一种废旧轮胎粉改性沥青及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种筑路材料,具体涉及一种废旧轮胎粉改性沥青及其制备方法。
背景技术
废旧轮胎粉改性沥青是以沥青作为废旧轮胎粉的分散剂,将高剂量的废旧轮胎粉与基质沥青在高温条件下混溶制成的一种改性沥青。废旧轮胎粉的掺入改善了沥青的高低温性能、弹性性能及抗老化性能,提高了沥青的路用性能指标:例如可提高道路的耐磨性和耐寒性,延长路面使用寿命,并缩短刹车制动距离。另一方面,废旧轮胎粉大量用于公路工程中,可以有效解决大规模废旧轮胎带来的固体废弃物污染问题,还可以降低噪声,且废旧轮胎粉改性沥青相对其他改性沥青成本低廉,可降低筑路成本,具有显著的环保效益和社会经济效益。
然而,由于废旧轮胎粉与沥青之间的相互作用十分复杂,目前废旧轮胎粉与沥青之间的相互作用机理尚未研究清楚。现阶段废旧轮胎粉改性沥青生产工艺主要有两种:第一种工艺是将废旧轮胎粉(或改性过的废旧轮胎粉)掺入基质沥青中高速搅拌剪切而成废轮胎粉改性沥青,该工艺由于采用的温度较高(一般≥180℃),沥青在高温下容易老化变性,使改性后的沥青综合性能下降;同时,当基质沥青加热到180℃以上时,会挥发出苯等有毒的芳烃类物质,危害操作人员身心健康、污染生态环境。而且该工艺复杂、成本较高;例如,专利CN1807514A提出了一种采用细胶粉与基质沥青混合、在高速剪切装置中搅拌而制备沥青混合料的方法,其沥青改性温度控制在185~195℃,当基质沥青在加热到185~195℃时,有一部分沥青已产生老化,从而导致沥青与集料的粘附性下降,对混合料的耐久性也有负面影响。再例如申请号为201310417564.0的专利申请公开了一种利用废旧轮胎粉制备道路沥青的方法,先将废旧轮胎粉进行表面改性预处理,然后加入到融化的基质沥青中,经不锈钢胶体磨、保温、发育制得改性沥青。但是由于胶体磨的功率一般是100~300KW,且需长时间运转,且受胶体磨流量的限制,废旧橡胶份改性沥青的产量亦受到限制,该种生产工艺远远不能满足公路建设发展的需要,而且能耗非常大,生产成本昂贵。为了有效改善上述生产工艺对产品造成的性能缺陷,科研工作者也尝试了从调整原料配方入手,采用添加剂对废旧轮胎粉表面进行改性后在较低温度条件下通过搅拌的方式混合均匀后获得废旧轮胎粉改性沥青,然后通过不断优化添加剂的种类、用量以及与轮胎胶粉、沥青的配比得到综合性能优异的改性沥青,例如,申请号为201310725123.7的专利申请公开了一种利用废旧轮胎制备改性道路沥青的方法,分别采用一定量的催化剂、甲基丙烯酸缩水甘油脂、二乙烯三胺对胶粉进行表面改性,然后在170~180℃条件下与基质沥青搅拌混合,保温一段时间后制备出废轮胎胶粉复合改性沥青。该工艺和申请号为201310417564.0的专利工艺一样,略有不同的是将大功率的胶体磨换为大功率的高速乳化机,胶粉与基质沥青的混合温度降为170℃~180℃,大功率的高速乳化机亦需长时间运转,且受乳化机流量的限制,废旧橡胶份改性沥青的产量亦受到限制,该种生产工艺远远不能满足公路建设发展的需要,而且能耗非常大,生产成本昂贵。废旧轮胎粉改性沥青生产另一种工艺为先用溶剂将废旧轮胎粉溶解,再掺入基质沥青经高速搅拌剪切制成废旧轮胎粉改性沥青,此工艺因在制备改性沥青的过程中使用大量的有机溶剂,且这些溶解多为致癌性有毒易挥发芳烃类物质,在生产、使用中会大量逸出,损害工人身心健康污染生态环境,因此,该工艺现已基本不用。
