废旧轮胎胶粉改性沥青技术及应用

摘要：基于我国橡胶沥青技术的研究和工程应用成果，本项目研发了具有高存储稳定性的高黏、高弹系列橡胶沥青，并分类型形成和建立了橡胶沥青标准和技术体系，同时完成了橡胶沥青成套产业化重大装备的国产化研发，建立了完整的包含产品、技术标准和设备三要素的产业化体系。在生产过程中，增设了有毒、有害气体处理装置，减少环境污染，避免了现场湿法橡胶沥青现场开放式的生产对人员和环境造成危害。1.技术概况由废旧轮胎磨细成的橡胶粉制备的橡胶沥青是资源集约型和环境友好型高性能沥青路面的理想材料，是国际公认的资源化利用废旧轮胎、解决“黑色污染”的最有效方式。它不仅可有效消耗废旧轮胎、节约沥青等不可再生资源，促进汽车和交通行业循环经济发展，而且可显著提升沥青路面的路用性能，延长路面使用寿命，减少路面在运营期内的维修养护成本和资源消耗，进一步提升全寿命周期内资源的循环利用效率并减少对不可再生资源的持续消耗。交通运输行业已率先将橡胶沥青列为我国“绿色循环低碳公路主题性示范项目”的重要组成部分。2.技术原理胶粉在橡胶沥青生产过程中与基质沥青产生互换和传质过程。一方面胶粉吸收沥青中的轻质组分发生溶胀；另一方面部分橡胶粉发生降解、脱硫反应，溶于沥青，改变了沥青的组分构成。胶粉中主要成分橡胶烃为“聚异戊二烯（天然胶NR）＋聚丁二烯橡胶（顺丁胶）”或“聚异戊二烯（天然胶NR）+丁苯胶（SBR）”，这些都对沥青有改性作用。橡胶沥青的改性效果来自两个方面：溶胀后的胶粉构成的网络框架体系作用和胶粉降解后对沥青组分的改善作用。橡胶沥青中胶粉吸收沥青中的轻质成分而溶胀，且表面吸附沥青形成界面层（见图1），溶胀后的胶粉构成网络构架体系与吸附沥青一起对沥青的微观流动形成阻尼作用，从而显著提高了橡胶沥青的黏度；部分胶粉在高温剪切过程中发生降解、脱硫反应，由硫化橡胶（立体交联网状结构）降解为含有一定不饱和双键线型结构聚合物，并进一步发生分解，降解产物溶于沥青，改变了沥青的组分比例，使胶质等成分增加，提高了沥青的低温性能和黏性；同时，橡胶烃自身所含有的聚丁二烯橡胶（顺丁胶BR）和丁苯胶（SBR）对沥青有改性作用，其中SBR为常用改性剂，橡胶沥青改性作用与此有一定关系。图1橡胶沥青组成体系示意图根据橡胶粉化学分析，货车轮胎胶粉改性效果优于小车轮胎的原因是货车轮胎含有更多的天然橡胶，且合成胶胶种是对沥青更具有改性效果的丁苯胶（SBR）。废旧轮胎胶粉改性沥青可同一般改性沥青一样直接使用，施工温度满足表1所示的要求即可。此外，不同类型的混合料需满足不同技术特点要求。表1

湿法橡胶沥青混合料的施工温度3.技术创新点（1）完成了高黏、高弹橡胶沥青系列产品的研发，提出了现场加工湿法橡胶沥青和高存储稳定性成品湿法橡胶沥青的技术标准。基于交联活化法和等密度力学法，从配方和生产工艺两方面研发解决了橡胶沥青存储稳定性差的难题，使橡胶沥青的存储稳定期由2~3天延长至30天；基于课题研究成果，建立了适应不同应用需求的高黏、高弹橡胶沥青产品系列，满足60℃黏度>13000Pa·s，25℃弹性恢复>90%；提出了以软化点、针入度、177℃黏度和25℃弹性恢复为主控指标的现场湿法橡胶沥青和成品湿法橡胶沥青技术标准。（2）研发了以高黏、高弹橡胶沥青性能为目标的自主创新成套重大装备，重点攻克了产量效率问题、存储稳定性问题和环境保护问题，为橡胶沥青大规模推广应用奠定基础。通过现场“高温、高速剪切”连续式生产设备、“胶体磨+反应釜”工厂化连续式生产设备、沥青快速升温设备和“对流循环”存储及反应设备的自主研发，形成了橡胶沥青成套产业化装备，解决了高黏、高弹橡胶沥青的产能低、能耗高、存储稳定性差、污染环境等问题，与传统工艺及设备相比，产能提高2倍以上，能耗降低60%~70%，实现了橡胶沥青的稳定存储和有毒、有害气体的集中回收处理；与传统橡胶沥青相比，可减少橡胶沥青路面生产和施工过程中50%的有毒有害气体排放。特别是橡胶沥青“胶体磨+反应釜”工厂化连续式生产设备在全球范围内的率先研发，显著降低了设备成本，与改性沥青生产设备相比，节约成本近200%。（3）分类建立了橡胶沥青技术标准和体系，指导和规范各橡胶沥青在设计和施工中的应用。通过多年的工程运用跟踪观测，结合橡胶沥青研究成果，建立了适用于不同需求的橡胶沥青技术标准和体系，包括橡胶沥青、橡胶沥青混合料、橡胶沥青应力吸收层/桥面防水黏结层的技术指标、适用层位、施工工艺和质量控制标准等。橡胶沥青技术标准和体系的建立对丰富完善和指导规范我国橡胶沥青的应用具有重要的意义。4.技术应用情况表2

