CN112745048B - 一种沥青用生物质添加剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高沥青混合料水稳定性的沥青用生物质添加剂及其制备方法和应用。本发明添加剂为化学改性剂改性的生物质炭，所述化学改性剂用量，以质量百分比计，占生物质炭的1%~20%。本发明还提供了该沥青用生物质添加剂在制备沥青混合料中的应用。其中沥青用生物质添加剂的加入量，以混合料质量计，为0.5%~8.0%。本发明的化学改性生物质炭添加剂可显著提高沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂试验强度比，明显提高沥青混合料的水稳定性，将有助于解决路面早期破坏问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高沥青混合料性能的添加剂及其制备和应用。特别是涉及一种提高沥青混合料水稳定性的生物质添加剂及其制备和应用。
背景技术
中国生物质资源量巨大，每年产量达数亿吨，主要包括农作物秸秆，如玉米、高粱、小麦、水稻、棉花等及农林产品加工残余物，如稻壳、锯末、木屑等，这些可再生生物质资源可在无氧或缺氧的条件下，通过热解法将其中的木素、纤维素和半纤维素等分解成气体（燃料气）、液体（生物质油）和焦炭（生物质炭，Biomass carbon），其中生物质炭是热解副产物，其产率一般在30%~35%。
生物质炭是一类高度芳香化固态物质，含量较高的元素是碳、氧和氢，此外还含有一些钾、钙、钠、镁、硅等。生物质炭有丰富发达孔隙结构、较大的比表面、较多的含氧活性基团。据文献报道，生物质炭的氧含量仅次于炭含量，高达20%-45%，其中主要包括羟基（-OH）和羧基(-COOH)基团形式存在。
生物质炭目前多用作燃料，也有于用于改良土壤、增强土壤肥力或者与有机或无机肥料复合，制备炭基肥料。例如，名称为一种生物质炭基土壤修复肥的制备方法的专利申请CN 109384590A以及名称为一种生物质炭基肥料及其制备方法的专利申请CN109836280A, 其中将生物质炭、聚磷酸铵、铵态氮肥以及硝化抑制剂进行组合，制备生物质炭基肥料。
生物质炭在沥青及其混合料中的应用很少。在名称为一种就地冷再生专用乳化沥青混合料的专利申请CN 104761918A中，生物质炭粉用于调节乳化沥青的破乳速率，当用量＜6%（占乳化沥青总组合物重量）时，起不到调节乳化沥青组合物的破乳速率目的，＞8%因乳化沥青破乳速率太快而无法使用。
在名称为一种利用生物炭改性沥青及其混合料的方法的专利申请CN105017788A中，生物质炭与沥青在170℃高速剪切混合，冷却到-8~-12℃，形成固体生物炭改性沥青，用于制备热拌沥青混合料，提高了混合料高温抗车辙性能。由于生物质炭与沥青是不相容体系，在高温液态不能形成稳定的生物质改性沥青，而且需要冷却到很低的温度，因此给实际应用带来很大困扰。沥青混合料的水稳定性差，导致路面早期破坏的问题。
发明内容
为克服现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种沥青用生物质添加剂，以提高沥青混合料水稳定性。本发明另一目的在于提供一种常温下为固体颗粒或粉末的沥青添加剂，以易于使用，尤其适用于在沥青混合料拌和厂与沥青和集料一起直接加入拌和设备中，在此完成与集料和沥青胶结料拌和。
为了提高沥青混合料水稳定性，本发明提供一种沥青用生物质添加剂，所述沥青用生物质添加剂为经化学改性剂改性的生物质炭。所述化学改性剂用量，以质量百分比计，占生物质炭的1%~20%，优选5%~15%。该生物质添加剂可以提高沥青混合料水稳定性。
所述的化学改性剂为胺类化合物，包括脂肪胺、芳香胺、多乙撑多胺和季铵盐中的至少一种。其中脂肪胺包括伯胺、仲胺、叔胺中的至少一种，优选为十二烷基二甲基叔胺。其中优选多乙撑多胺。在多乙撑多胺中优选乙二胺和二乙撑三胺中的至少一种。
所述生物质炭为生物质热解和/或干馏的副产物焦炭。所述的生物质为农作物秸秆，包括玉米、高粱、小麦、水稻、棉花等；农林产品加工残余物包括稻壳、甘蔗渣、锯末、木屑、树枝等，及其他来源的以木质素、纤维和半纤维为主的生物质。
本发明所使用的生物质炭粒径在5 mm以下，优选2 mm以下。若粒径过大，使用前要粉碎到5 mm以下。
本发明生物质炭的水含量，以生物质炭质量计，不大于3%，优选不大于1%。如果大于3%，使用前要干燥到3%以下。
本发明利用生物质炭比表面积大、孔隙发达、吸附力强的物理特性。本发明根据生物质炭表面富含羟基和羧基特点，通过化学改性剂对生物质炭进行改性，可制备具有提高沥青混合料水稳定性的添加剂。
本发明另一方面提供了一种沥青用生物质添加剂的制备方法，包括：
1）取生物质炭；
