露天采矿用橡胶沥青材料

江畹兰 编译

（华南理工大学材料学院, 广东 广州 510641）

目前，露天开采在采矿业中仍占主导地位，应用露天开采的方法，生产效率高，开采成本低且安全可靠。

当今，露天采矿业的生产规模不断扩大。这一方面是由于露天采矿场加紧了开采作业；另一方面也是被蕴藏在地底下300 m，甚至更深处的矿藏所吸引。因此，强化露天采矿场的生产运输过程及其折旧问题，也就提上了议事日程。自卸汽车车身增大会提高轮胎的制造成本，增加轮胎的磨损强度。在远离再生胶加工中心的俄罗斯东北部和北极地区，废弃轮胎堆积成山。轮胎中所含的橡胶、金属、织物纤维等可以作为再生原料，用于国民经济的各个部门，如筑路，轮胎翻修，庭院、运动场地及儿童乐园广场的铺地材料，此外还可用作橡胶制品行业的辅助材料。将废弃轮胎从遥远的俄罗斯北方地区运到发达的聚合物原料加工中心在经济上是不划算的。

对矿物开采企业来说，从轮胎收集到获得成品这一整套工艺是颇具发展前景的。因为这样可在本企业内解决大型废弃轮胎再利用这一生态问题，同时还可获得修建采矿场道路所需的宝贵原材料。此外，还可在本企业范围内解决利用废弃轮胎的问题，只需采用企业内部的工艺规程，无需遵守市、州及国家发布的复杂烦琐的文件中的规定。

在矿山企业，利用废弃轮胎最主要的途径是修筑道路。众所周知，矿石场的生产效率与交通运输线的状况密切相关。通过对矿石场道路结构的分析得知，将以沥青为主的有机粘合剂用于路面表层是非常有效的。用于矿石场运输道路表层的粘合剂能增强物料粒子间的粘合作用，填充其间的空隙，同时，可使碎石料具有憎水性。

将废胶粉用作沥青的改性添加剂，在公路建设中是很有发展前途的。向沥青中直接加入胶粉是最简单的工艺方法。但是，用此种方法制得的材料存在着某些缺点。如添加了此类粘合剂的沥青水泥，由于未与沥青牢固结合的橡胶粒子分层，从而导致材料很快老化和破损。

上述缺点可以在胶粉加入到沥青中之前予以消除，即对胶粉进行改性，使它在橡胶粒子-沥青相界面上生成发达的界面层，提高粘合剂与无机物组分（沥青水泥）的粘合强度。

研究中选用天然沸石为改性剂。在俄罗斯的雅库吉亚地区蕴藏着极为丰富的沸石矿，且位于金刚石矿开采业极为发达的区域。该地区所产的沸石中杂质含量较低，具有高热稳定性，加之价格低廉，因而使其成为各种聚合物材料的极具发展前景的改性剂。

为了改善沥青改性剂的混合和活化性能，拟将橡胶粉与沸石一起投入行星式球磨机中进行预机械活化。此种球磨机-活化器以极大的能量（由研磨体产生的离心加速度达600 m/s）作用于物料，从而可在保持橡胶弹性的情况下，强烈活化其表面。

借助于光学显微镜（显微镜МБС-1）研究了经机械-化学改性的胶粉。研究结果表明，当进行机械活化时胶粒被粉碎，粒子光滑部分减少，表面不均匀部分增加，与此同时，还伴有粒子的分层现象（见图1）。

图1 胶粒表面图

应用JSE-6480LV电子显微镜及伦琴光谱，分析研究了试样的表面结构。研究发现，当进行机械活化时，胶料中的低分子物（包括硫磺）会迁移至胶料的表面（见图2）。此时，胶粒的比表面积（按BET法在сорбтометр仪器上测得）增大了2倍。未活化的胶粒的比表面积为0.277 m2/g；经机械活化2 min后为0.523 m2/g；5 min后为0.462 m2/g。

对于沥青水泥来说，除了要提高粘合剂的性能以外，粘合剂与矿物粒子表面的相互作用的特点也特别重要。因此，在设计路基时，必须考虑各种石材的属性。

设计道路时，在路面上层通常要铺设一种由粉碎岩石或矿物岩石组成的矿物材料，其强度、耐寒性、粒子成分等均在俄罗斯国家标准ГОСТ 8267—93中有规定。对于远离工业中心区域的采矿企业来说，设计与修筑本企业生产用及其他用途的道路时，极为现实的问题是用当地的石材来取代碎石块。

图2 橡胶粉表面上各元素分布总光谱图

基于以往的研究工作，技术人员决定采用当地的石材（砂石与砾石的混合料）与沥青水泥相混合。该石材取自露天采矿场。文中的研究采用了砂石-砾石混合料，该混合料来自那肯斯基采石场的金刚石矿。

为了论证将砂石-砾石用于沥青水泥的可能性，对该沥青水泥试样（内含碎石和砂石-砾石混合料）的基本特性进行了对比试验。研究结果表明，采用砂石-砾石混合料作为沥青水泥的矿物组分，同时还使用以橡胶粉改性的沥青（与沸石同时活化）是完全可能的。以砂石-砾石混合料为基础的沥青水泥的某些特性（如空隙度、水饱和度等）比其他类似材料高出30%。这样，就可以弥补因其他指标（如破碎时的拉伸强度等）低造成的不足之处。

测定了所研制的沥青水泥路面与汽车轮胎胎面的抓着系数。路面分别是不含胶粉的沥青水泥及用活化了的胶粉和沸石改性的沥青水泥。抓着系数可用ИК СП-M测量仪测定。该仪器常用于测量修建公路时的各项指标，同时还可用于周期性及即时监测路面状况。试验结果表明，用胶粉改性的干、湿沥青水泥路面的抓着系数，分别都比未改性沥青水泥路面要大29%及19%。

表1 用橡胶粉及天然沸石改性的碎石、沥青水泥及砂石-砾石沥青水泥的力学特性

由以上研究结果可以得出结论，采用橡胶沥青作为露天采矿企业修建公路的粘合材料，由于采用的是生产中的废料（废采石场的矸石及废弃轮胎），故可以显著降低修筑高质量运输线的投资成本。此外，回收和再利用废弃轮胎及矸石有利于环境保护及开展无废弃料生产。

[1]Христофорова А.А等..Резинобитумные материалы для предприятий открытых горных разработок[J].Каучук и резина, 2015(01):22-24.