（机械设计及理论专业论文）橡胶沥青应用技术研究.pdf

摘要 橡胶沥青有优良的路用性能 在环保方面也有明显的优势 所以橡胶沥青的推广应 用符合社会经济发展的需要 随着汽车数量的增加 对路面的要求也越来越高 而橡胶 沥青碎石封层作为橡胶沥青的一种应用 结合了橡胶沥青与封层的优点 可以有效地防 止水分入侵和吸收应力 延长路面使用寿命 本文深入分析橡胶沥青生产设备和加工工艺 确定了橡胶沥青的加工工艺并设计了 与之对应的生产设备的搅拌系统 以影响橡胶沥青性能的因素为出发点 研究了橡胶沥 青粘结剂的设计方法 并以试验数据为依据 确定了橡胶沥青粘结剂的配合比 从设备 和材料出发 结合现场情况 从设备参数 材料的生产 现场施工质量控制几方面制定 了橡胶沥青碎石封层的施工工艺 通过现场施工情况来看 按照本文设计和施工的橡胶沥青碎石封层能够很好地满足 施工要求 关键词 橡胶沥青 粘结剂 碎石封层 搅拌 a b s t r a c t r u b b e ra s p h a l ti s g o o da tb o t ha p p l i c a t i o n a n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g s ot h e a p p l i c a t i o no fr u b b e ra s p h a l tm e e t st h en e e do ft h es o c i e t ya n de c o n o m yd e v e l o p m e n t w i t h t h ei n c r e a s i n go ft h ea u t o m o b i l en u m b e r t h eq u a l i 够o ft h er o a ds u r f a c em u s tb ei m p r o v e d t h ea s p h a l tr u b b e rc r u s h e ds t o n es e a lh a st h ev i r t u eo fb o t ha s p h a l tr u b b e ra n dc r u s h e ds t o n e s e a l t h es e a li sw a t e r p r o o f a n dc a na b s o r bt h es t r e s sa n dp r o l o n gt h el i f eo fr o a d o nt h eb a s e m e n to fa n a l y z i n gt h ep r o d u c t i o ne q u i p m e n to fa s p h a l tr u b b e ra n d p r o d u c t i o np r o c e s s e s t h ep r o d u c t i o np r o c e s s e so ft h er u b b e ra s p h a l ti sd e t e r m i n e da n dt h e p r o d u c t i o ne q u i p m e n ti sd e s i g n e d t h ea s p h a l tr o b b e rb i n d e ri sd e s i g n e do nt h eb a s e m e n to f t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ea s p h a l tr u b b e rp e r f o r m a n c e t h ep r o p o r t i o no fa s p h a l tr o b b e rb i n d e r i sd e t e r m i n e do nt h eb a s e m e n to ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h cc o n s t r u c t i o np r o c e s so fa s p h a l t r u b b e rc r u s h e ds t o n es e a li sd e t e r m i n e do nt h eb a s e m e n to fe q u i p m e r i ta n dm a t e r i a l a n a l y z i n g i ti sc l e a rt h a ta s p h a l tr u b b e rc o m b i n i n gc r u s h e ds t o n es e a ln o to n l yi n c r e a s e st h eq u a l i t y o ft h er o a ds u r f a c e b u ta l s oi sg o o da te n v i r o n m e n tp r o t e c t i n ga n du t i l i z i n go fw a s t e k e yw o r d s a s p h a l