橡胶沥青的制备技术及制备设备

毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1 1 页页 装 订 线 摘 要 汽车工业的发展使废旧轮胎成了全世界关注的问题 橡胶沥青的研究正是解决 废旧轮胎问题的关键 因此对橡胶沥青的研究十分重要 本文以试验为基础 根据大量试验数据分析了橡胶沥青的性能及影响因素 作 用机理 并对橡胶沥青的制备工艺以及制备设备的构造和改进进行了研究 经过分析研究 得到了以下结论 1 橡胶粉的掺入改善了沥青的高温性能 低温性能 抗老化性能和弹性恢复性能 2 橡胶沥青的影响因素与加工工艺和材 料因素有关 搅拌时间过长则性能下降 胶粉粒径大的橡胶沥青温度稳定性 高温 及弹性性能优异 低温性能与胶粉粒径小橡胶沥青相当 斜交胎胶粉的橡胶沥青性 能明显好于子午胎胶粉 基质沥青轻组分含量高的橡胶沥青 其温度稳定性差 低 温性能好 3 橡胶沥青的作用机理是胶粉吸收沥青轻组分发生溶胀 表面形成界面 层和界面过渡层 胶团填充于胶粉的网络结构 形成三维空间网络结构 从而产生 对沥青性能的改善 4 橡胶沥青的基本工艺过程包括原材料的准备 沥青和橡胶 粉的预混合以及沥青反应三个过程 反应的温度控制在180 210 5 橡胶沥 青的制备设备基本构造相同 但结构上上也有差异 因此制备过程存在差异 关键词 沥青 废胎胶粉 橡胶粉改性沥青 改性机理 制备工艺 制备设备 ABSTRACT 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 2 2 页页 装 订 线 The car industry caused waste tire become concern and rubber asphalt research is the only one key to solve the problem so for rubber asphalt research is very important This paper is based on the test the test of experiment data analyzed rubber asphalt performance and the impact of factors mechanisms and for rubber asphalt preparation process and the preparation of the structure and improve the study Through analysis the main conclusions are as follows 1 Rubber powder into the asphalt with the improvement of the high performance a low temperature performance the ageing of the performance and flexibility will be resumed 2 The factors that influence the performance of crumb rubber modified asphalt are summed up to two types one for factors of the processing technology mixing temperature mixing time and the other for factors of the materials powder type particle size and the types of base asphalt if mixing time is too long the performance is degradate Asphalt modified by crumb rubber of large size has better temperature sensitivity high temperature and elastic performance which has nearly equal effect in low temperature performance The performance of modified asphalt of oblique crumb rubber is significantly better than meridian crumb rubber Asphalt modified by base asphalt of high content light components has bad temperature sensitivity and good low temperature performance 3 Modified mechanism of crumb rubber modified asphalt Can be explained as crumb rubber absorb Light component of asphalt and then their swelling happens which form boundary layer and boundary transition layer Micelle fill in the network