废橡胶制取的胶粉在建筑材料中的应用进展

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概述目前废橡胶制取的胶粉在建筑材料中的应用，介绍了胶粉在掺用热塑性树脂、混凝土、沥青用于建筑材料等的新进展。
! U# J" C+ ~# M# F6 m0 ~# T    关键词  建筑材料  废橡胶  胶粉前言
, q. U9 C  V  U* A# N) b; \    废橡胶被称为新型黑色黄金，它主要来源于废轮胎、胶管、胶带、胶鞋、密封件、垫板等工业制品，其中以废旧轮胎的数量最多，此外还有橡胶生产过程中产生的边角料。
    在建材生产中，废旧轮胎替代煤和油作为水泥石灰窑燃料其热值可达33494kJ，其中轮胎中的钢转化为氧化铁，硫磺则最后变成石膏，这两种物质都是水泥熟料组分。上述应用中可能产生空气污染，而胶粉脱硫制成再生胶和粉碎制取硫化胶粉(被称为废胶粉，以下简称胶粉)是废橡胶循环利用的主要途径，其中制成胶粉利用最具研究价值[1]。胶粉是指废旧橡胶经机械方法粉碎或研磨制成不同粒度的粉末物质，也叫橡胶粉或硫化胶粉。按所用废橡胶原料来源不同，胶粉可分为轮胎胶粉、鞋胶粉、杂品胶粉等。
; f7 z( s( w% q8 Z* B0 X% H    我国50％的胶粉仍没有市场[2]，主要原因是胶粉的应用技术开发严重滞后。开拓废旧橡胶粉在非橡胶行业中的应用技术是发展胶粉产业的关键。在非橡胶工业的建材领域，胶粉除应用于建筑制品、改性沥青、改性水泥和公路上之外，废胶粉还可用于堤坝、屋顶防水覆盖层、建筑物填缝、油毡、建筑用保温填料即隔离、保温材料等诸多方面。本文就该领域的研究和开发的进展综述如下。
    1  直接应用
; [, ]) O2 c: e8 i9 U    (1)在胶料中掺入适量的硫化胶粉，制品的动态力学性能得到很大的提高，胶料的加工工艺性能得以改善，降低了产品成本。粉碎后的胶粉加入硫磺促进剂后可直接进行硫化模压成型，也可采用过氧化物和硫磺(促进剂与过氧化物并用)的体系。①该法所得模压品可用作路基垫、缓冲垫等各类垫片及挡泥板、吸音材料等低档建筑产品。②在这些制品上可复合模压或层压一层较薄的着色橡塑膜片，使其表面凹凸，防止打滑，用于铺垫地片材。
    在解决黑色废橡胶粉生产彩色橡胶粉的工艺复杂、成本高的技术难点领域，霍跻永利用废轮胎或其他废橡胶制品制成的橡胶粉粒的外表面上混有色料的薄膜，复合彩色橡胶粉[3]。
: N) h7 N- V9 b8 J4 Q4 @% y    (2)胶粉可制橡胶砖及大面积铺设橡胶地面、橡胶地板、草坪、运动场塑胶跑道、健身地坪、幼儿园儿童活动场地、学校操场和花园小径等。有资料报道一个网球场要消耗500条轮胎胶粉，一个田径比赛用综合运动场要消耗数千条废轮胎胶粉。采用粗和细废旧橡胶再生胶粉，面层经过着色，底层采用胶粒、胶丝，制成彩色弹性地砖，由于地面弹性提高，有助于剧烈运动时，减少地面对脊柱、膝盖、肌健的反弹冲击力，减轻疲劳，对运动员起保护作用。其最大特点是防滑、减震、耐磨、抗静电、不反光、耐水防火、耐候性好、抗老化、寿命长，有较好的实用前景。
# L% M1 v! }9 u    2  掺用
4 ?1 ~5 s  I8 F; I. o6 G7 e    2.1  热塑性树脂掺用胶粉
- S3 D# H' v! @' O/ o/ C2 u7 n    在20世纪80年代初国外就已经开始将胶粉加入到聚乙烯、聚丙烯、环氧等各种热塑性聚合物中，进行胶粉增韧聚合物的研究。掺用胶粉后的热塑性树脂可通过模压、层压、压延、挤塑等成型方法制成成品，如作消音板、地板、框架、浴缸、水箱、垫毯、道路铺设、屋顶防水层等。
    (1)利用胶粉制造的复合隔音壁，具有良好的噪音反射性和吸音性，而且对风化和应力具有较高的抵抗性。其单位面积重量轻，运输、组装、解体容易。
7 A" p4 Y2 X( e7 [. B    (2)有资料报道，美国的Rosehill公司将胶粉与热塑性树脂在高温下直接混合后制成厚为1～4mm、宽为0.5～1.0m的片材，用于垫毯、道路铺设、油田管道保护等。美国的Greenman工程技术公司用胶粉制成屋顶材料供应经常遭受冰雹袭击的美国南部和中西部地区，这些材料具有一定的弹性能有效地防止冰雹对屋顶的冲击，还能绝缘和隔音。