成品湿法橡胶沥青典型工程应用项目研发的现场湿法橡胶沥青和成品湿法橡胶沥青系列产品，相比典型混合料类型（AC、SMA、Superpave等）具有良好的适应性，路用性能优良且可降低工程造价，是国内外公认的目前广泛使用的SBS改性沥青的理想替代材料，可用于高速公路、干线公路、水泥路改造、大跨钢桥面铺装等不同级别、不同使用要求的沥青路面。工程实践表明，与普通路面相比，采用橡胶沥青典型结构的路面平均每年可节约近15%的养护费用，且可延长3~5年的路面寿命。该技术适用于高温、重载及长大纵坡地区的沥青路面结构，同时需满足以下条件。（1）完善的检测程序：沥青胶结料的检测、沥青混合料的检测；（2）完善的施工机械配备：钢轮、胶轮；（3）完善的施工组织。5.技术效益分析5.1节能低碳效益橡胶沥青的生产能耗主要体现在橡胶粉改性剂生产和橡胶沥青制备上，国内外学者对橡胶粉的制备过程能耗及温室气体排放进行研究分析，结果如表3所示。表3

橡胶粉单位生产量的能耗及温室气体排放为了使结果更符合国内实际情况，采用国内数据进行橡胶沥青的能耗测算。由于橡胶粉由废旧橡胶轮胎制备得到，废旧轮胎作为废弃物利用，其本身的生产能耗不计入橡胶粉生产之内。橡胶沥青单位产量的能耗及温室气体排放情况如表4和图2所示。表4

橡胶沥青单位生产量的能耗及温室气体排放图2

橡胶沥青生产的能耗及温室气体排放由图2可以看出，就能耗而言，橡胶沥青的生产能耗明显低于SBS改性沥青，这是因为橡胶沥青中橡胶粉是废弃物，其本身的生产能耗不计入在内，而SBS改性沥青中SBS改性剂的生产需要消耗较高能量，该部分能量是计入总能耗当中的。就碳排放而言，橡胶沥青的碳排放高于SBS改性沥青，这是由于橡胶沥青的加工过程中主要使用电力能源，而电力能源的碳排放系数相对较高。根据相关研究结论，现场湿法、成品湿法橡胶沥青混合料拌和能耗较SBS改性沥青混合料分别增加约10%和5%。橡胶沥青混合料的能耗及排放测算结果如表5和图3、图4所示，同时，采用蒙特卡罗分析方法评估了数据的不确定度。计算中考虑了废旧轮胎的循环利用情况，废旧轮胎按照70%的出粉率计算。表5

橡胶沥青混合料单位生产量的能耗及温室气体排放图3

橡胶沥青混合料生产的能耗图4

橡胶沥青混合料生产的温室气体排放可以看出：（1）虽然橡胶沥青混合料的拌和能耗高于SBS改性沥青混合料，但由于橡胶沥青通过废弃物的循环利用，节约了改性沥青中改性剂的生产能耗，使其能耗明显低于SBS改性沥青，因此从全寿命周期的角度分析，橡胶沥青混合料具有明显的节能效益。由于现场湿法橡胶沥青混合料中的沥青用量较多，同时拌和温度也更高，因此其总能耗高于成品湿法橡胶沥青混合料。（2）由于橡胶沥青生产中的碳排放明显高于SBS改性沥青，加之橡胶沥青混合料拌和的耗能较高，其总碳排放量相应也更高，因此从降低碳排放角度来讲，橡胶沥青混合料没有明显的效益。（3）从废弃物循环利用的角度对橡胶沥青混合料进行分析，每吨现场湿法橡胶沥青混合料和成品湿法橡胶沥青混合料分别可循环利用19.05kg

和16.43kg

废旧轮胎，按照每条轮胎重8kg计算，相当于2~2.5条废旧轮胎。5.2经济效益经测算，各改性沥青典型混合料材料成本如下：橡胶沥青SMA13为524.2元/吨；SBS改性沥青SMA13为571.8元/吨。SBS改性沥青AC20为447.4元/吨；橡胶沥青AC20为442.5元/吨。每吨橡胶沥青SMA13比SBS改性沥青SMA13便宜47.6元，则双向四车道的高速公路4cm上面层采用橡胶沥青SMA13每公里将节约8.68万元。同理可得，双向四车道的高速公路4cm中面层采用橡胶沥青SUP20较之SBS改性沥青SUP20将节约1.33万元。总体而言，与SBS改性沥青相比，橡胶沥青可节约建设费用5%

以上。若综合考虑橡胶沥青路面具有优异的抗裂性能和抗疲劳性能，其运营期养护成本相对较低，使用寿命相对较长，从全寿命周期费用考虑其经济效益更佳。表6

橡胶沥青路面与普通路面材料成本对比（百公里）5.3社会效益一般情况下，一个轮胎可制备胶粉15~20kg。因此，生产成品橡胶沥青，需要掺加废旧轮胎胶粉的量为成品橡胶沥青的18%，同时节约等量基质沥青。以应用的21456.24t成品橡胶沥青为例，可节约基质沥青2941.29t；消耗废旧轮胎14万个。根据欧洲沥青协会的数据库（Eurobitumen2011）和《资源集约型