CN110607078A - 一种高性能路用生物沥青的制备方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能路用生物沥青的制备方法，步骤如下：首先，先将基质沥青置于烘箱中，加热至其有较好的流动性，然后按生物油为基质沥青质量1％‑10％的比例将生物油加入到基质沥青中，启动剪切仪剪切制得生物沥青；其次，将烘干的岩沥青加入至生物沥青中，岩沥青质量为生物沥青质量的5％‑20％，启动剪切仪剪切制得岩沥青‑生物油复合改性沥青；最后，将复合改性沥青置于140‑160℃的烘箱中，使其恒温发育20min制得高性能路用生物沥青。本发明所制备的高性能路用生物沥青具有优良的高温，低温，抗老化性能，能用于道路工程建设，减少了基质沥青供给压力，为处理生物油提供了有效途径。

Description

一种高性能路用生物沥青的制备方法及其用途
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，涉及一种高性能路用生物沥青的制备方法及其用途。
背景技术
岩沥青改性沥青作为筑路材料已被广泛应用于实际生产中，因其优良的抗永久变形能力和优良的耐久性能受到青睐，但岩沥青改性沥青的低温抗裂性较差使得在寒冷地区的应用受到局限。生物沥青是与生物重油与基质沥青按一定比例混合经剪切而成的改性沥青，具有降低沥青粘度、改善低温性能、降低温度敏感性等特点，但在高温条件下流动性极强，易老化、低温条件下易脆、延性较低。综合岩沥青和生物沥青的性能特点，岩沥青和生物沥青恰好有互补的功效，两者复配一方面可以改善石油沥青的各项性能，另一方面，生物油的利用是变废为宝，经济效益和环保效应明显，因此岩沥青-生物沥青改性沥青是一种新型经济环保功能性材料。
天然布敦岩沥青(BRA)与基质沥青同属于石油衍生物，与基质沥青的相容性好，而且成本较低，是一种很好的天然改性剂。布敦岩沥青可以提高沥青与集料的粘附性，很大程度上改善沥青混合料的高温稳定性，即抗永久变形能力，还具有较好的抗老化能力和耐候性，但岩沥青的低温抗裂性能较差。
生物资源与石油资源都是基于生物质而来，不过生物资源具有可再生及绿色环保等优点。用生物资源替代石油资源不仅在技术上可行，而且符合可持续发展的要求。生物沥青是石油沥青的一种替代品，一般由生物油加工处理后获得。生物沥青能够降低石油沥青的黏度、提高低温性能、降低传统沥青温度敏感性，与基质沥青有很好的相溶性，但也有高温下易老化、低温下易脆、延性较低、长时间放置后会表现出非均匀性等问题。
综上所述，岩沥青具有很好的高温稳定性和抗老化性能，较差的低温性能，而生物沥青具有很好的低温性能，较差的抗老化性能，两者表现为截然相反的特性，故将两者混合有望改善各自性能的不足。
现在市场上布敦岩沥青价格每吨4000元左右，生物重油的价格是每吨2000元左右，而国产基质沥青的价格每吨大约在5000元以上，如果岩沥青和生物重油代替或者掺入到石油沥青中组成生物沥青-岩沥青改性沥青，降低石油沥青的使用量，则可以大大节约材料成本，同时还能产生很好的生态效益。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种高性能路用生物沥青的制备方法，解决了现有技术中存在的生物沥青高温性能不足，抗老化性能较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种高性能路用生物沥青的制备方法，按如下步骤进行：
步骤S1，生物沥青包含基质沥青和生物油，其中生物油为基质沥青质量的1％-10％；先将基质沥青置于烘箱中，加热至其有较好的流动性，然后按比例将生物油加入到基质沥青中，启动剪切仪，缓慢加大转速至5000r/min，使沥青温度控制在150-160℃，匀速剪切30min制得生物沥青；
步骤S2，将烘干的岩沥青迅速加入至生物沥青中，岩沥青的质量为生物沥青质量的5％-20％，先用玻璃棒手动搅拌使岩沥青较为均匀地分布在生物沥青中，启动剪切仪，剪切速率控制在4000-6000r/min，使岩沥青-生物沥青混合物温度控制在150-160℃，剪切时间45-60min，制得岩沥青-生物油复合改性沥青；