    (3)有德国专利[4]指出，用含有废轮胎胶粉(50％)、聚丙烯(14.25％)、高密度聚乙烯(14.25％)、低密度聚乙烯(11.11％)、丙酮(0.03％)、氢氧化钠(0.06％)、玻璃丝(5.63％)、磷酸铵(1.5％)、淀粉(3.05％)和颜料(0.12％)的混合物，在300~C温度下加热3 min，可以模压成平板或筑路石等。这种材料强度好、表面平滑。
    2.2  胶粉改善水泥混凝土的性能
    胶粉的轻质和韧性可改善水泥混凝土在表观密度、隔音隔热、减震降噪、耐磨耐蚀等方面的性能。国外研究者的试验结果[5]表明橡胶混凝土的抗压强度相对于普通混凝土有所降低。熊杰等人[6]测试了废轮胎橡胶碎料取代部分粗骨料的混凝土的抗压强度，也证实：橡胶混凝土的抗压强度随橡胶掺量的增加而降低，并非颗粒越大、强度降低越多。但是，胶粉粒子添加到水泥中，胶粉粒子的表面用饱和NaOH水溶液[7]改性20 min后，加入水泥浆中增加其粘结力，其力学性能如弯曲强度、断裂能有所提高。因为胶粉粒子作为添加剂而不是填充剂加入，所以橡胶粒子的加入提高了韧性，减少了样品的多孔性。NaOH的表面处理增强了橡胶和基体间的粘合力。所得到的材料在工程强度要求不高的场合如公路建设是很有前途的。
    (1)黄少文等人的研究[8]表明：在等掺量条件下，掺加胶粉越细，水泥砂浆的强度越高。当胶粉达到一定细度后，其强度值变化减小；当胶粉掺量≤10％时，水泥砂浆的早期强度(3d、7d)不会下降；当胶粉掺量≤5％时，3d强度还有所增长；利用表面活性剂和树脂对胶粉进行改性可增强胶粉与水泥浆体的界面联接，能显著减少因胶粉掺入引起的强度下降，Cp型硅烷偶联剂所获得的改性效果最好。关于硅烷偶联剂所获得的改性的机理[9]瓦解释为：硅烷偶联剂与胶粉混合经强力搅拌包覆在胶粉表面，其中有机基团可能部分地与胶粉形成了化学键合，而无机基团(硅醇)则和水泥凝胶结合，从而使胶粉与水泥凝胶更牢固地联接在一起。
    (2)橡胶土是一种新的轻质多孔隙建筑材料。该材料主要由碎橡胶、水泥、煤灰或粉煤灰(PFA)，橡胶粉或聚合物纤维和水制成。碎橡胶主要来自去掉钢丝的废旧橡胶轮胎，也可从其他回收的橡胶制品中获得。将上述原料以预定比例充分混合制浆即可浇筑成轻质多孔隙的建筑材料。同样，也可将制成的浆倒入铸模浇铸成轻质建筑块。可在路堤、挡土结构、山坡填土、地下厂房回填、土地开垦及其它的土木工程中应用。
; b4 F4 k4 T: v8 h. m- o    (3)有文献报道，铁路轨枕亦可采用胶粉、砂子、水泥混合用模压制成。这种新型的轨枕具有重量轻、抗冲击和耐腐蚀等优点，还能减少火车行驶时的噪音和震动。此外，国外已在铁路道岔道口采用胶粉铺面板取代传统的混凝土铺面。这种胶粉铺面板与混凝土铺面板相比，寿命长，少维修，增加了道口安全性，极大降低了载重车辆对路面的冲击，并能降低噪音减轻震动，还有很好的绝缘性。
5 @& H/ Y1 e2 q/ l8 T. N  t3 q) N: G# J    2.3  胶粉改性沥青路面材料
    目前，改性沥青常用的改性剂为：SBS、LDPE、EVA和SBR等。而我国将废轮胎胶粉用于生产改性沥青尚在研究开发中[10]。60目和80目废胶粉的价格远低于SBS，作为沥青改性剂部分或全部替代价格昂贵的弹性塑料橡胶(SBS)生产改性沥青，其机理是废胶粉具有一定弹性和耐磨、抗滑等性能；能提高稳定性；废胶粉的加入可增强韧性，能有效地吸附沥青中的油蜡，从而减少游离蜡的含量，使沥青的感温性下降，粘接性提高；而且其中含有防老剂，因此用于和其他材料一起铺设人行道、高速公路、球场等极为适合，且能够明显提高路面的质量和寿命，发达国家将这一应用领域选作废胶粉利用的第二大目标。
