废胎原液改性沥青生产工艺研究

王启明，岳学军，刘玉恒

（1.云南省公路投资开发有限责任公司，云南 昆明 650000；2.河南省高远公路养护技术有限公司，河南 郑州 450000；3.河南省高等级公路养护工程研究中心，河南 郑州 450000）

废胎原液改性沥青生产工艺研究

王启明1，岳学军2，刘玉恒3

（1.云南省公路投资开发有限责任公司，云南 昆明 650000；2.河南省高远公路养护技术有限公司，河南 郑州 450000；3.河南省高等级公路养护工程研究中心，河南 郑州 450000）

为了改善橡胶沥青储存稳定性差、质量不稳定的问题，通过对废胎原液改性沥青生产及改性机理的分析，对其制备条件及生产工艺进行研究，得到了胶粉掺量、剪切时间、剪切温度、活化剂掺量对产品性能的影响，推荐出最佳工艺参数。采用常压、高速剪切对不同橡胶粉掺量、剪切时间、剪切温度、活化剂掺量的废胎原液改性沥青进行正交试验，结果表明：废胎原液改性沥青具有良好的高温性能、低温性能和储存稳定性。

废胎原液；改性沥青；橡胶沥青；储存稳定性

0 引 言

随着汽车工业的快速发展，产生的废旧轮胎也越来越多，给社会和环境带来巨大的压力，导致了“黑色污染”。另一方面，废旧轮胎作为一种可再生资源，其产品以及延伸制品可广泛地应用于橡胶、化工和交通等国民经济重要产业。

废橡胶、废旧轮胎的再生利用技术作为资源再生利用技术，已在2012年被国家发改委列入了战略性新兴产业重点产品和服务指导目录。中国交通运输行业在“十二五”发展规划中，明确提出了推行低碳、环保、节能道路建养技术体系的要求。因此，如何合理利用废旧轮胎，实现橡胶资源充分再利用，防止环境污染，是一个具有重大意义的问题。

1 橡胶沥青存在的问题

目前，橡胶沥青以其良好的高低温性能、应力吸收能力和降噪性能，被广泛地应用于公路建设和养护的表面封层、应力吸收层、沥青混凝土拌和等领域［1］，但橡胶沥青在生产和使用的过程中仍然存在一些问题，主要表现在以下几个方面。

（1）橡胶沥青在生产和使用过程中，是一个漫长的脱硫塑化过程，随着时间的变化，性能不稳定。

（2）溶胀的橡胶粉有胶核存在，不能完全溶解，同时由于胶粉的密度大于基质沥青的密度，因此橡胶沥青容易发生分层离析现象。

（3）胶核的存在使橡胶沥青混凝土具有较大的弹性，导致混凝土在压实完成后产生回弹，压实度控制难度较大。

2 生产工艺及改性机理

废胎原液改性沥青是以道路石油沥青为主要反应介质，根据相似相溶的基本原理，将废旧轮胎橡胶粉投入石油沥青中，辅以化学添加剂，在温度、机械搅拌等条件下发生一系列的物理和化学变化，打破原来的交联网点，使橡胶内的S－S键及C－S键产生断裂，从而高聚物分子可以较为彻底地溶胀和脱硫塑化，形成废胎原液，如图1所示。

图1 废胎原液改性沥青生产机理

在此过程中，沥青中的轻质油分被吸附，沥青粘度增加，轮胎橡胶粉发生裂解，交联剂硫、丙酮抽出物、抗老化剂、锌化合物等外加剂和部分碳黑等活性成分通过界面交换作用进入沥青中，从而使得沥青的高、低温性能及抗老化性能得到改善；另一方面，由于脱硫塑化较为彻底，无明显橡胶核存在，与普通橡胶沥青相比，其储存稳定性更好，施工质量控制难度大大降低。

3 生产工艺条件研究

废胎混合液改性沥青性能与其制备工艺密切相关，胶粉掺量、压力、搅拌方式等参数均会对废胎橡胶的脱硫塑化产生影响，进而影响废胎原液的性能［2］。综合室内试验条件及国内外研究基础，本文采用常压、高速剪切，对不同橡胶粉掺量、剪切时间、剪切温度、活化剂量的废胎原液改性沥青进行评价，并对其生产工艺的参数进行研究［3－5］。研究过程采用正交试验，设计出一个四因素三水平的废胎混合液改性沥青正交试验表，如表1所示。

