废轮胎橡胶粉在道路改性沥青中的应用

1、废轮胎橡胶粉在道路改性沥青中的应用废轮胎橡胶粉在道路改牲沥青中的应用庞澍华一,前言随着我国公路建设的高速发展,尤其是高等级公路对道路建设质量要求的提高,对高性能改性沥青路面材料的需求也13益增多,改性沥青作为一种新型的公路建设路面黏结材料,具有良好的高温稳定性与低温抗裂性和较强的黏附性,耐疲劳l生,大大提高了路面质量,降低了道路维修和养护成本,是国内高等级公路,特别是高速公路建设的专用路面材料.使用在国内高等级公路,特别是高速公路建设上的改性沥青广泛使用的沥青改性材料为sbs,sbr,pe等高分子聚合物,均以石油为原料经裂解合成而来.随着国际石油价格一路高涨,这些昂贵的沥青改性剂以及工艺成本一

2、直是道路建设成本高的关键,使改性沥青技术的使用仅仅局限在高造价的高等级公路建设中.橡胶粉末作为一种性能良好,价格低廉的沥青改性剂,已经在经济发达国家的公路建设中得到了广泛的应用,工艺设备也较为成形.胶粉改性沥青应该更适合中国国情.二,改性沥青沥青作为道路建设中矿物骨料的粘结剂,在稳定矿料,防止车辙,提高路面使用性能等方面发挥了良好的作用,但其最大的缺点在于热稳定性差,夏天高温易软化,鼓包,冬天低温易冻裂,损毁.所以,如何改善沥青的热稳定性就成为道路科研人员的重点研究课题.所谓改性沥青是指采用物理化学的增强方式,用某种性能远优于基质沥青的材料(如:橡胶,塑料等)混溶于沥青之中,使沥青在这方面的性

3、能大12ira大加强.在沥青的主要性能方面,其黏度,软化点,针入度,延度,脆性等方面得到良好的改善.从化学微观上看,高分子材料对改性沥青的性能起着关键作用,分子链,分子网络的联结,交联,吸附作用是沥青改性的技术核心.在物理搅拌混合过程中,由于改性剂用量甚少,要使其充分发挥改性作用,就要求其具有良好的分散性及相容性,即:宏观上要求改性剂具有较高的细度,比表面积和均匀性;微观上要求其与沥青具有良好的相容性.这是对沥青改性剂的基本要求.目前沥青改性剂的种类有十几种,主要有橡胶类,塑料类,聚合物类,共聚物类等高分子改性剂;硫粉,碳黑,消石灰等无机改性剂及乳化改性剂等.但在实际应用中多为配合使用.sbs

4、改性沥青是现今国内最广泛使用的改性沥青产品.其自身化学结构为丁二烯一苯乙烯一丁二烯三嵌断聚合物,具有两亲性的化学结构,能够有效的改善沥青基质中各种材料的界面相容性.沥青改性后低温柔性好,变形能力强,高温稳定性好,是一种理想的公路建设材料.在sbs改性沥青过程中,加入一定比例的木质纤维进行调整补强,吸收低碳烷烯烃,在国内外应用较为成形.然而sbs及木质纤维的价格昂贵,且sbs与沥青在初级混合时难于分散,加工工艺复杂,成本较高,并且易于老化,是限制其发展的瓶颈.良好的填充替代品及改良加工工艺,降低生产成本是未来sbs改性沥青发展的必然趋势.橡胶类改性剂在国内应用较多,其路用性能较为technica

5、lexchange技术交流1理想.sbr在改性沥青中的应用时间较长,胶乳利用流体力学流量与时间的关系,控制丁苯胶乳在沥青中的喷洒量直接与沥青混合,是公路建设柔性路面,水泥混凝土刚性路面修复的良好材料.sbr改性沥青在北方路面建设中有着广泛的应用基础,现今各地路桥建设公司依然应用这项技术.pe塑料类改性剂是现今应用较广的高分子改性剂之一.由于其低温稳定性较差,往往加入sbs进行补强以提高其低温稳定性.在首都机场路用的改性沥青(4%pe,2%sbs,0.4%石棉纤维),由于石棉纤维对人体有害,用木质纤维代替石棉纤维,制造沥青马蹄脂碎石(sma)公路.经国内室内研究证明,sma具有良好的高温稳定和低

