（机械设计及理论专业论文）胶粉改性沥青制备技术及其计算机仿真分析研究.pdf

长安大学硕士学位论文 摘要 胶粉改性沥青不仅能够实现废旧轮胎的回收利用，而且改善沥青的高低温、抗老 化、抗疲劳性能，延长路面使用寿命，所以在近几年成为路面工程研究的焦点。然而 大多的研究集中在对其性能和运用状况上，本论文则针对目前较少被研究的制备工艺 和生产设备进行研究，具有重大的意义和价值。 本论文的研究思路和内容如下：( 1 ) 分析胶粉改性沥青改性机理，将其作为原材 料的选择、制备工艺设计和生产设备设计研究的依据。( 2 ) 对比分析搅拌法和剪切法 两种制各工艺的优劣，选用搅拌法并设计胶粉改性沥青的制备工艺过程。( 3 ) 以匹配 3 0 0 0 型沥青混凝土拌合楼为例，设计生产设备中最重要的高速搅拌罐和反应搅拌罐。 ( 4 ) 利用f l u e n t 软件，分别对高速搅拌罐和反应搅拌罐进行仿真，分析罐内流场的 速度、轴向速度和径向速度的分布，得出罐内的流动混合状况，并提出设备存在的问 题和改进设计方案。关于搅拌罐的研究，通过观察搅拌器不同转速下罐内流场和搅 拌器转速为6 0 0 r p m 时罐内各径向面和轴向面的仿真结果，提出增加搅拌罐高径比和增 加搅拌器直径的改进方案，并对改进设计的搅拌罐进行仿真与原设计进行对比分析。 通过对全挡板、无挡板的搅拌罐仿真结果的分析，提出在搅拌罐内挡板设置方案。 关于反应罐的研究，通过观察不同搅拌器转速下罐内流场和搅拌器转速为l o o r p m 时胶 粉改性沥青不同粘度下反应罐内各径向面和轴向面的仿真结果，提出搅拌器采用双层 搅拌桨叶并增加搅拌器直径的改进方案。 本论文可以为胶粉改性沥青生产工艺和设备设计提供参考。 关键词：胶粉改性沥青，f l u e n t ，搅拌罐，反应罐，仿真 长安大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er u b b e r - m o d i f i e da s p h a l th a sb e c o m et h ef o c u so ft h er o a d e n g i n e e r i n g ，f o ri tc a nn o to n l ym a k eal a r g en u m b e ro fw a s t et i r er e c y c l e d ，b u ta l s oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l ti nt e r m so fh i 曲t e m p e r a t u r es t i f f n e s s ，l o wt e m p e r a t u r e f l e x i b i l i t y , a g e i n gr e s i s t a n c e ，e n d u r a n c er e s i s t a n c ea n dd u r a b i l i t y h o w e v e r , m o s tr e s e a r c h h a v ef o c u s e do ni t sp e r f o r m a n c ea n du s e ，b u tf e ws t u d i e do ni t sp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n d p r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，w h i c ha r et h ef o c u so ft h i st h e s i s t h i ss t u d yw i l l b eo fg r e a t s i g n i f i c a n c ea n dv a l u e t h er e s e a r c hi d e a so ft h i sp a p e r sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e m o d i f i c a t i o nm e c h a n i s mo ft h er u b b e r - m o d i f i e da s p h a l t ，i tw i l lb eu s e da st h eb a s i so f c h o i c e o fr a wm a t e r i a l s ，t h ed e s i g no fp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n dd e s i g no fp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ( 2 ) t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v es t u d yo f t h et w om e t h o d sk n o w na sp r o p e l l e rm i x e ra n dh i g h s h e a rt y