步骤S3，将复合改性沥青置于烘箱中，烘箱温度设置在140-160℃，使其恒温发育20min制得高性能路用生物沥青。
进一步的，所述步骤S1中的生物油为植物油脂蒸馏下来的残渣。
进一步的，所述步骤S2中的岩沥青为过0.15mm标准筛孔的烘干岩沥青。
进一步的，所述步骤S2中的剪切速率控制在5000r/min。
进一步的，所述步骤S3中烘箱温度设置在150℃。
关于本发明的技术方案说明如下：
本发明中所使用的生物油为基质沥青质量的1％-10％，当生物油超过10％时，沥青的高温性能显著下降且易老化。制备路用生物沥青时进行两次剪切，第一次剪切是生物油与基质沥青剪切制备得到生物油改性沥青(生物沥青)，第二次剪切是在生物沥青中掺入岩沥青后再次高速剪切制备得到路用生物沥青。因为岩沥青是从烘箱中拿出后直接加入的，温度基本和生物沥青保持一致，所以及时加入保证岩沥青和生物沥青中的热传递较少，使混合物温度稳定。岩沥青的质量为生物沥青质量的5％—20％，当岩沥青的质量高于5％时，岩沥青才体现出高温改性效果，当超过20％时，一方面岩沥青分布不均匀，另一方面岩沥青从掺量过高，其综合性能反而出现下降趋势。玻璃棒手动搅拌为了让岩沥青不浮于沥青表面，若直接剪切会使较多岩沥青浮于沥青表面，得不到充分剪切。岩沥青-生物沥青混合物在烘箱中的发育温度应和剪切温度保持一致，温度过高易离析，产生分层，且易老化，温度低岩沥青得不到充分发育；发育时间不宜过长，过长易产生离析，过短得不到充分发育。选择的植物油脂，属于废弃物，来源广泛，且植物油脂生产量更大。一般规定沥青改性剂颗粒不大于0.2mm，选择将岩沥青过0.15mm标准筛孔，若筛孔过大不利于岩沥青在沥青中的分布。高速剪切仪是在烘箱外剪切，剪切的时候有个电磁炉控温，具体见图1，控温只是对沥青混合物控温，不对剪切仪做要求。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种高性能路用生物沥青的制备方法，所述方法获得的高性能路用生物沥青具有优良的高温，低温，抗老化性能，能用于道路工程建设，减少了基质沥青供给压力，为处理生物油提供了有效途径，又为生物沥青广泛用于道路工程提供了有效途径，使道路建筑材料经济，耐久，环保。本发明采用高速剪切制备生物沥青，掺入岩沥青对生物沥青自身存在的缺陷进行性能提升，同时进行微观试验佐证，处理了废弃生物油，减少了原石油沥青的消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为高性能路用生物沥青的制备图。
图2为本发明的流程图。
图3是不同沥青样本旋转黏度试验结果图。
图4是不同沥青样本温度扫描试验结果图。
图5(a)是不同沥青样本低温弯曲劲度模量图。
图5(b)是不同沥青样本蠕变速率(m值)图。
图6(a)是70#基质沥青扫描电镜试验结果图。
图6(b)是高性能路用生物沥青扫描电镜试验结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-2所示，一种高性能路用生物沥青的制备方法，步骤如下：
步骤S1，生物沥青包含基质沥青和生物油，其中生物油为基质沥青质量的1％；先将基质沥青置于烘箱中，加热至其有较好的流动性，然后按比例将生物油加入到基质沥青中，启动剪切仪，缓慢加大转速至5000r/min，使沥青温度控制在150℃，匀速剪切30min制得生物沥青；
步骤S2，将烘干的岩沥青迅速加入至生物沥青中，岩沥青的质量为生物沥青质量的5％，先用玻璃棒手动搅拌使岩沥青较为均匀地分布在生物沥青中，启动剪切仪，剪切速率控制在4000r/min，使岩沥青-生物沥青混合物温度控制在150℃，剪切时间45min，制得岩沥青-生物油复合改性沥青；
步骤S3，将复合改性沥青置于烘箱中，烘箱温度设置在140℃，使其恒温发育20min制得高性能路用生物沥青。
所用生物油为植物油脂蒸馏下来的残渣。
所用岩沥青为过0.15mm标准筛孔的烘干岩沥青。
实施例2
