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  • 廢輪胎膠粉在道路工程中的應用現狀及發展前景

    時間:2019-07-18  

    一、廢輪胎在國內外道路工程中的應用

    廢輪胎是國際公認的影響環境而必須處理的固體廢棄物,隨著汽車工業的發展,我國廢輪胎的產出量近幾年急劇增長,據中國橡膠工業協會統計,2017年廢輪胎產生量為1300萬噸,至2020年將達2200萬噸。未來按國家中長期規劃予判,廢輪胎產生年增量應保持10%以上,預計2025年可達到近3000萬噸。廢舊輪胎具有很強的抗熱、抗機械性,將它埋在土地里,100年也不會分解腐爛,,若長期露天存放,不僅占用土地,而且會產生大量有毒有害氣體,嚴重污染生存環境,危害人民身體健康。我國在20世紀80年代開始研制廢輪胎膠粉改性瀝青,目前,我國廢輪胎膠粉工業化生產技術已處于國際領先地位,通過此法將廢舊輪胎粉碎或研磨成微粒,膠粉無須脫硫,所以生產過程中耗費能源少,不排放廢水、廢氣污染環境。隨著廢舊輪胎膠粉加工工藝的改善,精細廢膠粉的生產成本不斷降低,并且對廢膠粉改性瀝青從特征機理到開發應用均做了大量工作,高等級公路瀝青的開發生產已獲得重大突破,廢舊輪胎膠粉在公路工程中的應用研究已全面開展。

    1、國外應用現狀

    廢舊輪胎在國外道路建設中的應用主要是將廢輪胎膠粉應用于公路建設,這在國際上已有悠久的歷史。以美國為首的發達國家,對膠粉改性瀝青及其混合料的研究起步早,研究連續、成果較豐厚、應用成熟。

    20世紀 60~70 年代以來,美國、法國、英國、南非等國家先后開展了膠粉改性瀝青和膠粉改性瀝青混凝土的應用研究。以美國為首的發達國家對膠粉改性瀝青及其混合料的研究起步早,研究連續,成果和實踐經驗較豐富。南非對膠粉改性瀝青的應用門類全、技術成熟。據了解,目前南非 60%以上的道路瀝青使用膠粉改性瀝青。根據他們的經驗,對于超重軸載的環境,使用膠粉改性瀝青混凝土尤為有利。俄羅斯局部地區也使用膠粉改性瀝青作為鋪路的基元,從已知的消息看,使用膠粉改性瀝青的公路交通事故明顯降低,同時還發現了它降噪的功效。

    美國國會1991年通過的《路上綜合運輸經濟法案(ISEA)》規定,從1994年起凡用聯邦撥款采購熱伴瀝青混合料的,其中5%的撥款必須用來采購膠粉改性瀝青,以后每年遞增5%,到1997年增加到20%,到上世紀末,美國鋪設的膠粉改性瀝青路面已超過1.1萬公里;日本、俄羅斯、加拿大、瑞典、韓國、芬蘭等亦已成功地將膠粉改性瀝青用于修建高等級公路。

    2、國內應用現狀

    我國對膠粉改性瀝青的研究起步于20世紀80年代初,但由于受到各種條件的限制,進展較為緩慢,相關研究成果及鋪筑試驗路較少。直到2001年,交通部公路科學研究所主持了交通部西部科研項目——廢舊橡膠粉用于筑路的技術研究,才對膠粉改性瀝青及膠粉改性瀝青混合料的路用性能及力學特性開展了全面、系統的試驗研究。

    1982-1986 年期間,自從膠粉改性瀝青修筑公路在江西省和四川省開始,經過十多年高負荷運行的考驗,對于減小光線的反射和路面裂縫及提高路面的熱穩定性能等均有良好的效果。1993年沈陽市在交通量較大的繁華道路上用膠粉改性瀝青試鋪了1萬平方米的路面,在冬季和夏季路面表層溫差有 100℃ 以上的東北地區,經過一個冬季和夏季的考驗,沒有出現低溫開裂和高溫車轍的現象,效果良好。從 1994 年起,我國先后在首都機場高速公路、廣佛高速公路、成渝高速公路和上海虹橋機場跑道等工程中應用了引進的廢膠粉改性瀝青專利技術,取得了較好的效果。