p em i x e r ，t h ep r o p e l l e rm i x e rw i l lb ec h o s e nt od e s i g ni t sp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y ( 3 ) t a k i n ga ne x a m p l eo fm a t c h i n gt h e3 0 0 0 一t y p ea s p h a l tm i x i n gp l a n t s ，d e s i g nt h em i x i n ga n d r e a c t i n gt a n k s ，w h i c hp l a ya l li m p o r t a n tr o l e i nt h ep r o d u c t i o ne q u i p m e n t ( 4 ) t a k i n g a d v a n t a g eo ft h es o f t w a r ef l u e n t , s i m u l a t et h em i x i n ga n dr e a c t i n gt a n kr e s p e c t i v e l y ， a n a l y z et h ev e l o c i t yo f t h et a n k ，a x i a lv e l o c i t ya n dr a d i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，o b t a i ni t sf l o w c o n d i t i o n s ，a n dp o i n to u tt h ep r o b l e m so ft h ed e v i c ea n df i n a l l yp u tf o r w a r dt h ed e s i g n p r o p o s a lo ft h ei m p r o v e m e n t s t h r o u g ht h eo b s e r v a t i o no ft h ef l o wf i e l d a td i f f e r e n t s p e e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h er a d i a la n da x i a ls u r f a c e si n s i d et h em i x i n gt a n k ，w h e a t h ea g i t a t o rr e v o l v e sa tt h es p e e do f6 0 0 rp e rm i n u t e ，t h ea u t h o rp r o p o s e sa ni m p r o v e m e n t p r o g r a mb yi n c r e a s i n g t h et a n k sh e i g h ta n dt h e a g i t a t o r sd i a m e t e r t h e nm a k ea c o m p a r a t i v es t u d yb e t w e e nt h es i m u l a t e da g i t a t o rw i t hi m p r o v e dd e s i g na n d t h eo r i g i n a l d e s i g n t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nb e t w e e n t h eb a f f l e dm i x i n gt a n k a n dt h eo n ew i t h o u ta n yb a f f l e ，t h ea u t h o rp r o p o s e st h ed e s i g np r o g r a mo ft h eb a f f l e dm i x i n g t a n k t h r o u g ht h eo b s e r v a t i o no ft h ef l o wf i e l da td i f f e r e n ts p e e da n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t so ft h er a d i a la n da x i a ls u r f a c e si n s i d et h em i x i n gt a n k ，w h e nt h ea g i t a t o rr e v o l v e sa t t h es p e e do flo o rp e rm i n u t ea n dw h e nt h ev i s c o s i t yo fr u b b e r - m o d i f i e da s p h a l tv a r i e s ，t h e a u t h o r p r o p o s e sa l li m p r o v e