科研开发化工科技,2010,18(6):9~12SCIENCE&TECHNOLOGYINCHEMICALINDUSTRY

收稿日期:2010󰀁08󰀁20作者简介:赵󰀁华(1973-),女,辽宁抚顺人,辽宁石油化工大学讲师,硕士,主要从事石油化学品的研制与开发。*中国石油集团公司资助项目(X503006)。废旧胶粉改性沥青抗老化性能及效益分析*

赵󰀁华1,廖克俭1,李英刚2(1.辽宁石油化工大学石油化工学院,辽宁抚顺113001;2.抚顺石化公司,辽宁抚顺113001)摘󰀁要:以辽河沥青为基质沥青,以废旧胶粉为改性剂,以糠醛抽出油为调合剂,可制备改性沥青。采用失重系数法、针入度比法考察2种沥青的抗老化性能。结果表明,与基质沥青相比,废旧胶粉改性沥青具有较好的抗老化性能。通过经济效益和社会效益分析,证明用废旧橡胶粉对沥青进行改性,既减少了废旧橡胶对环境的污染,又降低了改性沥青的生产成本。关键词:废旧轮胎粉;沥青;改性;抗老化性能;效益分析中图分类号:TE626.8+6󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1008󰀁0511(2010)06󰀁0009󰀁04󰀁󰀁沥青在贮运、加工、施工及使用过程中由于长时间暴露在空气中,在风雨、温度变化等自然条件下会发生一系列物理及化学变化,如蒸发、脱氢、缩合、氧化等。此时沥青中除含氧官能团增多外,其它的化学组成也有变化,最后沥青逐渐硬化而变脆开裂,不能继续发挥其原有的粘接或密封作用。沥青所表现的这种胶体结构、理化性质或机械性能的不可逆变化称之为老化。沥青老化是路面发生早期破坏的主要原因之一,沥青老化后往往变硬、变脆,使路面过早出现裂缝[1]。研究表明,通过对沥青进行改性可以有效解决这一问题[2~4],其中废旧胶粉改性沥青更具有降低成本、保护环境的优势[5],具有非常广阔的应用前景。作者采用湿法[5,6]制备胶粉改性沥青,通过计算2种沥青老化前后蒸发损失率,以及沥青针入度比的变化来说明沥青的抗老化性能,以期对沥青的长期老化性能进行便捷、合理的评价。最后,对废旧胶粉改性沥青的经济效益和社会效益进行分析。1󰀁实验部分1.1󰀁原材料基质沥青:辽河沥青AH󰀁90重交沥青,针入度为80(0.1mm,25󰀂,100g,5s),软化点45.4󰀂,延度(4󰀂)0.6cm;废旧橡胶粉:直径250󰀁m活化胶粉,辽宁省海城市福山橡胶厂生产;糠醛抽出油:饱和分49.09%,芳香分42.52%,胶质7.92%,沥青质0.47%,抚顺石油一厂生产。1.2󰀁实验设备高速剪切混合乳化机:BME100L,上海威慷机械电子有限公司;沥青针入度测定仪:T4508󰀁8,无锡市仪器设备厂;82型沥青薄膜烘箱:江苏省无锡市石油仪器设备厂;202V2型电热恒温干燥箱:上海实验仪器厂有限公司;DZG󰀁0.4型电热真空干燥箱:天津天巴仪器仪表销售有限公司。1.3󰀁样品制备取一定量经过预热的基质沥青,边搅拌边加入已烘干的活化胶粉[7](活化胶粉的加入量为已称重沥青的15%)和适量的糠醛抽出油,初步混合后,用高速剪切混合乳化机剪切:剪切温度180󰀂,时间40min,剪切转速7000r/min。1.4󰀁实验方法1.4.1󰀁失重系数法采用82型薄膜烘箱加速老化实验(TFOT)来模拟橡胶粉改性沥青和基质沥青的自然老化过程。依据GB/T5302,将50g试样于D456mm 25mm老化盘中分别在150、163、180󰀂老化,每5h取出一次样品,称量样品失重数据,并计算失重率,即样品的失重占样品总重的质量分数。在相同老化温度和老化时间下,失重越多,说明沥青的抗老化性能越差。1.4.2󰀁针入度实验将灌好模的试样放置于15~30󰀂空气中冷却1h,然后调整标准针使之与试样的上表面恰好接触,将刻度盘的指示调整至!0∀位,按住针入度仪上按钮的同时开动秒表,使标准针自由地穿入沥青中,经过5s后,停压按钮,使标准针停止下沉,此时开始读数。针入度比:经TFOT老化后测得的针入度与老化前的针入度之比乘上100,以%表示,用以预测沥青的加热稳定性。2󰀁结果与讨论2.1󰀁失重系数法考察2种沥青的抗老化性能利用薄膜烘箱实验模拟沥青在热和空气作用下的老化过程,常以蒸发损失和薄膜烘箱前后性质的变化来评价沥青的抗老化性能。沥青在薄膜烘箱实验过程中质量的变化是由于加热引起的蒸发损失和由于与空气接触引起的吸氧增重双重作用的结果。但由于基质沥青中轻组分含量较多,其引起的蒸发损失将远远大于吸氧增重,改性沥青及基质沥青老化时在表观上总表现为失重。因此,在这里用蒸发损失评价改性沥青的抗老化性能时可以不考虑由沥青吸氧增重而引起的干扰。在不同老化温度下,2种沥青的老化时间与失重率之间的关系见图1和图2。