    2013年,進行了包括京港澳在內的國內六條公路的試點修繕,均采用膠粉改性瀝青作為主要材料,天津海泰環??萍及l展股份有限公司鋪設的京港澳高速公路,采用大比例的膠粉改性瀝青應用于底面層及中面層的瀝青混凝土,全長224.6公里有效利用360萬條廢輪胎,使用廢輪胎膠粉改性瀝青85000噸,成為名副其實的“綠色環?!备咚俟?,這是我國第一條科技示范路和低碳環保示范路。截止2018年底全國用膠粉改性瀝青鋪設公路20000多公里,其中,天津海泰環??萍及l展股份有限公司鋪設6000度公里。

    二、膠粉改性瀝青的改性機理

    膠粉顆粒與基質瀝青在高溫(180℃)充分混合條件下,逐步發生熔脹、吸附、脫硫、降解等一系列的物理化學反應,首先是膠粉顆粒吸收瀝青中的輕質成分而熔脹,同時在顆粒表面形成瀝青質含量較高的凝膠膜;隨著反應時間的增加,膠粉顆粒通過凝膠膜連接,形成一個粘度較大的半固態連續相的混溶體系;伴隨著膠粉顆粒與瀝青的熔脹過程,部分膠粉顆粒還會發生脫硫和分子降解過程,交聯劑硫、抗老化劑等外加劑和炭黑等活性成分會通過界面交換作用進入瀝青膠體體系;而未裂解的膠粉顆粒在瀝青懸浮液中均勻分布,從而最終使混溶體系達到相對的穩定狀態。膠粉顆粒與瀝青混熔過程中的微觀溶脹模型如圖1所示。具體可以分為四個階段:

    1)膠粉顆粒體積熔脹,使得瀝青膠體結構發生轉變(膠粉顆粒吸收瀝青中的輕質組分):加入基質瀝青中的膠粉能夠吸附瀝青中的輕組分,使瀝青組分產生遷移,瀝青中與膠粉結構相似的輕組分經過滲透、擴散進入膠粉網絡,瀝青質相對含量越來越多,從而使瀝青膠體結構向溶凝膠型結構發育;

    2)膠粉顆粒通過凝膠膜連接,形成半固態連續相體系(由膠粉與瀝青的離散體轉變為連續體):膠粉吸收瀝青中的油分而熔脹,部分恢復了生膠性質,膠粉重新具有一定的粘性,能夠較均勻地懸浮分散在瀝青中,并通過凝膠膜相互連接,形成粘度較大的半固態連續相體系,這種混溶體系不僅保持了基質瀝青的主要物理力學性質,也在一定程度上恢復了膠粉部分生膠的粘性和可塑性,從而產生改性效果;

    3)部分膠粉顆粒脫硫、降解,活性成分進入瀝青膠體體系(少量的化學改性作用):在高溫攪拌條件下,部分膠粉的網狀結構適度氧化裂解,變成大量的小體型網狀結構和少量鏈狀物,隨著該反應的進行,膠粉會與瀝青發生物質交換,膠粉中的硫、炭黑、氧化硅、氧化鐵等活性成分物質進入瀝青膠體體系中,起到改善瀝青溫度敏感性、低溫性能及耐老化性能的作用;

    4)通過外加化學助劑的化學交聯作用,大部分膠粉顆粒對普通瀝青起到了加勁作用:膠粉在普通瀝青中可形成加勁結構,膠粉三維隨機分布,獨立存在,構成連續相,膠粉間靠凝膠膜連接,節點粘結效力依賴于溫度。


    1 膠粉與瀝青混熔過程中的微觀溶脹模型

    三、膠粉改性瀝青產品優勢機理分析

    1、膠粉組成分析

    廢輪胎膠粉中含有天然橡膠、合成橡膠、硫磺、碳黑、抗老化劑、抗氧化劑等化學成分,這些成分對改善普通瀝青的品質都十分有益。

    1膠粉中含有25%~40%的天然橡膠,能夠有效提高普通瀝青的軟化點、改善瀝青低溫下的流動性、使瀝青產生可逆的彈性變形;老化降解時,天然橡膠是變軟變粘的過程,瀝青是變硬變脆的過程,因此,對于膠粉改性瀝青,老化時橡膠組分可以補充瀝青老化而失去的軟組分所具有的性能,從而延長瀝青膠體系的老化周期;

    2碳黑可以有效改善瀝青的粘附性、耐久性和抗磨性、提高瀝青混合料的抗車轍性能;

    3硫磺可以有效改善瀝青的溫度穩定性;

    4抗老化劑、抗氧化劑能夠提高瀝青抗老化性能等。

    2、膠粉改性瀝青的材料組成分析

    膠粉改性瀝青中添加15%~25%的膠粉作為改性劑,且膠粉中含有較多有益成分,能夠顯著提高普通瀝青的路用性能,并顯著延長膠粉改性瀝青的老化周期,從而延長路面使用壽命和服務年限,降低養護費用。