tr u b b e r b i n d e r c r u s h e ds t o n es e a l m i x 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 讨教b 呷年亡月霹日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 导师签名 吲年c 月鸳e t z 7 年 月2 日 叛 铼枢 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着我国经济的快速发展 交通量不断加大 路面损坏情况也越来越严重 如何提 高路面的使用质量和使用寿命成为当今研究的一个重点领域 另一方面 随着汽车数量的不断增加 世界上每年都会产生大量废弃橡胶轮胎 废 旧轮胎的处理问题日益严重 直接关系到环境和社会的发展 美国作为汽车大国 每年 都会产生数亿条废旧轮胎 其中除了少量得到了利用 绝大部分都被废弃燃烧或者填埋 据统计 2 0 0 6 年 我国产生废1 日轮胎l 亿条 在世界上仅次于美国列第二位 根据目 前的发展速度预测 每年以1 5 的速度增加 到2 0 1 1 年我国的废旧轮胎将达到2 亿条 大量的废旧轮胎堆积如山 很容易自燃 不仅会有安全隐患 还有可能导致严重的环境 污染 如果采用燃烧填埋的方法处理 则自白浪费了轮胎中的各种材料 如何有效地利 用废弃橡胶轮胎成为很多国家和学者研究的重点 1 1 7 1 将废旧轮胎与路面材料结合起来 不仅可以有效地解决废旧轮胎的处理问题 还可 以改善路面材料的使用性能 既有利于社会发展 也有利于环境保护 本文对橡胶沥青 的应用技术进行了研究和探讨 1 2 橡胶沥青的发展历史 橡胶沥青发源于2 0 世纪5 0 年代 是一种用于多种类型柔性路面施工中的粘结剂 根据a s t m 的定义 橡胶沥青是由基质沥青 用废旧橡胶轮胎制成的橡胶粉 橡胶粉 的质量占混合物总质量的比例不低于1 5 和特种添加剂在专用设备中进行反应 橡胶 颗粒在沥青中充分反应并发生溶胀而得到的混合物 2 0 世纪7 0 年代后至2 0 世纪末 世界上很多国家都对橡胶改性沥青进行了广泛的 应用研究和铺路试验 这些国家里美国做了大量的工作 技术也比较成熟 2 0 世纪6 0 年代 美国就已经开始用橡胶粉改性沥青进行铺路试验 发达国家的政府都大力扶持废 橡胶回收利用企业 1 9 9 1 年 美国国会通过了陆上综合运输经济法案 又称冰茶法 该 法案要求从1 9 9 4 年起 凡使用联邦经费购买公路施工用沥青混合料的 都必须将5 的经费用于废橡胶沥青混合料 以后每年递增5 直至1 9 9 7 年达2 0 美国国内多 个州在施工中使用了橡胶沥青技术 如加利福尼亚州 亚利桑那州 佛罗里达州等 这 些州进行了大量实验 积累了很多有价值的数据 并且根据使用情况各自制定了适用于 自己的橡胶沥青使用规范 其它国家中 俄罗斯也成功利用了橡胶沥青技术 表明了橡 第一章绪论 胶沥青在低温地区的使用效果也是很优异的 俄罗斯伏尔加格勒公路交通部门将废轮胎 胶粒用于铺筑路面 有效地防止了因冬季路面结冰引发的交通事故 为了减少车辆行驶 时产生的噪声 英国在萨里郡交通繁忙的4 条道路上用废轮胎胶粒铺筑路面 有效地降 低了噪声 日本 加拿大 法国 南非 瑞典 韩国 芬兰 澳大利亚等已成功地使用 废橡胶改性沥青修筑高速或高等级公路 刀 橡胶沥青技术上世纪八十年代进入我国 很多省份都采用此技术铺筑过试验段路 面 比如北京 沈阳等地 进入本世纪后 随着国家对环保的提倡和对废物利用的大力 投入 橡胶沥青技术发展十分迅速 国内出现了许多专业从事橡胶沥青生产的厂家 比 较有影响力的有四川正中路科 浙江美通和南京金邦等 这些厂家从国外引进了先进的 生产技术和生产设备 所生产的橡胶沥青性能比以前有了很大提高 近几年广东 江苏 湖北 重庆等地先后在高速公路的施工中使用了橡胶沥青 效果很好 2 0 0 7 年交通部 西部科技推广项目 橡胶沥青混凝土路面摊铺技术在湖北上海到成都西高速公路的 试验段进行了现场施工 2 0 0 8 年江苏常州武进经济技术开发区针对此处区域多雨 交 通量大等特点 在绿杨路得施工中铺筑了橡胶沥青应力吸收层 通车后的使用情况表明 橡胶沥青应力吸收层能有效地提高路面使用寿命 重庆地区山地多 桥隧多 隧道透水 导致隧道内路面性能和寿命降低 针对这一情况 重庆在机场连接线 重庆到武汉高速 重庆到贵州高速公路的施工中使用了橡胶沥青 有效地解决了由于透水而引起的水损坏 问题 此外 2 0 0 5 年1 1 月1 0 7 国道广东清远市区段采用了橡胶沥青 2 0 0 6 年6 月江苏 连云港到盐城的高速公路施工中铺筑了3 6 公里的橡胶沥青路面 以后随着经济的发展和社会的进步 人们的环保意识会越来越强 橡胶沥青的应用 也会越来越多 1 3 国内外对橡胶沥青的研究 1 3 1 加工方法的研究 橡胶沥青的使用方法有干法和湿法 7 3 1 干法处理 d r yp r o c e s s 即在沥青加入之前 将橡胶粉作为填料直接加入到烘干 的集料中 用粗颗粒的橡胶粉作为集料的一部分加入到断级配的矿料中 以改善路面行 驶性能 湿法处理 w e tp r o c e s s 即指在沥青与集料在拌和站中进行混合之前先将橡胶粉 