步骤S1，生物沥青包含基质沥青和生物油，其中生物油为基质沥青质量的5％；先将基质沥青置于烘箱中，加热至其有较好的流动性，然后按比例将生物油加入到基质沥青中，启动剪切仪，缓慢加大转速至5000r/min，使沥青温度控制在160℃，匀速剪切30min制得生物沥青；
步骤S2，将烘干的岩沥青迅速加入至生物沥青中，岩沥青的质量为生物沥青质量的5％，先用玻璃棒手动搅拌使岩沥青较为均匀地分布在生物沥青中，启动剪切仪，剪切速率控制在6000r/min，使岩沥青-生物沥青混合物温度控制在160℃，剪切时间60min，制得岩沥青-生物油复合改性沥青；
步骤S3，将复合改性沥青置于烘箱中，烘箱温度设置在160℃，使其恒温发育20min制得高性能路用生物沥青。
所用生物油为植物油脂蒸馏下来的残渣。
所用岩沥青为过0.15mm标准筛孔的烘干岩沥青。
实施例3
将实施例2步骤S1中，生物油变为基质沥青质量的10％，其余不变。
实施例4
步骤S1，生物沥青包含基质沥青和生物油，其中生物油为基质沥青质量的5％；先将基质沥青置于烘箱中，加热至其有较好的流动性，然后按比例将生物油加入到基质沥青中，启动剪切仪，缓慢加大转速至5000r/min，使沥青温度控制在150℃，匀速剪切30min制得生物沥青；
步骤S2，将烘干的岩沥青迅速加入至生物沥青中，岩沥青的质量为生物沥青质量的10％，先用玻璃棒手动搅拌使岩沥青较为均匀地分布在生物沥青中，启动剪切仪，剪切速率控制在5000r/min，使岩沥青-生物沥青混合物温度控制在150℃，剪切时间60min，制得岩沥青-生物油复合改性沥青；
步骤S3，将复合改性沥青置于烘箱中，烘箱温度设置在150℃，使其恒温发育20min制得高性能路用生物沥青。
所用生物油为植物油脂蒸馏下来的残渣。
所用岩沥青为过0.15mm标准筛孔的烘干岩沥青。
实施例5
将实施例4步骤S2中，岩沥青的质量为生物沥青质量的15％，其余不变。
实施例6
将实施例4步骤S2中，岩沥青的质量为生物沥青质量的20％，其余不变。
实施例7
步骤S1，生物沥青包含基质沥青和生物油，其中生物油为基质沥青质量的5％；先将基质沥青置于烘箱中，加热至其有较好的流动性，然后按比例将生物油加入到基质沥青中，启动剪切仪，缓慢加大转速至5000r/min，使沥青温度控制在150℃，匀速剪切30min制得生物沥青；
所用生物油为植物油脂蒸馏下来的残渣。
对于实施例中所述的各种试验说明如下：
(1)所述黏度试验为旋转粘度，采用布什粘度计，试验温度为135℃。
所述短期老化试验为沥青旋转薄膜烘箱加热，每个沥青试样质沥青质量为35g±0.5g，加热温度为163℃±0.5℃，空气流速为4000ml/min±200ml/min，总的旋转加热时间为85min。
(2)所述长期老化试验为压力老化试验，每个沥青试样质沥青质量为50g±0.5g，空气压力为2.1Mpa±0.1Mpa计，试验温度为100℃，老化时间20±10min。
(3)所述温度扫描试验温度为46、52、58、64、70、76、82℃共7个温度，采用应变控制，原样沥青目标应变值12％，短期老化后沥青目标应变值10％，长期老化后沥青目标应变值1％，原样和短期老化沥青试样厚度为1mm，直径25mm,长期老化沥青试样厚度为2mm，直径8mm。
(4)所述多重应力重复蠕变恢复试验采用短期老化后的沥青，分别使用两个恒定应力(0.1kPa和3.2kPa)控制，选用52、58、64℃共3个温度，沥青试样厚度为1mm，直径25mm。
(5)所述弯曲蠕变劲度试验采用原样沥青和长期老化后的沥青，试验荷载保持在980mN±50mN，测试温度分别为-12，-18℃，数据采集系统记录在8.0s，15.0s，30.0s，60.0s，120.0s，240.0s的荷载和形变。
在宏观试验数据的基础上对改性生物沥青进行路用性能对比分析，进一步地，对高性能路用生物沥青进行微观试验，多角度验证岩沥青改性生物沥青的实用性和合理性。
对7组实施例所制备的高性能路用生物沥青以及70#基质沥青分别进行黏度(RV)、短期老化(RTFOT)、长期老化(PAV)、温度扫描、多重应力蠕变恢复(MSCR)，弯曲蠕变劲度(BBR)，扫描电镜(SEM)试验，测试沥青的高温、低温、抗老化、抗疲劳性能。7组实施例中，实施例7的效果较弱、实施例2、4、5、6效果相对较好。
