净味剂对废旧轮胎橡胶改性沥青性能的影响

2020-11-23孙海明

交通运输部管理干部学院学报 2020年2期

孙海明

（烟台市公路管理局，山东烟台 264001）

将废旧轮胎加工成橡胶粉加入沥青中制成橡胶改性沥青不仅环保，而且能够改善沥青和沥青混合料的技术性能。然而，橡胶改性沥青混合料在生产和施工过程中，会产生数倍于普通沥青混合料的烟气和臭味，其中主要包括硫化物、水蒸气以及具有挥发性的有机化合物，且挥发性有机化合物和硫化物是产生恶臭的主要物质[1-2]。这些烟气和臭味主要与橡胶粉中的化学组分挥发和氧化有关[3]，不但污染了大气，而且对人体健康也产生不利影响。

净味橡胶改性沥青是基于环保和施工安全性而研发的一种改性沥青[4]，与传统橡胶改性沥青相比，净味橡胶改性沥青采用独特的净味技术，通过化学作用能有效降低沥青中刺激性气体的排放量，可以从一定程度上解决橡胶改性沥青拌和、摊铺过程中产生的浓烟、臭味等环保问题[5]。但是，目前对净味橡胶改性沥青性能的研究少见报道。

笔者所在研究团队自主研发出一种新型沥青净味剂（简称Effclean）。Effclean净味剂是基于化学吸附和反应原理开发而成，其中的活化金属原子可与臭味中的氮、硫原子形成较强的化合键，有效络合橡胶改性沥青生产和使用等高温阶段产生的有毒、有味和有害气体，从而彻底消除臭味，以达到净味环保的目的。和常用的靠掩盖、杀菌、吸附等方式来除臭不同，Effclean净味剂是一种高效环保的新型除臭材料，具有无毒、无味、容易生物降解等特点。本文采用Effclean 净味剂、基质沥青、橡胶粉（CR）及高温剂（HPT）等原材料加工而成净味橡胶改性沥青，以净味橡胶改性沥青为基础，通过试验研究净味剂对橡胶改性沥青性能的影响。

一、试验设计

试验室制备待测橡胶改性沥青样品，胶粉经过脱硫工艺处理，制备过程中添加高温剂、稳定剂得到稳定型橡胶改性沥青，并添加不同剂量的净味剂用来分析净味剂使用效果。

（一）原材料

原材料为基质沥青、净味剂、高温剂（HPT）、橡胶粉（CR）、稳定剂；各种原材料掺量为HPT：1.5%、脱硫胶粉：20%、稳定剂：0.5%；净味剂掺量分别为0%、0.01%、0.05%、0.1%、0.15%和0.2%。

（二）制备工艺

（1）称取一定质量的基质沥青，加热至130~140℃备用。

（2）加入Effclean净味剂，进行搅拌，转速为800~1000r/min，搅拌时间30min。此时添加能够保证基质沥青的除味效果，确保制备橡胶沥青时，异味减小，保护人员和环境的安全。

（3）沥青加热至170~180℃并移至高速剪切机，加入胶粉和高温剂启动剪切，转速为3000~3500r/min，剪切时间为40~60min，至无明显颗粒。

（4）再次将样品移至搅拌器，启动搅拌，转速为800~1000r/min。向其中加入稳定剂，搅拌时间不少于2h。

（三）试验测试

（1）烟气排放量检测。通过密封烘箱分别加热添加0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%不同掺量净味剂的净味橡胶改性沥青，采用沥青烟气采样气袋分别收集180℃下和2h内（本实验为180℃，2h）所产生的烟气。

（2）臭味气体含量检测。将净味橡胶改性沥青和未添加净味剂的橡胶改性沥青分别放入电热鼓风干燥箱进行试验。以排气筒收集废气进行二氧化硫、硫化氢等主要臭气气体分析，其中二氧化硫排放采用定电位电解法，检测设备为自动烟尘烟气监测仪以及综合气象追踪仪；硫化氢排放检测采用《空气和废气检测分析方法》第四版增补推荐的亚甲基蓝分光光度法，检测设备为可见分光光度计。臭气浓度检测采用三点比较式臭袋法，由多名嗅辨员对无臭气体和沥青废气臭气进行辨识，再将臭气逐步稀释至无法辨识臭气，得到臭气浓度值。

（3）三大指标检测。采用JTG—E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（简称试验规程）中的沥青针入度试验、沥青延度试验、沥青软化点试验（环球法），分别检测净味橡胶改性沥青的三大指标。

（4）老化性能检测。将净味橡胶改性沥青分别进行短期老化试验，采用试验规程中的沥青薄膜加热试验、沥青针入度试验，沥青延度试验，检测净味橡胶改性沥青的蒸发质量损失、针入度比和残留延度。