2）将化学改性剂加入到生物质炭中，使得化学改性剂完成在生物质炭表面和孔道中的吸附；
3）将完成吸附的生物质炭升温到100~250℃，优选110~200℃，保持1~5h，优选2~3h，得到沥青用生物质添加剂。该添加剂具有提高沥青混合料水稳定性的作用。
步骤2）中化学改性剂加入到生物质炭中的方式为化学改性剂一次性或多次加入或喷淋生物质炭中。所述吸附过程优选常温常压下拌和0.5~2h，静止存放0.5~3h。
步骤3）之后，将所得到的经化学改性剂改性的生物质炭自然冷却到50℃以下备用。
本发明生物质炭化学改性可在常压下进行，反应器上方安装水冷却器，以回收加热反应过程中挥发的胺类化合物。对于低沸点胺类，如乙二胺（沸点116℃），可在密闭容器中进行反应。
本发明第三方面提供了一种沥青用生物质添加剂在制备沥青混合料中的应用。
包括：（1）将所述沥青用生物质添加剂添加到沥青中，然后与集料一起在拌和设备中拌和，制备沥青混合料；或者（2）将所述沥青用生物质添加剂与沥青、集料一起加入拌和设备，制备沥青混合料，优选（2）。其中沥青用生物质添加剂的加入量，以混合料质量计，为0.5%~8.0%，优选1.0%~5.0%。所用的集料是石灰岩、玄武岩、安山岩、花岗岩集料中的一种或几种。
该沥青用生物质添加剂在制备沥青混合料中的应用可以显著提高沥青混合料水稳定性。
在混合料制备过程中，不同牌号沥青需要不同的拌和温度。根据规范要求，沥青混合料制备过程中的生产温度范围见表1。
表1热拌沥青混合料的生产温度（℃）
本发明另一方面在于提供一种沥青混合料，其中含有前述经化学改性剂改性的沥青用生物质添加剂，以沥青混合料质量百分比计，沥青用生物质添加剂的添加量为0.5%~8.0%，优选1.0%~5.0%。
本发明所述水稳定性是指沥青混合料浸水马歇尔试验残留度和冻融劈裂试验残留强度比，其值越大，混合料的水稳定性愈好。
本发明的化学改性生物质炭添加剂可显著提高沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂试验强度比，明显提高沥青混合料的水稳定性，将有助于解决路面早期破坏问题。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明方案及效果。本发明中所给的百分数均为质量分数。应该理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明具体实施方式中沥青混合料所使用的集料级配选用ATB-25型中值。集料通过率见表2。
表2 本发明所用集料通过率
本发明使用的沥青性质见表3。
表3 沥青性质
实施例1
取1000g生物质炭（玉米秆焦炭，以焦炭质量计，水含量1%。粒径为1mm）加入到3L的容器中。加入作为化学改性剂的60g乙二胺，在常温常压下搅拌40min，静止存放1h。然后，盖上带有水冷却器的容器盖，开始加热。当容器内温度到达120℃时保持2h，然后停止加热，自然冷却到50℃，得到改性生物质炭A。
实施例2
具体实施方法同实施例1。其中生物质炭为稻壳焦炭，以焦炭质量计，水含量0.8%，粒径为1.5mm。化学改性剂为二乙撑三胺120g。在常温常压下搅拌2h，静止存放2h。当容器温度达到150℃时，保持2.5h，然后停止加热，自然冷却到50℃，得到改性生物质炭B。
实施例3
具体实施方法同实施例1。其中化学改性剂为十二烷基二甲基叔胺150g。在常温常压下搅拌1.5h，静止存放1.5h。当容器温度达到200℃时，保持1.5h，然后停止加热，自然冷却到50℃，得到改性生物质炭C。
实施例4
取前面列出的集料及沥青，先将沥青预热至170℃，集料预热至190℃。按照集料（级配见表2）、沥青（性质见表3）、改性生物质炭A的加入顺序，向混合料拌和机加入物料。改性生物质炭A为1.0%（占总混合料质量分数）。制备沥青混合料试件进行相关试验，测定浸水马歇尔试验残留度和冻融劈裂试验残留强度比。具体结果参见表4。
实施例5
具体实施方法同实施例4，将改性生质炭A替换为改性生物质炭B，且改性生物质炭B为5.0%（占总混合料质量分数）。
实施例6
具体实施方法同实施例4，将改性生质炭A替换为改性生物质炭C，且改性生物质炭C为3.0%（占总混合料质量分数）。
比较例1
具体实施方法同实施例4。不加任何添加剂，即不加改性生物质炭A。
比较例2
具体实施方法同实施例4。将改性生物质炭A替换为未处理的生物质炭，即实施例1中的玉米秆焦炭，加入量同实施例4。
比较例3
具体实施方法同实施例4。将改性生物质炭A替换为用来对该焦炭进行处理的化学改性剂乙二胺，乙二胺加入量同实施例4中改性生物质炭A。
比较例4
具体实施方法同实施例5。将改性生物质炭B替换为对该焦炭进行处理的化学改性剂二乙撑三胺。
比较例 5