与基质沥青混合的方法 湿法有两种 沥青库混合法和麦克唐纳法 2 长安大学硕士学位论文 1 沥青库混合法 沥青库混合法是指将橡胶粉与沥青在沥青库混合后运到拌合站 也可以在现场加 工 这种方法的特点是不进行搅拌 橡胶粉直径小 一般小于5 0 目 橡胶粉用量少 小 于1 5 由于橡胶粉直径小和用量少 所以不需要搅拌橡胶粉就能够均匀分散在沥青 中 沥青库混合法加工得到的改性沥青叫做橡胶化的沥青 r u b b e r i z e d a s p h a l t 粘度 比较低 2 麦克唐纳法 开始于2 0 世纪6 0 7 0 年代 麦克唐纳 c h m c d o n a l d 在这一方面做了大量的 研究工作 所以这种工艺称为麦克唐纳法 麦克唐纳法区别于以前方法的特点使用的橡胶粉粒径比以前大 生产加工的温度也 要高许多 具体方法是 将基质沥青加热到1 9 0 2 1 8 后 将橡胶粉投入沥青中 使橡胶粉在高温沥青下得到充分溶胀 形成一种凝胶状物质 利用麦克唐纳法生产出的 橡胶沥青 不仅粘度大 各项指标都有很大的提高 麦克唐纳法生产的橡胶沥青称为 a s p h a l t r u b b e r 现在施工中用到的湿法主要是指麦克唐纳法 1 3 2 改性机理 国内外专家学者对橡胶沥青的改性机理进行了大量的研究工作 现在对橡胶沥青改 性机理的认识是 橡胶粉与沥青在高温下没有发生化学反应 只是物理的相互作用 c 橡胶沥青的反应过程中 橡胶粉与基质沥青首先充分混容 在这个过程中橡胶粉与 基质沥青在高温条件下会发生明显的物质交换和反应 橡胶粉颗粒在高温作用下部分裂 解 橡胶粉的某些成份通过界面交换进入基质沥青 这些物质的进入可以改善沥青的温 度敏感性 提高抗老化性能 另一方面 基质沥青中的轻质组分被橡胶粉吸收 使沥青 的粘度大大增加 沥青和橡胶粉的界面逐渐模糊 形成一种高弹性的凝胶状物质 4 1 3 3 橡胶沥青特点 l 保护环境 废物利用 据资料统计 2 0 0 6 年 我国产生废旧轮胎l 亿条 根据目前的发展速度预测 每 年以1 5 的速度增加 到2 0 1 1 年将达到2 亿条 如果将这些废旧轮胎全部烧掉或者填 埋 不仅污染环境 也是很大的浪费 在公路上使用废旧轮胎胶粉可以有效地解决这个 问题 国际上发达国家利用率在1 5 以上 我国目前不到1 在我国每年用于公路建 设的沥青中 改性沥青占很大的比重 其中相当一部份改性沥青可以采用废旧轮胎橡胶 第一章绪论 粉改性沥青替代 此外 使用橡胶沥青的公路养护费用也要比其他公路低一些 橡胶沥青路还可以降低道路行车的噪声 提高了居住在公路附近的居民的生活质 量 2 路用性能好 各项指标相对其他改性沥青都有提高和改善 1 高温稳定性能 橡胶沥青有很好的高温稳定性 所以在高温地区或者高温季节 橡胶沥青路面的抗 车辙能力要优于其他路面 2 低温性能 橡胶沥青的低温性能优异 所以橡胶沥青路面的抗低温开裂能力强 这就允许橡胶 沥青用于寒冷地区和低温季节 3 抗老化和耐疲劳性能 橡胶沥青路面的抗老化和耐疲劳性能优异 能显著延长道路使用寿命 保证路面在 很长一段时间内保持良好的使用性能 4 抗水损坏能力 橡胶沥青的防水效果很好 适用于降水较多的地区和隧道内路面的施工 它保证了 路面和路基不会受到水的损害 虽然橡胶沥青虽然性能卓越 应用范围广 它也有一些缺点 比如施工要求比较高 不能长期贮存 气味很大等 在使用的时候要充分考虑橡胶沥青的特点 并结合实际情 况 比如原材料的产地和成分 施工地区的气候条件等 只有这样 橡胶沥青的使用效 果才明显 1 3 4 橡胶沥青应用 根据国内外资料 橡胶沥青的应用主要有 沥青混合料和碎石封层 1 橡胶沥青混合料 橡胶沥青混合料可以使用干法生产得到 也可以使用湿法生产的橡胶沥青或橡胶化 的沥青与集料混合形成 2 碎石封层 根据位置不同 碎石封层有表面封层和应力吸收层两种 表面封层是指将热的橡胶沥青喷洒在道路表面 然后立即撤上一层热的碎石 在沥 青膜冷却之前 用压路机将碎石嵌入粘结剂 这种封层提供了柔韧的 防水的 抗滑的 耐久的表面 可以纠正道路表面的缺陷 封堵和保护路面结构不受表面水的侵扰 表面 4 长安大学硕士学位论文 封层主要用于结构完整 有开裂或松散的路面的改建 表面抗滑性能的恢复 日常预防 性养护 延长路面中寿命 应力吸收层铺筑方法跟表面封层相同 不过应力吸收层的上面要覆盖普通沥青路面 或者橡胶沥青路面 应力吸收层可以有效地延缓放射裂纹 防止表面水渗透到路面结构 中 应力吸收层可以用于旧路面的修复 也可以与透水性路面配合使用 如o g f c 路 面等 1 4 本文研究内容 橡胶沥青可以用于沥青混合料铺筑路面 也可以用于碎石封层 碎石封层的研究涉 及设备 设计和施工三方面 设备指橡胶沥青粘结剂的生产设备 粘结剂和封层的设计 从材料出发 利用实验手段确定关键的参数 对于橡胶沥青粘结剂 原材料是橡胶粉和 基质沥青 对于橡胶沥青碎石封层 原材料是橡胶沥青粘结剂和集料 施工也包括两部 分 粘结剂的加工和封层的施工 本文主要研究内容如下 1 生产工艺及加工设备 2 橡胶沥青粘结剂的设计 3 橡胶沥青碎石封层的设计 4 封层的施工工艺 5 第二章生产工艺和生产设备 第二章生产工艺和生产设备 由于橡胶沥青不同于普通改性沥青 它的加工工艺和生产设备同改性沥青相比也有 