实施例2、4、5、6、7以及70#基质沥青，试验结果如图3-6和表1所示，无特殊说明，a为70#基质沥青；b为实施例7制备的沥青；c为实施例2制备的沥青；d为实施例4制备的沥青；e为实施例5制备的沥青；f为实施例6制备的沥青。
图3试验结果表明，生物油(Bio)的加入具有明显的降黏作用，岩沥青的加入使得生物沥青黏度增加，且随着掺量的增加而变大，当岩沥青掺量达到20％时，黏度与基质沥青基本相当。
图4试验结果表明，生物沥青的车辙因子显著低于70#基质沥青，但岩沥青的加入使得生物沥青车辙因子大幅增加，且随着掺量的增加而变大，当岩沥青掺量达到20％时，车辙因子已超过基质沥青，高温性能提升明显。
表1不同沥青样本MSCR试验结果
表1试验结果表明，生物沥青的恢复率显著低于70#基质沥青，不可恢复蠕变柔量明显低于高于70#基质沥青，岩沥青的加入使得生物沥青恢复率提升，不可恢复蠕变柔量减小，且随着岩沥青掺量的增加而改善效果更加，当岩沥青掺量达到20％时，生物沥青弹性恢复、应力效应与基质沥青相当或者超过基质沥青。
从图5各个实施例来看，无论是弯曲劲度模量还是蠕变速率即m值，生物沥青的低温性能显著优于基质沥青，岩沥青的加入使生物沥青劲度模量增加，蠕变速率减小，在一定程度上降低了生物沥青的低温性能，但低温性能较基质沥青仍大幅提升。
图6是长期老化后的基质沥青与岩沥青改性生物沥青的扫描电镜成图，显然，经过长期老化，基质沥青已出现表面开裂，表现出较大的脆性，而经改性后的生物沥青表面光滑，岩沥青均匀分布于生物沥青，抗老化性能明显。
从上述高温，低温，老化，疲劳性能测试结果来看，实施例6所制备的路用生物沥青效果最佳，岩沥青改性生物沥青相比生物沥青性能大幅提升，均具有与基质沥青相当甚至超过基质沥青的路用性能，完全满足路面建筑材料的需要，经济，社会，环保效益明显，应用前景广泛。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高性能路用生物沥青的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤S1，生物沥青包含基质沥青和生物油，其中生物油为基质沥青质量的1％-10％；先将基质沥青置于烘箱中，加热至其有较好的流动性，然后按比例将生物油加入到基质沥青中，启动剪切仪，加大转速至5000r/min，使沥青温度控制在150-160℃，匀速剪切30min制得生物沥青；
步骤S2，将烘干的岩沥青迅速加入至生物沥青中，岩沥青的质量为生物沥青质量的5％-20％，先用玻璃棒手动搅拌使岩沥青较为均匀地分布在生物沥青中，启动剪切仪，剪切速率控制在4000-6000r/min，使岩沥青-生物沥青混合物温度控制在150-160℃，剪切时间45-60min，制得岩沥青-生物油复合改性沥青；
步骤S3，将复合改性沥青置于烘箱中，烘箱温度设置在140-160℃，使其恒温发育20min制得高性能路用生物沥青。
2.根据权利要求1所述的一种高性能路用生物沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的生物油为植物油脂蒸馏下来的残渣。
3.根据权利要求1所述的一种高性能路用生物沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的岩沥青为过0.15mm标准筛孔的烘干岩沥青。
4.根据权利要求1所述的一种高性能路用生物沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的剪切速率控制在5000r/min。
5.根据权利要求1所述的一种高性能路用生物沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中烘箱温度设置在150℃。
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