t/h图1󰀁基质沥青老化时间与失重率的关系由图1可以看出,随着老化温度升高以及老化时间延长,2种沥青的蒸发损失均逐渐加大。基质沥青在薄膜烘箱老化时的失重率较改性沥青大,可能是由于废旧橡胶粉吸收了部分沥青中的轻组分,使胶粉得到溶胀,从而使其蒸发损失较少。随着老化温度的升高,由于沥青中的一些重组分裂化,产生部分轻组分而导致蒸发损失加快。在所测定的温度范围内,2种沥青的失重率与老化时间呈线性关系,符合线性方程:󰀂m= t+c式中,󰀂m:为失重率,%; :为失重系数;t:为老化时间,h;c:为与沥青物性有关的常数。

t/h图2󰀁改性沥青老化时间与失重率的关系失重系数 可方便地评价2种道路沥青的抗老化性能。同一老化温度下, 越大,表明沥青的抗老化性能越差。通过线性回归可得到表1。由表1可见,老化温度越高, 值越大。老化温度180󰀂时的失重系数远大于150󰀂和163󰀂时的失重系数,表现出高温下失重明显增大的性质,这可能与高温下沥青发生裂解导致大分子变为小分子,引起挥发量增大有关。另外,2种道路沥青的失重率均为正值,可见这2种沥青的老化以蒸发损失轻组分引起沥青变硬为主。从失重系数的大小可以看出,胶粉改性沥青的抗老化性能优于基质沥青的抗老化性能。表1󰀁2种沥青失重率与老化时间的关系样品老化温度/󰀂数学模型相关系数失重系数基质150󰀂m=0.0398t+0.2070.981450.0398沥青163󰀂m=0.066t+0.2760.997570.066180󰀂m=0.1346t+0.6140.997230.1346改性150󰀂m=0.0364t+0.0840.99260.0364沥青163󰀂m=0.060t+0.1260.999380.060180󰀂m=0.0844t+0.5460.993150.08442.2󰀁从老化前后针入度比的变化考察沥青的抗老化性能󰀁󰀁为了研究沥青短期老化后的性能变化程度,提出了针入度比作为评价基质沥青和改性沥青抗老化性能的重要指标之一[8]。针入度比越大,沥青老化后变化的程度越小,说明沥青的抗老化性能越好。表2列出了2种沥青随老化时间的延#10#󰀁󰀁󰀁化󰀁工󰀁科󰀁技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第18卷长,针入度的变化情况。表2󰀁不同老化时间的针入度值t/h05101520基质沥青针入度(25󰀂)/(0.1mm)8052373026改性沥青针入度(25󰀂)/(0.1mm)6454463834

由表2数据计算不同老化时间的针入度比。针入度比与老化时间的变化规律见图3,从图3针入度比的变化趋势可知,2种沥青的针入度比随着老化时间的延长而逐渐下降,说明抗老化性能下降。相比之下,基质沥青的针入度比下降速度较快,进一步证明基质沥青的抗老化性能较差。