很多不同 本章就橡胶沥青的加工工艺和生产设备进行介绍 2 1 橡胶沥青生产工艺 根据在路面工程中的应用 橡胶沥青的生产工艺可以分为干法 d r yp r o c e s s 和湿法 w e tp r o c e s s 干法是指将橡胶粉与集料先搅拌后再喷入沥青拌制的混合料 湿法是指橡胶粉与沥青混合作为粘结剂再与矿料混合 7 1 3 2 1 1 干法生产工艺 干法工艺是指在集料进入拌合站搅拌锅后 将橡胶粉颗粒直接加入搅拌锅与集料混 合 然后再加入加热好的沥青搅拌而成的橡胶沥青混合料 橡胶粉用量约占沥青混合料 的l 3 工艺过程如下图 图2 1 干法生产工艺 干法工艺将废旧橡胶颗粒充当集料使用 因此可消耗大量的废轮胎 但对沥青路面 性能改善效果不明显 由于高弹性废旧橡胶颗粒的加入 可增加路面的弹性 同时可起 到一定的减震作用 另外可以降低行车噪声 2 1 2 湿法生产工艺 湿法工艺在第一章已经进行了简要介绍 本章所介绍的湿法工艺指麦克唐纳法 麦克唐纳法是指将橡胶粉加入1 8 0 一2 0 0 c 沥青中 在高温条件下搅拌均匀形成的 6 长安大学硕士学位论文 橡胶沥青结合料 按照a s t m 的定义 橡胶沥青是指含量在1 5 以上的橡胶粉在高温 条件下与基质沥青均匀拌和而得到的结合料 在高温条件下 橡胶粉在沥青中充分溶胀 并发生较为复杂的物质交换与反应 一方面 橡胶粉使基质沥青发生了改性 这是通过橡胶粉在高温的基质沥青中脱硫 降解 然后部分橡胶成分进入基质沥青而实现的 另一方面 橡胶粉在高温作用下充分 溶胀 体积变大 最后橡胶粉的体积可占到混合物总体积的3 0 5 0 橡胶粉溶胀后 结构也随之发生变化 在基质沥青中形成三维空间网络结构 以上这些反应和物质交换 使橡胶沥青表现出高粘度 高弹性的优良性能 湿法工艺生产的橡胶沥青可用于应力吸收层 水泥路面嵌缝料 碎石封层或作为密 级配 间断级配或开级配沥青混凝土的结合料 图2 2 湿法加工工艺 2 1 3 两种生产工艺的比较 1 两种方法使用的橡胶粉粒径和掺加量不同 于法使用的橡胶粉不论是颗粒粒径还是用量都要大于湿法 干法使用的橡胶粉颗粒粒径细的0 0 1 8 m m 粗的能到6 3 r a m 而湿法使用的橡胶粉 颗粒比较细 都在1 0 目以下 所以干法使用的橡胶粉加工起来要比湿法简单 成本也 相对要低 干法的橡胶粉掺加量一般为混合料重量的l 3 而湿法的橡胶粉掺加量一般 为沥青重量的5 2 0 干法使用的橡胶粉比湿法多很多 所以干法工艺能消耗大量 的橡胶粉 2 两种方法的改性机理不同 干法工艺是将橡胶粉作为集料的一部分 能提高混合料的性能 湿法工艺是将橡胶 7 第 章生产i 艺自生产设备 粉与沥青在高温下混合反应 能够直接改善沥青的性能 3 两种方法使用设备不同 干法工艺只需要对沥青混合料拌合站进行较小的改动 不需要专门的设备 而湿法 工艺需要专门的橡胶沥青生产设备 从两种加工方法的比较可以得出 对于碎石封层所用的橡胶沥青 应当用湿法工艺 进行生产 下面介绍的橡胶沥青生产设备即是采用湿法工艺流程的生产设各 2 2 橡胶沥青生产设备 2 21 与改性沥青生产设备的比较 普通改性沥青生产设备与橡胶沥青生产设备有很多共同点 二者的组成机构中都有 改性剂添加装置 搅拌装置 发育装置和加热装置 但是由于橡胶沥青的粘度比改性沥 青高很多 还有二者的生产工艺也不同 所以橡胶沥青的加工不能使用改性沥青的生产 设备 二者的不同点如下 1 改性沥青设各使用胶体磨或高速剪切机使改性剂在沥青中混台分散均匀 橡 胶沥青生产设备主要依靠搅拌罐使橡胶粉与基质沥青均匀混合 2 生产温度不同 橡胶沥青的生产温度要高于改性沥青 所以橡胶沥青生产设 备有快速升温装置 保证基质沥青在进入搅拌罐之前快速升至要求温度 2 22 橡胶沥青生产设备类型 橡胶沥青生产设备也经历了一个发展过程 2 0 世纪8 0 年代以前还只是采用简单搅 拌的非连续型设各 见图23 鬻餐藕 图2 3 早期设备 这种设备存在很多问题 比如发育罐数量太少 几个批次的混合料都在同一个发育 罐中进行发育 橡胶沥青储存时间不同 导致最终产品的品质不一 搅拌装置效果不好 虽然整个生产过程不断搅拌 但是无法解决材料的离析问题 没有快速升温装置 使沥 长安大学硕士学位论文 青的加热时间延长 降低了生产效率 温度控制装置精度低 影响了产品的质量 国外在2 0 世纪8 0 年代以后 开始研制并生产沥青橡胶专用设备 可以直接与沥青 混合料拌和站相连 目前 比较知名的厂商有c e i 公司 d h 设备公司 s t r a t c o 公司 v s s 公司等1 4 1 1 橡胶沥青生产设备按照结构可以分成固定式和移动式 按照生产方式可以分成连续 式和间歇式 固定式和移动式设备的比较 1 固定式设备是将整套设备放在工厂场地 设备的结构尺寸较大 产量大 生 产率高 但是固定式设备需要的场地面积大 搬运安装困难 一般都放置在离施工现场 比较远的地方 对于橡胶沥青这种对温度和存储时间敏感的材料来说 如果施工现场离 加工设备较远 则运输时间会变长 不利于保证橡胶沥青的使用质量 2 移动式设备结构简单 尺寸较小 所以搬运安装方便 占地面积小 可以安 置在施工现场 它的缺点是产量小 生产率比较低 连续式和间歇式设备的比较 1 