6、温抗裂性,且使用寿命长,适宜铺筑较薄的路面.碳黑是一种良好的沥青补强剂.将碳黑与sbs,sbr,橡胶粉配合使用,在高温交通路面中可有效的提高软化点,减轻交通车辙,而且对于提高沥青的抗老化性有着实际应用意义.由于在轮胎橡胶制造中采用较大比例(约3040%)碳黑作补强剂,硫作为硫化交联剂,尼龙纤维作为轮胎骨架层使用,以及轮胎配方中的抗老化剂,防紫外线剂等,这些组分恰恰都是改性沥青所需要的物质,而在废轮胎物理破碎生产橡胶粉的过程中,这些组分仍被保留下来.所以,在用橡胶粉改性沥青的同时,也可取得碳黑,尼龙纤维,硫粉等综合补强改性沥青的功效.橡胶粉与sbs相比,由于改性橡胶粉在沥青中的分散能力llsbs

7、的分散性能好,同时具有优异的抗老化能力,不但减少工艺循环过程,降低能源消耗,而且提高路面的使用寿命,同时由于橡胶粉的价格是sbs的1520%,有效的降低了改性沥青的成本.我国的公路建设发展迅速,每年用于公路建设的沥青就达300多万吨,且每年以10%的速度增长,因此改性沥青市场潜力巨大.三,橡胶粉改性沥青在国内外的应用各种高效改性剂的发展虽然取得了很好的应用效果,但从经济效益的观点来看有着极大的弊端,价格昂贵是沥青改性剂的致命缺点.单以sbs计算,国产sbs价格约2万元人民币/吨,进口sbs价格更贵.现以5%sbs+0.4%木质纤维作为改性剂,则每吨改性沥青的价格约在5500元以上.改性沥青的高

8、成本一直是影响其广泛应用的主要因素,就是在发达国家的公路建设中也是一笔巨大开销.由于北美及欧洲废轮胎橡胶粉生产工艺的发展,早在20世纪70年代就开始铺设混有橡胶粉的改性沥青公路.这种改性沥青不但可以延长公路寿命,降低维修成本,而且可以提高汽车行驶安全性,降低噪音5070%.加拿大上市公司polyphalt成功的将橡胶粉末添加在沥青中,其技术已经被加拿大和美国几个最大的铺路公司采用.美国华盛顿州的spokane国际机场主跑道,美国黄石公园海拔3000米的公路,加州和澳大利亚悉尼m4赛车场都铺设了这种橡胶改性材料.美国德克萨斯州,加利福尼亚州等十几个州政府部门还先后颁布条例鼓励发展使用掺有橡胶粉的

9、公路,仅德克萨斯州在过去几年就开支近亿美元铺设橡胶粉改性沥青公路,英国,德国和法国目前也积极开发并已经开始铺设橡胶沥青公路.我国交通部自2002年在西部开发计划中将胶粉改性沥青正式立项,以交通部公路设计科学研究院牵头,在河北,广东,四川,云南等省开展了试验路铺设,历经5年取得了较好的效果.2003年开始,北京市为在奥运建设工程中突出绿色奥运主题,将废轮胎胶粉改性沥青低噪音路面作为奥运重点工程,历经数年室内外研究和实际道路铺设实验,并经过国家道路建设专家委员会技术鉴定,达到了国际先进水平.既解决了北京废轮胎带来的环境问题,又实现了资源循环利用,既降低了道路建设成本,又提高了各项路用性能指标,还减

