CN106916462B - 一种改性沥青 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改性沥青，包括基质沥青和改性剂，所述改性剂为棕榈壳灰和废机油，所述棕榈果壳灰为棕榈壳燃烧后产生的灰烬，所述废机油为车辆保养后淘汰的机油。本发明大量采用棕榈果壳，是目前蓬勃发展的棕榈油产业的有益补充，减少了对棕榈壳灰和废机油二次处理带来的污染，减少了改性沥青生产时候的燃料使用，符合当今节能减排的社会需求，且施工工艺方便，成本低，提高了废物的有效利用率，能够广泛地应用于公路和房屋建筑工程中，经济效益和社会效益显著。

Description

一种改性沥青

技术领域

本发明属于道路材料技术领域，具体涉及一种改性沥青。

背景技术

随着我国人民生活水平的提高，对食用油的品质要求逐年上升，而食用棕榈油不但不会增加血清中的胆固醇，反而有降低胆固醇的趋势，让越来越多的大众所接受。中国是全球食用油消费第一大国，每年食用油的消费总量高达2500多万吨，棕榈油的小费占比逐年上升，相关的棕榈油企业也呈现逐年增加的趋势。南部广东、广西、云南等省份种植的棕榈果并不能满足每年我国的棕榈油消费，还要大量从马来西亚和印度尼西亚进口。在生产出使用棕榈油的过程中，也产生大量的棕榈壳，目前最常用的方法就是将棕榈壳作为燃料使用，这种方法在马来西亚一些水泥厂较为常用，但是在国内仅在上述地区采用燃烧法处理棕榈壳，因为在目前空气污染严重的情况下，会加重温室气体的排放，且棕榈壳灰也会增加雾霾的产生，加重空气污染。

随着目前高速公路网的不断完善，我国公路建设进入了良好的稳定发展时期，随着越来越多的高速公路逐渐进入养护期，沥青混凝土路面的损坏问题越来越普遍，常用的方法是铣刨掉然后重铺，但是这种做法的施工工期长，需要部分封闭交通，为提高沥青混凝土的路用性能，采用的沥青结合料大部分是进口的SBS改性沥青，通过添加SBS改性剂在沥青中以改善或提高沥青的性能，进而提高改性沥青混凝土的性能。虽然在提高沥青路面的使用效果有一定作用，但是没有突破性的进展，只是高速公路发展以来行业内约定俗成的一种使用方式，虽然经过几十年的使用取得一些经验积累，但是仍然存在很多缺点，例如，功能单一；不节约能源，进行改性时，沥青、矿料依然需要加温到180～220℃，会耗费大量能源；铺设过程中沥青混合料需要全程保持在130℃以上，且需摊铺碾压快速成型；没有有效降低道路施工成本，而且要封闭交通，影响车辆的顺畅通行，在一定程度上反而提高道路铺设成本；未做到大幅度减少污染、降低碳排放的目的。

面对每年大量的棕榈壳废料和汽车保养产生的大量废机油，如果将其在沥青中有效利用，不仅可以解决将其燃烧带来的空气污染和棕榈壳灰二次处理带来的污染，而且会明显改善沥青改性的性能和降低改性沥青的价格，避免了找到合适方法将这种固体废弃物以环保高效的形式利用。鉴于此，亟需研发出一种沥青改性剂，使得改性沥青能够在常温下铺设，有效降低施工成本，以及减少污染、降低碳排放，快速开放交通。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种采用棕榈壳灰和废机油为改性剂的改性沥青；其大量采用棕榈果壳，是目前蓬勃发展的棕榈油产业的有益补充，减少了对棕榈壳灰和废机油二次处理带来的污染，减少了生产改性沥青时的燃料使用，符合当今节能减排的社会需求，且施工工艺方便，成本低，提高了废物的有效利用率，能够广泛地应用于公路和房屋建筑工程中，经济效益和社会效益显著。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种改性沥青，包括基质沥青和改性剂，其特征在于：所述改性剂为棕榈壳灰和废机油，所述棕榈果壳灰为棕榈壳燃烧后产生的灰烬，所述废机油为车辆保养后淘汰的机油。

上述的一种改性沥青，其特征在于：所述棕榈壳灰的用量占改性沥青总重量的2.5％～10％，所述废机油的用量占改性沥青总重量的1％～5％，所述基质沥青用量占改性沥青总重量的85％～96.5％。