连续式生产设备是指将橡胶粉和基质沥青按照要求比例加入搅拌罐 在罐中 初步搅拌后将二者的混合物泵送至发育罐 在发育罐中使橡胶粉和基质沥青充分混合反 应 这种设备的特点是橡胶粉与基质沥青在搅拌罐中停留的时间短 混合不均匀 主要 的反应在发育罐中进行 所以对发育罐的要求较高 为了保证配合比 要求单位时间内 进入搅拌罐的橡胶粉和基质沥青要严格按照配合比例 对控制系统的要求较高 生产时 间短 生产率较高 2 间歇式生产设备是将橡胶粉和基质沥青按比例加入搅拌罐中 在罐中充分混 合 整个混合过程大约在1 0 1 5 分钟 很合均匀后混合物被泵送至发育罐反应 这种 设备的特点是从总量上控制橡胶粉与基质沥青的比例 所以容易控制 配合比准确 有 利于保证橡胶沥青产品的质量 缺点是生产时间长 效率较低 2 2 3 橡胶沥青生产设备组成 不论是连续式还是间歇式 橡胶沥青生产设备在外形和某些部位的设计上有所不 同 但基本组成都是相同的 橡胶沥青生产设备组成如图2 4 9 第二章生产工艺和生产设备 图2 4 设备组成 从上图可以看出 橡胶沥青生产设备主要组成有四部分 控制系统 称量系统 加 热保温系统 搅拌系统 4 2 下面就这四个部分分别进行介绍 2 2 2 1 控制系统 控制系统的控制主参数有 1 基质沥青存储罐中对基质沥青的加热温度 2 从基质沥青存储罐进入搅拌罐的基质沥青的流量 3 进入搅拌罐的橡胶粉的重量 4 搅拌罐中对橡胶沥青混合物的加热温度 5 发育罐中对橡胶沥青粘结剂的加热温度 对温度的控制通过基质沥青罐 搅拌罐和发育罐中的温度传感器及监控回路实现 可以保证橡胶沥青的加工温度及发育温度 对橡胶粉重量和基质沥青流量的控制分别通 过载荷传感器和流量计实现 可以保证橡胶粉和基质沥青严格按照配合比进入搅拌罐 2 2 2 2 称量系统 橡胶粉称重料斗的作用是按比例准确称量橡胶粉的重量 然后由螺旋送料器输送到 搅拌罐 最好的方法是利用减量称量的方式 即控制系统通过料斗上橡胶粉重量减少的 数值来控制所添加的橡胶粉的量 减量控制的载荷传感器位于称重料斗的底部 料斗的 斗门开在最下面 由电机带动的斗门开闭机构控制斗门的打开和闭合 称重传感器将料 斗上的橡胶粉的重量信号传递给控制系统 当添加量达到要求值时 控制系统控制电机 带动斗门开闭机构使斗门关闭 1 0 长安大学硕士学位论文 螺旋分料器 图2 5 称量系统 对于间歇式生产设备 称量系统只需要从总量上控制橡胶粉的称量 对于连续式生 产设备 橡胶粉的称量要与基质沥青的加入量相联系 橡胶沥青的配合比确定后 根据 生产效率和沥青泵的情况确定基质沥青的流量 即确定单位时间内进入搅拌罐的基质沥 青质量 然后根据配合比可以计算出单位时间内需要的橡胶粉的质量 称量系统根据控 制信号称量橡胶粉并送至搅拌罐 2 2 2 3 加热系统 橡胶沥青生产设备中加热部分可以分为四部分 1 基质沥青存储罐中对基质沥青的预加热 2 通过快速升温装置将基质沥青加热至要求温度 3 搅拌罐中对橡胶沥青混合物的加热 4 发育罐中对橡胶沥青粘结剂的加热 这四个部分虽然加热位置和加热温度不同 但是加热的原理和加热的方式都是相同 的 它们都是采用了导热油加热方式 导热油采用热油循环方式对各部分进行加热 加热流程如图2 6 第二章生产工艺和生产设备 图2 6 橡胶沥青加工设备加热系统工艺流程图 各个部分对沥青的加热温度不同 基质沥青存储罐对温度的要求不高 一般加热至 1 6 0 c 1 7 0 c 即可 快速升温装置的作用是在短时间内将基质沥青加热至目标温度 这 个温度一般要比生产和发育温度高1 0 一1 5 搅拌罐和发育罐结构相似 都有加热 和保温装置 加热装置的热量是由导热油提供的 由于搅拌罐和发育罐的工作温度比较 高 高于1 9 0 所以加热装置和保温装置要保证罐内的温度始终处于要求温度范围 内 以使混合物的反应能够顺利进行 2 2 2 4 搅拌系统 搅拌系统是橡胶沥青加工设备的核心组成部分 它的作用是将基质沥青与橡胶粉混 合均匀 使二者能够充分反应 为了保证加工质量 搅拌系统要满足如下要求 1 橡胶粉进入搅拌罐后很容易积聚在基质沥青表面 通过搅拌使橡胶粉融入沥 青 2 搅拌器能使搅拌罐底部的沥青得到充分搅拌 3 搅拌过程中也有一些聚合过程 反应的结果会产生一些粘稠物料 这些物料 会粘附在反应罐内壁上 形成挂料现象 搅拌系统要减少挂料现象的发生 4 搅拌系统要有加热和保温装置 保证搅拌过程中反应温度保持在要求温度 搅拌系统的主要组成有 搅拌器 加热和保温装置和驱动装置 搅拌器的形式有很多 有桨式搅拌器 涡轮式搅拌器 推进式搅拌器 锚式搅拌器 框式搅拌器 螺带式搅拌器等 考虑到橡胶沥青粘稠和高温的特点 橡胶沥青加工设备 多选用框式搅拌器 搅拌器的尺寸 转速以及搅拌器在搅拌罐中的位置等对生产过程都 1 2 长安大学硕士学位论文 有一定的影响 合理的搅拌器转速使橡胶粉悬浮于沥青中而不会沉底 搅拌器的尺寸和 搅拌器在搅拌罐中的位置保证了搅拌罐中各个位置的物料都能够得到充分地搅拌 加热和保温装置的作用是为橡胶粉与基质沥青的反应提供热量并防止热量散失 保 证反应温度处于要求温度范围之内 第三章橡胶沥青生产设备搅拌系统设计 第三章橡胶沥青生产设备搅拌系统设计 3 1 概述 搅拌系统是橡胶沥青生产设备的核心部分 它的主要作用是将基质沥青 橡胶粉进 行强制拌和并加热 