具体实施方法同实施例5。将改性生物质炭B替换为未处理的生物质炭及二乙撑三胺。未处理的生物质炭同实施例2中的稻壳焦炭，生物质炭及二乙撑三胺的加入量同实施例5，为占总混合料质量分数的5.0%，其中二乙撑三胺占焦炭的12%。即生物质炭占总混合料质量分数的4.4%，二乙撑三胺占总混合料质量分数的0.6%。
表4本发明实施例结果
表5本发明比较例结果
从表4、5数据可以看出，本发明的化学改性生物质炭明显地提高了沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂试验强度比。即本发明以化学改性生物质炭为沥青添加剂明显提高了沥青混合料的水稳定性，有助于解决路面早期破坏问题，也为生物质炭利用找到了另一条出路。
Claims (20)
1.一种沥青用生物质添加剂，其特征在于，所述沥青用生物质添加剂为经化学改性剂改性的生物质炭，所述化学改性剂用量，以质量百分比计，占生物质炭的1%~20%，所述的化学改性剂为胺类化合物；
所述沥青用生物质添加剂的制备方法，包括：
1）取生物质炭；
2）将化学改性剂加入到生物质炭中，使得化学改性剂完成在生物质炭表面和孔道中的吸附；
3）将完成吸附的生物质炭升温到100~250℃，保持1~5h，得到沥青用生物质添加剂。
2.根据权利要求1所述的沥青用生物质添加剂，其特征在于，所述胺类化合物为脂肪胺、芳香胺和季铵盐中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的沥青用生物质添加剂，其特征在于，所述脂肪胺为伯胺、仲胺、叔胺中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的沥青用生物质添加剂，其特征在于，所述胺类化合物为乙二胺、二乙撑三胺、多乙撑多胺中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的沥青用生物质添加剂，其特征在于，所述生物质炭为生物质热解和/或干馏的副产物焦炭。
6. 根据权利要求1所述的沥青用生物质添加剂，其特征在于，所述生物质炭粒径在5mm以下。
7.根据权利要求6所述的沥青用生物质添加剂，其特征在于，所述生物质炭粒径在2 mm以下。
8.根据权利要求1所述的沥青用生物质添加剂，其特征在于，所述生物质炭的水含量，以生物质炭质量计，不大于3%。
9.根据权利要求1所述的沥青用生物质添加剂，其特征在于，所述生物质炭的水含量，以生物质炭质量计，不大于1%。
10.一种权利要求1~9任一所述沥青用生物质添加剂的制备方法，包括：
1）取生物质炭；
2）将化学改性剂加入到生物质炭中，使得化学改性剂完成在生物质炭表面和孔道中的吸附；
3）将完成吸附的生物质炭升温到100~250℃，保持1~5h，得到沥青用生物质添加剂。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，将完成吸附的生物质炭升温到110~200℃，保持2~3h。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中化学改性剂加入到生物质炭中的方式为化学改性剂一次性或多次加入或喷淋至生物质炭中。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中的吸附过程为常温常压下拌和0.5~2h，静止存放0.5~3h。
14.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤3）之后，将所得到的经化学改性剂改性的生物质炭自然冷却到50℃以下备用。
15.一种权利要求1~9任一所述沥青用生物质添加剂在制备沥青混合料中的应用。
16.根据权利要求15所述的应用，其特征在于，制备沥青混合料的过程包括：
（1）将所述沥青用生物质添加剂添加到沥青中，然后与集料一起在拌和设备中拌和，制备沥青混合料；或者
（2）将所述沥青用生物质添加剂与沥青、集料一起加入拌和设备，制备沥青混合料。
17.根据权利要求16所述的应用，其特征在于，沥青用生物质添加剂的加入量，以混合料质量计，为0.5%~8.0%。
18.根据权利要求17所述的应用，其特征在于，沥青用生物质添加剂的加入量，以混合料质量计，为1.0%~5.0%。
19.一种沥青混合料，其特征在于，其中含有权利要求1～9任一所述的沥青用生物质添加剂，以沥青混合料质量百分比计，沥青用生物质添加剂的添加量为0.5%~8.0%。
20.根据权利要求19所述的沥青混合料，其特征在于，所述沥青用生物质添加剂的添加量为1.0%~5.0%。
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