CN108892956B - 一种生物环氧沥青及其制备方法与应用 - Google Patents

一种生物环氧沥青及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物环氧沥青，它包括A、B和C三个组分，A组分包括环氧大豆油和稀释剂，B组分包括固化剂、促进剂和消泡剂，C组分包括沥青；其中，A组分与B组分的质量比为105～126：45，A组分和B组分的质量之和与C组分的质量的比为100：57～520。与现有技术相比，本发明的生物环氧沥青可代替传统石油沥青，而且采用了环氧大豆油和生物固化剂等材料，在显著降低成本的同时还能有效改善传统沥青材料的热塑性性质，从而具有优异的高低温性能和抗老化特性，可广泛应用于公路、隧道等路面铺装以及桥面铺装中。本发明公开了其制法。

Description

一种生物环氧沥青及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于建筑领域，具体涉及一种生物环氧沥青及其制备方法与应用。
背景技术
环氧沥青是一种由环氧树脂、固化剂、石油沥青发生不可逆化学交联固化反应而形成的三维连续相的热固性材料。随着温度升高，环氧沥青不会像传统沥青一样软化，具有良好的耐老化和抗化学腐蚀性，环氧沥青混凝土的疲劳性能比Superpave聚合物改性沥青混凝土大三个数量级，能够很好的适用于重载大交通量和宽域气温的作用，大大提升路用性能。另一方面，生物沥青作为传统石油沥青的一种可替代产品，可取材于多种生物质材料，如麦秸秆、废木屑、地沟油等，一定程度上可以“变废为宝”，作为石油沥青的有效补充并对石油沥青进行性能方面的改性。加之，人们对环境、气候、不可再生资源枯竭等问题的日益关注，因此采用生物材料替代石油材料以实现交通基础设施的可持续性发展已经成为全球交通基础设施技术研究的前沿热点。
而目前环氧沥青与生物沥青的应用过程中常常面临着以下问题：石油环氧树脂和固化剂的高成本、固化反应后环氧树脂的脆性以及市场上现有的环氧沥青的专利产品属性，使得环氧沥青仅应用于大跨钢桥面铺装、机场跑道等特殊路面结构中，限制了其在道路路面中的使用。而生物沥青因为高温裂解中快速升温和快速冷却的制造工艺使其含有较高的轻质组分含量，以及原材料生物质中一般含有较高的氧元素，导致其成品中氧元素含量(&gt；15％)远高于石油沥青中氧元素含量(&lt；1％)。在高温施工过程中，轻质组分易于析出，从而导致剩余的沥青混合料力学性能下降；同时，生物沥青中很多化学成分在高温下易于氧化，而使生物沥青总体表现为快速硬化，路面使用性能下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种生物环氧沥青，以解决现有技术存在的效果不佳等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种生物环氧沥青，包括A、B和C三个组分，A组分包括环氧大豆油和稀释剂，B组分包括固化剂、促进剂和消泡剂，C组分包括沥青；
其中，A组分与B组分的质量比为105～126∶45，A组分和B组分的质量之和与C组分的质量的比为100∶57～520；
其中，A组分中，环氧大豆油和稀释剂的质量比为100∶10～30；B组分中，固化剂、促进剂和消泡剂的质量比为45∶0.5～1∶0.6～1。
其中，所述的稀释剂为环氧树脂活性稀释剂，优选苯基缩水甘油醚或苯甲醇缩水甘油醚。
其中，所述的固化剂为长链脂肪族伯胺，优选十八烷基伯胺或牛脂胺。
其中，所述的促进剂为芳香胺或碱；其中，所述的芳香胺为苄胺，所述的碱为强碱，优选氢氧化钾。
其中，所述的消泡剂为分子量在2000以下的低分子量聚醚，优选环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物。
其中，所述的沥青为70号道路石油沥青或90号道路石油沥青。
上述生物环氧沥青的制备方法，它包括如下步骤：
(1)A组分的制备：将配方量的环氧大豆油和稀释剂混合均匀后，加热至160±2℃，搅拌反应100～140min后，在室温下冷却23～25h，即得生物环氧沥青A组分；
(2)B组分的制备：将配方量的固化剂、促进剂和消泡剂混合均匀后，加热至98～102℃后，充分反应27～33min后再冷却至室温，即得生物环氧沥青B组分；
(3)将加热至58～62℃的步骤(1)中制备得到的A组分倒入加热至58～62℃的步骤(2)中制备得到的B组分中，采用高速搅拌剪切设备以2000±200r/min的转速进行混合搅拌2～3min，混合均匀后倒入加热至148～152℃的C组分中，继续采用高速搅拌剪切设备以2000±200r/min的转速混合搅拌1～2min，混合均匀后经固化得到生物环氧沥青。
步骤(3)中，所述的固化为60±2℃下固化70～74h。
上述生物环氧沥青在制备环氧沥青混合料中的应用也在本发明的保护范围之内。
其中，所述的应用方法为：将按照级配要求配好的集料与矿粉在150±2°℃下保温4h，同时将上述制备得到的生物环氧沥青材料加热至150±2℃，取出集料倒入150±2℃的拌合锅中拌合30±2s，而后将生物环氧沥青材料和矿粉同时倒入拌合锅中以50±5r/min的转速进行拌合2～3min，直至沥青混合料拌合均匀无花白料，得到高性能生物环氧沥青混合料。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1.本发明使用环氧大豆油代替传统环氧树脂制备得到的生物环氧沥青，能够有效减缓生物沥青的老化现象，减少生物油轻组分的析出和氧化，一定程度上突破了生物沥青于交通基础设施行业内应用的壁垒；
2.当前市场上传统环氧树脂的价格约为27000元/吨，环氧大豆油的价格约为7000元/吨，使用环氧大豆油代替传统的环氧树脂，能够有效降低环氧沥青混合料的材料成本，有利于环氧沥青在道路工程中的推广使用；
3.相比于传统的石油沥青，生物环氧沥青使从根本上改变了其低温脆、高温软的热塑性性质，具有优异的高低温和抗老化特性，较好地满足了路面以及桥梁铺装中的使用需求；
4.温拌环氧沥青的可施工时间最长不超过90min，热拌环氧沥青的可施工时间为30～120min(见现有文献“南京铁心桥钢桥面热拌环氧沥青混凝土铺装技术”，作者：周金霞)，相比之下，生物环氧沥青的施工容留时间长达3h，从拌合、运输、摊铺至碾压完成具有更久的操作时间，有效保证了路面的施工质量；