structure of crumb rubber which forms three dimensional network structure resulting in the improvement of asphalt S performance 4 Rubber bitumen production processes include the basic raw material preparation bitumen and rubber powder and asphalt response to a three course the control of temperature in 180 210 5 Rubber asphalt preparation of basic equipment structure but also structural difference so the preparation of process are different KEY WORDS asphalt crumb rubber crumb rubber modified asphalt influencing modified mechanism manufacturing technique faseraufbereitung 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 3 3 页页 装 订 线 目录目录 摘要 1 ABSTRACT 2 目录 3 第一章绪论 5 1 1 橡胶沥青研究的目的及意义 5 1 1 1 问题的提出 5 1 1 2 橡胶沥青研究的目的 6 1 1 3 橡胶沥青研究的意义 6 1 2 国内外橡胶沥青的研究与应用现状 7 1 2 1 国外橡胶沥青的应用现状 7 1 2 2 国内橡胶沥青的应用现状 8 1 3 橡胶沥青研究的思路与内容 9 1 3 1 研究思路 9 1 3 2 橡胶沥青研究的内容 9 第二章 橡胶沥青的性能研究 11 2 1 橡胶沥青的定义 11 2 2 橡胶沥青的性能分析 11 2 2 1 橡胶沥青的高温性能 11 2 2 2 橡胶沥青的低温性能 13 2 2 3 橡胶沥青的抗老化性能 15 2 2 4 橡胶沥青的弹性恢复性能 16 2 3 影响橡胶沥青性能的因素 17 2 3 1 废胎胶粉的因素 18 2 3 2 基质沥青的品质 19 2 3 3 外掺剂的影响 20 2 3 4 搅拌工艺的影响 21 2 3 5 反应温度的影响 22 2 3 6 反应时间的影响 23 2 4 橡胶沥青的优点及其应用 25 2 4 1 橡胶沥青的优点 25 2 4 2 橡胶沥青的应用 25 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 4 4 页页 装 订 线 第三章 橡胶沥青的制备工艺研究 28 3 1 橡胶沥青的作用机理 28 3 1 1 物理改性作用 28 3 1 2 化学改性作用 29 3 1 3 改性机理物理模型 30 3 1 4 废胎胶粉在沥青混合料中的机理分析 32 3 2 橡胶沥青的制备方法 33 3 3 橡胶沥青的设计和制备工艺 35 3 3 1 橡胶沥青的设计 35 3 3 2 橡胶沥青的加工工艺 37 3 3 3 橡胶沥青的储存 40 3 4 橡胶沥青的质量控制 41 第四章 橡胶沥青制备设备 43 4 1 橡胶沥青生产设备的分类 43 4 2 橡胶沥青的主要结构及工作原理 45 4 2 1 基质沥青供给系统 46 4 2 2 胶粉和掺加剂添加系统 47 4 2 3 高速剪切机和胶体磨 48 4 2 4 计量控制系统 53 4 2 5 反应罐 54 4 2 6 电气控制系统 55 4 3 典型橡胶沥青设备产品的分析 55 4 3 1 国内典型橡胶沥青设备产品 55 4 3 2 国外典型橡胶沥青生产设备产品 59 4 4 橡胶沥青生产设备装置的改进 64 第五章 研究的结论与展望 65 5 1 主要研究结论 65 5 2 展望 66 致谢 67 参考文献 68 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 5 5 页页 装 订 线 第一章 绪论 1 1 橡胶沥青研究的目的及意义 1 1 1 问题的提出 随着汽车工业的迅速发展 越来越多的废旧轮胎形成的 黑色污染 正在威胁 着全人类的生存环境 据统计 全世界每年有超过 10 亿只轮胎报废 以往的废轮胎 带来的环境问题主要集中在欧 美 日等发达国家 在美国 据统计 1997 年报废轮 胎为 2 7 亿条 另外历年堆放累积的废旧轮胎已经超过 8 亿多条 日本每年的废旧 轮胎约为 5000 万条 德国和英国每年各自报废的轮胎各为 55 万吨和 45 万吨 如今 随着我国经济的腾飞 汽车工业在我国迅猛发展 我国已成为世界上第三大轮胎生 产国 仅次于美国和日本 在北京 上海等大城市的市郊结合处都能看见堆积如山 的废旧轮胎 黑色污染 和 白色污染 危害一样 甚至远远地超过了白色污染 废轮胎是一种工业有害的固体废弃物 是一种难以被生物化学作用降解的高分 子化工材料 无论采用填埋 堆放或焚烧都不会给环境带来许多灾难性的污染 它 是破坏自然环境和植被生长 影响人类健康 危及地球生态环境的最有害垃圾之一 如将废轮胎填埋处理 其大分子分解到不影响土壤中植物生长的时间需要长达 一百多年 可谓 顽固不化 