m e n tp r o g r a mb yu s i n gb l e n d e rl a y e ra n di n c r e a s i n gt h ed i a m e t e r o ft h ea g i a t o r t h i sp a p e r 、析l lo f f e rr e f e r e n c e sf o rt h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n td e s i g no f t h er u b b e r - m o d i f i e da s p h a l t k e yw o r d s ：r u b b e rm o d i f i e da s p h a l t ，f l u e n t , m i x i n gt a n k , r e a c t i n gt a n k ，s i m u l a t i o n 2 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 据统计2 0 0 9 年，我国年产生废轮胎2 3 3 亿条，重量约合8 6 0 万吨，折合橡胶资 源约3 0 0 多万吨，废旧轮胎的回收利用率约为8 0 0 , 6 ，而世界上废旧轮胎回收利用率最高 的国家是欧洲的芬兰，接近1 0 0 ，美国超过了9 0 0 5 ，日本也接近9 0 。我国废旧轮胎回 收利用率与西方发达国家相比，相差很大。 将废旧轮胎制作成胶粉，作为改性剂加入沥青中，能够改善沥青的高低温性能、 抗老化性能、抗疲劳性能，起到减薄路面、延长路面使用寿命、延缓反射裂缝、减轻 行车噪声的作用n 。这不仅改善了我国公路工程的路面质量，还实现了对废旧橡胶的 升值利用，具有十分重要的现实意义。 虽然胶粉改性沥青技术在美国等发达国家，无论在设计规范、施工工艺、质量控 制、评价体系和生产设备上都有很好的基础，实际工程应用已经具有相当的数量和规 模嘲。而我国胶粉改性沥青技术还是处于刚起步阶段，对于该技术的具体应用方案、技 术开发等还都处于探索之中。作为一项能够将废旧轮胎“变废为宝 的技术，胶粉改 性沥青在2 0 0 3 2 0 0 4 年步入国门之后，近年来吸引了国内众多研究者的目光，目前我 国对于胶粉改性沥青技术的研究主要集中在胶粉改性沥青的改性机理，胶粉改性沥青 性能的影响因素，路用胶粉改性沥青的技术指标，胶粉改性沥青混合料的组成设计， 以及胶粉改性沥青试验段的铺筑研究等。对于胶粉改性沥青的制备工艺以及生产设备 的研究较少，将胶粉改性沥青技术在道路工程中全面的的应用，还需要对胶粉改性沥 青制备工艺和生产设备进行更深入的研究和探索。 本研究即在此基础上展开，根据胶粉改性沥青反应机理，研究设计经济合理的胶 粉改性沥青制备工艺，并对工艺过程中最重要的初混合搅拌和反应搅拌设备进行设计 和仿真分析，以配置3 0 0 0 型沥青混凝土拌合楼为例，设计胶粉改性沥青的制备工艺和 主要生产设备，通过流体力学仿真软件f l u e n t 对胶粉改性沥青的初混合搅拌罐和反应 罐进行仿真分析，根据分析结果提出改进设计方案。本论文可对胶粉改性沥青生产工 艺和设备的设计提供参考。 1 2 胶粉改性沥青制备技术的研究现状 1 2 1 国外研究状况 胶粉改性沥青又叫橡胶沥青，依a s t m 的定义，所谓橡胶沥青( a s p h m tr u b b e r ) ， 1 第一章绪论 是由沥青和废轮胎胶粉均匀拌合而成，胶粉含量不低于1 5 ，用作铺筑路面的粘结料。 此种粘结料中的胶粉，应与沥青在高温下充分接触，使橡胶颗粒在沥青中膨胀h 1 。 获得胶粉改性沥青混合料的方法有干法和湿法嗍“干法处理( d r yp r o c e s s ) ，在沥 青加入之前，将胶粉作为填料直接加入到烘干的集料中，用粗颗粒的胶粉作为集料的 一部分加入到断级配的矿料中，以改善路面行驶性能。该方法由于所得到的混凝土性 能不够稳定，很少使用。“湿法处理( w e tp r o c e s s ) ”，指在沥青与集料在拌和站中进 行混合之前先将胶粉与基质沥青混合，湿法有两种：沥青库混合法和麦克唐纳法，前 者胶粉的粒径小，而且掺量也少，我们通常所说的胶粉改性沥青指的是湿法中的麦克 唐纳法处理所获得的，将橡胶粉投入到1 9 0 0 c 2 1 8 0 c 的基质沥青中，胶粉在基质沥青 中充分溶胀，形成凝胶状物质，该方法生产的胶粉改性沥青，粘度大，其它指标也有 很大提高1 。 国外，美国对胶粉改性沥青的应用较多，技术也较为成熟，2 0 世纪6 0 年代就开始 铺筑胶粉改性沥青试验路段，从1 9 9 4 年开始以每年在胶粉改性沥青中增加5 的橡胶粉 参量，到1 9 9 7 年达到2 0 口1 。在美国如加利福尼亚州、亚利桑那州、福罗里达州等对 胶粉改性沥青进行了大量的实验，根据试验结果制定了适合自己地区的胶粉改性沥青 使用规范协1 。无论在橡胶粉与基质沥青材料选择、胶粉改性沥青生产过程中各个参数的 控制，还是生产设备等各个方面都有比较成熟。其它如日本、英国、南非、法国、加 拿大、芬兰、澳大利亚等卵引，也成功的将胶粉改性沥青应用到本国道路以及高速公路的 建设中。 1 2 2 国内研究状况 。 