凈味劑對廢舊輪胎橡膠改性瀝青性能的影響

孫海明

（煙臺市公路管理局，山東 煙臺 264001）

將廢舊輪胎加工成橡膠粉加入瀝青中制成橡膠改性瀝青不僅環(huán)保，而且能夠改善瀝青和瀝青混合料的技術性能。然而，橡膠改性瀝青混合料在生產(chǎn)和施工過程中，會產(chǎn)生數(shù)倍于普通瀝青混合料的煙氣和臭味，其中主要包括硫化物、水蒸氣以及具有揮發(fā)性的有機化合物，且揮發(fā)性有機化合物和硫化物是產(chǎn)生惡臭的主要物質[1-2]。這些煙氣和臭味主要與橡膠粉中的化學組分揮發(fā)和氧化有關[3]，不但污染了大氣，而且對人體健康也產(chǎn)生不利影響。

凈味橡膠改性瀝青是基于環(huán)保和施工安全性而研發(fā)的一種改性瀝青[4]，與傳統(tǒng)橡膠改性瀝青相比，凈味橡膠改性瀝青采用獨特的凈味技術，通過化學作用能有效降低瀝青中刺激性氣體的排放量，可以從一定程度上解決橡膠改性瀝青拌和、攤鋪過程中產(chǎn)生的濃煙、 臭味等環(huán)保問題[5]。但是，目前對凈味橡膠改性瀝青性能的研究少見報道。

筆者所在研究團隊自主研發(fā)出一種新型瀝青凈味劑（簡稱Effclean）。Effclean凈味劑是基于化學吸附和反應原理開發(fā)而成，其中的活化金屬原子可與臭味中的氮、硫原子形成較強的化合鍵，有效絡合橡膠改性瀝青生產(chǎn)和使用等高溫階段產(chǎn)生的有毒、有味和有害氣體，從而徹底消除臭味，以達到凈味環(huán)保的目的。和常用的靠掩蓋、殺菌、吸附等方式來除臭不同，Effclean凈味劑是一種高效環(huán)保的新型除臭材料，具有無毒、無味、容易生物降解等特點。本文采用Effclean 凈味劑、基質瀝青、橡膠粉（CR）及高溫劑（HPT）等原材料加工而成凈味橡膠改性瀝青，以凈味橡膠改性瀝青為基礎，通過試驗研究凈味劑對橡膠改性瀝青性能的影響。

一、試驗設計

試驗室制備待測橡膠改性瀝青樣品，膠粉經(jīng)過脫硫工藝處理，制備過程中添加高溫劑、穩(wěn)定劑得到穩(wěn)定型橡膠改性瀝青，并添加不同劑量的凈味劑用來分析凈味劑使用效果。

（一）原材料

原材料為基質瀝青、凈味劑、高溫劑（HPT）、橡膠粉（CR）、穩(wěn)定劑；各種原材料摻量為HPT：1.5%、脫硫膠粉：20%、穩(wěn)定劑：0.5%；凈味劑摻量分別為0%、0.01%、0.05%、0.1%、0.15%和0.2%。

（二）制備工藝

（1）稱取一定質量的基質瀝青，加熱至130~140℃?zhèn)溆谩?/p>

（2）加入Effclean凈味劑，進行攪拌，轉速為800~1000r/min，攪拌時間30min。此時添加能夠保證基質瀝青的除味效果，確保制備橡膠瀝青時，異味減小，保護人員和環(huán)境的安全。

（3）瀝青加熱至170~180℃并移至高速剪切機，加入膠粉和高溫劑啟動剪切，轉速為3000~3500r/min，剪切時間為40~60min，至無明顯顆粒。

（4）再次將樣品移至攪拌器，啟動攪拌，轉速為800~1000r/min。向其中加入穩(wěn)定劑，攪拌時間不少于2h。

（三）試驗測試

（1）煙氣排放量檢測。通過密封烘箱分別加熱添加0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%不 同 摻 量 凈味劑的凈味橡膠改性瀝青，采用瀝青煙氣采樣氣袋分別收集180℃下和2h內（本實驗為180℃，2h）所產(chǎn)生的煙氣。

