Open Journal of Transportation Technologies
Vol.06 No.01(2017), Article ID:19465,9 pages
10.12677/OJTT.2017.61001

Preparation and Technical Performance of Recycle Carbon Powder Modified Asphalt

Youwei Gan1, Chao Chen2, Jiansheng Liao1

1Institute of Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan

2Jiangxi Province Jianke Engineering Technology Co., LTD, Nanchang Jiangxi

Received: Dec. 19th, 2016; accepted: Jan. 2nd, 2017; published: Jan. 5th, 2017

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

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ABSTRACT

Accumulation of waste powder of printer has become a potential environmental risk; it must be recycled. In carbon powder as an asphalt modifier, different doses of content preparing modified asphalt are used. The influence of different processing technique parameters and different modifier sorts on modified asphalt’s properties is studied, thus to direct modified asphalt production. Theoretical research combined experimental methods is carried out. The result shows that: 1) carbon powder modified asphalt’s best cutting temperature is from 150˚C to 160˚C, cutting time is 30 minutes, and cutting rate is 3500 - 4500 r/min; 2) recycled carbon powder can improve the high temperature performance of asphalt, thus enhance the ability of resistance to deformation, and reduce the temperature sensitivity, but the low temperature performance of asphalt has fallen slightly; 3) as the guarantee to improve the high temperature performance of asphalt and at the same time reduce the effect on the properties of low temperature, the recycled carbon powder added amount shall not exceed 10%.

Keywords:Road Engineering, Recycle Carbon Powder, Modified Asphalt, Preparation Process, Technical Performance Tests

回收碳粉改性沥青制备及其技术性能

甘有为1,陈超2,廖建胜1

1长沙理工大学交通运输工程学院,湖南 长沙

2江西省建科工程技术有限公司,江西 南昌

收稿日期:2016年12月19日;录用日期:2017年1月2日;发布日期:2017年1月5日

摘 要

打复印机回收碳粉的积累已经成为一个潜在的环境风险,必须回收利用。采用回收碳粉作为沥青改性剂,按不同掺量制备改性沥青。通过对同掺量下不同温度、剪切速率、剪切时间的改性沥青进行针入度、软化点、延度等室内试验,得出最佳室内制备工艺参数。试验结果表明:1) 回收碳粉改性沥青室内最佳工艺参数为剪切温度150℃~160℃,剪切时间30 min,剪切速率3500~4500 r/min;2) 回收碳粉能改善基质沥青的高温性能,增强抵抗变形的能力,并降低感温性,但低温性能有小幅度降低;3) 为保证在提高沥青高温性能的同时而减小对低温性能的影响,建议回收碳粉添加量不应超过10%。

关键词 :道路工程,回收碳粉,改性沥青,制备工艺,技术性能试验

1. 引言

打印机是日常办公中最常用到的设备,大概有97.2%的人在工作中用到打印机。打(复)印机废弃粉末主要成分是碳粉,碳粉的主要成分不是碳,而是碳黑、树脂、磁粉和电荷剂等复合而成的材料。其中一些代用粉,大多数采用碳黑作为原料,都含有二甲基硝胺及多环芳烃系列等三、四号致癌物质。这些物质在燃烧时(300℃以上)会挥发出来,通过呼吸将直接被人体吸收,危害操作者的健康 [1] 。

沥青是一种成分复杂的高分子碳氢化合物,在温度与荷载作用下通常表现为粘弹性,在高温与紫外线照射下容易产生老化现象。改性剂的加入可以改善沥青混合料的路用性能,并且可以提高其抗老化、抗疲劳、抗低温开裂以及抗车辙等方面的性能。基质沥青与改性剂相容性的决定性因素是两者之间的界面作用,具体表现为聚合物的颗粒大小、极性以及分子结构,基质沥青的组分等因素。一般情况下,聚合物的分子结构、极性与沥青越接近,那么其与基质沥青的相容性就会越好,改性效果也越佳 [2] [3] 。