我国从上世纪8 0 年代开始铺筑试验路段来对胶粉改性沥青的应用效果进行研究 1 0 o 然而由于当时胶粉生产技术、胶粉改性沥青生产设备以及混合料的生产和摊铺技 术落后的原因，试验并没有达到预期的效果。进入本世纪后，胶粉改性沥青由于其环 保性能再一次吸引到众多的关注，我国对胶粉改性沥青的认识仍在进一步加深的过程 中。目前国内对于胶粉改性沥青技术的研究，主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 胶粉改性沥青改性机理的研究，其中包括物理改性机理和化学改性机理。物 理改性作用主要体现在胶粉与沥青相容、胶粉在沥青中吸收沥青中轻质组分而溶胀和 橡胶粉颗粒在沥青中形成骨架结构增强沥青的弹性恢复性能。化学改性作用主要体现 在橡胶颗粒的脱硫和橡胶分子的降解作用n 1 1 2 1 。 2 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 胶粉改性沥青性能影响因素的研究，主要包括反应温度；反应搅拌时间；胶 粉的种类、粒径和掺量；基质沥青材料等。其中重庆交通大学硕士研究生张文武得出 反应温度应保持在1 8 0 0 c 左右，反应时间为6 0 m i n 1 1 o 同济大学硕士研究生刘晓旭通 过实验发现，单一粒径的橡胶粉与沥青作用时，其反应程度不易控制，级配丰富的胶 粉则不存在这一问题，同时建议胶粉掺量采用1 8 2 0 的范围n 引。对于胶粉的种类 一致认为采用高天然橡胶含量的货车轮胎较好。 ( 3 ) 胶粉改性沥青制各工艺的研究，存在两种胶粉改性沥青制备工艺，剪切法和 搅拌法。北京化工大学硕士研究生曹贵昌对剪切温度和剪切时间与胶粉改性沥青性能 的关系进行了研究n 钔，而大多的研究者采用的是搅拌法来制备胶粉改性沥青。 国内对于胶粉改性沥青生产设备的研究相对较少，早期的设备，胶粉和沥青的混 合与反应在同一个罐内进行，虽然结构简单，造价低，但是反应不充分，也不均匀， 生产出来的产品质量低n 引。之后出现搅拌混合和反应分开的生产设备，并且对于沥青 加热、胶粉和沥青的拌合与反应温度的控制更加精确，多以匹配拌合楼采用固定式。 1 3 论文研究内容 本论文主要针对胶粉改性沥青生产工艺和设备所进行研究，在国内外对胶粉改性 沥青改性机理研究结果的基础上，设计研究能够合理匹配混凝土拌合楼的胶粉改性沥 青制备工艺，在保证成品质量的基础上，合理的确定生产设备的产量和制备工艺过程。 对工艺过程中最重要的初混合搅拌环节和反应搅拌环节所使用的设备进行研究设计， 利用计算流体力学仿真软件f l u e n t 对设计出的初混合搅拌罐和反应罐进行仿真分析， 通过观察罐内的速度、轴向速度和径向速度的分布情况，得出罐内的混合状况，提出 对设备的改进设计方案。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 胶粉改性沥青改性机理分析。 ( 2 ) 胶粉改性沥青制备工艺研究。 ( 3 ) 胶粉改性沥青初混合搅拌罐和反应罐的研究。 ( 4 ) 胶粉改性沥青初混合搅拌罐和反应罐的计算机仿真分析。 ( 5 ) 胶粉改性沥青初混合搅拌罐和反应罐的改进设计。 第二章胶粉改性沥青改性机理及其材料的分析研究 第二章胶粉改性沥青改性机理及其材料的分析研究 研究胶粉改性沥青制备技术必须是在对胶粉与基质沥青相互作用的改性机理和如 何选择合适原材料的研究基础上开始的。 2 1 胶粉改性沥青改性机理 在高温下，胶粉与基质沥青二者之间的反应机理十分复杂，行业内大部分研究者 认为，在二者之间并不是仅有物理反应的进行，同时还伴随着化学反应的发生口1 1 2 城埔1 ， 同时不认为某一反应占绝对主体地位，而另一反应处于次要位置而可以忽略。当然也 有个别研究者嘲提出胶粉与沥青在高温下没有发生化学反应，只是物理的相互作用。随 着人们对胶粉改性沥青改性机理认识的增加，持这一观点的人越来越少。较统一的认 为是二者之间的物理和化学反应对成品胶粉改性沥青品质的影响同等重要。 2 1 1 物理溶胀反应 大部分像废轮胎橡胶颗粒这一类的亲油性高分子聚合物，在浸入低分子液体油品 中后，基质沥青中的轻质组分可以通过物理扩散进入高分子的胶粉颗粒中，在吸收大 量轻质组分的同时，胶粉发生膨胀和变形，其体积膨胀比例可达到0 7 3 1 7 8 倍n 钉。 使得沥青中的轻质组分含量下降，改变了基质沥青的组成成分，基质沥青中的沥青质 成分显著增加，如此使得沥青一胶粉体系发生本质的变化。膨胀后的胶粉将占据4 0 甚至更大的体积，橡胶颗粒相互接触的机会大大增加，胶粉呈现半固态，沥青质在胶 粉颗粒表面形成凝胶膜。李战平指出在显微照像观察下，橡胶分子呈某种交联状态， 使沥青结构得以加强，使混合料在较低温度时具有抵抗低温抗裂的柔韧性n 引。胶粉颗 粒三维随机分布，构成的连续相，颗粒间靠凝胶膜粘结，粘结效力依赖于温度的变化， 胶粉颗粒的加劲作用在抗拉、压、剪作用下有所不同。在高温下，受压、剪作用下， 加劲作用显著，但在拉作用下效力很小。这点不同于s b s 改性，s b s 的加劲同时在拉、 压、剪作用下显著。对于胶粉自身来说，虽然有轻质组分的物理性进入，但仍然保持 了原有的特性，使得胶粉改性沥青会具有一定程度的弹性性质，同时弹性恢复性能是 胶粉改性沥青的一项重要考虑指标n 7 1 。 