若采用燃烧的处理方式 其释放出来的二氧化硫有毒 烟雾和一氧化碳气体 则会严重的污染大气 对人类健康危害很大 对于废旧轮胎 的处理 许多国家正寻求有效地解决方法 既不污染环境 又可以处理废旧轮胎 目前主要采用的是化学的方法对其进行处理 但同样会造成二次污染 随着我国汽 车工业的迅速发展 产生的废轮胎越来越多 大量的废轮胎长期露天堆放 不仅占 用了大块土地 而且经过日晒雨淋 极易滋生蚊虫和散发严重气味 传播疾病 并 且还容易引发火灾 美国 加拿大 日本等许多国家 历史上都曾因废轮胎起火而蒙受了巨大的损 失 1996 年到 1998 年之间 美国的废轮胎处理厂接连发生大火 2000 万条轮胎被 烧 最为严重的是 1999 年 9 月 22 日 美国的斯坦尼斯劳斯县有超过 700 万条的废 旧轮胎发生自燃起火 大伙的温度超过 1000 浓烟直达 600 多米的高空 方圆几 十公里都可以看见 15 天以后大伙才逐渐得到控制 大火至少熔化出 8 万加仑油脂 流进附近的一口水塘 水塘变为油塘后又继续燃烧 这次燃烧使数百吨的污染物飘 落到 100 多公里外的旧金山和加州首府萨克拉门托 附近的一些城市在刮风时下起 了 黑雨 同时这次大火产生的废气使附近许多居民都患了呼吸道感染病 甚至死 亡 2001 年 1 月 7 日 我国广东省云浮市郊区一废旧轮胎收购点不慎失火 虽然有 13 台消防车紧张投入工作 300 多名消防官兵和干部群众积极参与扑救 但由于轮 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 6 6 页页 装 订 线 胎燃烧的火势太猛 短短的一个多小时 堆积如山的废旧轮胎全部被大火吞没 浓 烟直冲云霄 如何无害化 资源化充分利用这些废旧轮胎 变废为宝 消除 黑色污染 已 经迫在眉急 这必将对我国经济的可持续发展以及经济 环境的和谐发展 缓解环境 和橡胶资源匮乏带来的压力起到积极的作用 因此 废橡胶的利用成为我国乃至全 世界关注的问题 1 1 2 橡胶沥青研究的目的 废旧轮胎既是一种固体废弃物 同时也是一种可再生资源 把废旧橡胶制成橡 胶粉添加到沥青中 再添加一定的添加剂制成橡胶沥青用于公路工程中 不仅解决 了废旧轮胎的存储和再利用问题 而且改善了沥青的性能 使橡胶沥青成为解决废 旧轮胎的主要途径 与传统废旧轮胎生产再生胶相比 胶粉无需脱硫 所以生产过程中耗费能源大 大减少 工艺也较再生胶简单得多 不排放废水 废气污染环境 而且胶粉性能优 异 用途极其广泛 通过胶粉来回收废旧轮胎是集环保与资源再利用于一体的很有 反战前途的方式 这也是发达国家摒弃再生胶的生产 将废旧轮胎利用重点由再生 胶转向胶粉和开辟其它利用领域的根源 专家们预言 制造胶粉有望成为排在翻新 热能利用之后的第三种主要途径 橡胶粉添加到橡胶沥青中 改善了基质沥青的性能 使橡胶沥青既有橡胶的部 分特性 也具有沥青的特性 实践证明 掺有废橡胶粉的改性沥青路面可比原来纯沥 青路面减薄一半 使用期增加一倍 减少道路噪音 70 且防湿滑与碎冰雪 尤其是 橡胶沥青用作应力吸收层 可以有效防止反射裂缝 随着我国经济的持续高速增长 公路建设也迅速发展 尤其是在 2008 年经济危 机中 国家为扩大内需 投资 4 万亿用于基础设施建设 公路建设更是突飞猛进 我国高速公路里程已突破 6 万公里 根据规划 在建和待建高速公路还有 2 万多公 里 公路交通建设达到了空前的繁荣 另一方面 我国一些早期修建的高等级公路 相继进入大中修和改建阶段 每年约有 2000 3000 公里的高速公路需要大修罩面 橡胶沥青优良的使用性能 既可以延长路面使用寿命 节约建设资金 也可以消除 黑色污染 因此 研究橡胶沥青既成为我国公路建设和发展的需要 也成为解决废 旧轮胎问题的关键 这些都是研究橡胶沥青的直接目的 1 1 3 橡胶沥青研究的意义 国外发达国家的研究表明 胶粉改性沥青不但在成本上较SBS改性沥青优越 在 性能上也确有其独到之处 多年的研究结果和工程实践表明橡胶粉沥青混凝土能改 善沥青的耐高 低温性能 减少其对温度的敏感性 而且在降低路面噪音 延缓反 射裂缝 减薄沥青路面厚度 抵抗重交通和不良气候都有明显的优势 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 7 7 页页 装 订 线 利用废橡胶粉改性沥青在环保上有重要的意义 现阶段橡胶回收与再利用一直 是一个世界性的难题 这是由于不同于塑料材料 橡胶材料中大分子链被化学交联 并且填充有高比例的填料 主要是炭黑 软化油等 目前 我国是世界上第三大轮 胎生产国 我们每年轮胎产量超过1亿条 仅次于美国和日本 每年生成的废旧轮胎 达5000多万条 约1400kt 而每年的处理量却只有200kt 加之其他废弃的橡胶材料 对环境造成了黑色污染 环境保护的压力也随之增大 同时 随着石油等资源的逐 渐减少和价格的不断攀升 废橡胶的再利用也倍受人们的关注 从国内外多年的成功应用经验可以看出 橡胶粉用于筑路工程环保公益作用明 显 不仅能够解决废旧轮胎带来的社会问题 而且可以减薄路面 延长路面使用寿 命 延缓反射裂缝 减轻行车噪声 具有优良的冬季柔性等 是解决我国当前面临 的重载交通 早期损坏问题的有效途径之一 对于公路建设来说 还可以节约建设 投资 对我国当前在有限的财力和物力下 修建出优质沥青路面是一种很好的可选 方案 具有良好的应用前景 1 2国内外橡胶沥青的研究与应用现状 1 2 