上述的一种改性沥青，其特征在于：所述改性沥青的制备方法为：将基质沥青在温度为130℃～160℃的条件下加热熔融，然后将棕榈壳灰和废机油加入到熔融态的沥青中，之后在剪切转速不小于15000r/min的条件下剪切拌和至少60min，发育2h～3h后，得到改性沥青。

本发明所提供的以棕榈壳灰和废机油为改性剂的改性沥青，其设计思路为：

从外观上看，棕榈壳灰呈现灰色，随着燃烧程度的降低而呈现暗色，棕榈壳灰的比重是2.22，主要化学成分为二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙和氧化镁等金属化合物。现阶段常用的SBS改性沥青，在沥青高温储存过程中容易发生相分离，其中，被沥青轻质组分溶胀的SBS富集于顶部，以沥青为主的重组分富集于底部，形成了顶部富集SBS和底部富集沥青相的结构，对改性沥青性能造成了不利影响。在棕榈壳灰和废机油改性沥青的生产过程中，两者互为补充，可以有效避免离析，共同提高改性沥青的性能。

棕榈壳灰加入到基质沥青后，形成了棕榈壳灰为分散相、沥青为连续相的两相共混物，这个共混物的性质与分散相颗粒大小、形状、体积分数、界面层厚度和两组分之间的界面结合力大小密切相关。其中界面层的厚度，对共混物的性质，特别是力学性能有决定性影响。界面层的厚度与改性剂和沥青的性质有关，界面吸附层越厚，沥青分子微粒间的距离减小，相互之间影响力增大。在外力作用下，改性剂微粒之间发生相对位移时，必然携带着界面吸附层一起移动，于是大大增加了运动阻力，所以，界面吸附层的存在将影响改性剂对沥青的改性，也必将对改性沥青的物理力学性质产生重大影响。

棕榈壳灰的加入将占据部分体积空间，进一步压缩沥青中油分的空间，使油分粒子数量相对减少，部分机油油分粒子和沥青间的界面变得模糊，两者之间的分子间结构疏松，促使更多的分子链段扩散到沥青中，形成较厚的界面层，进而让界面结合增强，提高了改性沥青在微观区域内的力学性质的连续性，宏观上表现为改性剂和沥青间的相容性得到改善，改性沥青的高温性能、感温性能和储存稳定性均得到提高。

棕榈壳灰作为一种多孔性材料，比表面积大，具有很高的表面能，根据能量最低原理，分散在沥青内部空间的金属化合物表面将对沥青组分进行部分吸附，不仅改善界面吸附层的结合强度，还将大幅度降低沥青的流动性，增加了流变阻力；另外，棕榈壳灰通过快速剪切拌和后，以悬浮状态分散分布于沥青中，减少了沥青的有效流动体积，因此，随着棕榈壳灰的含量增加，改性沥青的软化点呈递增趋势，即改性沥青逐渐变“硬”。当棕榈壳灰含量为10％，废机油含量为5％时，软化点达到最大值，其高温性能最佳。但是当不掺加废机油，仅掺加棕榈壳灰时，由于棕榈壳灰的化学成分对沥青中沥青质强有力的吸附结合作用，让沥青质等有效成分分散在沥青中需要的能量越大，相应的分散越困难，软化点出现下降，因此，仅仅掺加棕榈壳灰会影响改性沥青的高温性能。

掺加棕榈壳灰和废机油后，改性沥青的延度相对于SBS改性沥青的5℃延度仅稍有降低。在低温下，沥青内部的油分分子链运动变慢，不能完全吸收和消耗外部能量，棕榈壳灰的加入使得油分分子的应力松弛程度和速度变小，出现应力松弛；另一方面棕榈壳灰的不规则微粒表面容易形成应力集中点，造成银纹和裂缝比SBS改性沥青较大，这些微粒的存在进一步阻碍了沥青分子的移动，造成改性沥青5℃延度稍微降低，但对低温性能改善效果影响不大。

棕榈壳灰也会相对改善改性沥青的感温性，当棕榈壳灰分散到沥青中时，其中的金属化合物会促进沥青中轻质组分进入油分成分中，提高与油分物质的溶胀程度，加强油分与沥青的界面结合能力，表现针入度指数增大，温度敏感性降低。但是棕榈壳灰掺加量过大时，会导致油分与沥青在高温混溶时来不及充分溶胀，反而让改性沥青的针入度指数降低，温度敏感性提高。