综上所述,充分利用并优化现有废旧轮胎粉改性沥青的相关配方和生产工艺,开发出综合性能优异,路用品质高,且能够降低设备生产时有害气体的逸出、缩减原料成本的支出,实现节能减排、减少资源浪费,是我国道路建设行业亟需解决的问题,具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明针对背景技术中所提出的问题及目前已有技术的不足,本发明的目的在于提供一种废旧轮胎粉改性沥青及其制备方法。
为了实现本发明的第一个目的,发明人经过了大量的试验研究,通过优化现有废旧轮胎粉改性沥青的配方来提高改性沥青产品的综合使用性能。
本发明的第一个目的是这样实现的:
一种废旧轮胎粉改性沥青,所述改性沥青由如下重量份的各组分在高温条件下经搅拌混溶制成:77~81份基质沥青,18~22份改性废旧轮胎粉,0.1~0.3份稳定剂,其中:所述改性废旧轮胎粉由86.5~98.5份废旧轮胎粉、0.3~1份有机胺、0.2~0.5份催化剂组成,所述有机胺为二亚乙基三胺、苯肼、二苯胍、三乙醇胺或六亚甲基四胺中的任一种,所述催化剂为氯化亚铜或氯化亚铁或氯化亚锰中的任一种。
进一步地,上述技术方案中所述的改性废旧轮胎粉还包括活化剂,所述活化剂为废橡胶再生制取的再生软化油或妥尔油。
进一步地,上述技术方案中所述的稳定剂为WJ-1稳定剂,所述WJ-1稳定剂由硫磺、松香、滑石粉、二辛基酞酸酯分别按重量比为75:19:5:1的比例均匀混合制得。
进一步优选地,上述技术方案中所述的改性废旧轮胎粉由86.5份废旧轮胎粉、0.3份有机胺、0.2份催化剂、13份活化剂组成。
更进一步地,上述技术方案中所述的有机胺优选为二苯胍,所述的催化剂优选为氯化亚铜,所述活化剂优选为废橡胶再生制取的再生软化油。
进一步优选地,上述技术方案中所述石油沥青为79份,所述改性废旧轮胎粉为20份,WJ-1稳定剂0.1份,所述废旧轮胎粉粒径大小为40目。
进一步地,上述技术方案中所述废旧轮胎粉为细废旧轮胎粉,粒径大小可以为40~80目,优选为40目,由废旧斜交胎破碎制得,所述基质沥青为石油沥青,是由多种高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物。
进一步地,上述技术方案中所述废旧轮胎粉主要成分为天然胶(NR)和丁苯胶(SBR),其橡胶烃含量在55%左右,所述废旧轮胎粉选自小卡车轮胎粉(XK)、大卡车轮胎粉(DK)、农用车轮胎粉(NY)、胎冠胎粉(TG)中的任一种。
进一步地,上述技术方案中所述基质沥青为中石化70#沥青或中海AH-70#沥青。
本发明的第二个目的在于提供一种上述所述废旧轮胎粉改性沥青的制备方法,所述方法包括如下步骤:
(1)按所述重量份取废旧轮胎粉,置于搅拌罐1中,然后依次加入所述重量份的有机胺,催化剂,活化剂,启动搅拌器搅拌10~15min,得到改性废旧轮胎粉;
(2)将所述重量份的基质沥青放入搅拌罐2中,加热至155~170℃后恒温,使沥青融化,启动搅拌器,将步骤(1)所述得到的改性废旧轮胎粉在搅拌条件下逐渐加入到搅拌罐2中,加料速度每秒不大于罐内基质沥青质量的5‰,连续搅拌30~60min;
(3)改性废旧轮胎粉加入完毕后,向搅拌罐2中加入所述重量份的稳定剂,搅拌30分钟,恒温发育30~60min后即制备出所述废旧轮胎粉改性沥青,搅拌器每间隔120分钟开启10分钟,改性沥青待用。
进一步地,上述技术方案中所述搅拌器采用的是悬轴搅拌器。
进一步地,上述技术方案中步骤(3)所述恒温温度优选为170℃,发育时间优选为60min。
进一步地,上述技术方案中所述有机胺优选为二苯胍,所述催化剂优选为氯化亚铜,所述活化剂优选为废橡胶再生制取的再生软化油。
本发明的有益效果为:
(1)本发明采用有机胺、催化剂、活化剂对废旧轮胎粉进行改性后,可以增加胶粉分散均匀性与界面结合力,制得的废旧轮胎粉改性的复合沥青相对于基质沥青针入度明显降低,软化点提高,低温(5℃)延展度明显提高,改性沥青比基质沥青具有更好的稳定性和低温抗裂性,存储稳定性明显提高;