10、少城市道路噪音3545%,缓解了车辆道路噪音扰民问题,取得了丰硕的社会经济效益.2009年国庆6o周年大庆的长安街道路改造工程中,就中源棚ctl13201120年第期l采用了废轮胎橡胶粉改性沥青技术,这标志着我国此项技术已走向成熟.截至2009年底,全国28个省市自治区都开展了废轮胎橡胶粉改性沥青在道路(公路)建设中的应用,总体情况效果良好,但失败的试验路段也时有发生,细究其原因,这些失败的建设路段大多都有以次充好,偷工减料的情况.工程层层转包,到真正施工者手里建设费用所剩无几,故此使用价格低廉的203o目粗橡胶粉替代4o一8o目细橡胶粉改性,减少添加量,甚至不按设计和施工规范操作以节省成本.

11、说明路面建设早期损毁是由非技术原因造成的.橡胶粉改性沥青主要有两种生产工艺,一种是湿法工艺,一种是干法工艺.湿法又分为三种技术,一种是abatchwetprocesses,即通常所说的mcdonald技术,最早发展于20世纪6o年代;一种是acontinuousblendingtechnology,即通常所说的佛罗里达技术,最早发展于20世纪80年代;一种是aterminalblendingtechnology.mcdonald技术已经被授予专利,佛罗里达技术并没有被授予专利,而aterminalblendingtechnology的技术数据还没有被充分评估出来,改性沥青经常被应用在热混沥青中

12、的密级配,开级配和间断级配之中.干法工艺中较粗的橡胶粉经常被作为骨料加以应用.沥青作为被改性的基质材料,其成分中烃基,芳香烃的含量是其与多数改性剂相容的关键因素.而对于橡胶粉末来说,其自身表面含有羟基,羧基而形成极性基团.但是仅仅依靠机械加工出来的活性基团还是远远不够的.在使用过程中,炉内的高温首先对橡胶粉进行活化,通过添加剂,热,氧的作用,部分破坏橡胶粉中的硫化网络结构,在胶粉表面形成更多的活性基团.对于湿法橡胶粉改性沥青来说,橡胶粉作为改性材料,首先要求橡胶粉与沥青具有良好的相容性,而胶粉比表面积的大小,活性基团的多少,沥青的成分,加工工艺等因素是二者相容性好坏的关键.采用常温研磨法生产的

13、橡胶粉含有较高的聚烯烃类基团与4i肘ra高饱和份的沥青具有良好的界面相容性,高芳香分的基质沥青与sbr,sbs相容性较好.国外最初为解决废轮胎带来的环保问题,发明了干法改性沥青工艺.对于干法工艺,虽然从广义讲依然称为改性沥青,但是橡胶粉主要作为骨料与其它矿物砂石骨料进行配比.所用的橡胶粉多为冷冻法或切割,锤磨法生产,相对颗粒较大,比表面积较小.由于其自身表面与沥青的接触面具有相对较高的位能差,在与沥青混和之前最好先将橡胶粉表面进行活化,或对胶粉进行预先溶胀,这样有利于其与沥青界面的相容性,增强界面强度,改善沥青性能.随着近几年国内橡胶粉加工技术的飞速发展,橡胶粉末的细度,均匀度均达到了国际先进

14、水平,在国外橡胶粉改性沥青技术完备的外部条件下,橡胶粉改性沥青事业必将蓬勃发展起来.现今我国已广泛开展橡胶粉改性沥青路用试验,国家交通部颁布的橡胶沥青路面设计标准和施工规范正在紧锣密鼓的进入最后的征求意见阶段,届时,公路建设,设计,施工和监理单位将有技术标准可依,为胶粉改性沥青在道路(公路)建设和维修中的应用铺平道路.四,应用实例(一)目前国内橡胶粉改性沥青工艺主要有两种方法一是使用传统sbs改性沥青设备,只是将改性剂换为橡胶粉,主设备为一台常规jtm型胶体磨,其额定流量为10m3/h,利用两台12吨的搅拌罐(150180,搅拌160r/min,3mpa)将沥青,胶粉及其它改性剂进行充分混合,