2 1 2 化学脱硫和降解反应 李战平认为溶胀过程并不是胶粉改性沥青发育过程中的唯一反应过程，相伴的还 4 长安大学硕士学位论文 有胶粉颗粒脱硫和橡胶分子降解的化学反应过程口6 1 。脱硫是指胶粉颗粒中c s 发生断 裂，造成维持橡胶分子共同作用的交联断裂，使得胶粉颗粒失去部分硫化橡胶的弹性 而恢复部分天然橡胶的柔韧性，最终导致胶粉颗粒崩解，其宏观表现就是体系弹性成 分减少，粘性成分增加；降解是指胶粉颗粒中c c 发生断裂，导致橡胶分子链断裂、 分子量降低。脱硫降解反应主要发生在胶粉表面，这两个过程都将导致粘度下降。脱 硫降解反应随着反应时间和温度的变化而变化，时间越长和反应温度越高，脱硫降解 反应更迅速。 2 1 3 胶粉改性沥青的时间和温度依赖性 胶粉与基质沥青二者之间，物理的溶胀反应和化学的脱硫降解反应存在于整个胶 粉改性沥青制备过程中，李战平指出在二者反应的过程中，不同时段内不同反应占据 主导地位。在最初阶段，胶粉溶胀反应占据主导地位，胶粉颗粒体积迅速膨胀，自由 沥青的粘度也相应升高，两者共同导致粘度快速增加。溶胀达到一定程度后，脱硫和 降解过程加速发展，并开始占据主导地位，随着胶粉颗粒崩解和橡胶分子链的断裂， 胶粉与沥青混合物的粘度逐渐下降n 引。所以可以说，胶粉改性沥青的品质呈现很强的 时间依赖性与温度依赖性，在制备过程中，随着物理和化学反应的进行，胶粉改性沥 青的品质一直在发生着变化，其粘度起初随着反应时间的进行快速增加，而后又出现 逐渐下降的现象。要制备高品质的胶粉改性沥青，既要保证胶粉与沥青的物理溶涨反应 充分，又要避免胶粉发生严重的脱硫与降解，寻求二者的平衡点。粘度自然就成为监控 和评价胶粉改性沥青品质的最有效的指标和方法，通常认为反应过程中粘度达到最高 点的时候是胶粉改性沥青品质最好的时候。 一 2 2 胶粉改性沥青材料 组成胶粉改性沥青的基质沥青与废轮胎胶粉，都是工业的副产物，成分复杂且使 用者对成分的主导性较低，因此，依据反应机理和使用要求，选择适当的材料，对材 料提出适当要求，是制备高品质胶粉改性沥青成败的基础。通过胶粉改性沥青改性机 理可以知道，胶粉与基质沥青之间不仅发生物理的溶胀，而且还有化学的脱硫和降解， 而无论是化学还是物理反应都受到材料本身的物理化学性质所决定。胶粉改性沥青品 质及粘度的发展变化，与基质沥青和胶粉的物理和化学成分有着决定性的关系。交通 部公路科学研究所，李美江、王旭东通过观察胶粉浸入沥青中后的颗粒状况、胶粉改 性沥青的密度变化和胶粉掺入后沥青指标的变化状况来分析胶粉与沥青的相互作用状 气 第二章胶粉改性沥青改性机理及其材料的分析研究 况得出基质沥青的品种、胶粉的掺量、及二者的固有的物理和化学性质都会影响胶粉 改性沥青的物理一化学反应的程度n 羽。 2 2 1 基质沥青 基质沥青的成分比较复杂，通常分成沥青质、芳香分、胶质、和饱和分四个组分n 引， 其中沥青质、胶质等是重组分混合物，而通常芳香分、饱和分等为轻组分混合物。通 常基质沥青中各组分的含量和平均分子量见表2 1 。 表2 1 沥青中各组分的含量和平均分子量 项目 沥青质胶质芳香分饱和分 沥青中的含量( ) 5 2 54 0 5 04 0 6 55 2 0 平均分子量 1 0 0 0 3 0 0 0 05 0 0 1 0 0 0 03 0 2 0 0 03 0 0 2 0 0 0 制备胶粉改性沥青时，选择基质沥青材料，考虑的内容主要包括沥青种类、沥青 与胶粉的配伍性和沥青标号n 钔。 ( 1 ) 沥青种类 目前路用沥青有两种，分别是普通道路沥青和重交道路沥青。与普通道路沥青相 比重交道路沥青强调沥青的1 5o c 延度更大，且含蜡量更小。和s b s 改性沥青一样胶 粉改性沥青对基质沥青的1 5 0 c 的延度有较高的要求。同时，胶粉改性沥青的制备过程 是在更高的温度下进行，基质沥青中的蜡含量越高，恶化改性沥青的感温性能的同时， 也使得沥青在高温下更容易老化。所以在选择材料时应该强调挑选重交道路沥青。 ( 2 ) 基质沥青与胶粉改性剂的配伍性 沥青作为一种石油提炼产物，其成分相当复杂，通常所说的三大指标并不能完全 反映沥青的内在组分性质。所以制备胶粉改性沥青时，还需要考虑沥青与胶粉改性剂 之间所存在的配伍性问题。胶粉与基质沥青的配伍性主要从三个方面考虑，第一是沥 青耐高温抗老化性能，胶粉改性沥青的制备高于s b s 改性沥青l o 3 0 0 c ，并且要求 在高温下反应时间达一个小时左右，所以耐高温抗老化性能成为对基质沥青的重要要 求。其次是与废轮胎胶粉的相容性，胶粉充分吸收基质沥青中的轻质组分是制备胶粉 改性沥青的中心，所以较低沥青质等重组分含量和较高芳香分、胶质等轻组分含量的 基质沥青改性效果越显著。最后，应当选择在高温下与胶粉发生脱硫降解反应较困难 的基质沥青。 ( 3 ) 基质沥青标号 在选择沥青标号的时候主要从以下两个方面考虑：通常选择用来制备胶粉改性沥 青的的沥青材料是道路常用的普通沥青或软一等级的普通沥青。而根据胶粉改性沥青 6 长安大学硕士学位论文 用途不同，选择也有差异，在南非，对于混合料用胶粉改性沥青，其基质沥青为b 1 2 、 b 8 ( 针入度分别为6 0 7 0 、8 0 1 0 0 ) 两种，用于洒布时，采用的基质沥青为8 0 1 0 0 ， 1 5 0 2 0 0 两种针入度级沥青。