t/h图3󰀁针入度比与老化时间的变化规律3󰀁胶粉改性沥青的经济效益分析和社会效益分析3.1󰀁经济效益分析随着国际及国内原油价格持续上升,沥青价格也在不断增长。我国广泛用SBS作为沥青改性剂,SBS价格昂贵,且多数依靠进口,而胶粉与其它改性剂相比,价格低廉。现以辽河AH󰀁90沥青为基质沥青(价格3600元/t,称重1000kg为例),分别将橡胶粉改性沥青与SBS改性沥青成本进行粗略比较,见表3。表3󰀁2种改性沥青成本比较SBS改性沥青胶粉改性沥青基质沥青辽河AH󰀁90沥青辽河AH󰀁90沥青单价/元#t-136003600改性剂SBS33.33󰀁m橡胶粉改性剂单价/元#t-1160003000改性剂理论加入量/%3~610~251t实际加入量/kg30~60100~250改性剂费用/元480~960300~750成本/元4080~45603900~4350由表3可以看出:与SBS相比较,胶粉的加入量增加,胶粉改性沥青的成本反而降低。如:SBS加入量为6%,胶粉加入量15%,两者成本差:4560-4050=510元/t胶粉改性沥青的成本比SBS改性沥青的成本每t降低510元。假如每年修建公路用100万t胶粉改性沥青替代SBS改性沥青,即可降低成本5.1亿元。同时可消耗废轮胎胶粉15万t,相当于2250万条轿车废轮胎。这对资源再利用有很大贡献,因而市场应用前景广阔。3.2󰀁社会效益分析废旧橡胶主要来源于废轮胎、废胶鞋、废胶管、胶带等橡胶制品,其次来源于橡胶生产过程中产生的边角料及废品,属于工业固体废料的一大类[9]。橡胶属于大分子聚合物,分解需长达数百年的时间,破坏植被的生长,且易滋生蚊虫,危害人类健康,危及生态环境。处理废旧橡胶轮胎成为各国解决环境污染的有效途径之一。将废旧轮胎制成橡胶粉用于沥青路面,不仅延长沥青路面的使用寿命且提高路面服务水平、降低交通事故率及养护费用,而且保护了人类赖于生存的自然环境,因而使用废旧轮胎胶粉改性沥青具有很大的市场潜力。4󰀁结󰀁论(1)通过失重系数法考察2种沥青的抗老化性能,研究结果发现,随着老化时间和老化温度的升高,2种沥青的蒸发损失均增大,基质沥青的失重率高于改性沥青,说明基质沥青的抗老化性能较差;(2)通过针入度比的变化规律可以得出:胶粉改性沥青针入度比高于基质沥青,说明改性沥青具有优于基质沥青的抗老化性能。(3)用废旧橡胶粉为改性剂对沥青进行改性,既减少了废旧橡胶对环境的污染,又降低了改性沥青的生产成本。[参󰀁考󰀁文󰀁献][1]󰀁柳永行,范辉华.石油沥青[M].北京:石油工业出版社,1984.#11#第6期赵󰀁华,等.废旧胶粉改性沥青抗老化性能及效益分析󰀁󰀁󰀁[2]󰀁LuX,IsacssonU.Modificationofroadbitumenswithther󰀁moplasticpolymers[J].PolymTest,2001,20(1):77~86.[3]󰀁ChippsJF,DavisonR,GloverCJ.Amodelforoxidativeagingofrubber󰀁modifiedasphaltsandimplicationstoper󰀁formanceanalysis[J].EnergFuel,2001,15(3):637~647.[4]󰀁YousefiAA,Ait󰀁KadiA,RoyC.Effectofused󰀁tire󰀁de󰀁rivedpyrolyticoilresidueonthepropertiesofpolymer󰀁mod󰀁ifiedasphalts[J].Fuel,2000,79(2):975~986.[5]󰀁AdhikariB,DeD,MaitiS.Reclamationandrecyclingofwasterubber[J].ProgPolySci,2000,25(7):909~917.[6]󰀁RebalaSR,EstakhriCK.LaboratoryevaluationofcrumbrubbermodifiedmixturedesignedusingTxDOTmixturedesignmethod[J].TransportResRec,1995,15(15):9~15.[7]󰀁BahiaHU,HislopWP,ZhaiH.Classificationofasphaltbindersintosimpleandcomplexbinders[J].AsphaltPaveTechnol,2001,15(7):1~11.[8]󰀁MyhreMJ,MacKillopDA.Modificationofcrumbrubbertoenhancephysicalpropertiesofrecycledrubberproducts[J].RubberWorld,1996,214(2):42~46.[9]󰀁任满年,柴志杰.沥青生产与应用技术问答[M].北京:中国石化出版社,2005.

Analysisontheanti󰀁ageingperformanceandbenefitofcrumbtirerubbermodifiedasphalt

ZHAOHua1,LIAOKe󰀁jian1,LIYing󰀁gang2(1.SchoolofPetrochemicalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,China;2.FushunPetrochemicalCompany,Fushun113001,China)

Abstract:ThecrumbtirerubbermodifiedasphaltwaspreparedbyawetprocessusingLiaoheAH󰀁90asbaseasphalt,crumbtirerubberasmodifierandfurfuralextractoilasblendingoil.Theanti󰀁ageingperformancewasstudiedbymeansofweight󰀁losscoefficientmethodandpenetrationratiomethod.Asaresult,crumbtirerubbermodifiedasphaltshowedbetteranti󰀁ageingperformancethanbaseasphalt.Tothisend,fromanenvironmentalandeconomicstandpoint,theuseofawastetirerubberasmodifierwasthemostpreferentialrecyclingmethod,resultinggreatercostsavings,lowerenergyconsumptionandlowerenvironmentalpollution.Keywords:Crumbtirerubber;Asphalt;Modification;Anti󰀁ageingperformance;Benefitanalysis#12#󰀁󰀁󰀁化󰀁工󰀁科󰀁技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第18卷