（2）臭味氣體含量檢測。將凈味橡膠改性瀝青和未添加凈味劑的橡膠改性瀝青分別放入電熱鼓風干燥箱進行試驗。以排氣筒收集廢氣進行二氧化硫、硫化氫等主要臭氣氣體分析，其中二氧化硫排放采用定電位電解法，檢測設備為自動煙塵煙氣監(jiān)測儀以及綜合氣象追蹤儀；硫化氫排放檢測采用《空氣和廢氣檢測分析方法》第四版增補推薦的亞甲基藍分光光度法，檢測設備為可見分光光度計。臭氣濃度檢測采用三點比較式臭袋法，由多名嗅辨員對無臭氣體和瀝青廢氣臭氣進行辨識，再將臭氣逐步稀釋至無法辨識臭氣，得到臭氣濃度值。

（3）三大指標檢測。采用JTG—E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（簡稱試驗規(guī)程）中的瀝青針入度試驗、瀝青延度試驗、瀝青軟化點試驗（環(huán)球法），分別檢測凈味橡膠改性瀝青的三大指標。

（4）老化性能檢測。將凈味橡膠改性瀝青分別進行短期老化試驗，采用試驗規(guī)程中的瀝青薄膜加熱試驗、瀝青針入度試驗，瀝青延度試驗，檢測凈味橡膠改性瀝青的蒸發(fā)質量損失、針入度比和殘留延度。

（5）60℃動力黏度檢測。采用試驗規(guī)程中的瀝青動力黏度試驗（真空減壓毛細管法），測定凈味橡膠改性瀝青的動力黏度。

（6）高溫運動黏度檢測。采用試驗規(guī)程中的瀝青旋轉試驗（布洛克菲爾德黏度計法），分別測定135℃、145℃、155℃、165℃、175℃下凈味橡膠改性瀝青的運動黏度。

二、試驗結果及分析

（一）煙氣排放量

采用重量法按照式（1）計算加熱后橡膠改性瀝青的煙氣產(chǎn)生率M，mg/100g；按照式（2）計算瀝青煙氣減少率R，%。

式中 M ——瀝青樣品的煙氣產(chǎn)生量，mg/100g；

Wo——瀝青樣品的總量，g；

Wx——加熱后瀝青樣品的重量，g。

式中 Rx——某個摻量（內摻）凈味劑的煙氣減少率，%；

Mo——橡膠改性瀝青的煙氣產(chǎn)生率，mg/100g；

Mx——某個摻量凈味劑的橡膠改性瀝青的煙氣產(chǎn)生率，mg/100g。

以未添加凈味劑橡膠改性瀝青測得煙氣排放量為基準，實驗室測定不同凈味劑摻量下得到瀝青煙氣減少率如附圖所示。

附圖 不同凈味劑摻量下瀝青煙氣減少率

由附圖可以看出，添加凈味劑對減少瀝青煙氣有明顯作用。以不添加凈味劑的橡膠改性瀝青作為基本量，隨著凈味劑摻量的增加，瀝青煙氣減少率逐漸升高。摻量為0.01%時，開始出現(xiàn)明顯煙氣減少效果，煙氣減少率達到了11%；摻量為0.05%時，減少率為20%；當摻量增加0.1%時，煙氣減少率出現(xiàn)了顯著提高，達到了67%；其后，隨著摻量的增加，煙氣減少率變化逐漸減緩并趨于穩(wěn)定，摻量為0.2%時，煙氣減少率為73%。由此確定凈味劑摻量應不小于0.1%，本研究選取0.15%摻量作為優(yōu)選。

（二）臭味氣體含量

臭味氣體含量測試結果如表1所列，通過測試數(shù)據(jù)可看出，在相同試驗條件下，添加凈味劑得到的橡膠改性瀝青與原樣橡膠改性瀝青相比，收集得到廢氣溫度和流速基本是相同的，這主要與瀝青的加熱溫度一致有關，同時說明了煙氣總量與溫度之間具有因果關系。在收集的廢氣中，可散發(fā)臭味主要是硫化氫和二氧化硫。未添加凈味劑的橡膠改性瀝青廢氣中硫化氫濃度為0.97mg/m3、二氧化硫濃度為32mg/m3，而凈味橡膠改性瀝青硫化氫氣體濃度為0.77mg/m3、二氧化硫氣體濃度為13mg/m3，兩者分別同比減少了20.6%、降低了59.3%。臭氣濃度測試結果也表明，添加凈味劑后，臭氣濃度由977mg/m3降低至724mg/m3，也就是說凈味橡膠改性瀝青比原橡膠改性瀝青的臭氣濃度下降了25.9%。