而澳大利亚，对于洒布采用c 1 7 0 ，用于热拌混合料采用 c 1 7 0 、c 2 3 0 。这两个国家的共同点是：用于洒布时的基质沥青相对于混合料的偏软。 除了胶粉改性沥青的用途，在选择沥青标号是还应该考虑当地的气候条件影响，如在 c a l i f o r n i a 优选采用a r 4 0 0 0 ，也采用a r 2 0 0 0 ，在寒冷地区则采用a r l 0 0 0 。a r i z o n a 州 对于基质沥青采用p g 分级，主要有p g6 4 一1 6 、p g5 8 2 2 、p g5 2 2 8 三种，分别 适用于：热区、温区及寒区。最后还需要考虑橡胶粉的掺量的影响，f l o r i d a ，低掺量( 5 、1 2 0 6 0 ) 时采用a c 3 0 、高掺量( 2 0 ) 时采用a c 2 0 ，前者硬于后者。在我国应该首先 优先选用9 0 # 或7 0 # 沥青。 2 2 2 废轮胎胶粉 废旧橡胶制品种类繁多，按橡胶制品的品种分类主要有轮胎、胶带、胶管、胶鞋、 和工业橡胶制品等乜，胶粉是废i e l 橡胶在机械的作用下，加工成各种不同细度的粉状 材料。轮胎的设计寿命一般为5 0 1 0 0 年，但轮胎在使用1 2 年后因磨损就报废了， 废旧轮胎胶粉主要的化学成分是天然橡胶和合成橡胶如丁苯橡胶、顺丁橡胶等，还有 硫、碳黑、氧化硅、氧化铁、氧化钙等添加剂成分，以上这些成分都是良好的沥青改 性剂，为环保和废旧轮胎回收利用的缘故，胶粉改性沥青所使用的胶粉特指回收的废 橡胶轮胎所生产的胶粉。 轮胎主要是由橡胶，铜丝、铁丝所组成。在轮胎的各部分组成中，橡胶成分约占 到总重量的6 0 7 0 。轮胎根据其使用特性不同，可分为轿车轮胎和货车轮胎。轿 车轮胎与货车轮胎的质量与橡胶成分差异如表2 2 。 表2 2 轿车和货车轮胎的质量与橡胶成分 可回收橡胶橡胶成分含量百分比( ) 轮胎种类 重量( k g ) 重量( k g ) 百分比( )天然合成 轿车轮胎 9 1 5 4 5 9 6 0 6 53 56 5 卡车轮胎 1 8 21 0 9 1 2 76 0 7 0 6 5 3 5 选择胶粉改性沥青的胶粉材料主要从其加工工艺、物理性质及化学成分三个方面 来考虑。 ( 1 ) 胶粉的颗粒大小 叶智刚等通过实验得出- 胶粉的粒径不同，对沥青的改性结果有一定的差异。粒径 大的胶粉对沥青的软化点、弹性恢复的改善效果较好，而粒径小的胶粉对沥青的延度 7 第二章胶粉改性沥青改性机理及其材料的分析研究 的提高更为明显，沥青针入度的降低较小哑1 。胶粉颗粒的大小从1 6 目到1 0 0 目不等， 根据胶粉改性沥青改性机理可以知道反应后的的胶粉在胶粉改性沥青中的状态为：膨 胀后的胶粉呈半固态，并三维连续随机分布，颗粒问靠沥青质凝胶膜粘结；其次胶粉 改性沥青仍然保留有一定的弹性性质；最后是要求避免胶粉颗粒的脱硫崩解。可以想 象到，如若选择颗粒小的胶粉，沥青中的轻质组分必然能够进入胶粉颗粒的中心，胶 粉颗粒势必难以保持其弹性性质，同时产生胶粉颗粒崩解，容易使得胶粉改性沥青的 粘度下降加速，即脱硫降解加速。同样，如若胶粉颗粒选择较大，同等掺量下，胶粉 与基质沥青的接触面积减少，使得二者的反应难以进行，反应时间增加，且难以在沥 青中形成连续相，降低胶粉改性沥青的性能。在国外将胶粉进行分级配处理来制备胶 粉改性沥青，而且根据地域的不同，呈现出不同的级配方案，见表2 3 。 表2 3 国外各地区路用胶粉规格 目数 8l o1 63 05 01 0 02 0 0 粒径( m m ) 2 3 621 1 8o 60 30 1 50 0 7 5 c r m1 0 09 8 1 0 04 5 7 52 2 00 6o 2o c a l i f o m i a h n c r m1 0 09 5 1 0 03 5 8 5l o 3 0o 4o 1 a r i z o n a a1 0 09 5 1 0 00 1 0 b1 0 06 5 1 0 02 0 1 0 0o 4 50 5 澳 新南威尔混合料 1 0 0 6 0 8 0 1 0 利 维多利亚混合料 1 0 07 0 1 0 0 5 洲洒布1 0 09 5 1 0 0 1 0 2 亚 西澳洲混合料 1 0 08 0 1 0 0o 2 0 南非 1 0 05 0 7 0 0 5 从表中可以看到部分国家和地区还根据胶粉改性沥青的用途不同，将用于洒布的 胶粉改性沥青与用于混合料的胶粉改性沥青区别对待，后者所用胶粉较前者要粗。在 国内对于胶粉在制备胶粉改性沥青中所使用颗粒的大小，并没有统一的认可，分别有 2 0 、4 0 、6 0 和8 0 目，差异很大，我校硕士毕业学生付强认为应该选择2 0 目砸1 ，而李 美江等在做试验研究时采用8 0 目胶粉n 朗，以及杨永顺等通过不同目数胶粉的对比试验 分析胶粉改性沥青的高温性能，得出掺量为1 5 时，采用8 0 目胶粉得到最优结果阱1 。 同济大学硕士研究生刘晓旭通过实验发现，单一粒径的胶粉与沥青作用时，其反应程 度不易控制，级配丰富的橡胶粉则不存在这一问题，建议采用级配丰富胶粉，而不是 单一粒径n3 | 。所以我们可以看到对于胶粉的使用颗粒大小并没有一个一致的结论，仍 然待以后更加详细的试验研究和证实。