1国外橡胶沥青的应用现状 橡胶沥青已经有百余年的历史 早在1873年 英国人Samuel Whiting 就申请了 有关在沥青中加入1 的天然橡胶对沥青改性的专利 但这一专利产品没有在实际工 程中使用 1898年法国也开始在沥青中掺配天然橡胶 1902年 法国修筑了掺有橡 胶的沥青路面 现代意义上的橡胶沥青混合料首先出现在上世纪40 60年代的美国 美国橡胶 回收公司 Rubber Reclaiming Company 在上世纪40年代首先采用干拌法的生产工 艺生产了Ramfaex TM橡胶粉沥青混合料 美国专家McDdonald则首先采用湿拌法的生 产工艺 在20世纪60年代生产了Overflex TM橡胶沥青混合料 1976年 美国联邦公 路局正式启动检验橡胶粉性能的37号工程 废弃轮胎在公路工程中的应用 作为示 范工程 鼓励各州公路局现场应用研究应力吸收层 1991年美国国会通过了一个综 合运输经济法案 其中第1038条款 即关于再生路面使用条款 要求从1994年起凡 使用联邦经费的热拌沥青混合料都必须以5 的经费用于废橡胶粉改性沥青混合料的 研究 以后每年再增加5 直至1997年达到20 法案颁布后 许多州进行了橡胶粉 改性沥青的研究 其中包括德克萨斯州 加利福尼亚州 佛罗里达州 维吉尼亚州 俄勒冈州 犹他州 亚利桑那州 纽约 怀俄明州 堪萨斯州 华盛顿 新墨西哥 州 1992年 美国联邦公路局发行 胶粉改性沥青铺路材料的设计与施工 加利福 尼亚州出版了 断级配热拌橡胶改性沥青混合料设计指南 到上世纪末 美国使用 废旧胶粉改性沥青修筑的道路已达1 1万千米 2003年 美国加州发行了 橡胶沥青 使用指南 围绕橡胶沥青的设计 选择和使用 橡胶沥青结合料及热拌橡胶沥青混 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 8 8 页页 装 订 线 凝土设计 施工等几个大的方面进行了详细的阐述和规定 在多空隙 PAC 路面的发源地法国 截止到1995年 橡胶沥青多空隙混凝土路 面摊铺面积已经累计超过100万 Alain SAINTON总结多年的PAC路面室内研究和实 际应用效果 发现橡胶粉改性沥青PAC比普通PAC在保持持久排水性能 抵抗重交通 抗剪切和不良气候影响等方面有明显的优势 南非的废旧轮胎橡胶粉在公路行业中的应用十分成功 南非和美国加利福尼亚 州一样拥有历时20 25年仍然完好的橡胶沥青路面 应用领域包括混合料 应力吸 收层 应力吸收中间层等 基本上已经拥有了一整套橡胶沥青相关的技术指标 据 了解 目前南非60 以上的道路沥青使用橡胶沥青 而且根据他们的相关经验 对于 超重轴载的使用环境 橡胶沥青混凝土尤为有利 此外 日本 俄罗斯 加拿大 瑞典 韩国 芬兰等亦已成功地将橡胶改性沥 青用于修建高等级公路或高速公路 近年有国家利用胶粉及添加剂开发出橡胶沥青 产品作为沥青改性剂 一些品牌橡胶沥青也开始出现 废旧橡胶粉改性沥青在技术 上日趋成熟 得到广泛的应用 1 2 2国内橡胶沥青的应用现状 我国是世界上最大的橡胶消费国之一 但是胶粉改性沥青的试验研究在我国起 步较晚 始于上世纪70年代末80年代初 并陆续在许多省内铺筑试验路段 广东 山东 辽宁 北京 田径 江西 湖北 杭州 沈阳等省市都开展了想胶粉改性沥 青的应用研究 并取得了一定的实践结果和经验 上世纪90年代初 哈尔滨建筑大学采用室内的方法评价了橡胶沥青的性能 江 苏石油化工学院 上海沥青混凝土二厂等单位研究了橡胶沥青的加工工艺 华东冶 金学院研究了废胎胶粉与煤沥青性质和族组成的变化情况 辽宁省交通科研所研究 了橡胶改性乳化沥青的路用性能 并试验用于稀浆封层的施工 与此同时 许多地 方也开始了用橡胶沥青铺筑试验路段 1993年沈阳市在交通量较大的繁华道路路段上用废轮胎胶粉改性沥青试铺了1万 的路面 经过一个冬天和夏天的考验 效果良好 并于1994年通过了市科委组织 的技术论证 又于1995年在新开的五爱路至浑河大坝间扑住了3万 的废旧轮胎胶粉 改性沥青路面 经过多年的高负荷运行考验 效果良好 因此近年已在沈哈高速公 路上使用橡胶粉改性沥青铺筑一段试验路面 效果同样良好 北京路翔技术有限公 司于1995年在北京小红门和广东韶关地区218国道上用胶粉 PE符合改性沥青试铺了 一段路面 效果良好 该公司还研制成功生产改性沥青的专用设备 高速混炼机 用这套设备生产出来的胶粉改性沥青质量优良 今年也在京石高速公路上涌橡胶粉 改性沥青铺筑了一段试验路面 此外 我国已研制成功适用于胶粉改性沥青防堵塞 的喷洒机 为橡胶粉改性沥青用于修筑公路提供了施工配套的设施 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 9 9 页页 装 订 线 某些省份已经开始尝试制定橡胶沥青的有关技术标准 目前 江苏省已发布 江苏省橡胶沥青路面技术规程 包括 橡胶沥青产品建议技术标准 橡胶沥青 应力吸收层施工技术指南 断级配橡胶沥青混合料施工指南 北京出台了 北京 市废胎胶粉改性沥青及混合料设计施工技术指南 天津给出了 应力吸收层技术指 标及施工方法 天津市建设管理委员会发布了 天津市废胎胶粉改性沥青路面技术 规程 随着我国公路建设事业的飞快发展 橡胶沥青的应用再次引起交通部的重视 2001年 交通部科技项目中专门立项开展 废旧废胎胶粉用于逐鹿的技术研究 该 项目由交通部公路科学研究院主持 联合河北 山东 广东 四川等省的公路部门 