废轮胎橡胶粉

第一节　废轮胎橡胶粉

一、废轮胎橡胶粉分类

橡胶粉可根据其生产方式、粒度和原料来源进行分类。

1．按粉碎方法可分为常温粉碎、低温粉碎和常温化学法粉碎。

1）常温粉碎法

常温粉碎法是指在常温下对废旧橡胶用辊筒或其他设备的剪切作用进行粉碎的一种方法。常温粉碎法的生产工序主要为粗碎与细碎。一般分三个阶段：首先将大块废旧橡胶破碎成50mm大小的胶块；第二步是在粗碎机将上述胶块再粉碎成20mm的胶粒，然后将粗胶粒送入金属分离机中分离出金属杂质，再送入风选机中除去废纤维；第三步是用细碎机将上述胶粒进一步磨碎后，经筛选分级最后得到粒径40-20μm的胶粉，见图2-1。

2）低温粉碎法

低温粉碎法是废橡胶在经低温作用脆化后而采用机械进行粉碎的一种方法。该方法可比常温粉碎法制得粒径更小的胶粉。低温粉碎的基本原理就是利用冷冻使得橡胶分子链段不能运动而脆化，而易于粉碎。如轮胎在-80℃时像土豆片一样脆，在锤磨机中，轮胎的各部分很容易分离。

低温粉碎法有两种：一是利用液氮作为冷冻介质在低温下进行冷冻粉碎；另一种就是空气涡轮制冷直吹连续式速冻胶管技术。

图2-1　常温法和冷冻法生产的胶粉

3）常温化学法

常温化学法是在废旧橡胶粗碎后，使用化学药品或水对粗胶粉进行预处理，再粉碎的方法。该法分三步进行，第一步是废橡胶粗碎，第二步是使用化学药品或水对粗胶粉进行前预处理，第三步将预处理后的胶粉投入圆盘胶体磨粉碎成超细胶粉。

2．按粒度的不同可分为粗胶粉、细胶粉、微细胶粉和超细胶粉。

粗胶粉的粒径范围为0.5-1.5mm（12-30目）；细胶粉的粒径范围为0.3-0.5mm（30-47目）；微细胶粉的粒径范围为0.075-0.3mm（47-200目）；超细胶粉的粒径范围为＜0.075mm（大于200目）。一般常温法生产的废胎胶粉粒径较粗，低温法生产的废胎胶粉粒径较细些，可在200目以上。

3．按原料来源的不同可分为斜交胎胶粉、子午胎胶粉。

废胎胶粉来自于废轮胎，一般可分为两大类：一是斜交胎轮胎，二是子午胎轮胎，见图2-2。这两种轮胎最主要的区别在于是否有钢丝存在（子午胎有，而斜交胎没有）^[1]。因此，路用胶粉也主要有斜交胎胶粉，子午胎胶粉两种，见图2-3。

图2-2　斜交胎与子午胎结构图

图2-3　废胎胶粉

中国轮胎资源综合利用协会将我国的橡胶粉根据生产原料的不同分为4个等级：

A级——以汽车轮胎胎面橡胶为原料生产的硫化胶粉；

B级——以汽车斜交胎整胎为原料生产的硫化胶粉；

C级——以汽车子午胎整胎为原料生产的硫化胶粉；

D级——以低速轮胎为原料生产的硫化胶粉。

为了便于在公路行业使用，该协会根据我国的橡胶粉生产情况，将其分为三类：

粗胶粉0.425mm以上（40目）；细胶粉0.425～0.180mm（40～80目）；微细胶粉0.180～0.075mm（80～200目）。

沥青在高温下是一种粘度较高的液体，废胎胶粉在沥青中首先是分散，然后才可能产生反应。一般来说，目数越大，粒径越小越容易分散；但粒径越小，其价格也越高，在实际应用中，应从技术，经济两方面考虑。

胶粉的粒径因生产工艺的不同，有一定的粒径范围。一般以目数表示。胶粉目数越大，粒径越小，比表面积越大，越易于与基质沥青混溶。但在实际工程应用中，胶粉目数越大，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；且目数越大，生产胶粉的成本就越高。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。

但是，我国目前使用的胶粉一般都是单一粒径的，不存在级配，工程应用过程中也未考虑级配问题。从国内外发表的研究成果来看，40目以上精细胶粉的研究应用越来越多，细胶粉的筛分比较困难，且精细胶粉的粒径对橡胶沥青及橡胶沥青混合料的性能影响也不大。因此国内路用胶粉使用单一粒径，不考虑级配问题。

二、橡胶粉组成及结构

路用橡胶粉主要是由废旧载重轮胎或乘用轮胎破碎而制得，成分主要为天然胶（NR）、丁苯胶（SBR）、纤维和炭黑等。由于成分的差异，会直接影响到生产的橡胶沥青的性能^[1]。

