CN105802262A - 稻壳灰作为沥青改性剂的应用 - Google Patents

稻壳灰作为沥青改性剂的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及稻壳灰作为沥青改性剂的应用。通过沥青三大指标试验、布什旋转粘度试验、动态剪切流变试验(DSR),证明该稻壳灰沥青改性剂可有效提高沥青胶结料及其混合料的高温抗变形能力和耐久性,保证一定的低温抗裂性能。从而有效减少高温地区沥青路面的病害,适应复杂多变的环境条件,保证行车安全和服务水平。另外,经微波加热试验和红外热成像拍照,证明所公开的稻壳灰沥青改性剂与石灰石矿粉填料相比,可以使所改性的沥青砂浆有明显较高的微波吸热升温速率,从而可以应用于沥青路面融冰雪领域的技术研究。

Description

稻壳灰作为沥青改性剂的应用
技术领域
本发明属于沥青改性剂技术领域,具体涉及稻壳灰作为沥青改性剂的应用。
背景技术
沥青路面由于其行驶舒适、施工便捷和、工期短、建设速度快等优点,广泛应用于我国的公路建设,尤其高速公路建设。但是,随着经济社会不断发展,道路交通运输的压力与日俱增,超载现象严重;加之目前全球气温升高,沥青路面由于高温、重载和渠化交通,开始出现大量的高温永久变形病害,如车辙、推移、波浪、拥抱等,严重影响了行车舒适性和高速驾驶安全性,极大缩减了道路的使用寿命,对路面材料的高温抗变形能力和抗疲劳性能提出了巨大的挑战。
发明内容
针对现有技术的缺陷与不足,发明人在研究中意外发现稻壳灰作为沥青改性剂时,可以在满足沥青低温性能的前提下,提高沥青的高温性能。
为此,本发明提供了稻壳灰作为沥青改性剂的应用。
基于上述研究发现,本发明还提供了一种改性沥青。本发明所提供的改性沥青包括沥青和稻壳灰。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)稻壳灰改性沥青较掺石灰石矿粉沥青砂浆有更大的粘度和高温抗车辙性能,可以减少重载、高温、渠化交通下的沥青路面病害。
(2)稻壳灰改性沥青较当前常用的层状硅酸盐类蒙脱土改性沥青和纳米碳酸钙改性沥青等无机改性沥青有较好的低温延度,且较相同掺量的石灰石矿粉填料沥青胶浆的15摄氏度延度降低较少,满足使用要求。同时,相对于石灰石矿粉和一般无机改性剂,稻壳灰具有来源广、数量多、造价低等优点,其应用还可以实现废物利用和环境保护的目的。
(3)由沥青针入度试验得到稻壳灰改性沥青具有相对掺矿粉改性沥青更低的当量脆点,反映其相对较优的低温抗裂性能。
(4)稻壳灰改性沥青胶结料还表现出相对于石灰石矿粉沥青胶浆较好的微波吸热升温效果,可以应用于融冰雪路面领域的技术研究。
附图说明
图1为不同掺量稻壳灰和石灰石矿粉针入度对比图;
图2为不同掺量稻壳灰和石灰石矿粉软化点对比图;
图3为不同掺量稻壳灰和石灰石矿粉延度对比图;
图4为实施例1~9及参照例1旋转粘度(60℃、135℃)对比;
图5为实施例1~9及参照例1.PG分级及失效温度;
图6为参照例1与1、4、6实施例40℃复数模量主曲线;
图7为实施例1、4与实施例7、940℃复数模量主曲线对比图;
图8为实施例1、4与实施例7、940℃相位角主曲线对比图;
图9为实施例1、4与实施例7、9车辙因子对比;
图10为实施例10第0S加热时表面温度分布;
图11为实施例11第0S加热时表面温度分布;
图12为实施例11第10S加热时表面温度分布;
图13为实施例10第10S加热时表面温度分布;
图14为实施例10第30S加热时表面温度分布;
图15为实施例11第30S加热时表面温度分布。
具体实施方式
本发明的稻壳灰是以稻壳为原料采取有氧煅烧的手段加工而成,煅烧温度一般为400-800摄氏度。
本发明的沥青为石油沥青、煤油沥青、生物质沥青等。
以下给出本发明的具体优选实施例,用于进一步说明本发明。这些实施例仅用于本领域技术人员充分的理解本发明,而不是用来限制本发明的范围。凡是在本发明技术方案之上进行的等同变换或者替换均属于本发明要求保护的权利范围之内。
实施例:
以下实施例中所用原料为:
沥青:国产标号为70号重交通石油沥青,技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004的技术要求;