15、再经过胶体磨将混合物研磨36遍,形成橡胶沥青成品.天津公路局在这方面进行了卓有成效的研究,1998年秋分别在三处进行了表层试验路段铺设,选用盘锦90#沥青+3%橡胶粉+3%塑性聚合物,矿料级配采用lh一15i,确定的最佳油石比为5.1%,橡塑沥青混合料拌合温度为170c,时间为40秒,摊铺温度160oc左右,碾压温度大于150oc,经过几年的实际使用效果良好.其中尤为突technicalexchange技术交流一出的是1998年10月4日宁河大桥桥面铺设的4cm胶粉改性沥青面层,两边引桥小修无数次,早已全部剥掉重新大修,而桥面十年没有维修且保持无裂纹的纪录,堪称我国桥面道路质量的楷模.这种胶粉

16、改性沥青工艺如下框图:(二)另一种橡胶粉改性沥青方法的主要标志是不用胶体磨,其工艺流程与上图基本一致,只是少了高温研磨剪切工序以北京奥运工程铺设的路段为例,大胆采用橡胶粉改性沥青8cm减薄路面设计(传统路面1518cm),首次在国内使用胶粉改性沥青应力吸收层,大大改善了层间应力状态,避免推移,坑槽现象的产生,延缓反射裂缝的发生.具体路面设计为:3cmac一10橡胶沥青混凝土(湿拌)+橡胶沥青防水粘结层+5emac一20橡胶沥青混凝土(干拌)+go胶沥青应力吸收层+透层油.1.橡胶粉的选择.经多品种反复试验结果表明,4o目废轮胎橡胶粉使用得当就初具沥青改性效果,80目橡胶粉改性沥青性价比效果最佳

17、,120目橡胶粉改性沥青较80目效果有所提升,但性价比下降.这证明了随着胶粉细度的增加,橡胶粉单位比表面和活化能急剧增加,提高了与基质沥青的相容性,进而提高了改性沥青的各项技术指标.橡胶粉的细度直接关系到改性沥青的成败,这点在湿法改性沥青生产中尤为重要.2.材料的选择,级配与添加量.选用北京市沥青路面常用的材料:沥青:国产90#重交通沥青;矿料:石灰岩及玄武岩矿料;矿料级配:完全断级配矿料级配;80目橡胶粉,掺加量20%;掺加方法为干拌法及湿拌法,基质沥青和改性沥青路用性能试验结果如下:表1基质沥青性能检测结果项目单位技术要求试验结果试验方法针入度25c0.imm8o10086t0604延度1

18、5cm不小于100>150t0605软化点tr&b425245t0606溶解度(三氯乙烯)%不小于99.099.9t0607闪点(coc)不小于230292t0611密度15g/cm3实测1.009t0603含蜡量(蒸馏法)%不大于3l_7t0615沥青薄膜烘箱试验tfot质量损失%不大于1.0o.o2t0609针入度比%不小于5059.3t0604延度25cm不小于75,>150t0605延度15cm实测>l00t0605表290#沥青+20%橡胶粉检测结果项磊单位试验结果试验方法针入度25o.1mm73.9t0604软化点tr&b51.9t0606密度15

19、g/em31.033t0603粘度试验135pas1.487t0625弹性恢复2524t0662中i1520120年第1期i表3矿物骨料合成级配剂目标级配(265t9161329547523611806030150075混台料类型nsac-2010095585772856137133222,516913510789sac-2099894884572558637933322316713310487ac-20110094.683873.06184633632411761258.266at-20199895.887678468046438.52481741238163sm一131001o010o96

20、7617264234168137126116101sac-1010010010o1o09952972051501191079686表4矿物骨料合成级配剂目标级配筛孔集抖用量13295475236118060310099399090706o60505机制砂15%1o09094181871004218水泥9%1o0999982上限10035292319161310级配要求1o090252015121086台成级配1o0995315233158123109100953.橡胶粉改性沥青孔隙率与油石比.?ac一20混合料(干拌):根据马歇尔击实试验结果,按3%的设计空隙率,确定