5.环氧大豆油的生产过程具有生物可再生、环保、廉价等特点，大大降低了环氧沥青生产过程中的能量消耗，作为交通基础设施的铺装层更加绿色、环保，符合可持续发展理念。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
下面通过实例详述本发明，在以下实施例中，各组分的份数均为质量份数。
生物环氧沥青A组分制备方法如下：
实施例1：称取100份环氧大豆油，加入20份苯基缩水甘油醚，开始搅拌，逐渐加热升温至160℃，反应2h后冷却至室温，得到生物环氧材料的A组分。
实施例2：称取100份环氧大豆油，加入20份苯甲醇缩水甘油醚，开始搅拌，逐渐加热升温至160℃，反应2h后冷却至室温，得到生物环氧材料的A组分。
实施例3：称取100份环氧大豆油，加入30份苯甲醇缩水甘油醚，开始搅拌，逐渐加热升温至160℃，反应2h后冷却至室温，得到生物环氧材料的A组分。
生物环氧沥青B组分制备方法如下：
实施例4：分别称取45份十八烷基伯胺，1份芳香胺，1份低分子量聚醚，加热到100℃，机械搅拌30min后冷却至室温，得到生物环氧沥青的B组分。
实施例5：分别称取45份牛脂胺，1份KOH，1份低分子量聚醚，加热到100℃，机械搅拌30min后冷却至室温，得到生物环氧沥青的B组分。
下面给出本发明提供的生物环氧沥青A组分、B组分和C组分制备得到生物环氧沥青材料的实施例和测试结果：
实施例6：将110份实施例1中得到的生物环氧沥青材料的A组分和45份实施例4中得到的生物环氧沥青材料的B组分分别加热到60℃，然后将A组分缓慢倒入B组分，采用高速搅拌剪切设备以2000r/min的转速进行混合搅拌，搅拌时间为3min，将二者的混合物倒入150份150℃的C组分(70号沥青)中，继续采用高速搅拌剪切设备以2000r/min的转速进行混合搅拌，搅拌1min，60℃固化3d，得到生物环氧沥青材料。将固化后的生物环氧沥青材料冲裁成拉伸试样条做力学性能测试，试验温度为23℃，拉伸速度为500mm/min。上述测试结果见附表1。
实施例7：将120份实施例2中得到的生物环氧沥青材料的A组分和45份实施例5中得到的生物环氧沥青材料的B组分分别加热到60℃，然后将A组分缓慢倒入B组分，采用高速搅拌剪切设备以2000r/min的转速进行混合搅拌，搅拌时间为3min，将二者的混合物倒入300份150℃的C组分(70号沥青)中，继续采用高速搅拌剪切设备以2000r/min的转速进行混合搅拌，搅拌1min，60℃固化3d，得到生物环氧沥青材料。拉伸试验条件同实施例6，测试结果见附表1。
实施例8：将130份实施例1中得到的生物环氧沥青材料的A组分和45份实施例5中得到的生物环氧沥青材料的B组分分别加热到60℃，然后将A组分缓慢倒入B组分，采用高速搅拌剪切设备以2000r/min的转速进行混合搅拌，搅拌时间为3min，将二者的混合物倒入300份150℃的C组分(90号沥青)中，继续采用高速搅拌剪切设备以2000r/min的转速进行混合搅拌，搅拌1min，60℃固化3d，得到生物环氧沥青材料。拉伸试验条件同实施例6，测试结果见附表1。
表1生物环氧沥青材料的力学性能
Figure GDA0003361519230000041
下面给出以本发明提供的生物环氧沥青A组分、B组分、C组分和适量集料、矿粉制备得到的生物环氧沥青的实施例和测试结果：
实施例9：将6份实施例6中得到环氧沥青混合物和94份一定级配的集料加热到150℃，其中集料的级配见附表2，拌合1min，采用轮碾法压实成型后，60℃养护3d，得到高性能环氧沥青混合料。将得到的环氧沥青混合料进行马歇尔试验、-15℃低温弯曲试验、车辙试验，上述测试结果见附表3。
实施例10：将6.5份实施例7中得到环氧沥青混合物和93.5份一定级配的集料加热到150℃，其中集料的级配见附表2，拌合1min，采用轮碾法压实成型后，60℃养护3d，得到高性能环氧沥青混合料。路用性能试验同实例9，试验结果见附表3。
实施例11：将7份实施例8中得到的环氧沥青混合物和93份一定级配的集料加热到150℃，其中集料的级配见附表2，拌合1min，采用轮碾法压实成型后，60℃养护3d，得到高性能环氧沥青混合料。路用性能试验同实例9，试验结果见附表3。
表2集料级配
筛孔尺寸(mm) 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
通过百分率(％) 100 97.2 32.4 27.3 19.5 13.5 9.9 8.2 6.5
表3生物环氧沥青混合料的性能
试验项目 试验方法 实施例9 实施例10 实施例11
马歇尔稳定度/kN JTG E20-2011 93 89 86
流值/0.1mm JTG E20-2011 31 33 36
空隙率/％ JTG E20-2011 1.8 1.9 1.8
弯曲劲度模量/Mpa JTG E20-2011 14032 13542 13028
弯曲应变/10<sup>-3</sup> JTG E20-2011 3.21 3.12 3.01
动稳定度/次/mm JTG E20-2011 24532 24512 22318
实施例12：采用实施例9中制备得到的生物环氧沥青混合料进行实际路面的铺筑，试验路段长300m，宽4m，上面层厚度为4cm。计算可得所需环氧大豆油的质量为2.54t，其材料成本为1.778万元。如若采用同等条件下的环氧树脂作为原材料，则所需材料成本为6.858万元。因此可以看出，仅仅铺筑300m长度的试验段就可以节省材料成本将近5.08万元，经济效益显著。
对比例1：
制备方法与实施例6相同，所不同的是，生物环氧沥青材料的A组分由如下方法得到：称取100份环氧大豆油，加入20份苯基缩水甘油醚，开始搅拌，逐渐加热升温至110～120℃，反应2h后冷却至室温，得到生物环氧材料的A组分。所得生物环氧沥青材料为对照品1。
对比例2：
制备方法与实施例6相同，所不同的是，生物环氧沥青材料的A组分由如下方法得到：称取100份环氧大豆油，加入20份苯基缩水甘油醚，开始搅拌，逐渐加热升温至170～190℃，反应2h后冷却至室温，得到生物环氧材料的A组分。所得生物环氧沥青材料为对照品2。
将实施例6中的产品和对照品1以及对照品2的性能对比如下：
表4生物环氧沥青材料的力学性能
对比例 拉伸强度(MPa，23℃) 断裂伸长率(％，23℃)
1 1.75 82
2 3.2 146
6 5.84 352
技术要求 ≥2.5 ≥100