我认为造成这一原因的可能因素有：首先大家 对于试验所使用的原材料并没有进行认真的检验或验证，只是从材料供应商口中得知 胶粉颗粒的目数大小，及原材料使用检验不够严格；其次试验过程中制备胶粉改性沥 8 长安大学硕士学位论文 青的工艺过程有所不同造成的；还有可能由于选择的基质沥青不同引起的。 ( 2 ) 胶粉的密度与成分 胶粉的密度与胶粉的成分有关，规定胶粉密度，对胶粉中成分有一定控制作用， 同时胶粉与沥青混合后，胶粉的密度和沥青的密度都会产生变化，控制一定密度可以 减少胶粉在胶粉改性沥青生产中的上浮与下沉，保证了胶粉改性沥青均匀性。国外各 指南中都对胶粉的密度要求在1 1 1 2 堙m 之间。澳大利亚要求胶粉的体密度不大于 3 5 0 k g m 3 ，国外对胶粉内其它成分的含量要求见表2 4 啪1 。 表2 4 国外各地区对橡胶粉的密度、水分、金属和纤维含量的规定 项目相对密度( k g m )水分( )金属含量( ) 纤维( ) f l o r i d a1 1 0 0 0 6 1 7 0 度) 约为0 9 5 9 c m 3 ，而胶粉的密度为1 1 1 2 9 c m 3 ，取 中间值1 1 5 9 c m 3 。 通过计算胶粉改性沥青的密度p = 0 9 5 x 0 8 + 1 1 5 x o 2 = 1g c m 3 。可以估算胶粉改 性沥青的密度为1 1 0 5g c m 3 。对于产量为2 0t h 的生产设备可得出： 以：2 0 x 1 0 0 0 2 0m 3 h 。 “ 1 0 0 0 p f 每批物料的处理时间，h ；根据3 3 节可得r = 2 6 0 2 丽1 ，7 搅拌容器的备用系数，一般取o 1 - 4 ) 1 5 ；胶粉改性沥青生产设备备料系数去 小值，取0 1 矽装料系数，通常是根据实际生产条件或试验结果而确定；在o 8 5 范围 内选取；由于胶粉改性沥青中胶粉固体物料掺量高，容易堆积，且胶粉与沥青二者的 温差大，故装料系数应当取中间偏小，所以取o 7 。 m 同样容积的搅拌容器的台数，台。本论文中m = 1 。 将各个参数代入式( 4 1 ) 可以得出产量为2 0 t h 的胶粉改性沥青生产设备的初混 合搅拌器的容积：巧lm 3 。 4 1 2 反应罐容积 胶粉改性沥青反应罐的容积仍然按照式( 4 1 ) 进行计算，其中各个参数中除每批 物料的处理时间，、装料系数刀和搅拌容器的台数所需要根据反应罐进行修改外其他参 数保持不变。根据前面所叙述的反应工艺可知每个反应罐将容纳4 5m i n 内通过混合罐 的胶粉改性沥青，每批物料的处理时间f 不仅包括装料的4 5 m i n ，还包括它反应的 4 5 m i n 和提取所用用的4 5 1 1 1 i n ，共约1 3 5 i i l i n ，所以r = 等办；反应罐选用卧式罐，卧 式罐通常的装料系数矽的取值范围为4 0 0 o - - 6 0 ，对于胶粉改性沥青反应罐由于其内任 然需要有一定的流动，而且装料系数越高越容易造成胶粉下沉，取矽= 4 0 ；同时根 据胶粉改性沥青制备工艺可知备有三个反应罐，m = 3 。 代入式4 1 计算得，反应罐的容积= 4 2m 3 。 4 2 罐体内搅拌方式的选择 罐体内的搅拌方式，是根据胶粉改性沥青制备工艺的要求来进行设计，对比不同 第四章胶粉改性沥青制备设备的设计研究 搅拌器所产生的不同搅拌效果来选择。胶粉改性沥青的初混合搅拌和反应搅拌，都是 为了达到，胶粉与基质沥青的混合，都属于混合搅拌。 4 2 1 混合搅拌的分类 搅拌混合的分类方式有很多，主要的分类有： 根据搅拌器的不同，分为桨式；涡轮式、推进式、锚式、框式、螺带式、螺杆式 等侧。其中桨式又根据桨叶结构分为直叶和斜叶。涡轮式作为运用最广泛的桨型，呈 现出多样的结构，主要分为两大类开启式涡轮和圆盘式涡轮，而二者也都出现直叶、 斜叶和弯叶三类。还有其他一些特殊的桨如布尔马金式、三叶后掠式、锯齿圆盘式等。 又有两种桨组合使用的即复合桨。 搅拌器会对罐内流体同时产生剪切作用和循环作用。剪切作用主要用于液液搅拌 体系中液滴的细化、固液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气液搅拌体系中气泡的细微 化；循环作用主要用于混合、传热、固体的悬浮等。当搅拌器输入流体的能量主要用 于流体的循环流动时，则称此搅拌器为循环型搅拌器。当输入液体的能量主要用于对 流体的剪切时，则称此为剪切型搅拌器。 根据搅拌对象物料体系分：有单相，两相和三相，单相指的是液一液相搅拌，两相 搅拌有气一液，固一液搅拌，三相指气一液一固搅拌。 4 2 2 搅拌器的选择依据 选择搅拌器的时候首先需要明确搅拌的目的，搅拌物料的性质，搅拌器在搅拌釜 内对流体所引起的流动形态等。 ( 1 ) 搅拌目的 根据搅拌目的不同分为：混合搅拌、分散搅拌、传热搅拌、传质搅拌和悬浮搅拌 等。胶粉改性沥青的初混合搅拌属于分散搅拌，而反应搅拌属于悬浮搅拌。 ( 2 ) 搅拌物料的性质 混合搅拌中，搅拌物料的性质中最主要的是搅拌物料的粘度。在搅拌釜内根据流 体的流动状态不同有分为层流、过度流、湍流三种状态，通常在任何搅拌釜内流体的 这三种流动状态同时存在，但是只有一种流动状态处于主导地位，同时正是依靠这一 种流动状态来达到搅拌的目的。流体的粘度对搅拌罐内流体的流动状态有着决定性的 影响，通常将粘度大于5 0 p q s 的流体称为高粘度流体，将粘度低于5 p a o s 的流体称 为低粘度流体，将粘度在5 5 0 p a s 范围内的流体称为中粘度流体。