由于橡胶沥青生产设备没有胶体磨或高速剪切机 所以橡胶沥青生 产设备的结构和搅拌形式决定了橡胶粉在基质沥青中是否能够分散均匀并充分融胀 此 外由于橡胶沥青生产的高温性 橡胶沥青生产设备还要有良好的加热及保温功能 3 2 搅拌系统整体设计 搅拌系统作用是将基质沥青 橡胶粉进行强制拌和并加热 它主要由三大部分组成 搅拌装置 搅拌罐和加热保温装置 其中搅拌装置包括传动装置 电机 减速器 联轴 器等 搅拌轴和搅拌叶片 搅拌轴和搅拌叶片合称搅拌器 罐体上有基质沥青入口和橡胶粉入口 基质沥青和橡胶粉进入容器后 在搅拌叶片 的搅拌作用下混合均匀 罐体壁上缠有导热油管路 通过导热油对混合物进行加热 保 温层采用石棉材料 总体设计方案如下 图3 1 整体结构图 1 搅拌叶片2 搅拌轴3 搅拌罐外壁4 保温层5 橡胶粉入口法兰 6 基质沥青入口法兰7 搅拌罐内壁8 导热油管9 混合物出口法兰 搅拌系统的设计主要包括搅拌容器几何尺寸的确定 搅拌结构与搅拌模式的选择 搅拌叶片的设计 搅拌功率的计算 搅拌轴的校核和热平衡计算等 1 4 长安大学硕士学位论文 3 3 搅拌容器几何尺寸的确定 3 3 1 搅拌容积的确定 采用间歇式生产 每台搅拌容器处理物料的容积v 应等于 y 堕 3 1 l o m 4 式中y 搅拌容器处理物料的容积 m 圪一每个工作日所需处理的材料体积 m 3 2 4 h r 一每批材料的处理时间 h m 一同样容积的搅拌容器台数 台 按照施工经验 每小时需要处理的橡胶沥青为2 0 0 吨 则需要沥青的质量为 2 0 0 0 0 6 1 2 吨 按照每天工作1 0 个小时计算 每个工作日需要处理橡胶沥青质量为 1 2 0 吨 根据橡胶沥青密度p 9 3 0 k g m 3 折算体积为圪 1 1 2 5 0 0 r 0 0 1 2 3 7 m 3 按每批材料的处理时间为2 0 分钟 需要1 台相同搅拌容器 代入公式 计算结果 为 v 4 1m 3 3 3 2 容器装液高径比的确定 确定了搅拌容器的容积后 要选择合适的容器装液高度与内直径的比值h l d 装 液高径比 以确定筒体的内径d 和高度h 1 3 1 4 l 选择装液高径比时主要考虑以下几方面的因素 装液高径比对搅拌功率的影响 对 传热的影响和混合料的搅拌反应特征等 常用搅拌容器的装液高径比参考表如表3 1 表3 1常用搅拌容器的装液高径比 种类筒内材料类型 装液高径比h l d 液固或液液混合搅拌 l 1 3 一般搅拌罐气液混合搅拌 l 2 悬浮液 乳化液 2 0 8 3 8 5 发酵搅拌罐 1 7 2 5 通过表3 1 选择装液高径比h l d i 3 1 5 第三章橡胶沥青生产设备搅拌系统设计 3 3 3 简体内径和高度的确定 容器采用平底直立容器 选择装液高径比后 由式 3 2 可以直接计算筒体内径d 矿 三 3 4 dj 3 2 将数值代入计算 得 d l6 0 0 m m 根据装液高径比h l d i 3 可以算出筒内液体高度h l h l2 1 3 d 2 1 0 0 m m 在计算搅拌容器的体积时要考虑装料系数矿 装料系数 是指搅拌容器在工作时所 允许的装满程度 要根据实际生产条件或者试验而定 通常矽的取值在0 6 0 8 如果 容器内反应较为剧烈 则妒的取值要低一些 在0 6 0 7 如果容器内反应比较平稳 则 的取值要高一些 在0 7 0 8 另外材料的粘度较大时 的取值也要高一些 对于橡胶沥青粘度较高的生产条件 取 o 8 则搅拌容器的体积为 y 2 蠢 o 3 计算得到搅拌筒的体积为 5 i m 3 搅拌筒的高度可根据下式计算 日 冬 3 4 万d z 计算得到h 2 6 0 0 m m 3 4 搅拌器形式的选择 搅拌器的选择主要是选择搅拌叶片 即确定搅拌叶片的形状和尺寸以及在搅拌容器 中的位置关系等 要确定使用哪一种类型的搅拌叶片 要从搅拌的类型 搅拌的目的和 搅拌器类型的种类等多方面进行考虑 1 9 1 3 4 1 搅拌类型 根据搅拌材料的不同搅拌类型可以分为气液搅拌 液液搅拌 固液搅拌和气液固搅 拌 1 6 长安大学硕士学位论文 1 气液搅拌 通过搅拌器的搅拌使气体以细小气泡的形式均匀分散在液体中 是气体与液体充分 接触 反应 2 液液搅拌 通过搅拌使两种液体接触面积加大 从而使两种液体的温度和浓度均一 平衡 液 液搅拌的两种液体通常密度相差不大 在混合密度相差比较大的两种液体时要搅拌速度 对于混合的均匀程度很重要 3 固液搅拌 固液搅拌的多数情况是固体的密度要大于液体 所以除了要通过搅拌将固体打碎防 止结团外 还要保证固体颗粒在液体中悬浮且分散均匀 4 气液固搅拌 气液固搅拌可以看作是气液搅拌和固液搅拌的合成 所以在此类搅拌器的设计中既 要考虑气体的均匀分散 又要考虑固体颗粒的分散悬浮 3 4 3 搅拌目的 搅拌目的包括混合搅拌 悬浮分散搅拌 传热搅拌和传质搅拌 1 混合搅拌 混合搅拌是搅拌过程中最基本的一种过程 它是指通过搅拌器的转动使容器中的各 种材料的浓度和温度等达到均一状态 2 悬浮分散搅拌 悬浮分散搅拌主要是针对液液材料混合和固液材料混合 进行此类搅拌器的设计计 算时要考虑搅拌速度 3 传热搅拌 当需要混合的材料温度相差比较大时就要采用这种搅拌 以使搅拌容器内的温度保 持在一定范围之内 使材料之间的反应顺利进行 