表1 橡膠改性瀝青臭味含量測試

（三）凈味劑對技術指標的影響

選用對質量控制、路用性能以及使用難易程度影響較大的指標，分析使用凈味劑前后橡膠改性瀝青的技術性質的變化，凈味劑用量仍然采用0.15%。

1.三大指標

針入度、延度和軟化點作為瀝青生產(chǎn)和到場檢測的主要控制指標，能夠反映瀝青材料的黏滯性和高低溫性能。添加凈味劑前后檢測結果如表2所列。為確保評價結果可靠，添加凈味劑的橡膠改性瀝青進行了兩組試驗。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，標準條件下的針入度值以及5℃延度值，在加入凈味劑之后幾乎沒有發(fā)生變化，可見此摻量下的凈味劑對橡膠改性瀝青的黏滯性和低溫延性并沒有產(chǎn)生影響；軟化點在加入凈味劑之后，由原來的62.5℃，分別增長為64.0℃和63.5℃，有小幅度提高，但提高幅度相比軟化點試驗再現(xiàn)性誤差允許波動范圍要小，同樣可以認為，添加凈味劑沒有對橡膠改性瀝青的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

表2 三大指標結果對比

2.老化性能

短期老化是瀝青材料在生產(chǎn)和使用過程中進行程度最為劇烈的的環(huán)節(jié)，對應的正是熱態(tài)下瀝青在與骨料拌和、運輸、攤鋪和碾壓成型的施工過程，瀝青樣品的蒸發(fā)質量損失、針入度比和殘留延度檢測結果如表3所列。

表3 短期老化試驗結果對比

由表3可以看出，摻加0.15%Effclean 凈味劑之后，橡膠改性瀝青在劇烈老化過程中質量損失沒有出現(xiàn)明顯的變化，這是由于質量損失與煙氣減少率不同，其評價基準是瀝青總質量，因此在數(shù)值上沒有出現(xiàn)很明顯的差別，而凈味劑成分以及與瀝青發(fā)生的化學反應產(chǎn)物沒有形成新的蒸發(fā)損失；針入度值和殘留針入度比均沒有出現(xiàn)較大變化；老化后延度出現(xiàn)了微小的降低，但是降低幅度不大于再現(xiàn)性試驗平均值的30%，可以認為凈味劑對延度指標不存在影響。

3.60℃動力黏度

瀝青材料的60℃動力黏度與瀝青混合料抗車轍能力有很大關聯(lián)性，是瀝青技術性質的重要指標，項目組評價了摻加0.15%Effclean凈味劑前后橡膠改性瀝青的60℃動力黏度變化，結果如表4所列。

表4 動力黏度結果對比

由表4可以看出，添加凈味劑的橡膠改性瀝青動力黏度有所提高，增長比例約為8%。因此，凈味橡膠改性瀝青應用于混合料中，將會改善瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

4.高溫運動黏度

瀝青材料在高溫下的運動黏度代表瀝青流動狀態(tài)，是瀝青材料泵送以及瀝青混合料拌和、壓實工作特性的基本保證。運動黏度越低，進行泵送、拌和、壓實所需要克服黏滯性所做的功就相應降低。凈味劑使用對橡膠改性瀝青高溫運動黏度影響如表5所列。

表5 不同溫度下運動黏度結果對比

由表5可以看出，隨著溫度的升高，廢舊輪胎橡膠改性瀝青的運動黏度逐漸降低。摻加了0.15%Effclean凈味劑之后，較低溫度的運動黏度有所下降，高溫段運動黏度幾乎不變，運動黏度對溫度的敏感性降低。

三、結論

（1）Effclean凈味廢舊輪胎橡膠改性瀝青在0.15%摻量時具有明顯的凈味效果。與普通橡膠改性瀝青相比，凈味橡膠改性瀝青的煙氣總量減少了70%，硫化氫氣體濃度降低了20.6%，二氧化硫氣體濃度降低了59.3%，臭氣濃度降低了25.9%。

（2）摻加0.15%Effclean凈味劑后，橡膠改性瀝青除60℃動力黏度小幅增加、135℃運動黏度小幅下降之外，三大指標、175℃附近黏度、抗老化性等關鍵指標基本不變。

綜上，基于Effclean凈味劑的廢舊輪胎橡膠改性瀝青不但具有良好的除煙、除臭等環(huán)保性能，而且擁有良好的路用性能。Effclean凈味劑的成功應用，為廢舊輪胎橡膠改性瀝青凈味綜合科學研發(fā)奠定了一定的基礎。