通常高粘度的流 长安大学硕士学位论文 体主要通过层流来达到搅拌目的，而低粘度的流体通过湍流来达到搅拌目的。 ( 3 ) 搅拌罐内流体的流型 对于混合搅拌不仅流体的流动状态起作用，同时流体在搅拌釜内的流型也是达到 搅拌目所需要考虑的重要内容，流体在搅拌釜内存在三种流型： 径向流，流体的流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股 流体分别向上、向下流动，再回到叶端。 轴向流流体的流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，碰 到器底再翻上，形成上下循环流。轴向流的产生是由于流体对旋转叶片产生的升力的 反作用引起的。 切向流无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时，液体表面会形成漩 涡。此时流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。 上述三种流型通常可能同时存在，其中轴向流与径向流对混合起主要作用，而切 向流因加以抑制。采用挡板可消弱切向流，增强轴向流和径向流作用。 4 2 3 搅拌罐内搅拌方式和搅拌器的选择 胶粉与基质沥青的初混合搅拌，是属于固液混合搅拌，搅拌器是固液混合的关键 部件，目前的搅拌器的选用还带有一定的经验性。对于固液搅拌从搅拌器的作用出发， 可以分为两类：一是增强流体的循环流动能力；二是提高流体的湍动程度。均相混合， 循环流动更为重要，多相分散传质过程循环流动和湍动都不可忽视。固液均相混合是 由循环流动引起的。只要釜内循环流速达到一定值，使粒子沉降速度等于流体上升速 度，就能形成固一液均匀悬浮状态。这一方面要求搅拌器能提供较高的循环流量；另 一方面还要求罐内有足够数量的湍动漩涡进入粒子沉积区，使沉积的粒子完全悬浮起 来，即要求釜内流体漩涡湍动强度较高。胶粉与基质沥青的初混合搅拌，需要将胶粉 分散到基质沥青中使得胶粉均匀悬浮于基质沥青中。不仅需要一定的循环流量，而且 还要求搅拌器在罐内使得流体产生一定强度的漩涡湍动。 桨式搅拌器多在层流时使用，而且高速时以径向流为主，轴向流较弱；推进式是 典型的轴向流搅拌器循环速率高，但是剪切力小，湍流弱；锚式和框式搅拌器适合高 粘度的搅拌混合，产生的以层流为主，通常使用搅拌转速刀在1 - 1 0 0 r r a i n ，属于低速 搅拌。相比较涡轮式搅拌器对于胶粉改性沥青初混合搅拌来说最合适的，不仅可以提 供较高的循环流，还产生较强的湍流，同时搅拌器转速刀的使用范围为1 0 6 0 0 r m i n ， 2 1 第四章胶粉改性沥青制备设备的设计研究 可以提供高的转速，适合的粘度范围在1 0 。3 1 0p a s ，符合初混合高速搅拌的要求。 固液悬浮操作以开式涡轮最好，它没有中间圆盘，不致阻碍桨叶上下的液相混合。弯 叶、斜叶开式涡轮的优点更突出，它的排出性能好，桨叶不易磨损，用于固液悬浮操 作更合适，通常采用宽叶的开式四斜叶涡轮式搅拌器。 综上说述，在胶粉改性沥青初混合搅拌罐中使用开式四斜叶涡轮式搅拌器。 4 2 4 反应罐内搅拌方式和搅拌器的选择 根据胶粉改性沥青在反应罐中的反应机理和要求，提出对反应罐内搅拌的要求如 下：第一防止胶粉的沉积，需要设置向上搅动装置；第二设置的搅拌装置需能够引起 混合物在全罐内产生循环层流。 通常用于层流搅拌的搅拌器主要有桨式、推进式、锚式( 框式) 和螺带式。其中 推进式搅拌器常用于低粘度流体的搅拌中，而锚式( 框式) 搅拌器主要用于立式搅拌 罐。螺带式搅拌器从其引起的流动形态上说是非常适合于胶粉改性沥青的反应罐的搅 拌，但是，若使用螺带式搅拌器必须把其设置在反应罐的底部，不仅搅拌器造价昂贵， 而且面临着搅拌机密封困难的问题，在通常的设备设计中也是很少见。相比较桨式搅 拌器作为搅拌器中结构最简单的一种，仅有两个叶片，叶片型式可分为平直叶式和斜 ( 折) 叶式两种，主要用于流体的循环，在固一液体系中可用来防止固体沉降，操作费 用低，可用于高粘度流体的搅拌，以促进流体的上下交换，代替价格高昂的螺带式叶 轮，也能获得良好的效果。 根据以上的分析，为满足以上的两个要求，在反应罐内设置搅拌器如下：在反应 罐内采用顶插式分别在反应罐的两头和中央位置布置三个斜叶桨式搅拌器，提供混合 物在釜内胶粉改性沥青的层流循环，斜叶桨向上的推动对防止胶粉沉积有一定的作用。 如此的搅拌器的配置，需要注意反应罐的装料系数应取小值，防止装料过高，增加搅 动难度。如能够很好的解决搅拌机的密封问题，也可以选择在罐体底部，分别从罐体 的两端和中间设置两个旋向相反的螺带式搅拌器，此时更换密封时必须有应急密封， 所以通常很少使用。 4 3 罐体的设计计算 本节主要根据罐体的容积和所使用搅拌器的形式来分别设计搅拌罐和反应搅拌罐 的罐体的结构和尺寸。 长安大学硕士学位论文 4 3 1 搅拌罐罐体设计计算 从前文可知搅拌罐采用的是立式圆筒形搅拌罐，搅拌机和搅拌容器的组合形式为 中心顶插式，罐体的容积以1m 3 。需要设计的主要结构尺寸为筒体内径d 和筒体高 度日。 ( 1 ) 容器装液高径比日，d 的确定 选择装液高径比时应综合考虑三方面因素，即装