目前,国内外没有关于将废弃打印机回收碳粉作为改性剂的相关研究。但是中南大学姚辉等 [4] 将纳米碳粉加入基质沥青中进行改性,研究了其相关性能,并研究了纳米碳粉改性沥青混合料的力学和路用性能,结果表明纳米碳粉作为改性剂可以取得良好的改性效果,这为打印机回收碳粉的相关研究提供了一定的理论依据。根据回收碳粉的化学组成,可以考虑将其作为沥青改性剂。本文研究了回收碳粉改性沥青的制备和技术性能,为回收碳粉改性沥青路面应用提供依据。

2. 回收碳粉改性沥青制备

2.1. 试验材料

本文所用沥青为中石油齐鲁70号A级道路石油沥青,其基本指标和要求见表1。所采用的碳粉是从打印机硒鼓中倒出的回收碳粉,墨粉型号为理光MP1610。

2.2. 制备工艺条件

本研究采用的回收碳粉改性剂与沥青材料的性质有较大差别。为保证改性沥青具有较好路用效果,

Table 1. Sinopec Qilu No. 70 A-class road asphalt test results

表1. 中石化齐鲁70号A级道路石油沥青检测结果

采用室内聚合物改性沥青的制备工艺来制备改性沥青 [5] 。利用高速剪切仪器,可调式温控加热套,以及温度计来实时监控剪切过程中的温度。

从聚合物改性沥青的制备工艺当中可知剪切速率、剪切时间、剪切温度等对改性沥青的性能有很大影响 [6] 。所以,选择合理的制备工艺显得尤为重要。本研究通过将回收碳粉进行称量,每份8 g,共五份用。称取齐鲁70#基质沥青每份200 g,共五份备用,将五份盛有200 g的齐鲁70#基质沥青的器皿放入150℃的烘箱中加热30 min。然后分别确定剪切温度、剪切时间、剪切速率。

2.2.1. 剪切温度的确定

通过加热套将五份基质沥青温度分别控制在140℃、150℃、160℃、170℃、180℃,把已经准备好的回收碳粉分别掺入基质沥青中,边加入边进行剪切,剪切速率为4000 r/min剪切仪中剪切30 min后取出,分别测定其软化点、针入度、延度,以确定最适剪切温度,结果如图1所示。

图1可知针入度随着剪切温度的升高而有降低的趋势。这表明提高剪切温度有利于加快体系中各种物理、化学反应的进程。较高的温度使得分子更加活跃,扩散作用效果增强,分子间相互作用的机会增大,溶胀和吸附作用增强,使得体系流动性下降、增稠作用明显 [7] 。在180℃的剪切温度下,针入度较小,也有沥青老化的原因,改变了沥青相的组分比例,从而影响了体系的流动性以及粘稠状况,致使针入度有所降低。

软化点随剪切温度的升高有增大的趋势。这表明当剪切温度升高时,沥青胶质分子与碳粉颗粒表面的分子相融的几率增大,沥青体系中高分子链运动需克服较大的运动阻力,这样就导致碳粉改性的软化点随之升高,而在170℃~180℃增大很明显,其实有沥青老化的原因 [8] 。

延度随剪切温度的升高有先增大后减小的变化趋势。主要是因为剪切温度的提高,大大增强了分子间的运动,提高了微粒之间抵抗外力的能力。而且,沥青分子迁移作用的增强,使得极性组分比例相对增大,加大了分子间的作用力,使得形变能力增强,延度增加。而在160℃~180℃延度减小,这是由于随着温度的升高,沥青有所老化的原因。所以确定最佳剪切温度应为150℃~160℃之间。

Figure 1. Effect of shear temperature of carbon modified asphalt on penetration, softening point and ductility