    四、膠粉改性瀝青的性能優勢

    1具有優異的抗疲勞性,提高路面的耐久性能,道路的養護費用顯著     降低;

    2膠粉摻量高、彈性好,提高了路面對疲勞裂縫、反射裂縫的抵抗能力,減少噪音3-8分貝;

    3較強的低溫柔韌性減輕了路面的溫度敏感性;

    4膠粉改性瀝青膠結料含量高、油膜厚以及輪胎中含有抗氧化劑, 故提高了道路抗老化、抗氧化能力;

    5具有優異的抗車轍永久變形能力;

    6膠粉中的炭黑能夠使路面黑色長期保存,與標線的對比度高,減輕路面反光,提高了道路的安全性;

    7大量使用廢舊輪胎,既節約了能源,也有利于環境保護。

    五、膠粉改性瀝青在推廣應用過程中遇到的問題

    目前,廢輪胎膠粉改性瀝青技術研究已經非常成熟,并從高溫性能、低溫性能、使用壽命、行車舒適度及經濟性等多方面進行了驗證并獲得一致好評,但是由于膠粉改性瀝青在生產與施工過程中會產生惡臭氣體,進一步阻礙了廢輪胎膠粉改性瀝青的推廣與應用使其發展緩慢,因此,需要重點解決產品本身在高溫下惡臭氣體產生的問題,有效改善道路攤鋪工人的工作條件,降低因惡臭氣體的排放造成的不良影響。

    天津海泰環??萍及l展股份有限公司自主研發的“EO道路反應型專用凈味劑”,能夠有效解決膠粉改性瀝青在生產及施工過程中惡臭氣體排放的問題,通過化學反應使H2S、VOCs、臭氣的排放濃度降低40%以上,為進一步推動廢輪胎膠粉改性瀝青的廣泛應用、建設“低碳綠色公路”做出偉大的貢獻。

    凈味原理主要有三方面:

    1)EO形成活潑的自由基,抑制瀝青中自由基的產生,阻止光熱氧化反應的發生,降低有機揮發物的排放;

    2)EO與惡臭相關組分發生螯合反應,形成更穩定的官能團,降低活性成分的揮發性,惡臭等有害氣體的排放;

    3)EO中多空分子篩與未反應完全的惡臭氣體發生反應,達到二次凈化的效果。

    EO道路反應型專用凈味劑已經在江西廣昌至吉安高速公路、唐廊高速(天津段)、京秦高速(天津段)、湖北黃黃高速(蘄春段)等工程建設中應用,累計鋪筑公路170公里,400萬平方米,性能完全滿足交通部技術要求,社會、環境效益顯著。該成果經過專家鑒定為達到國際先進水平,建議進一步推進成果推廣應用,加快成果轉化,擴大應用范圍。

    六、膠粉改性瀝青的應用前景

    近些年來,由于社會經濟的迅猛發展,人們越來越重視環境質量。廢輪胎產生量的不斷增長,降低了環境質量,在道路工程中,應用廢輪胎膠粉改性瀝青材料,既提高了瀝青路面的路用性能,又解決了廢輪胎處理環保上的難題,進而節約了瀝青,降低了道路建設的成本,提高了廢輪胎資源的利用率,保護生態環境,因此是一項既經濟又環保的“多贏”的項目。廢膠粉改性瀝青路面可以克服傳統瀝青路面夏天高溫泛油、鼓包,冬天天氣寒冷開裂的缺陷,耐熱、耐寒,同時增強抗車轍能力和防滑性,提高安全系數。從交通環境看,膠粉改性瀝青適用于高速公路、高等級公路及城市市政道路的建設及維修養護工程,包含各種類型的瀝青混合料(連續級配、間斷級配、密級配、開級配、AC型、SMA型、OGFC型),以及應力吸收層、碎石封層、防水粘結層等領域,并且可以以較薄的厚度獲得較長的使用壽命。國內外市場競爭優勢明顯。

    膠粉改性瀝青環保意義顯著,技術水平優勢、性能優勢和經濟優勢明顯。作為公路建設者,將膠粉改性瀝青應用于道路工程建設中,不僅能夠解決廢舊輪胎帶來的社會問題,也為當前瀝青路面存在的一些問題找到了較為合理的技術途徑,還可以節約大量建設投資,更可為道路使用者提供一條耐久、平整、舒適、安靜的環保優質路面。膠粉改性瀝青是一個社會效益明顯的環保產品,具有良好的應用前景。


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