(2)本发明在采用废旧轮胎改性沥青的生产过程中采用的温度≤170℃,在此温度范围内,沥青完全不会老化,对沥青的粘性以及耐久性等性能不产生任何影响,另外,由于生产温度低,在生产或施工过程中,都不会造成有毒气体的逸出,绿色环保;
(3)本发明将目前复杂的废旧轮胎粉改性沥青的生产工艺由简单的纯搅拌生产工艺替代,借助添加剂在一定的条件下使橡胶粉经表面改性预处理后直接投入到融化的基质沥青中,仅经过简单的搅拌即可充分溶解膨胀而制成废旧橡胶粉改性沥青,无需借助高速剪切及胶体磨等强外力因素实现该过程,从而大大降低了废旧轮胎粉改性沥青的生产成本。
附图说明
图1为本发明废旧轮胎粉改性沥青制备工艺示意图;
图2为本发明采用的悬轴搅拌器的结构示意图,其中,1-减速机,2-搅拌叶片,
3-搅拌轴,4-罐体;
图3为本发明应用试验例1中试验路结构示意图;
图4为本发明应用试验例1中碾压成型后的效果图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步详细地说明。
本发明上述技术方案中所述基质沥青来源较广,包括各种原油及不同工艺生产的沥青,沥青的组分极为复杂,通常可分成沥青质、胶质、油分(饱和分+芳香分)4个组分。沥青中沥青质、胶质等组分是复杂的混和物,包含多芳环、杂环衍生物,以及有芳环、环烷烃和杂环的重复单元结构的混和物,石油沥青中还含有蜡。本发明所述沥青选取石油沥青,选自中石化70#沥青或中海AH-70#沥青。
本发明所述的妥尔油为市售的工业级妥尔油,妥尔油在本发明中作为活化剂使用。妥尔油是TallOil的译音,妥尔油又称液体松香,是从碱法(主要为硫酸盐法)制木浆时所残余的黑色溶液制得,妥尔油主要成分是脂肪酸和松香酸,属于混合物。
本发明所述的再生软化油,是废橡胶在超临界的高温高压水作用下,发生裂解,再通过一系列的分离、过滤等程序,可以制得重新用于橡胶加工用的软化油。具体方法为,先将废橡胶制品进行粉碎,并除去纤维、钢丝等非橡胶成份。所得胶粉放入一反应釜中,然后往其中通入高温(374.2℃)高压(218.5kg/cm2)水,该水呈弱碱性,以中和废胶中的酸性成分。该反应釜在不断地振荡中,橡胶分子与超临界条件下的活性水分子发生反应,在高温高压下,水成为活性分子,并进入橡胶分子内部,使硫键断裂,与此同时硫化胶中的亲水性分子(防老剂、促进剂)将溶于水中,该反应时间约10~30分钟。反应终止后,将反应釜冷却,首先将水及水溶物滤出,再将所剩油状物与固态物(炭黑及未裂解的硫化胶)进行分离,除去固态物后的液态物质再除去低分子(分子量低于100的)东西后,即为所需要的橡胶用软化油。再生软化油的分子量在200000以下。经核磁共振试验结果表明,此油状物与废旧轮胎粉基本结构相似,用再生软化油与废旧轮胎粉浸泡,能够促进废旧轮胎粉溶胀,提高改性沥青性能,加入基质沥青后,能够增加针入度,使改性沥青更接近凝溶胶状态。
在沥青加工设备中,浸在沥青中的连接轴的支撑历来是个非常头痛而又无法解决的问题。浸在沥青中的连接轴的支撑,因沥青中不可避免的含有泥沙、石硝及各种杂质,常常会将支撑中的轴承拉伤,不管轴承是轴套类型还是轴承类型。沥青加工设备的故障中,绝大多数是轴承损坏。而在废旧轮胎粉改性沥青生产工艺中,废旧轮胎粉改性沥青搅拌罐中的搅拌器,需要长时间连续工作,若采用传统的搅拌器,浸在沥青中的连接轴的支撑故障率会非常高;若把轴的两个支撑都放在沥青液面以上,则由于沥青液面内连接轴太长,会造成连接轴失稳、抖动、折断。而本发明采用的悬轴搅拌器,就是将连接轴的支撑放在罐外,沥青液面内没有支撑,为了解决连接轴失稳、抖动、折断的问题,将连接轴的直径加大到标准直径的3~4倍并采用实轴,以连接轴自身的重量保证连接轴的稳定性,这样既免除了浸在沥青中的连接轴的支撑故障率高的问题,又保证了连接轴的稳定性。在实际使用中,采用悬轴技术的搅拌器运行平稳,因此,本发明下述实施例均采用的是悬轴搅拌器,所述悬轴搅拌器的结构示意图如图2所示,其中,1-减速机,2-搅拌叶片,3-搅拌轴,4-罐体。