图1. 回收碳粉改性沥青的剪切温度对针入度、软化点及延度的影响

2.2.2. 剪切时间的确定

通过加热套将五份基质沥青温度都控制在160℃,把已经准备好的碳粉分别掺入基质沥青中,边加入边进行剪切,剪切速率为4000 r/min,剪切时间分别为15 min、30 min、45 min、60 min、75 min,剪切之后分别测定其软化点、针入度、延度,以确定最适剪切时间,结果如图2所示。

图2可知随剪切时间的增加,针入度有减小的趋势,尤其在15 min到30 min之间的减幅很大,而后趋于稳定,而软化点是增大的趋势,延度则是先增大,再后基本上趋于稳定。由此可知剪切时间太短,碳粉与沥青融合的不够均匀,沥青中将会积聚大量的碳粉颗粒并且漂浮在沥青表面,沥青与回收碳粉很难形成均匀体;但随着剪切时间的延长,沥青中积聚的碳粉颗粒会被进一步与沥青分散、分解、相容,直到变成碳粉单位与液态沥青结构中的分散相紧密结合,形成比较稳定的粘合料体系;但剪切时间过长回收碳粉改性沥青体系可能发生了不可逆的物理化学反应,两者间的相容性能将显著降低,沥青也会因老化而粘度明显增大,从而影响了其性能。所以确定最佳剪切时间为30 min。

2.2.3. 剪切速率的确定

通过加热套将五份基质沥青温度都控制在160℃,把已经准备好的回收碳粉分别掺入基质沥青中,边加入边进行剪切,剪切速率分别为1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min、5000 r/min,剪切时间30 min,剪切之后分别测定其软化点、针入度、延度,以确定最适剪切速率,结果如图3所示。

图3可知,剪切速率的增大,使得回收碳粉改性沥青的软化点有所提高、针入度逐渐下降、延度有增大的趋势。但当剪切速率达到5000 r/min,针入度增大、延度下降,而此时由于过分的剪切软化点有呈下滑趋势。所以确定最佳剪切速率为3500~4500 r/min。

综合上述结论考虑分析得出,在剪切温度为150℃~160℃、剪切时间为30 min、剪切速率为3500~4500 r/min的工艺条件下制得的碳粉改性沥青样品,其性能优于其他条件下的改性沥青样品。所以本研究以剪切温度为150℃~160℃、剪切时间为30 min、剪切速率为3500~4500 r/min的工艺条件制作碳粉改性沥青。

3. 回收碳粉改性沥青的技术性能试验结果及分析

研究采用中石化东海牌齐鲁70#A级沥青,以及打(复)印机中倒出的回收碳粉,按照上述方法制备成碳粉改性沥青。对基质沥青和碳粉改性沥青的常规试验指标进行评价以及分析。

Figure 2. Effect of shear time of carbon modified asphalt on penetration, softening point and ductility

图2. 回收碳粉改性沥青的剪切时间对针入度、软化点及延度的影响

Figure 3. Effect of shear rate of carbon modified asphalt on penetration, softening point and ductility

图3. 回收碳粉改性沥青的剪切速率对针入度、软化点及延度的影响

3.1. 针入度试验结果及其分析

试验采用3个温度15℃、25℃、30℃,按照JTG E20-2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》的“T0604-2011”进行。

1) 如图4所示,在同一个温度下,添加碳粉后的改性沥青针入度值都明显低于基质沥青,且随着碳粉添加比例的增加而降低,表明加入碳粉之后使得基质沥青变硬,增强了沥青抵抗变形的能力。

2) 如图5所示,随着回收碳粉添加量的增加,针入度指数PI有增大的趋势,说明其感温性能有所降低。

3) 如图6所示,随着回收碳粉添加量的增加,当量软化点T800有明显的增加趋势,当量脆点T1.2随着碳粉添加量的增加也有小幅升高。说明加入回收碳粉可以提高沥青的高温性能,但同时也会降低沥青的低温性能。