1．天然橡胶的组成及结构

天然橡胶是植物的产品，在含胶的器官中生成的，即生成于乳管和含胶细胞中。其具有类似于异戊二烯（C5H8）的实验式，并被看作是异戊二烯的某种多聚体（C5H8)n。也有人认为，天然橡胶是由异戊二烯基

或者具有橡胶性质的异戊烯基组成。

2．丁苯橡胶的组成及结构

丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯的共聚物，其玻璃化温度为60℃，与SBS同族，二者差异为丁二烯含量不同。

丁苯橡胶最可能的结构基团是：

-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH-CH2-CH=CH-CH2-

用维茨法测定的丁苯橡胶的不饱和度，并不超过理论的89%，这表明聚合物结构中含有支链，同时分子链还带有横键。像天然橡胶一样，丁苯橡胶也不能完全溶于溶液中，就是由于分子链中有支链存在的缘故。

3．橡胶粉组成对橡胶沥青性能的影响

由于橡胶粉的级配、成分直接影响生产的橡胶沥青性能，国外一些国家对路用橡胶粉提出一些要求，见表2-1、2-2、2-3。

为观察橡胶粉各组分对橡胶沥青性能的影响，选用常温粉碎法生产的斜交胎胶粉和子午胎胶粉，每种胶粉采用三种粒径：20目、40目和80目，如图2-3所示。

对于橡胶粉中纤维对橡胶沥青性能的影响，采用胶毛与无纤维胶粉混匀，胶毛中纤维含量约为30%，则胶毛相对胶粉含量依次为0%、10%、33%，配制出纤维含量为0%、0.3%、1%的胶粉。石料采用玄武岩，沥青用青岛90#，混合料级配为SMA13。马歇尔、车辙和冻融劈裂试验结果见表2-4、2-5。

从表2-4中数据可明显看出，胶粉中纤维含量的增加对沥青混合料最佳油石比的影响很小，纤维含量1%的胶粉仅比无纤维胶粉拌制的沥青混合料最佳油石比增加约0.1。说明胶粉中的纤维对沥青混合料沥青膜厚的增加贡献极小。

表2-5中数据显示，橡胶沥青混合料的动稳定度因纤维的掺入而减小，永久变形因纤维的掺入而增大；但是随胶粉中纤维含量的增加，动稳定度和永久变形指标有改善提高的趋势。值得注意的是，胶粉中含有一定量的纤维可提高橡胶沥青的抗水损害性能，冻融劈裂强度和TSR都显著提高。

另一方面，废胎胶粉中纤维含量增加，会使有效胶粉含量相对减小。

表2-1　国外路用橡胶粉粒径及级配

表2-2　国外路用橡胶粉技术指标

表2-3　美国路用胶粉技术指标和国内技术指标对比表

表2-4　马歇尔试验参数表

表2-5　车辙试验及冻融劈裂试验结果

由以上分析，建议工程应用中应控制废胎胶粉中的纤维含量，借鉴国外的技术标准，沥青混合料用胶粉中的纤维含量宜小于0.5%；对沥青混合料水稳定性有较高要求时，胶粉中纤维含量可以适当放宽，宜小于1%。对于粘、封层、洒布用橡胶沥青的胶粉中纤维含量宜小于0.5%(ASTMD6114中规定纤维含量小于0.1%)。

为观察橡胶粉中天然橡胶含量对橡胶沥青性能的影响，基质沥青采用青岛90#，配制的橡胶沥青试验结果见表2-6。由表2-6中数据易得出结论：橡胶粉中天然橡胶含量大于20%时，所制得的橡胶沥青性能才能达到要求。胶粉中天然橡胶含量低于20%时，应掺加一定比例的天然橡胶。

表2-6　不同天然橡胶含量的橡胶沥青性能试验结果

另外，对废胎胶粉中炭黑含量也进行了研究，结果见表2-7。

表2-7　不同炭黑掺量改性沥青性能试验结果

从表2-7中可看出，改性沥青针入度和软化点指标在炭黑掺量0.04%处出现拐点，说明炭黑掺量大于0.04%后，沥青高温性能指标才能得到显著改善和提高。由试验前掺量设计可知，对应于炭黑掺量0.04%，胶粉中炭黑含量为20%，即胶粉中炭黑含量大于20%时，炭黑才能在胶粉改性沥青过程中发挥作用，使橡胶沥青性能得到改善和提高。但炭黑含量较高时，会使改性沥青低温指标下降，影响改性沥青的低温抗裂性能。因此胶粉中炭黑含量并不是越高越好。考虑到胶粉中的炭黑在胶粉与沥青混溶过程中并不会完全弥散在沥青中，总有部分炭黑剩留在未溶的胶粉颗粒中，因此路用胶粉中炭黑含量指标应适当提高。参考国内外路用胶粉指标，建议路用胶粉炭黑含量宜为28%～40%。