Claims (3)

1.一种生物环氧沥青，其特征在于，包括A、B和C三个组分，A组分包括环氧大豆油和稀释剂，B组分包括固化剂、促进剂和消泡剂，C组分包括沥青；
其中，A组分与B组分的质量比为105～126：45，A组分和B组分的质量之和与C组分的质量的比为100：57～520；
其中，A组分中，环氧大豆油和稀释剂的质量比为100：10～30；B组分中，固化剂、促进剂和消泡剂的质量比为45：0.5～1：0.6～1；
所述的稀释剂为环氧树脂活性稀释剂，所述稀释剂为苯基缩水甘油醚或苯甲醇缩水甘油醚；
所述的固化剂为长链脂肪族伯胺；
所述的促进剂为芳香胺或碱；
所述的消泡剂为低分子量聚醚；
所述的沥青为70号道路石油沥青或90号道路石油沥青；
所述的生物环氧沥青的制备方法，包括如下步骤：
(1)A组分的制备：将配方量的环氧大豆油和稀释剂混合均匀后，加热至160℃，搅拌反应100～140min后，在室温下冷却23～25h，即得生物环氧沥青A组分；
(2)B组分的制备：将配方量的固化剂、促进剂和消泡剂混合均匀后，加热至98～102℃后，充分反应27～33min后再冷却至室温，即得生物环氧沥青B组分；
(3)将加热至58～62℃的步骤(1)中制备得到的A组分倒入加热至58～62℃的步骤(2)中制备得到的B组分中，混合均匀后倒入加热至148～152℃的C组分中，混合均匀后经固化得到生物环氧沥青。
2.根据权利要求1所述的生物环氧沥青，其特征在于，步骤(3)中，所述的固化条件为58～62℃下固化70～74h。
3.权利要求1所述的生物环氧沥青在制备环氧沥青混合料中的应用。
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