露天采礦用橡膠瀝青材料

江畹蘭 編譯

（華南理工大學材料學院, 廣東 廣州 510641）

目前，露天開采在采礦業中仍占主導地位，應用露天開采的方法，生產效率高，開采成本低且安全可靠。

當今，露天采礦業的生產規模不斷擴大。這一方面是由于露天采礦場加緊了開采作業；另一方面也是被蘊藏在地底下300 m，甚至更深處的礦藏所吸引。因此，強化露天采礦場的生產運輸過程及其折舊問題，也就提上了議事日程。自卸汽車車身增大會提高輪胎的制造成本，增加輪胎的磨損強度。在遠離再生膠加工中心的俄羅斯東北部和北極地區，廢棄輪胎堆積成山。輪胎中所含的橡膠、金屬、織物纖維等可以作為再生原料，用于國民經濟的各個部門，如筑路，輪胎翻修，庭院、運動場地及兒童樂園廣場的鋪地材料，此外還可用作橡膠制品行業的輔助材料。將廢棄輪胎從遙遠的俄羅斯北方地區運到發達的聚合物原料加工中心在經濟上是不劃算的。

對礦物開采企業來說，從輪胎收集到獲得成品這一整套工藝是頗具發展前景的。因為這樣可在本企業內解決大型廢棄輪胎再利用這一生態問題，同時還可獲得修建采礦場道路所需的寶貴原材料。此外，還可在本企業范圍內解決利用廢棄輪胎的問題，只需采用企業內部的工藝規程，無需遵守市、州及國家發布的復雜煩瑣的文件中的規定。

在礦山企業，利用廢棄輪胎最主要的途徑是修筑道路。眾所周知，礦石場的生產效率與交通運輸線的狀況密切相關。通過對礦石場道路結構的分析得知，將以瀝青為主的有機粘合劑用于路面表層是非常有效的。用于礦石場運輸道路表層的粘合劑能增強物料粒子間的粘合作用，填充其間的空隙，同時，可使碎石料具有憎水性。

將廢膠粉用作瀝青的改性添加劑，在公路建設中是很有發展前途的。向瀝青中直接加入膠粉是最簡單的工藝方法。但是，用此種方法制得的材料存在著某些缺點。如添加了此類粘合劑的瀝青水泥，由于未與瀝青牢固結合的橡膠粒子分層，從而導致材料很快老化和破損。

上述缺點可以在膠粉加入到瀝青中之前予以消除，即對膠粉進行改性，使它在橡膠粒子-瀝青相界面上生成發達的界面層，提高粘合劑與無機物組分（瀝青水泥）的粘合強度。

研究中選用天然沸石為改性劑。在俄羅斯的雅庫吉亞地區蘊藏著極為豐富的沸石礦，且位于金剛石礦開采業極為發達的區域。該地區所產的沸石中雜質含量較低，具有高熱穩定性，加之價格低廉，因而使其成為各種聚合物材料的極具發展前景的改性劑。

為了改善瀝青改性劑的混合和活化性能，擬將橡膠粉與沸石一起投入行星式球磨機中進行預機械活化。此種球磨機-活化器以極大的能量（由研磨體產生的離心加速度達600 m/s）作用于物料，從而可在保持橡膠彈性的情況下，強烈活化其表面。

借助于光學顯微鏡（顯微鏡МБС-1）研究了經機械-化學改性的膠粉。研究結果表明，當進行機械活化時膠粒被粉碎，粒子光滑部分減少，表面不均勻部分增加，與此同時，還伴有粒子的分層現象（見圖1）。

圖1 膠粒表面圖

應用JSE-6480LV電子顯微鏡及倫琴光譜，分析研究了試樣的表面結構。研究發現，當進行機械活化時，膠料中的低分子物（包括硫磺）會遷移至膠料的表面（見圖2）。此時，膠粒的比表面積（按BET法在сорбтометр儀器上測得）增大了2倍。未活化的膠粒的比表面積為0.277 m2/g；經機械活化2 min后為0.523 m2/g；5 min后為0.462 m2/g。

對于瀝青水泥來說，除了要提高粘合劑的性能以外，粘合劑與礦物粒子表面的相互作用的特點也特別重要。因此，在設計路基時，必須考慮各種石材的屬性。

設計道路時，在路面上層通常要鋪設一種由粉碎巖石或礦物巖石組成的礦物材料，其強度、耐寒性、粒子成分等均在俄羅斯國家標準ГОСТ 8267—93中有規定。對于遠離工業中心區域的采礦企業來說，設計與修筑本企業生產用及其他用途的道路時，極為現實的問題是用當地的石材來取代碎石塊。

圖2 橡膠粉表面上各元素分布總光譜圖

基于以往的研究工作，技術人員決定采用當地的石材（砂石與礫石的混合料）與瀝青水泥相混合。該石材取自露天采礦場。文中的研究采用了砂石-礫石混合料，該混合料來自那肯斯基采石場的金剛石礦。

為了論證將砂石-礫石用于瀝青水泥的可能性，對該瀝青水泥試樣（內含碎石和砂石-礫石混合料）的基本特性進行了對比試驗。研究結果表明，采用砂石-礫石混合料作為瀝青水泥的礦物組分，同時還使用以橡膠粉改性的瀝青（與沸石同時活化）是完全可能的。以砂石-礫石混合料為基礎的瀝青水泥的某些特性（如空隙度、水飽和度等）比其他類似材料高出30%。這樣，就可以彌補因其他指標（如破碎時的拉伸強度等）低造成的不足之處。

測定了所研制的瀝青水泥路面與汽車輪胎胎面的抓著系數。路面分別是不含膠粉的瀝青水泥及用活化了的膠粉和沸石改性的瀝青水泥。抓著系數可用ИК СП-M測量儀測定。該儀器常用于測量修建公路時的各項指標，同時還可用于周期性及即時監測路面狀況。試驗結果表明，用膠粉改性的干、濕瀝青水泥路面的抓著系數，分別都比未改性瀝青水泥路面要大29%及19%。

表1 用橡膠粉及天然沸石改性的碎石、瀝青水泥及砂石-礫石瀝青水泥的力學特性

由以上研究結果可以得出結論，采用橡膠瀝青作為露天采礦企業修建公路的粘合材料，由于采用的是生產中的廢料（廢采石場的矸石及廢棄輪胎），故可以顯著降低修筑高質量運輸線的投資成本。此外，回收和再利用廢棄輪胎及矸石有利于環境保護及開展無廢棄料生產。

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