以及同济大学 长沙理工大学等单位 在前人的研究基础上 借鉴国外成功经验 从废胎胶粉的路用标准到橡胶沥青的技术指标 从橡胶沥青的混合料配合比设计方 法到混合料的加工生产工艺 从橡胶沥青路面的设计体系到质量控制措施 开展了 大规模的 系统的室内外研究试验 特别是结合我国重载交通的使用环境和半刚性 基层沥青路面的结构特点 提出了适合我国国情的废胎胶粉橡胶沥青及混凝土应用 技术 2004年北京市交通委员会结合绿色奥运 人文奥运的主题 立项开展了 废 胎胶粉改性沥青的应用研究 2007年 交通部西部科技推广项目一5万平方米的橡 胶沥青混凝土路面摊铺工程 在湖北省沪蓉西高速公路 沪渝国家高速公路湖北西段 试 验段获得成功 这是橡胶沥青在我国高速公路上首次大面积应用 近年来 广东 江苏 四川 天津等省份的有关单位分别引进国外成套技术 开展了橡胶沥青混凝土的用用技术研究和试验路 实体工程的铺筑 对于推进橡胶 粉改性沥青在我国公路工程中的应用做出了一定的贡献 1 3橡胶沥青研究的思路与内容 1 3 1研究思路 本文主要针对废胎胶粉橡胶沥青的制备技术和设备 结合国内外的经验 利用 大量试验和分析测试方法 首先对橡胶沥青的性能及其影响因素进行性分析 然后 通过分析其作用机理和制备工艺 探讨橡胶沥青制备过程中材料因素 基质沥青 胶粉目数 种类 掺量 添加剂 以及制备工艺因素 搅拌工艺 反应时间 反应 温度 对橡胶沥青性能的影响 最后分析了橡胶沥青制备设备的组成及功能 以及 对加工设备装置提出一些改进 研究思路图如1 1下所示 1 3 2橡胶沥青研究的内容 由图1 1的研究思路可知 本文的主要研究内容如下 1 橡胶沥青的性能及其影响因素 其中包括材料因素和加工因素 2 橡胶沥青的制备技术 包括橡胶沥青的作用机理 制备方法 制备工艺流程 以及制备中质量控制因素 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1010 页页 装 订 线 3 橡胶沥青的制备设备 包括其基本设备组成 功能以及对装置的改进 橡 胶 沥 青 性能影响因素 制备技 术 制备设备 材料因素 加工因素 作用机理 加工工艺 质量控制 组成功能 装置改进 橡 胶 沥 青 的 性 能 图1 1 橡胶沥青研究思路图 第二章 橡胶沥青的性能研究 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1111 页页 装 订 线 2 1 橡胶沥青的定义 废轮胎胶粉改性沥青是废轮胎胶粉以某种方式与沥青混合形成的胶结材料 废 轮胎胶粉改性沥青从生产至今已经有 150 多年的历史了 是废轮胎胶粉在公路行业 中应用最广泛的材料 美国联邦公路局使用 Crumb rubber modifier CRM 废轮胎胶粉改性剂来表示废轮胎胶粉加入沥青材料中的概念 废轮胎胶粉改性沥青根据其加工高工艺和添加剂量 材料的不同 具有不同的 名称 一般来说包括橡胶沥青 Asphalt Rubber 掺加废轮胎粉的改性沥青等 其种类和组成成分有 1 废轮胎胶粉 沥青 2 废轮胎胶粉 改性 沥青 3 废轮胎胶粉 沥青 添加剂 芳香烃 油分 4 废轮胎胶粉 沥青 天然橡胶 5 废轮胎胶粉 沥青 聚合物 如 SBS PE 等 1997 年美国 ASTM 将 Asphalt Rubber 直译为沥青橡胶 在我国习惯称之为橡 胶沥青 定义为 由沥青 回收轮胎橡胶及一定量的添加剂组成的混合料 其中废 轮胎胶粉的含量不少于总质量的 15 且要求橡胶粉颗粒在热沥青中充分反应并膨 胀 这个定义不仅明确了橡胶沥青的成分 还明确了其加工工艺和废轮胎胶粉的掺 加量等主要材料要素 除橡胶沥青外 还有一种称作 Terminal blend 的废轮胎胶 粉改性沥青技术 是湿法的一种形式 它是由低剂量 相当于干拌法和湿拌法废胎 胶粉一半的剂量 细胶粉和添加剂组成 过去这种沥青一般包含 10 或更少的很细 的废胶粉和解决搅拌问题的其它添加剂 不符合 ASTM D8 关于橡胶沥青的定义 但 新开发的配方含有 15 的废轮胎胶粉 2 2橡胶沥青的性能分析 橡胶沥青不但具有沥青的部分性质 而且具有橡胶的部分特性 本节通过大量 的试验资料分析 说明橡胶沥青的高温性和低温性性能 抗老化性能以及弹性恢复 等性能 2 2 1 橡胶沥青的高温性能 交通部公路科学研究院采用中海 90 号重交沥青 子午胎和斜交胎常温研磨法的 目数为 40 目 80 目 120 目的废胎胶粉 掺量为 5 10 20 外掺 使用高速 剪切机拌合 制备成 18 种不同掺量和目数的橡胶沥青进行橡胶沥青的各种性能研究 试验 研究出橡胶沥青的橡胶性能特性 山东交通科研所研究了不同掺量的橡胶沥 青的性能 采用 70 号基质沥青 常温研磨法生产的 80 目子午胎废胎胶粉 掺量为 5 10 15 20 25 30 六种不同掺量 同济大学进行了橡胶沥青的性能研 究试验 采用斜交废胎胶粉 用针入度 软化点 运动黏度以及美国 SHRP 的动态剪 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1212 页页 装 订 线 切流变 DSR 等几个指标来评价沥青的高温性能 1 针入度 2 1 表为采用中海 90 号重交沥青加工而成的 18 种不同胶源种类 不同目数 不同掺量的橡胶沥青 分别在 15 25 30 时针入度的试验结果 表 2 1 两种胶源废胎胶粉改性沥青针入度试验结果 0 1mm 