实施例1
以生产本发明中的废旧轮胎粉改性沥青产品为例,配方中所述废旧轮胎粉的粒径大小为40目,所述废旧轮胎粉选自大卡车轮废旧轮胎粉(DK),配方中各组分的重量如下:
改性废旧轮胎粉(DK)18kg
中海AH-70#沥青81kg
WJ-1稳定剂0.1kg;
其中,上述所述废旧轮胎粉(DK)由如下重量份的各原料组成:废旧轮胎粉(DK)17.73kg,二亚乙基三胺0.18kg,氯化亚铜0.09kg;
上述所述0.1kgWJ-1稳定剂由如下重量份的各原料组成:硫磺:0.075kg,松香0.019kg,滑石粉0.005kg,二辛基酞酸酯0.001kg。
上述所述废旧轮胎粉改性沥青采用如下方法制备而成:
(1)取废旧轮胎粉(DK)17.73kg,置于搅拌罐1中,然后依次加入0.18kg二亚乙基三胺,0.09kg氯化亚铜,75~80℃条件下,启动搅拌器,以350r/min的搅拌速度搅拌15min,得到改性废旧轮胎粉;
(2)将81kg中海AH-70#沥青放入搅拌罐2中,加热至170℃后恒温,然后将步骤(1)所述得到的改性废旧轮胎粉在搅拌条件下逐渐加入搅拌罐2中,搅拌速度为128r/min,连续搅拌60min;
(3)改性废旧轮胎粉加入完毕后,向搅拌罐2中加入所述重量份的WJ-1稳定剂,搅拌30分钟,恒温搅拌发育60min后,即制备出所述废旧轮胎粉改性沥青,搅拌器每间隔120分钟开启10分钟,改性沥青待用。
实施例2
以生产本发明中的废旧轮胎粉改性沥青产品为例,配方中所述废旧轮胎粉的粒径大小为60目,所述废旧轮胎粉选自用农车废旧轮胎粉(NY),配方中各组分的重量如下:
改性废旧轮胎粉(NY)22kg
中海AH-70#沥青78kg
WJ-1稳定剂0.1kg;
其中,上述所述废旧轮胎粉(NY)由如下重量份的各原料组成:废旧轮胎粉(NY)21.45kg,二亚乙基三胺0.22kg,煤焦油0.22kg,氯化亚铜0.11kg;
上述所述0.1kgWJ-1稳定剂由如下重量份的各原料组成:硫磺:0.075kg,松香0.019kg,滑石粉0.005kg,二辛基酞酸酯0.001kg。
上述所述废旧轮胎粉改性沥青采用如下方法制备而成:
(1)取废旧轮胎粉(NY)21.45kg,置于搅拌罐1中,然后依次加入0.22kg二亚乙基三胺,0.22kg煤焦油,0.11kg氯化亚铜,75~80℃条件下,启动搅拌器,以350r/min的搅拌速度搅拌15min,得到改性废旧轮胎粉;
(2)将78kg中海AH-70#沥青放入搅拌罐2中,加热至170℃后恒温,然后将步骤(1)所述得到的改性废旧轮胎粉在搅拌条件下逐渐加入搅拌罐2中,搅拌速度为128r/min,连续搅拌60min;
(3)改性废旧轮胎粉加入完毕后,向搅拌罐2中加入所述重量份的WJ-1稳定剂,搅拌30分钟,恒温搅拌发育60min后,即制备出所述废旧轮胎粉改性沥青,搅拌器每间隔120分钟开启10分钟,改性沥青待用。
实施例3
以生产本发明中的废旧轮胎粉改性沥青产品为例,配方中所述废旧轮胎粉的粒径大小为40目,所述废旧轮胎粉选自胎冠胎粉(TG),配方中各组分的重量如下:
改性胎冠胎粉(TG)20kg
中石化70#沥青79kg
WJ-1稳定剂0.1kg;
其中,上述所述改性胎冠胎粉(TG)由如下重量份的各原料组成:胎冠胎粉(TG)17.3kg,二苯胍0.06kg,氯化亚铜0.04kg,妥尔油2.6kg;