传热搅拌对温度的要求相对其它搅拌 形式要高一些 所以采用传热搅拌时除了搅拌叶片还要考虑加热 冷却 保温等附件的 布置和设计 4 传质搅拌 传质搅拌是指当浓度不同的材料混合时 通过搅拌使材料之间进行质量交换 最终 达到浓度均匀状态 3 4 2 搅拌器种类 1 7 第三章橡胶沥青生产设备搅拌系统设计 搅拌器的分类方法有以下三种 1 按照搅拌叶片结构的不同可以分为平叶 斜叶 弯叶和螺旋面叶式 平叶包 括平叶桨式 锚式和框式等 斜叶包括斜叶桨式 斜叶涡轮式等 弯叶包括弯叶涡轮式 三叶后掠式等 螺旋面叶式包括推进式 螺带式等 2 按照所搅拌的液体的粘度的高低可以分成高粘度用搅拌器和低粘度用搅拌器 适用于高粘度液体的搅拌器有螺带式 锚式和框式 适用于低粘度液体的搅拌器有桨式 推进式 涡轮式 3 按照液体流动的形态可以分为轴流式 径流式和混流式 轴流式有推进式 锚式和框式等 径流式有斜叶桨式 斜叶涡轮式 混流式有平叶桨式 三叶后掠式等 以下就几种比较有代表性 应用比较多的搅拌器进行介绍 1 桨式 桨式搅拌器如图3 2 所示 i f l i ii l l f i f i q d 图3 2 桨式搅拌器 桨式搅拌器由两个叶片组成 结构简单 按照叶片形状的不同可以分成平叶式和斜 叶式两种 搅拌器直径d 与搅拌容器内径d 之比d d 为0 3 5 0 9 搅拌器转速范围为 2 0 一10 0 r r a i n 适用范围 粘度小于2 0p a s 的液体 液液材料搅拌 固液材料搅拌 2 涡轮式 涡轮式搅拌器如图3 3 所示 1 8 安大学硕士学位论文 圈3 3 涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器应用范围较广 适用于很多类型的搅拌 按照结构的不同可分为开式 和盘式两类 搅拌器直径d 与搅拌容器内径d 之比d d 为01 7 0 5 搅拌器转速范围 为3 0 5 0 0 r r a i n 适用范围 剪切力较大 可用于中的粘度的液体 气液材料搅拌分散 固液材料的 搅拌悬浮 3 推进式 推进式搅拌器如图3 4 所示 圈i 4推进式搅拌墨 推进式搅拌器形状类似螺旋桨 结构比较简单 搅拌器直径d 与搅拌容器内径d 之比c v d 一般为01 03 搅拌器转速范围为1 0 0 8 0 0 r m i n 适用范围 低粘度液体 液液材料搅拌 低浓度固液材料搅拌 4 锚式和框式 锚式搅拌器如图3 5 所示 一栌 第三章橡胶沥青生产设备搅拌系统设计 框式搅拌器如图3 6 所示 f f f t f f t f l l 目 图3 5锚式搅拌器 图3 6 框式搅拌器 锚式和框式搅拌器形状近似 结构都很简单 框式比锚式多了一根横梁 这两种搅 拌器的特点是搅拌器的边缘距容器内壁很近 所以搅拌范围很大 传热效果很好 搅拌 器直径d 与搅拌容器内径d 之比d d 一般为0 9 0 9 8 搅拌器转速范围为1 1 0 0 r m i n 适用范围 粘度在1 p a s 以下的用锚式搅拌器 粘度在l 1 0 p a s 的用框式搅拌器 5 螺带式 螺带式搅拌器如图3 7 所示 长安大学硕士学位论文 图3 7螺带式搅拌器 螺带式搅拌器形状复杂 制造成本高 这种搅拌器的特点是容器中心混合效果好 适用范围 大于l o p a s 的高粘度液体 3 4 3 搅拌器的选用 根据以上搅拌类型和和目的以及各种搅拌器的特点 结合橡胶沥青这种材料的性 质 在搅拌器的选用时 从液体粘度 材料温度和搅拌目的三方面考虑 1 液体粘度 橡胶沥青粘度较高 2 l o p a s 所以在选择时要考虑能在高粘度液体中工作而且 搅拌区域大的搅拌器 从以上介绍的各种搅拌器可知 能够在橡胶沥青粘度范围内工作的搅拌器有四种 桨式 锚式 框式和螺带式 从结构复杂程度上来说 桨式搅拌器结构最简单 螺带式 最复杂 从搅拌区域大小方面 螺带式搅拌区域最大 桨式最小 2 搅拌温度 从橡胶沥青生产工艺 湿法 可以得到 基质沥青被加热到较高温度后进入搅拌容 器 而橡胶粉不经过加热直接加入搅拌容器中 所以 当二者接触混合后 会使搅拌容 器内的温度有所下降 另外 为了增加搅拌区域 搅拌器的尺寸要求大一些 所以加热 装置都安置在容器壁而不是容器内 这就要求搅拌器有良好的传热能力 使热量能及时 有效地传至液体内部 从这一点来看 锚式和框式搅拌器能够满足要求 3 搅拌目的 橡胶沥青的搅拌属于固液混合搅拌 固液搅拌的一个基本要求是通过搅拌使固体颗 粒悬浮于液体中 当固液两者密度相差较小时 可以选用锚式 框式和推进式 当两者 2 1 第三章橡胶沥青生产设备搅拌系统设计 密度相差较大时 可以选用开式涡轮搅拌器 综合以上分析 选择框式搅拌器 3 5 搅拌器的设计 搅拌器的设计是影响搅拌效果和搅拌功率的关键因素 搅拌器的设计包括搅拌器尺 寸及位置的确定 搅拌器转速 搅拌功率和搅拌轴的计算 1 3 1 3 5 1 搅拌叶片尺寸 搅拌叶片尺寸如图3 8 图3 8 搅拌叶片尺寸 为了增大搅拌范围和带走罐壁上的残留物或液层 搅拌器的外廓要接近搅拌罐的内 壁 一般取如 o 9 0 9 8 按照框式搅拌器常用尺寸 h d 0 4 8 1 0 b d 1 0 0 软化点 4 64 7 闪点 2 2 6 0 2 8 2 3 密度 1 5 g c m 3 l 0 9 8 4 溶解度 