从表中可以看出 沥青中掺入橡胶粉后 沥青的针入度存在不同程度的变化 当胶粉掺量比较少时 与基质沥青相比大多数是明显变硬的 也有比基质沥青更软 的 这与胶粉的种类 掺量有较大的关系 当胶粉掺量较高时 橡胶沥青都存在着 随胶粉剂量的增加 沥青逐渐由硬变软的现象 可能是由于胶粉吸收沥青中的油分 溶胀后均匀分布在基质沥青中 使得沥青变软 2 软化点 表 2 2 为 18 中沥青软化点的测定结果 从试验结果可以看出 由于橡胶粉的 加入 橡胶沥青的软化点明显提高 提高幅度一般在 2 8 之间 但是 软化点随 橡胶粉的掺量变化并不明显 有时出现橡胶粉掺量的增加 软化点反而下降的现象 这只能说明现行的软化点试验方法并不太适合于橡胶沥青 表 2 2 两类废胎胶粉橡胶沥青软化点试验结果 子午胎斜交胎软化点 0 5 10 20 5 10 20 40 目 4350 545 446 547 347 648 9 80 目 4345 847 249 146 351 348 3 120 目 4349 347 848 747 250 849 3 3 当量软化点 Tsoo 根据表 1 的试验数据 计算了 18 种沥青的当量软化点 见表 2 3 其变化情 况与软化点基本一致 不再赘述 胶 源 温度 中海 90 号 40 目 5 40 目 10 40 目 20 80 目 5 80 目 10 80 目 20 120 目 5 120 目 10 120 目 20 152213 721 728 020 321 724 715 321 024 0 257543 774 384 069 066 368 549 062 367 0 子 午 胎 3012470 3121 3132 3109 7112 0123 779 3107 7110 0 152219 020 027 718 014 226 015 815 723 5 257561 067 079 365 347 477 061 344 561 7 斜 交 胎 30124110 0110 0117 0115 885 0135 0106 082 0104 3 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1313 页页 装 订 线 表 2 3 两类废胎胶粉改性沥青当量软化点试验结果 子午胎斜交胎当量软 化点 0 5 10 20 5 10 20 40 目 45 5251 846 046 947 347 046 9 80 目 45 5246 945 747 845 348 746 2 120 目 45 5250 748 449 445 751 050 7 4 黏度 黏度是沥青材料重要的技术指标 黏度大的沥青在荷载作用下产生较小的剪切 应变 弹性恢复性能好 与沥青混合料的动稳定度有很好的相关关系 对以上 18 种 沥青采用毛细管法测得的运动黏度如 2 4 从这个指标看出 橡胶粉的掺量大大提 高了沥青的黏度 而且随掺量的增加 橡胶沥青的黏度表现出良好的规律性 对于 两类橡胶粉 三个目数的橡胶沥青 随着橡胶粉掺量的增加 黏度呈指数变化 表 2 4 两类橡胶粉改性沥青黏度试验结果 子午胎斜交胎黏度 s 0 5 10 20 5 10 20 40 目 3 22 1 0 4 6 33 1 0 4 1 28 1 0 3 6 75 10 4 9 52 1 0 4 1 70 1 0 3 80 目 3 22 1 0 4 5 40 1 0 4 8 12 1 0 4 1 70 1 0 3 6 05 1 0 4 1 22 1 0 3 1 57 1 0 3 120 目 3 22 1 0 4 7 32 1 0 4 8 19 1 0 4 1 42 1 0 3 6 03 1 0 4 1 17 1 0 3 1 63 1 0 3 2 2 2 橡胶沥青的低温性能 由于橡胶沥青是由废胎胶粉和沥青组合成的混合体系 采用常规的的沥青标准 体系对橡胶沥青的评价不全面 当前国际上使用 PG 分级的流变学性能来评价橡胶沥 青在全温度域流变学性能 分析橡胶的高低温性能及温度敏感性 废胎胶粉本身为柔性材料 废胎胶粉在与沥青搅拌过程中 产生脱硫反应 将 有利于改善沥青在低温下的韧性 本研究通过低温延度 5 当量脆点 T1 2 等试 验来评价橡胶沥青的低温性能 1 低温延度 对橡胶沥青的 15 下延度进行测试的结果表明 橡胶沥青的延度基本数值都在 20cm 左右 远远小于基质沥青 15 时延度大于 150mm 而且数据没有体现很好的 规律性 也没有反映出橡胶粉延度和掺量的影响 说明 15 的延度不适合用来评价 橡胶沥青的延伸性能 从橡胶沥青常温下延度破坏的表象可以看出 橡胶沥青的拉 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1414 页页 装 订 线 断形式和基质沥青有明显不同 破坏的形式是脆性破坏 但也不是常见的黏性破坏 断裂时明显的撕拉破坏 表面参差不齐 其原因是在接近常温条件下 沥青受拉产 生的变形远远大于橡胶颗粒的变形 在两者的界面上会产生很大的应力集中 最终 导致提前拉断 常温条件的沥青延度拉到近 100mm 以上时 沥青丝的直径已经远远 小于橡胶颗粒尺寸 故在常温条件下 橡胶沥青理论上不存在高延度值的可能性 要想通过延度反映橡胶沥青的低温性能 就必须采用降低试验温度的方法 表 2 5 为前面提到的 18 种沥青在 5 时延度的试验结果汇总表 从表中试验结果可以 看出 橡胶沥青 5 的延度显著大于基质沥青 