上述所述0.1kgWJ-1稳定剂由如下重量份的各原料组成:硫磺:0.075kg,松香0.019kg,滑石粉0.005kg,二辛基酞酸酯0.001kg。
上述所述废旧轮胎粉改性沥青采用如下方法制备而成:
(1)取废旧胎冠胎粉(TG)17.3kg,置于搅拌罐1中,然后依次加入0.06kg的二苯胍,0.04kg氯化亚铁,2.6kg妥尔油,75~80℃条件下,启动搅拌器,以350r/min的搅拌速度搅拌15min,得到改性废旧轮胎粉;
(2)将79kg中石化70#沥青放入搅拌罐2中,加热至170℃后恒温,然后将步骤(1)所述得到的改性废旧轮胎粉在搅拌条件下逐渐加入搅拌罐2中,搅拌速度为128r/min,连续搅拌60min;
(4)改性废旧轮胎粉加入完毕后,向搅拌罐2中加入所述重量份的WJ-1稳定剂,搅拌30分钟,恒温搅拌发育60min后,即制备出所述废旧轮胎粉改性沥青,搅拌器每间隔120分钟开启10分钟,改性沥青待用。
实施例4
以生产本发明中的废旧轮胎粉改性沥青产品为例,配方中所述废旧轮胎粉的粒径大小为40目,所述废旧轮胎粉选自胎冠胎粉(TG),配方中各组分的重量如下:
改性胎冠胎粉(TG)20kg
中石化70#沥青79kg
WJ-1稳定剂0.1kg;
其中,上述所述改性胎冠胎粉(TG)由如下重量份的各原料组成:胎冠胎粉(TG)17.3kg,二苯胍0.06kg,氯化亚铜0.04kg,再生软化油2.6kg;
上述所述0.1kgWJ-1稳定剂由如下重量份的各原料组成:硫磺:0.075kg,松香0.019kg,滑石粉0.005kg,二辛基酞酸酯0.001kg。
上述所述废旧轮胎粉改性沥青采用如下方法制备而成:
(1)取废旧胎冠胎粉(TG)17.3kg,置于搅拌罐1中,然后依次加入0.06kg的二苯胍,0.04kg氯化亚铜,2.6kg再生软化油,75~80℃条件下,启动搅拌器,以350r/min的搅拌速度搅拌15min,得到改性废旧轮胎粉;
(2)将79kg中石化70#沥青放入搅拌罐2中,加热至170℃后恒温,使其融化,然后将步骤(1)所述得到的改性废旧轮胎粉在搅拌条件下逐渐加入搅拌罐2中,搅拌速度为128r/min,连续搅拌60min;
(4)改性废旧轮胎粉加入完毕后,向搅拌罐2中加入所述重量份的WJ-1稳定剂,搅拌30分钟,恒温搅拌发育60min后,即制备出所述废旧轮胎粉改性沥青,搅拌器每间隔120分钟开启10分钟,改性沥青待用。
将上述实施例1~4得到的改性沥青样品进行试验,试验测试内容包括25℃针入度、软化点、5℃延度、针入度指数、弹性恢复、180℃旋转黏度。测试结果如下表所示:
表1实施例1~4制得的改性沥青样品各项性能测试结果表
表1可以看出,制得的废旧轮胎粉改性的改性沥青相对于基质沥青针入度明显降低,软化点提高,低温(5℃)延展度明显提高,改性沥青比基质沥青具有更好的稳定性和低温抗裂性,存储稳定性明显提高。
应用试验例1
将本发明上述实施例4制得的废旧轮胎粉改性沥青作为应力吸收层(膜)应用于水泥混凝土路面的修复,试验路段结构示意图如图3所示。具体方法为,在福建省泉州市洛江区县道X332线正线K10+200~K10+740段,采用加铺1.5cm厚废旧轮胎粉改性沥青应力吸收层,使用碎石同步封层车半幅施工一次成型,废旧轮胎粉沥青用量控制至2.6kg/m2,碎石粒径控制在10mm~15mm,撒铺量22kg/m2~23kg/m2。采用26T胶轮压路机碾压4~5遍,初压温度不低于150℃,复压温度不低于130℃,终压温度不低于120℃,碾压成型后的效果如图3所示,该路段日均流量1万以上,且大量运输石料的超载货车,从施工至今近三年,路面无反射裂缝,无地下水上涌造成的水毁。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。