" }6 c5 T0 z" ?% ?. a9 }" p    (1)美国利用废胶粉作为热混沥青的添加剂用于筑路已有20多年历史了，这种路面具有稳定性好、耐磨、防冻、防滑和维修费用低等特点。一条双向高等级的公路，每公里需用的废胶粉量足可消耗1万条废轮胎。美国6家橡胶改性沥青公司就消耗废胶粉总量的25％以上。美国的成功实践证明：废胶粉改性沥青路面比纯沥青路面减薄一半，其使用寿命却提高1倍，并可减少噪音，且防湿滑与碎冰雪(有弹性则冰易压裂)，尤其是价格低廉。为此，美国政府曾规定：路面不按比例使用废胶粉，国家将不拨修路费用。
    (2)我国50％以上的原油属石蜡基，生产的道路沥青含胶质、沥青质少，含蜡量高，路用性能差。为了满足交通建设对优质沥青需求，在国产沥青中掺加改性剂，成为改善沥青路用性能的重要手段。采用废旧聚乙烯薄膜和废轮胎粉作为沥青改性剂，文献[11]和文献[12]的研究结果都表明，普通道路沥青经聚乙烯复合改性后，高温稳定性和温度敏感性得到显著地提高和改善，抗老化性能得到明显提高，低温性能也可有所改善，聚乙烯复合改性沥青混凝土的高温抗车辙能力得到显著提高，抗水害和抗疲劳性能均得到了明显改善，低温抗裂性也有所改善。此外，磨细废旧轮胎胶粉改性国产沥青及混合后的路用性能的试验研究结果[13]也表明：在国产AH—70号沥青中掺入10％的磨细废旧轮胎胶粉，可使沥青及沥青混合料的高温、低温性能得到一定的改善；试验路施工应用效果良好。李宇峙[11]等通过对掺入不同细度、不同数量的废旧橡胶粉沥青混凝土(干法)的室内马歇尔试验、旋转压实试验及车辙试验，发现废旧橡胶粉沥青混凝土(干法)比普通沥青混凝土更能抵抗高温变形；无论细度还是掺量在一定条件下均存在某一最佳值，建议橡胶粉细度不宜超过80目，掺量不宜超过2％。
    (3)国内关于废胶粉在改性沥青中应用的发明专利有两件。在温度为150～200℃下，将通过60目筛子的不同粒径的混合废轮胎橡胶粉、热塑性橡胶以及稳定剂按一定比例加入到基础沥青中经高剪切或胶体磨等专用设备处理，张建峰等制备成具有良好的储存稳定性、高低温性能的沥青产品[15]；该生产工艺简单，适合大规模工厂生产。王云普[16]等公开了一种用微波辐照废旧橡胶粉改性沥青的组合物及其制备方法。该改性沥青是以含蜡量较高的沥青为基质沥青，添加粉末丁苯橡胶和微波辐照过的废胶粉，高速剪切共混均匀而制成。
    3  制备防水材料
    废胶粉与塑料并用可用于生产防水卷材、屋顶防水片材、沥青防水涂料、建筑物填缝改性沥青油膏、油毡等。
6 k- e* Y) B* U' V9 y3 }1 C" V    (1)将胶粉、煤焦油、废聚氯乙烯、废机油在一定温度下搅拌可得高弹性橡胶状固体——防水胶，可用于各种建筑防水、防潮、漏渗水维修等。
     (2)将废胶粉、沥青、高效乳化剂、软水在一定条件下搅拌乳化，可制成水乳型防水涂料，除用作屋面、地面防水涂层外，还可用于管道防腐。
! k2 R3 W7 q, E8 B& q    (3)1986年，前苏联将胶粉成功地应用于橡胶沥青防水卷材中。上世纪90年代以来，我国北方地区普遍开始把粗胶粉用于防水卷材。
    (4)有国内专利[17]报道，将煤焦油(55％)、废聚氯乙烯(15％)、废轮胎(15％)、废马达油(5％)、煤油(3%)、Pb(OAC)3(1％)、邻苯二甲酸二辛酯(2％)和滑石粉(14％)的混合物在145-150℃温度下加热，可制得具有高弹性、粘着力好的防水材料。
: n3 }) O; s) Q7 d2 f    4  结语
    废橡胶制取的胶粉应用于建筑材料是处理和利用废橡胶的好方法。国内在该领域上的技术开发与应用，尚属初期。目前生产的60目以下的胶粉，粉末粒度和性能远远不能满足应用领域的需求。而在国外，将胶粉用于路面铺设材料，已成为胶粉的最主要用途之一，因此我国应以在公路中的应用为突破口，开发价格便宜而且性能优越的胶粉改性沥青技术，用于公路铺设。另外也应努力加强胶粉在彩色地砖、防水卷材等非橡胶领域中的开发力度。只有这样，才能真正缓解当前所面临的“黑色垃圾—废橡胶”的危害，有效地变废为宝，利于环境保护。

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姜平辉

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