5 时的延度 且橡胶粉掺量对橡胶沥 青 5 时的延度有显著地规律性的影响 表现为随着橡胶粉掺量的增加 橡胶沥青 的低温延度明显增加 表 2 5 两类橡胶粉改性沥青的 5 延度试验结果 子午胎斜交胎延度 cm 0 5 10 20 5 10 20 40 目 7 00 9 9324 679 3313 7719 00 80 目 7 0010 4310 9319 507 838 7520 67 120 目 7 005 5011 1721 507 409 7515 83 考虑到低温条件下沥青的脆性较大 5cm min 的拉伸速率的对实验结果的影响 较大 对不同掺量的橡胶沥青进行 4 的延度试验如表 2 6 从试验结果可以看出 胶粉的掺量对沥青的低温延度有显著的规律性 且 4 延度普遍大于 5 延度 这说 明低温下拉伸的速率对测试的结果影响比较大 对橡胶沥青宜采用低温拉伸速率的 试验方法来测试橡胶沥青的延度 表 2 6 橡胶沥青 4 和 5 延度试验结果 cm 含量 051015202530 5 延度 05 57 09 213 523 734 5 4 延度 08 510 212 516 72739 5 通过以上试验分析可以看出 在低温条件下橡胶沥青具有良好的延展性 而且 温度越低 橡胶沥青的低温延展性越突出 2 当量脆点 T1 2 有资料证明 当量脆点作为评价沥青结合料低温抗裂性能的指标是合理的 与 路用性能也有很好的相关性 表 2 7 为这 18 种沥青针入度试验结果计算的当量脆 点汇总表 从表中试验结果可以看出 随着胶粉掺量的增加 橡胶沥青的当量脆点 明显降低 在掺量较高时橡胶沥青的当量脆点低于不掺橡胶粉沥青的当量脆点 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1515 页页 装 订 线 表 2 7 两种类型废胎胶粉改性沥青的当量脆点试验结果 子午胎斜交胎 T 1 20 5 10 20 5 10 20 40 目 9 74 7 23 10 2 15 3 9 2 9 7 15 3 80 目 10 27 7 8 13 2 6 8 5 7 13 0 120 目 8 18 11 3 14 5 5 2 8 3 15 0 从以上结果可以看出 橡胶粉掺入对沥青的低温性能改善很大 随橡胶粉掺量 的增大 橡胶沥青 5 延度显著提高 当量脆点显著降低 但常规沥青的延度试验 不适合作为评价橡胶沥青的延伸性能 对橡胶沥青宜采用低温拉申速率的方法测试 研读来评价橡胶沥青 2 2 3 橡胶沥青的抗老化性能 沥青老化是一个逐渐发展的过程 它的速率直接影响着路面的使用寿命 是影 响路面耐久性的一个主要因素 常用的评价沥青短期老化的试验方法有薄膜加热试 验 TFOT 及旋转式薄膜加热试验 RTFOT 他们的试验条件比较苛刻 接近于强 制搅拌中的老化过程 薄膜加热试验被认为是反映拌合过程中热老化最好的试验方 法 表 2 8 和表 2 9 是采用 SK70 号沥青为基质沥青掺加 80 目子午胎橡胶粉配制 的橡胶沥青进行薄膜加热试验的结果 表 2 8 旋转薄膜烘箱后的指标 项目70 号基质 沥青 SBS88 10M80 17J120 17J TFOT 针入 度比 74 287 596 594 481 5 TFOT 黏度 比 137 9182 6222 2210 7133 7 TFOT 软化 点比 111 798 0110 8103 4106 4 表 2 9 薄膜烘箱前后沥青指标 项目温 度 SK AH 70 号 SK AH 70 号 5 SK AH 70 号 10 SK AH 70 号 15 试验路 SK AH 70 号 15 15 18 519 017 017 7 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1616 页页 装 订 线 2560 7550 360 361 751 0 针入度 0 1mm 30 82 595 399 779 0 PI 0 49 1 07 1 66 0 58 T1 2 12 6 10 6 7 4 11 8 T800 52 949 347 052 8 软化点 49 349 648 850 053 7 5 12 延度 cm 15 100 182528 弹性恢复 2517 0 30 3 42 5 36 0 67 6 黏度 s 1354 24 10 46 69 10 4 8 12 10 4 1 31 10 4 2 21 10 4 质量损 失 0 000 060 050 140 12 针入度 比 2570 075 172 976 296 1 延度比 1531 681 862 870 898 3 弹性恢 复比 25 62 680 8101 460 0 TFOF 后 黏度比 135116 2103 7133 7111 0123 9 从薄膜烘箱前后的针入度比可以看出 橡胶沥青的延度比比基质沥青的值大 且都大于 75 其烘箱后的延度比比基质沥青的延度比提高了 烘箱前后的弹性恢 复也都大于 80 薄膜烘箱后的黏度也提高了 软化点比比基质沥青的低 黏度比 提高 说明橡胶沥青的抗老化性能比基质沥青强 从几个指标的综合可以看出薄膜 烘箱后 橡胶沥青比基质沥青的抗老化性能强 但掺量对老化程度的影响已被试验 误差掩盖 2 2 4 橡胶沥青的弹性恢复性能 废胎胶粉本身是一种良好的弹性材料 有助于弹性恢复能力的提高 沥青弹性 能力的提高可以减少荷载作用的残余变形 减少路面的损坏 