21、的最佳油石比为4.4%:?ac一10混合料(湿拌):按空隙率为78%,确定的最佳油石比为6.3%;?沥青混合料的拌和采用2000型间歇式拌和机;?干拌法,橡胶粉的添加采用人工定量投放;?湿拌法,采用固定式橡胶沥青专用生产设备;生产过程中进行样品检测,指标合格后直接进入拌和楼;.沥青混合料的生产工艺与改性沥青混合料的生产工艺相同.4.橡胶粉改性沥青路面施工.?施工按基层清理,玻纤格栅铺设,透层洒布,防水层洒布,下面层施工,防水粘层洒布,上面层施工依次进行;16-防水粘层洒布采用美国进口的专用设备,其特点是可以对沥青进行加热,保温,其洒布量由电脑控制,洒布均匀性得到保证;?采用具有自动找平功能的a

22、bg423摊铺机全幅摊铺,摊铺温度控制在170%,摊铺速度控制在1.52m/min左右;?初压应紧跟摊铺机进行,以达到保证高温碾压,确保混合料压实度的目的;?采用2台双钢轮振动压路机碾压,另外配备1台ltdx型压路机压边.5.橡胶沥青应力防水粘结层(应力吸收层)的施工要求.?路面清理,保持路面平整,干燥,整洁;?橡胶粉改性沥青采用美国进口专用设备喷洒均匀,撒布量为2.10.1kg/m;?然后撤布规格为13.216mm粒径的碎石,撒布量l21kg/m;?最后用重型胶轮碾压23遍成型.一二一增设应力吸收层的优点:?大大改善层间应力状态;?避免推移,坑槽现象的产生;?延缓反射裂缝的发生;(三)胶粉改

23、性沥青路面噪音对比试验由中国科学院声学研究所噪音监测专业人员将新铺设的sbs改性沥青与连续铺设的橡胶粉改性沥青做道路噪音测试,测试方法按国标gb/t14951995机动车辆噪声进行,所用测量仪器为丹麦产b&k2203精密声级计.测试车辆为马自达六型三厢车,分别以80km/h,60km/h两个速度定速行驶,当通过测量段中心线时进行噪声测量.检测结果如下:声压级(60km/h,声压级(801,ja/h,db(a)db()级配沥青石料类型123平均12平均橡胶sac10玄武岩74.57475745727157175沥青sbss眦13玄武岩767776.576.5727157175改性结果表明

24、,随着车速增加,橡胶粉改性沥青路面llsbs改性沥青路面道路噪音减少23分贝,根据计算公式可算出,相当于减少了3545%的车流量.五,橡胶粉改性沥青的经济性比较我们将橡胶粉改性沥青与sbs改性沥青的生产成本进行了逐项比对,并考虑到橡胶粉改性沥青拌合温度要lsbs改性沥青高1020度,每吨耗能lzp,sbs改性沥青约高50元.如果以sbs改性沥青为基准,80目和40目橡胶粉改性沥青每吨生产成本分别降低18.3%和22%.由于橡胶沥青粘度增大,在沥青混凝土生产中油石比较sbs改性沥青sma高约0.5%,则80目,40目橡胶粉改性沥青混凝土生产成本lsbs改性沥青sma生产成本分别减少32.5元/吨和43.84元/吨.如果用4oh橡胶粉改性沥青,其建设成本甚至比普通沥青还要低.六,社会及环保效益传统的沥青改型剂以sbs为主,合成这种热塑型丁苯橡胶耗费石油原料数额巨大,约8吨石油生产一吨sbs(不算副产品),而我国石油资源短缺,对外依存度超过50%并逐年上涨,如果采用废轮胎橡胶粉替代sbs改性沥青,每年可大量节约能源,不仅直接节省石油原料,还节约sbs生产过程中的各种能源资源消耗,以及生产中废气,废水,废渣排放带来的环境污染.如果以全国每年消耗sbs改性沥青4o7y吨,sbs添加量按6%计算,共