表1 废胎混合液改性沥青L9（34）正交试验

测试以上9组废胎混合液改性沥青试样的性能指标，分析各影响因素对橡胶沥青高、低温可塑性和储存稳定性的影响。

3.1 各因素对高温性能的影响分析

以软化点评价废胎混合液改性沥青的高温性能，试验结果见表2。

表2 废胎混合液改性沥青软化点指标正交试验结果

同一水平下的各试件软化点值之和越大，则说明在该条件下废胎混合液改性沥青高温性能越好。计算每个因素3个水平条件下软化点之和的极差，可反映出各因素对高温性能的影响程度。

由表3可知，废胎混合液改性沥青的软化点随橡胶粉掺量的增大而增大。

分析原因为：橡胶在沥青中脱硫塑化过程中吸收了沥青中的轻质油分，使沥青“硬度”逐渐提高；另一方面，橡胶粉中大分子量物质的混入，也使沥青软化点逐渐提高。

表3 同一掺量水平下各软化点之和及其极差试验结果

由表4可知，废胎混合液改性沥青的软化点随剪切时间的增加而出现先增大后减小的变化规律。

表4 同一剪切水平下各软化点之和及其极差试验结果

分析原因为：剪切时间与橡胶在沥青中的溶胀分散时间是密切关联的，反应初期随着剪切时间的增加，胶粉在沥青中的溶胀分散程度逐渐提高，废胎原液软化点逐渐升高。当反应到达一定程度后，橡胶分子中的S－S键逐渐被打断，分子量减小，软化点逐渐降低。

由表5可知，废胎混合液改性沥青的软化点随反应温度升高而发生的变化并不明显，当温度上升到220℃，软化点差值降低4.9℃。

表5 同一反应温度水平下各软化点之和及其极差试验结果

分析原因为：随着反应温度的升高，橡胶中的S－S键、C－S键打开的速度加快，化合物分子量逐渐降低，软化点降低；但反应温度升高也会促进沥青的溶胀，并吸收沥青中轻质油分，使软化点升高。

由表6可知，废胎混合液改性沥青的软化点随活化剂掺量的增大而降低。

表6 同一反活化剂掺量水平下各软化点之和及其极差试验结果

分析原因为：在废胎原液改性沥青的制备过程中，活化剂是促进橡胶脱硫的关键因素，硫化橡胶在脱硫塑化的过程中，橡胶脱硫加速，使得废胎胶粉的分子量迅速减小，因此软化点逐渐降低。

以上各因素对橡胶沥青高温性能的影响程度从大到小依次是橡胶粉掺量、剪切时间、活化剂掺量、剪切温度。

3.2 各因素对低温性能的影响分析

以5℃延度评价废胎混合液改性沥青的低温可塑性能［2］，试验结果见表7。

表7 废胎混合液改性沥青5℃延度指标正交试验结果

计算每个因素3个水平下5℃延度之和及其极差，可反映出各因素对低温可塑性的影响程度。

由表8可知，废胎混合液改性沥青的5℃延度随橡胶粉掺量增大而增大。

表8 同一掺量水平下5℃延度之和及其极差试验结果

分析原因为：橡胶粉中大分子量物质的混入改善了胶凝物质的弹性，使沥青延度逐渐提高。

由表9可知，废胎混合液改性沥青的5℃延度随剪切时间增加而增大。当剪切时间由30min增加至60min时，5℃延度之和上升了6.4cm；当剪切时间由60min增加至90min时，5℃延度之和上升了1.0cm，上升速度明显变慢。

分析原因为：剪切时间与橡胶在沥青中溶胀分散的时间是密切关联的，反应初期随着剪切时间的增加，胶粉在沥青中的溶胀分散程度逐渐提高，废胎原液5℃延度也随之逐渐提高。

表9 同一剪切水平下各5℃延度之和及其极差试验结果

由表10可知，废胎混合液改性沥青的5℃延度随反应温度的升高无明显变化。

表10 同一反应温度水平下各5℃延度之和及其极差试验结果

分析原因为：随着反应温度的升高，橡胶中的S－S键、C－S键打开的速度加快，化合物分子量逐渐降低，5℃延度降低；但反应温度升高亦会促进沥青的溶胀，并吸收沥青中的轻质油分，使5℃延度增大。

由表11可知，废胎混合液改性沥青的5℃延度随活化剂掺量的增大而增大。

表11 同一活化剂掺量水平下各5℃延度之和及其极差试验结果

分析原因为：在废胎原液改性沥青的制备过程中，活化剂是促进橡胶脱硫的关键因素。硫化橡胶在脱硫塑化过程中，橡胶脱硫加速，使得废胎胶粉在沥青中溶解分散的均匀程度逐渐提高，因此5℃延度逐渐提高。