弹性恢复指标作为评 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1717 页页 装 订 线 价改性沥青性能的新指标已经被广泛使用 橡胶沥青的弹性恢复性能随着橡胶粉的 掺量的增加而显著提高 但掺量超过 20 后 其弹性恢复增加的幅度减小 表 2 10 为以上 18 种沥青测定的弹性恢复指标 表 2 10 两种胶源橡胶粉改性沥青的弹性恢复试验结果 子午胎斜交胎胶粉粒 度 0 5 10 20 5 10 20 40 目 18 4 38 052 543 750 462 7 80 目 25 839 061 338 859 661 2 120 目 36 242 654 335 056 760 9 从弹性恢复的实验结果看 橡胶粉的掺入大大改善了橡胶沥青的弹性恢复性能 掺量的增加能显著提高橡胶沥青的弹性恢复性能 2 3 影响橡胶沥青性能的因素 废胎胶粉对沥青的作用既有物理作用又有化学作用 从而大大改善了沥青的高 温性能 低温性能和弹性恢复性能 橡胶沥青的形成机理比较复杂 因而影响其性 能的因素也就特别多 如 2 11 图所示 综合分析影响橡胶性能的因素 可以将其 分为两大类 一类是材料因素 具体包括废胎胶粉的因素 基质沥青的因素 废胎胶 粉的掺配比例和外掺剂等 二是加工因素 如拌合工艺 反应温度和时间等 本节 将对其中的一些因素进行分析 橡胶沥青的影响因素 材料因素 加工因素 废胎胶粉因素 基质沥青因素 剂量因素 外掺剂因素 拌合工艺 反应时间 反应温度 图 2 11 影响橡胶沥青品质的主要因素 2 3 1 废胎胶粉的因素 废胎胶粉是橡胶沥青的基本组成成分之一 对橡胶沥青的影响主要体现在废胎 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1818 页页 装 订 线 胶粉的种类 目数和掺量等因素 下面结合大量相关试验介绍废胎胶粉的种类 目 数和掺量对橡胶沥青性能的影响 1 胶粉的种类对改性沥青性能的影响 两种胶粉均以相同的用量 20 对沥青改性 改性沥青的性能列于表2 12 表2 12 胶粉种类对改性沥青性能的影响 延度胶粉种 类 软化点 25 5 针入度 0 1mm 弹性恢复 未改性 46 1504 55710 胎胶粉 7225 711 63387 鞋胶粉 7525 58 13380 从表1可见两种胶粉均对沥青表现出优良的改性效果 软化点和弹性恢复均显著 增加 针入度和25 延度下降 但5 延度增加 这表明经胶粉改性后 沥青的耐高低 温性均得到了改善 相比较而言 胎胶粉比鞋胶粉在低温延度 5 和弹性恢复方面 的改性效果略好 2 胶粉的目数对橡胶沥青性能的影响 将不同粒径胶粉用于沥青的改性 在胶粉用量为10 时改性沥青的性能 如表2 13 所示 表2 13 胶粉粒径对改性沥青性能的影响 胶粉粒径软化点 延度 25 cm 针入度 25 0 1mm 弹性恢复 未改性 46 1505710 30目 6020 34378 40目 6121 24174 60目 5728 05071 80目 5633 25267 表2表明 胶粉的粒径不同 对沥青的改性结果有一定的差异 粒径大的胶粉对沥 青的软化点 弹性恢复的改善效果较好 而粒径小的胶粉对沥青的延度的提高更为明 显 沥青针入度的降低也较小 这是因为胶粉越细 在沥青中溶胀越容易 对提高沥青 的延度和针入度有利 但若胶粉在沥青中溶胀性有限 则过细的胶在沥青中将难以形 成骨架结构 会使沥青的弹性恢复减弱 并在温度升高时易流动变形 即软化点会降低 由此可见 对沥青改性而言 并非胶粉越细越好 3 胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响 两种胶粉以不同用量分别对沥青改性 橡胶粉改性沥青的性能随胶粉用量的变化 如图2 14 图1 图4分别是胶粉用量对软化点 延度 针入度和弹性恢复的影响 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 1919 页页 装 订 线 图1 胶粉用量对软化点的影响 图2 胶粉用量对延度的影响 图 3 胶粉用量对针入度的影响 图 4 胶粉用量对弹性恢复的影响 图2 14 胶粉用量对橡胶粉改性沥青性能的影响 结果表明 两种胶粉对沥青的软化点 延度 针入度和弹性恢复的影响规律是基 本相同的 即胶粉用量在20 以下时 沥青软化点与胶粉用量呈线性增加 此后增加速 度减缓 延度随胶粉用量增加而下降 针入度在胶粉用量20 以内时 呈线性降低 随后 基本稳定 弹性恢复在胶粉用量为10 以内时 增加速度很快 继续增加胶粉量 则增 加较少 特别是在胶粉用量达20 以上时 弹性恢复不再增加 胎胶粉对弹性恢复的 提高更为明显 在相同用量条件下 改性效果更好 2 3 2基质沥青的品质 试验研究表明基质沥青品质的不同 相同掺量的橡胶沥青的品质也不一样 说 明基质沥青对橡胶沥青的性能有一定的影响 表2 15为两种胶粉在相同用量下对3 基质沥青改性后性能测试的结果 表2 15 沥青的品质对胶粉改性沥青性能的影响 沥青种类软化点 针入度 25 0 1mm 延度 25 cm 弹性恢复 毕业设计 论文 报告纸 共共 6969 页页 第第 2020 页页 装 订 线 A614321 263 B575024 065 C5210353 076 从表3可以发现 基质沥青对胶粉改性沥青的性能有很大的影响 在用相同种类和 用量的胶