棕榈壳灰和废机油组成的改性生成改性沥青的存储稳定，棕榈壳灰本身的比表面积大，具有巨大的附着能力，能够改善油分相和沥青相之间的界面吸附层的结合强度，使油分相与沥青相的分子间作用力增大，减弱微粒重聚，降低了离析程度，同时界面吸附层在一定程度上使微粒之间存在隔离层，减弱了微粒之间的重聚，进而减弱了离析程度，确保了沥青的存储稳定性。

由于棕榈壳灰本身的比表面积大和巨大的附着能力，若仅仅添加棕榈壳灰，会导致沥青内部沥青质和油分被吸附，降低沥青本身的性能。废机油的加入，可以使沥青组分得到一定程度的改变。废机油中的油分(芳香分类)类物质加入，将增加沥青中的油分，废机油掺量增大，补充到沥青中的油分也越多，使得沥青的流动性变好，沥青更“软”，表现为针入度增大，软化点和粘度减小。有效补充了由于棕榈壳灰加入而导致的沥青流动性降低，沥青变“硬”的情况。另外，棕榈果灰有更高的比重值，不会在沥青中溶解，废机油的加入会让沥青中油分含量增加，提高了沥青的流动性，在高速剪切情况下，共同协同作用提高沥青的各项性能。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明改性沥青的组分中大量采用废弃的棕榈壳灰和废机油，减少了对现阶段国外常用改性剂如SBS、SBR等的使用，降低了改性沥青的成本，改性沥青生产时的温度较低，减少了燃料的使用和碳排放，符合当今节能减排的社会需求；改性沥青作为结合料在道路交通现场使用过程中，可以在铺设过程中快速成型，不用过久的封闭交通，有效降低道路施工成本，且易于控制施工质量，能够广泛地应用于公路维修养护、中下面层摊铺和房屋建筑工程中；采用本发明后的改性沥青高温、低温和水稳定性较基质沥青明显增强，并且沥青的改性成本低，提高了废物的有效利用率，经济效益和社会效益显著。

2、本发明大量利用棕榈壳燃烧后的废弃粉灰，搭配提供粘结性和高流动性的废旧机油，在一般温度下即可生产改性沥青，且性能均到规范的要求，改性剂的组成均为废料，属于废物再利用，且施工简单，成本低廉。

3、本发明采用棕榈壳灰和废机油不仅提高了工业废料的利用率，且保证了仅仅掺加棕榈壳灰而导致的沥青流动性差的情况，施工时铺筑方便，满足路用性能，易于控制施工质量。

总之，本发明大量采用了棕榈壳灰和部分废机油，降低了对高分子聚合物改性剂的使用，减少了对棕榈壳灰进行处理产生的二次污染，且生产改性沥青可以在常温下进行，不用消耗大量燃料，符合当今节能减排的社会需求，且施工工艺方便，成本低，提高了废物的有效利用率，能够广泛地应用于公路养护工程中，经济效益和社会效益显著。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明提供了一种改性沥青，包括基质沥青和改性剂，所述改性剂为棕榈壳灰和废机油，所述棕榈果壳灰为棕榈壳燃烧后产生的灰烬，所述废机油为车辆保养后淘汰的机油。

作为优选配比，所述棕榈壳灰的用量占改性沥青总重量的2.5％～10％，所述废机油的用量占改性沥青总重量的1％～5％，所述基质沥青用量占改性沥青总重量的85％～96.5％。作为更优选配比，所述棕榈壳灰的用量占改性沥青总重量的5％～10％，所述废机油的用量占改性沥青总重量的3％～5％，所述基质沥青用量占改性沥青总重量的85％～92％。作为最优选配比，所述棕榈壳灰的用量占改性沥青总重量的7.5％，所述废机油的用量占改性沥青总重量的4％，所述基质沥青用量占改性沥青总重量的88.5％。

作为优选制备工艺，所述改性沥青的制备过程为：将基质沥青在温度为130℃～160℃的条件下加热熔融，然后将棕榈壳灰和废机油加入到熔融态的沥青中，之后在剪切转速不小于15000r/min的条件下剪切拌和至少60min，发育2h～3h后，得到改性沥青。

