促進(jìn)橡膠脫硫的關(guān)鍵因素，硫化橡膠在脫硫塑化過程中，橡膠脫硫加速，使得廢胎膠粉在瀝青中溶解分散的均勻程度逐漸提高，因此離析軟化點(diǎn)差值逐漸降低。

綜合當(dāng)量軟化點(diǎn)、5℃延度、離析軟化點(diǎn)差值3項(xiàng)指標(biāo)可以看出，橡膠粉摻量、橡膠瀝青的剪切時(shí)間、剪切溫度、活化劑摻量4種主要影響因素對(duì)廢胎混合液改性瀝青的各方面性能有著不同程度的影響，因此廢胎混合液改性瀝青的生產(chǎn)參數(shù)必須根據(jù)應(yīng)用需求有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整。

綜合相關(guān)技術(shù)規(guī)范、工藝以及對(duì)粘結(jié)料各方面應(yīng)用性能的要求和生產(chǎn)成本，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，推薦廢胎混合液改性瀝青的工藝參數(shù)為：膠粉摻量15%～20%，剪切時(shí)間60～90min，剪切溫度200℃，活化劑摻量1.0%～1.5%。

4 結(jié) 語

（1）分析了目前橡膠瀝青存在的主要問題和產(chǎn)生原因，并依據(jù)相似相溶的基本原理，提出了廢胎原液改性瀝青的生產(chǎn)工藝及改性機(jī)理。

（2）對(duì)廢胎原液改性瀝青的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，探索了同一水平下不同膠粉摻量、剪切時(shí)間、剪切溫度、活化劑摻量對(duì)產(chǎn)品性能的影響，推薦了最佳工藝參數(shù)。

（3）通過室內(nèi)試驗(yàn)研究證明，廢胎原液改性瀝青具有良好的高溫性能、低溫性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

［1］橡膠瀝青及混凝土應(yīng)用成套技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］黃 彭，呂偉民，張福青，等.橡膠粉改性瀝青混合料性能與工藝技術(shù)研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2001，14（Z1）：4－7.

［3］JTJ E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［4］劉子興，常立峰.橡膠瀝青性能試驗(yàn)及影響因素分析［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011，29（3）：59－62.

［5］李寧利，李鐵虎，陳華鑫，等.改性瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2007，20（2）：40－44.

Research on Manufacturing Technique of Scrap Tire Concentrate Modified Asphalt

WANG Qi－ming1，YUE Xue－jun2，LIU Yu－h(huán)eng3
（1.Yunnan Highway Investment and Development Co.Ltd.，Kunming 650000，Yunnan，China；2.Henna Gaoyuan Highway Maintenance Technology Co.Ltd.，Zhengzhou 450000，Henan，China；3.Highway Maintenance Engineering Research Center of Henan Province，Zhengzhou 450000，Henan，China）

In order to improve the stability and quality of asphalt rubber in storage，the impact of rubber powder amount，shear time，shear temperature and activator amount on the product performance was obtained by analyzing the modification mechanism of scrap tire concentrate and studying the preparation condition and manufacturing technique，and optimal technical parameters were recommended.Orthogonal test on scrap tire concentrate modified asphalt with various rubber powder，shear time，shear temperature，activator amount was conducted under the condition of normal pressure and high－speed shear.The results indicate that scrap tire concentrate modified asphalt is of good high－temperature and low－temperature performance and storage stability.

scrap tire concentrate；modified asphalt；asphalt rubber；storage stability

U414.03

B

1000－033X（2015）08－0051－05

2015－01－11

［責(zé)任編輯：譚忠華］