兰汐 59 9 6 8 质量损失 士o 8o 1 3 残留延度0 0 c c m 1 01 2 2 残留针入度比 2 5 c 6 l7 0 8 4 3 2 橡胶粉 废胎橡胶粉作为橡胶沥青的改性剂 废胎橡胶粉的技术性质直接影响橡胶沥青的路 用性能 废胎橡胶粉的粒径与级配 密度 橡胶粉活性成分含量等对橡胶沥青性能影响 具有主要作用 1 橡胶粉的类型及制备 废胎橡胶粉的类型有如下几种 废胶粉 一般通过研磨制造的表面积较大 形状不规则的废胶粉 富含天然橡胶的橡胶粉 按照美国加州的标准 指包含4 0 到4 8 的天然橡胶 或橡胶基质 并且最少包含5 0 橡胶烃的废胶粉 富含天然橡胶的材料来源包括汽车轮 胎 废抛光料 高质量的废轮胎橡胶 是压铸轮胎骨架的副产品 这种废橡胶质量较 高 所以本身不含有金属和纤维等成分 废胎面料 这种废旧轮胎橡胶主要包含胎面胶 侧面胶少于5 废胎面胶末 废轮胎橡胶碎片 也是胎面成型过程的副产品 包含很少的轮胎帘 第四章橡胶沥青粘结剂设计 布 全轮胎橡胶 废轮胎橡胶 各种成分比例接近普通轮胎 橡胶粉的加工设备有 粉碎机 常温粉碎设备 使用专用钢制机构将轮胎橡胶材料撕裂 将轮胎橡胶材 料变成颗粒状 一般为4 7 5 毫米到4 2 5 微米 切割机 用来剪切废橡胶轮胎的设施 用间距很近的盘旋钢盘组切割橡胶 精细磨粉机 在粉碎机和切割机的基础上 进一步将橡胶颗粒研磨使其尺寸低于 4 2 5 微米 橡胶粉的制作方法有 切割法 将轮胎切割成立方体或不规则形状的碎屑状橡胶颗粒的方法 这种方法 得到的橡胶粉颗粒表面积较小 打碎法 在切割或常温粉碎之前将废橡胶轮胎打碎成每片小于0 0 2 3 平方米的方 法 常温粉碎法 将废橡胶轮胎在室温下或高于室温的环境下进行粉碎的方法 常温 粉碎法一般能够产生形状不规则的 表面积较大的颗粒 有利于和沥青的相互作用 冷冻粉碎法 使用液氮来冷冻废橡胶轮胎 使得废轮胎变得易碎 然后用锤磨机 或电击来打碎这些冷冻橡胶的方法 这种方法得到的橡胶粉颗粒比较光滑和较小的表面 积 根据国内外研究 在制各橡胶沥青时 不选用低温原理 如冷冻粉碎法 生产的橡 胶粉 因为在显微镜下观察 这种橡胶粉表面光滑 相同条件下 基质沥青不宜渗入 也就很难形成橡胶沥青态 本次试验所用的橡胶粉采用切割法制成 2 橡胶粉的粒径的选择 橡胶粉的粒径因生产工艺的不同 有一定的粒径范围 橡胶粉的细度用目数表示 目 指l 平方厘米单位面积上的橡胶颗粒数量 橡胶粉目数越大 粒径越小 则橡胶粉 的表面积越大 就越易于与基质沥青混溶 但在实际工程应用中 橡胶粉目数越大 由 于水气等因素的影响 颗粒间成团现象就越突出 直接影响橡胶粉在沥青中的分散程度 而且目数越大 就意味着颗粒的粒径越小 生产橡胶粉的成本就会越高 综合考虑使用 效果和经济效益 橡胶粉的粒径存在一个最优目数范围 本次试验分别采用2 5 目 2 0 目 1 4 目三种规格 3 橡胶粉的成分 3 2 长安大学硕士学位论文 由于生产橡胶粉所用的原材料轮胎的来源和种类不同 橡胶粉的成分也会不同 目 前汽车行业使用的轮胎有两大类 子午胎和斜交胎 两者的区别是使用车型不同 轮胎 成分也不同 子午胎主要用于小车和轻型车 斜交胎主要用于大型车和重车 子午胎合 成胶较多 斜交胎天然橡胶多 我国目前生产的废轮胎橡胶粉原材料主要使用斜交胎 天然橡胶含量较多 除此之外 橡胶粉的成分还有丙酮提取物 灰分 碳黑 橡胶烃等 对橡胶沥青性质的研究表明 橡胶粉的物理成分和化学成分对橡胶沥青的使用性能均有 所影响 国i 为 1 对此进行了很多研究 也提出了各自的技术指标 6 表4 2 国外路用橡胶粉技术指标 p 亚利删 加利福尼亚州p佛罗剿p田纳西州p 南非 鲫m 物 相对髓度 j 1 1 5 一1 如卜i 孙 1 1 0 一 一l 舯 理 k l 脚0 0 5 00 强 1 2 5 0 指 水分 p 一一 一 一 0 7 5 0 叫 氟 金属含量 薯 p 一一 0 1 0 一一一 叫 拜缝含量 p 0 p p 第四章橡胶沥青粘结剂设计 表4 3 国内路用橡胶粉技术指标表 一 中国轮胎瓷源综台利用 交通罄公路科学研 协会p究院 水分 一 l p l o 灰分 一 8 0 8 0 金屁含量 p 0 1 0 0 1 0 丙醇提取物 9 2 2 0 2 2 0 炭黑含量 一 2 8 0 2 8 0 天然橡胶含量 撇 晴 橡凇重 s o 4 2 0 4 2 0 拜维含量 一 0 p l o 结合国内国外检测标准以及国内橡胶沥青施工经验 本次试验橡胶粉化学成分和橡 胶粉化学成分检测指标要求如表4 4 表4 4 橡胶粉化学成分要求 试验项目 下限上限 丙酮提取物 6 o1 6 o 橡胶烃含量 4 2 06 5 o 天然胶含量 2 2 03 9 0 碳黑含量 2 8 o3 8 o 灰分 8 0 含水量 0 7 5 金属含量 0 1 纤维含量 0 1 4 试验用橡胶粉检测 橡胶粉颗粒规格 化学成分和杂质含量应分别符合橡胶粉筛分 化学成分和现场质 量检测指标的要求 橡胶粉筛分应采用干筛法 添加部分滑石粉 进行试验 橡胶粉密 度应为1 1 5 0 0 5g c m 3 颗粒的单边长度不大于4 7 5 m m 橡胶粉采用四川彭州生产的橡胶粉 其物理指标检测结果如表4 5 长安太学硕士学位论文 表4 5 橡胶粉检验结