3.2. 延度试验结果及其分析

本文延度试验在15℃环境下进行,试验结果如图7所示。

Figure 4. Penetration under different proportion of carbon powder

图4. 不同回收碳粉添加比例下的针入度

Figure 5. Penetration index under different proportion of carbon powder

图5. 不同回收碳粉添加比例下的针入度指数

Figure 6. T800, T1.2 under different proportion of carbon powder

图6. 不同碳粉添加比例下的T800、T1.2

Figure 7. 15˚C ductility under different proportion of carbon powder

图7. 不同碳粉添加比例下的15℃延度/cm

图7可得出结论:碳粉的加入对基质沥青延度的影响十分显著,在加入2%碳粉后延度迅速减小,而随着碳粉掺量的增加,延度减小相对比较平缓。说明加入回收碳粉之后可能对低温性能有一定影响。

3.3. 软化点试验结果及其分析

本文软化点试验采用世界上用的最广泛的环球法,试验结果如下图8

图8可得出结论:回收碳粉的加入对基质沥青的软化点影响十分显著,其软化点明显高于基质沥青,并随着碳粉添加量的增加而增大,说明加入碳粉能提高基质沥青的高温性能。

3.4. 60℃动力黏度试验结果及其分析

动力黏度采用真空减压毛细管黏度 [9] 计测量,试验结果见图9

图9得出结论:回收碳粉的加入对基质沥青的60℃黏度影响很大,其60℃黏度明显高于基质沥青,并随着碳粉添加量的增加而增大,说明加入回收碳粉能提高基质沥青的抗剪切能力。

3.5. 密度、灰分试验结果及其分析

回收碳粉改性沥青的密度及灰分试验结果见图10图11

图10图11可知结论:随着回收碳粉添加比例的增大,沥青密度有减小的趋势,但是变化不是很大;灰分则随着回收碳粉添加比例的增大而增大,这是因为回收碳粉中含有灰分的原因。

3.6. 离析试验结果及其分析

离析试验按照JTG E20-2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》中的“T0661-2011”进行 [10] ,试验结果见图12

Figure 8. Softening point under different proportion of carbon powder

图8. 不同添加比例下的回收碳粉改性沥青软化点

Figure 9. 60˚C kinematic viscosity under different proportion of carbon powder

图9. 不同添加比例下的碳粉改性沥青60℃动力黏度

Figure 10. Density under different proportion of carbon powder

图10. 不同添加比例下的回收碳粉改性沥青的密度

Figure 11. Ash under different proportion of carbon powder

图11. 不同添加比例下的回收碳粉改性沥青的灰分

Figure 12. Separation softening of the difference under different proportion of carbon powder

图12. 不同添加比例下的回收碳粉改性沥青离析软化的差值

图12可得出结论:随着回收碳粉添加比例的增加,离析软化点的差值有增大的趋势,最大即添加10%的碳粉时候为0.9℃,参考聚合物改性沥青中SBS改性沥青的规范要求,规定差值要小于2.5℃ [11] 。所以可认为碳粉跟基质沥青的相容性良好。

4. 结论和建议

从回收碳粉改性沥青常规试验结果,得出如下结论与建议:

1) 回收碳粉改性沥青的工艺条件,剪切温度为150℃~160℃左右,剪切时间为30 min,剪切速率为3500~4500 r/min。

2) 添加回收碳粉后能改善沥青的高温性能,增强抵抗变形的能力,并降低感温性,但低温性能有小幅度降低。

3) 为了保证提高沥青高温性能的同时而尽可能减小对低温性能的影响,建议回收碳粉添加量不应超过10%。

基金项目

江西省交通厅科技项目(2013Y0001)。

文章引用

甘有为,陈 超,廖建胜. 回收碳粉改性沥青制备及其技术性能
Preparation and Technical Performance of Recycle Carbon Powder Modified Asphalt[J]. 交通技术, 2017, 06(01): 1-9. http://dx.doi.org/10.12677/OJTT.2017.61001

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