（5）60℃动力黏度检测。采用试验规程中的沥青动力黏度试验（真空减压毛细管法），测定净味橡胶改性沥青的动力黏度。

（6）高温运动黏度检测。采用试验规程中的沥青旋转试验（布洛克菲尔德黏度计法），分别测定135℃、145℃、155℃、165℃、175℃下净味橡胶改性沥青的运动黏度。

二、试验结果及分析

（一）烟气排放量

采用重量法按照式（1）计算加热后橡胶改性沥青的烟气产生率M，mg/100g；按照式（2）计算沥青烟气减少率R，%。

式中 M ——沥青样品的烟气产生量，mg/100g；

Wo——沥青样品的总量，g；

Wx——加热后沥青样品的重量，g。

式中 Rx——某个掺量（内掺）净味剂的烟气减少率，%；

Mo——橡胶改性沥青的烟气产生率，mg/100g；

Mx——某个掺量净味剂的橡胶改性沥青的烟气产生率，mg/100g。

以未添加净味剂橡胶改性沥青测得烟气排放量为基准，实验室测定不同净味剂掺量下得到沥青烟气减少率如附图所示。

附图不同净味剂掺量下沥青烟气减少率

由附图可以看出，添加净味剂对减少沥青烟气有明显作用。以不添加净味剂的橡胶改性沥青作为基本量，随着净味剂掺量的增加，沥青烟气减少率逐渐升高。掺量为0.01%时，开始出现明显烟气减少效果，烟气减少率达到了11%；掺量为0.05%时，减少率为20%；当掺量增加0.1%时，烟气减少率出现了显著提高，达到了67%；其后，随着掺量的增加，烟气减少率变化逐渐减缓并趋于稳定，掺量为0.2%时，烟气减少率为73%。由此确定净味剂掺量应不小于0.1%，本研究选取0.15%掺量作为优选。

（二）臭味气体含量

臭味气体含量测试结果如表1所列，通过测试数据可看出，在相同试验条件下，添加净味剂得到的橡胶改性沥青与原样橡胶改性沥青相比，收集得到废气温度和流速基本是相同的，这主要与沥青的加热温度一致有关，同时说明了烟气总量与温度之间具有因果关系。在收集的废气中，可散发臭味主要是硫化氢和二氧化硫。未添加净味剂的橡胶改性沥青废气中硫化氢浓度为0.97mg/m3、二氧化硫浓度为32mg/m3，而净味橡胶改性沥青硫化氢气体浓度为0.77mg/m3、二氧化硫气体浓度为13mg/m3，两者分别同比减少了20.6%、降低了59.3%。臭气浓度测试结果也表明，添加净味剂后，臭气浓度由977mg/m3降低至724mg/m3，也就是说净味橡胶改性沥青比原橡胶改性沥青的臭气浓度下降了25.9%。

表1 橡胶改性沥青臭味含量测试

（三）净味剂对技术指标的影响

选用对质量控制、路用性能以及使用难易程度影响较大的指标，分析使用净味剂前后橡胶改性沥青的技术性质的变化，净味剂用量仍然采用0.15%。

1.三大指标

针入度、延度和软化点作为沥青生产和到场检测的主要控制指标，能够反映沥青材料的黏滞性和高低温性能。添加净味剂前后检测结果如表2所列。为确保评价结果可靠，添加净味剂的橡胶改性沥青进行了两组试验。

由表2数据可以看出，标准条件下的针入度值以及5℃延度值，在加入净味剂之后几乎没有发生变化，可见此掺量下的净味剂对橡胶改性沥青的黏滞性和低温延性并没有产生影响；软化点在加入净味剂之后，由原来的62.5℃，分别增长为64.0℃和63.5℃，有小幅度提高，但提高幅度相比软化点试验再现性误差允许波动范围要小，同样可以认为，添加净味剂没有对橡胶改性沥青的高温稳定性产生影响。

表2 三大指标结果对比

2.老化性能

短期老化是沥青材料在生产和使用过程中进行程度最为剧烈的的环节，对应的正是热态下沥青在与骨料拌和、运输、摊铺和碾压成型的施工过程，沥青样品的蒸发质量损失、针入度比和残留延度检测结果如表3所列。

表3 短期老化试验结果对比

由表3可以看出，掺加0.15%Effclean 净味剂之后，橡胶改性沥青在剧烈老化过程中质量损失没有出现明显的变化，这是由于质量损失与烟气减少率不同，其评价基准是沥青总质量，因此在数值上没有出现很明显的差别，而净味剂成分以及与沥青发生的化学反应产物没有形成新的蒸发损失；针入度值和残留针入度比均没有出现较大变化；老化后延度出现了微小的降低，但是降低幅度不大于再现性试验平均值的30%，可以认为净味剂对延度指标不存在影响。

3.60℃动力黏度

沥青材料的60℃动力黏度与沥青混合料抗车辙能力有很大关联性，是沥青技术性质的重要指标，项目组评价了掺加0.15%Effclean净味剂前后橡胶改性沥青的60℃动力黏度变化，结果如表4所列。