以上各因素中，对橡胶沥青低温可塑性影响程度从大到小依次是剪切时间、橡胶粉掺量、活化剂掺量、剪切温度。

3.3 储存稳定性

以聚合物改性沥青离析试验评价废胎混合液改性沥青的储存稳定性［2］，试验结果见表12。

计算每个因素3个水平下离析软化点差值之和的极差，可反映出各因素对储存稳定性的影响程度。

表12 废胎混合液改性沥青软化点指标正交试验结果

由表13可知，废胎混合液改性沥青的离析软化点差值随橡胶粉掺量的增大而增大。

表13 同一掺量水平下离析软化点差之和及其极差试验结果

分析原因为：胶粉含量的增加，提高了胶粉颗粒在沥青中的溶解分散难度，较多未溶解的橡胶核密度大于沥青密度，导致废胎混合液储存稳定性逐渐变差；当胶粉含量超过沥青质量20%时，混合液储存稳定性降低速度加快。

由表14可知，废胎混合液改性沥青的离析软化点差值随剪切时间的增加而减小。

表14 同一剪切水平下各离析软化点差之和及其极差试验结果

分析原因为：剪切时间与橡胶在沥青中的溶胀分散时间是密切关联的，橡胶沥青高温剪切的过程也是溶胀的过程；反应初期改性沥青随着剪切时间的增加，胶粉在沥青中的溶胀分散程度逐渐提高，废胎原液离析软化点差逐渐减小。

由表15可知，废胎混合液改性沥青的离析软化点差值随剪切时间的增加而减小。

分析原因为：随着反应温度的升高，橡胶中的S－S键、C－S键打开的速度加快，化合物分子量逐渐降低，胶粉在沥青中的溶解分散速度加快，分解程度更高，因此离析软化点差值降低。

表15 同一反应温度水平下各离析软化点差之和及其极差试验结果

由表16可知，废胎混合液改性沥青的离析软化点差值随活化剂掺量的增大而减小。当橡胶粉掺量由0.5%增加至1.0%时，离析软化点差值之和降低0.9℃；当橡胶粉掺量由1.0%增加至1.5%时，离析软化点差值之和降低0.5℃。

表16 同一反活化剂掺量水平下各离析软化点差的和及其极差试验结果

分析原因为：在废胎原液改性沥青的制备过程中，活化剂是促进橡胶脱硫的关键因素，硫化橡胶在脱硫塑化过程中，橡胶脱硫加速，使得废胎胶粉在沥青中溶解分散的均匀程度逐渐提高，因此离析软化点差值逐渐降低。

综合当量软化点、5℃延度、离析软化点差值3项指标可以看出，橡胶粉掺量、橡胶沥青的剪切时间、剪切温度、活化剂掺量4种主要影响因素对废胎混合液改性沥青的各方面性能有着不同程度的影响，因此废胎混合液改性沥青的生产参数必须根据应用需求有针对性地进行调整。

综合相关技术规范、工艺以及对粘结料各方面应用性能的要求和生产成本，通过室内试验研究，推荐废胎混合液改性沥青的工艺参数为：胶粉掺量15%～20%，剪切时间60～90min，剪切温度200℃，活化剂掺量1.0%～1.5%。

4 结 语

（1）分析了目前橡胶沥青存在的主要问题和产生原因，并依据相似相溶的基本原理，提出了废胎原液改性沥青的生产工艺及改性机理。

（2）对废胎原液改性沥青的生产工艺进行了研究，探索了同一水平下不同胶粉掺量、剪切时间、剪切温度、活化剂掺量对产品性能的影响，推荐了最佳工艺参数。

（3）通过室内试验研究证明，废胎原液改性沥青具有良好的高温性能、低温性能和储存稳定性。

［1］橡胶沥青及混凝土应用成套技术［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］黄 彭，吕伟民，张福青，等.橡胶粉改性沥青混合料性能与工艺技术研究［J］.中国公路学报，2001，14（Z1）：4－7.

［3］JTJ E20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.

［4］刘子兴，常立峰.橡胶沥青性能试验及影响因素分析［J］.筑路机械与施工机械化，2011，29（3）：59－62.

［5］李宁利，李铁虎，陈华鑫，等.改性沥青混合料的拌和与压实温度［J］.中国公路学报，2007，20（2）：40－44.

Research on Manufacturing Technique of Scrap Tire Concentrate Modified Asphalt

WANG Qi－ming1，YUE Xue－jun2，LIU Yu－heng3
（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

［责任编辑：谭忠华］