按照上述方法分别制备无改性剂的沥青、改性剂为SBS的改性沥青、改性剂为棕榈果壳灰和废机油的改性沥青、改性剂为棕榈果壳灰的改性沥青、改性剂为废机油的改性沥青。将添加不同改性剂的改性沥青逐一进行室内沥青性能测试，按照规范规定的AC-20级配组成配制改性沥青混合料，将此沥青混合料进行室内路用试验，基质沥青为70号沥青，改性沥青混合料类型为AC-20。对比试验的沥青为70号基质沥青和SBS改性70号沥青，混合料为基质沥青混合料AC-20和SBS改性混合料AC-20，对不同改性剂改性的沥青混合料分别进行高温性能、低温性能、水稳定性和沥青渗漏实验，验证本改性剂的可行性和推广性。

(1)改性沥青的性能(见表1)：

表1改性沥青的性能

(2)马歇尔试验(见表2)：

表2改性沥青的马歇尔试验结果

(3)车辙试验(见表3)：

表3改性沥青的车辙试验结果

(4)浸水马歇尔试验(见表4)：

表4改性沥青的浸水马歇尔试验结果

(5)冻融劈裂试验(见表5)：

表5改性沥青的冻融劈裂试验结果

(6)改性沥青的存储稳定性试验(见表6)：

表6改性沥青的存储稳定性试验结果(顶底部软化点差值表征)

(6)静态浸水和水煮法实验

静态浸水实验结果表明，基质沥青混合料和不同剂量改性剂的改性沥青混合料AC-20均有较好的粘结性。在25℃的蒸馏水中浸泡48小时后，4种混合料中的骨料依然完全裹覆沥青，呈现粘附状态。

水煮法实验结果表明，骨料和沥青胶结料之间仍然是粘结状态，仅有极少部分边角处有稍微松动，说明不同剂量改性剂的改性沥青混合料AC-20在高温水煮状态下依然可以有较好的粘结性。

(7)沥青析漏实验(见表7)：

表7改性沥青的析漏试验结果

析漏实验的结果进一步强化了静态浸水和水煮法的结论，说明胶结料与集料有很好的粘合效果，棕榈壳灰不仅可以充当部分矿粉的作用，也会在改善沥青对骨料的粘结性。

综上所有的室内试验，与未含任何改性剂的基质沥青混合料相比，添加棕榈壳灰和废旧油改性剂的改性沥青混合料，其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和存储稳定性均有明显的提高，当添加的棕榈壳灰达到或超过7.5％时，该改性沥青混合料的各项性能均已经接近或超过现阶段常用SBS改性沥青混合料的要求，且所有的性能指标均满足现阶段我国规范对改性沥青和改性沥青混合料的要求。同时，添加该改性剂的混合料在高温水煮后，其骨料依然完全裹覆沥青，呈现粘黏状态，完全符合沥青混合料的路用要求，除此之外，还有以下优点：

(1)制作温度降低，由于可以在130℃～160℃之间制作改性沥青，比现阶段制作改性沥青165℃～170℃大幅度降低，将减少燃料的使用，进而减少了污染，实现节能环保；

(2)适应性好，不必重新选择与之配伍的石料，目前常用的石灰岩即可；

(3)快速修补，这对目前高速公路维修养护十分重要，节约了修补时间，降低了由于部分封闭交通造成的车辆拥堵。

(4)延长路面使用寿命，沥青、矿料无需高温，延缓了沥青老化，提高沥青混合料的塑性，与原路面的粘结效果明显，可以延长沥青路面的使用寿命。

(5)施工方便：该改性沥青混凝土生产、施工过程不受气温、时效限制，气温0℃以上均可正常施工，它既可以机械摊铺也可人工铺设，而且摊铺工艺简单。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种改性沥青，包括基质沥青和改性剂，其特征在于：所述改性剂为棕榈壳灰和废机油，所述棕榈果壳灰为棕榈壳燃烧后产生的灰烬，所述废机油为车辆保养后淘汰的机油；

所述棕榈壳灰的用量占改性沥青总重量的7.5%，所述废机油的用量占改性沥青总重量的4%，所述基质沥青用量占改性沥青总重量的88.5%；

所述改性沥青的制备方法为：将基质沥青在温度为130℃~160℃的条件下加热熔融，然后将棕榈壳灰和废机油加入到熔融态的沥青中，之后在剪切转速不小于15000r/min的条件下剪切拌和至少60min，发育2h~3h后，得到改性沥青。