矿粉:石灰岩磨细得到的粉末,技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004的技术要求;
稻壳灰制备:首先,将从湖北仙桃一碾米厂中获得的稻壳放入通风炉中,在五分钟内将温度升高至600℃后保持恒温两个小时,期间保证空气可以进入炉内且可与稻壳灰充分接触使其中的碳转化为二氧化碳,以避免高温缺氧导致的碳化,降低成品后稻壳灰中二氧化硅的含量;而后,关闭通风炉静置一个小时,再将其中的稻壳灰取出,投入球磨机粉磨60min;最后,得到高比表面积和二氧化硅含量的稻壳灰;
稻壳灰改性沥青制备:a)沥青样本准备:将国产AH-70#沥青于鼓风烘箱中加热2~3小时,烘箱设定温度为135℃;b)高速搅拌机搅拌改性沥青体系:将对应剂量的稻壳灰加入经烘箱加热至135℃的沥青中进行搅拌,首先选择低速模式(1000rad/s)在三分钟内将对应剂量的稻壳灰(或石灰石矿粉)加入70#基质沥青中,低速模式搅拌10min后切换至高速模式(3000rad/s)搅拌20min,得到改性沥青样品。经多次试验经验总结,在第一次搅拌结束24小时后,改性沥青表面会有不均匀的麻面和气泡。因此,需进行二次沥青高速搅拌机搅拌,并在搅拌后用玻璃棒搅拌一分钟,从而可以得到近似镜面的改性沥青表面,视其为搅拌均匀,满足改性沥青的使用标准。稻壳灰化学成分分析如表1所示:
表1
化学成分 SiO2 K2O CaO 其他
质量百分比含量% 88.84 3.99 1.60 5.57
实施例1:按国产AH70号沥青1质量份,稻壳灰1%质量份配置改性沥青。性能测试结果见性能与功能试验部分。
实施例2:按国产AH70号沥青1质量份,稻壳灰3%质量份配置改性沥青。性能测试结果见性能与功能试验部分。
实施例3:按国产AH70号沥青1质量份,稻壳灰5%质量份配置改性沥青。性能测试结果见性能与功能试验部分。
实施例4:按国产AH70号沥青1质量份,稻壳灰10%质量份配置改性沥青。性能测试结果见性能与功能试验部分。
实施例5:按国产AH70号沥青1质量份,稻壳灰15%质量份配置改性沥青。性能测试结果见性能与功能试验部分。
实施例6:按国产AH70号沥青1质量份,稻壳灰20%质量份配置改性沥青。性能测试结果见性能与功能试验部分。
实施例7:按国产AH70号沥青1质量份,石灰石矿粉1%质量份重量比配置而成。性能测试结果见性能与功能试验部分。
实施例8:按国产AH70号沥青1质量份,石灰石矿粉5%质量份配置改性沥青。性能测试结果见性能与功能试验部分。
实施例9:按国产AH70号沥青1质量份,石灰石矿粉10%质量份配置改性沥青。性能测试结果见性能与功能试验部分。
实施例10:按国产AH70号沥青1质量份,稻壳灰1%质量份配置改性沥青。将制成的改性沥青均匀洒布在4cm*4cm*2cm的水泥砂浆板,进行微波加热试验和红外热成像拍照。
实施例11:按国产AH70号沥青1质量份,石灰石矿粉1%质量份配置改性沥青。将其均匀洒布在与实施例10中相同的4cm*4cm*2cm的水泥砂浆板,进行微波加热试验和红外热成像拍照。
参照例1:按国产AH70号沥青1质量份,稻壳灰0%质量份和石灰石矿粉0%质量份配置改性沥青。性能测试结果见性能与功能试验部分。
以下是发明人提供的关于以上实施例的稻壳灰改性沥青的性能与功能试验:
一、沥青针入度、软化点、延度试验
按照《沥青与沥青混合料试验规程》JTGE20-2011规范要求制备针入度、软化点、延度试验所用试件,进行15℃、25℃、30℃针入度试验、软化点试验和15℃低温延度试验得到数据结果如图1、图2、图3所示。
由针入度结果按照《沥青与沥青混合料试验规程》JTGE20-2011中计算方法可以得到表征沥青低温抗裂性的当量脆点T1.2,如下表2所示。
表格2.各实施例及参照例1当量脆点
样本 参照例1 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
当量脆点T1.2(℃) -11.49 -23.94 -20.43 -16.87 -14.01
样本 实施例5 实施例6 实施例7 实施例8 实施例9
当量脆点T1.2(℃) -12.47 -15.91 -18.86 -15.04 -15.61
由针入度、软化点和延度试验结果可以得到如下结论:
a)稻壳灰替代石灰石矿粉配制沥青路面所需的沥青砂浆,可以有效提高沥青砂浆的高温性能,大幅降低成本、节约资源;b)由针入度、软化点和延度试验及低温当量脆点结果,稻壳灰改性沥青高温性能明显优于掺矿粉沥青胶浆,同时低温抗裂性能优于掺矿粉沥青胶浆;c)一定剂量的稻壳灰改性沥青15摄氏度低温延度约为60~75cm,在采用相同标号基质沥青的前提下,目前使用较多的层状硅酸盐类蒙脱土改性沥青15摄氏度延度仅为40~50cm(参考文献:朱书景,等.蒙脱土改性沥青混合料低温抗裂性能研究[J].公路,2007(9));纳米碳酸钙改性沥青15摄氏度延度约为50~60cm(参考文献:刘大梁,等.纳米碳酸钙改性沥青研究[J].公路,2005(6));对比之下稻壳灰改性沥青比一般的无机材料改性沥青具有更好的低温性能。
二、改性沥青流变性能试验
依据《沥青与沥青混合料试验规程》JTGE20-2011中布什旋转粘度要求,采用NDJ-1F旋转粘度计测定参照例1和实施例1~9的布氏粘度,试验结果如图4所示。
采用美国TA公司生产AR2000型动态剪切流变仪进行实施例1~9及参照例1的PG分级试验及40℃、50℃、60℃、70℃下0.1rad/s~100rad/s范围内的频率扫描试验,选择25mm夹具,沥青膜厚度1mm。试验结果如图5~图9所示。
综合以上沥青胶结料流变性能试验可得到以下结论:a)高温时稻壳灰改性沥青的表观粘度、PG分级、失效温度及车辙因子明显高于掺石灰石矿粉沥青胶浆,表现出较好的高温抗变形和抗车辙性能;b)稻壳灰改性沥青的综合力学性能明显优于基质沥青和掺矿粉沥青胶浆;c)稻壳灰改性沥青的粘性变形成分小于基质沥青和掺石灰石矿粉沥青胶浆,表现出较好的抗永久变形能力和弹性恢复性能。
三、微波吸热及红外热成像试验
由于按照本发明制备方法得到的稻壳灰具有88.84%的无定形二氧化硅晶体含量和较多的微观空隙(50nm~50μm),为初步探索稻壳灰改性沥青的微波吸热能力,本发明采用格兰仕P70F23P-G5型微波炉和红外热成像仪,测定实施例10(1%掺量稻壳灰改性沥青)与实施例11(1%掺量矿粉沥青胶浆)在相同条件下的升温速率,具体测试方法为:
(1)利用相同配合比的水泥砂浆制备两块4cm*4cm*2cm水泥砂浆板;
(2)将按照本发明配制方法制备的1%掺量稻壳灰改性沥青和相同掺量的石灰石矿粉沥青胶浆分别均匀洒布在步骤(1)中制备好的水泥砂浆板表面,并将两块板进行编号;
(3)将两块洒布均匀的覆沥青胶浆水泥砂浆板在室温下套袋静置24小时;
(4)将静置后的两块覆沥青胶浆水泥砂浆板同时放入微波炉中加热,火力固定为中火;
(5)加热方式为在加热第0S、第10S、第30S将两块板同时拿出微波炉,利用红外热成像仪在3S内完成其热图像的拍摄。每测完一个时间点的红外热图像后,须将两块板于室温下静置5h后才可进行下一加热时间点的加热和红外热图像拍摄。
各时间节点红外热图像拍摄数据结果处理如图10~图15:
由红外热成像仪拍摄得到不同微波加热时长后的热图像数据可知,相同起始温度条件下,实施例10(稻壳灰改性沥青)在所有时间点的升温幅度均大于实施例11(掺石灰石矿粉沥青胶浆),且其差距随着微波加热时间增长不断变大。
另外,由于微波炉的微波频率为2455MHz,属于S段微波,若可以将频率增大至C段(5725MHz~5875MHz)或K段(22000MHz~22250MHz)则可以大幅提高微波作用后稻壳灰中晶体振动的能量,产生更为可观的热量提高温度。从而可以得出结论:相对于常规掺矿粉沥青胶浆,稻壳灰改性沥青具有更高的微波吸热升温速率,可以用于道路融冰雪领域的研究。

Claims (5)

1.稻壳灰作为沥青改性剂的应用。
2.一种改性沥青,其特征在于,该改性沥青包括沥青和稻壳灰。
3.如权利要求2所述的改性沥青,其特征在于,该改性沥青包括1质量份沥青和大于0并且小于等于0.2质量份稻壳灰。
4.如权利要求2所述的改性沥青,其特征在于,改性沥青还包括石灰石矿粉。
5.如权利要求4所述的改性沥青,其特征在于,该改性沥青包括1质量份沥青、大于0并且小于等于0.2质量份稻壳灰和0~0.1质量份石灰石矿粉。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160727

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