CN113072815A - 一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料及其制备方法 - Google Patents

一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及道路养护材料技术领域，具体公开了一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料及其制备方法，按质量份，所述温拌改性沥青罩面材料由下述原料制备而成：100份沥青、0.8‑1份温拌剂、1‑3份增塑剂、1‑3份稳定剂、1‑3份改性剂、1‑3份抗老化剂、1‑3份抗剥落剂；本发明利用硅钛分子筛本身的温拌和吸附优势以及TiO2的光催化降解优势，实现两者光催化吸附协同效应，降低沥青混合料施工温度还能长期维持其工作性能，其他助剂的添加赋予温拌改性沥青较好的高低温性能、抗水损性能；本发明的改性沥青罩面材料的制备过程不仅节约能源还低碳环保，得到的可吸附光降解薄层罩面用温拌改性沥青罩面材料不仅路用性能优异还可实现尾气净化，具有很好的应用和推广前景。

Description

一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路养护材料技术领域，具体是一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着我国城市道路建设的快速发展，公路路网不断完善。以沥青混凝土为主的路面因严峻的荷载、环境等因素呈现早期破坏行为，严重影响公路的服役性能和可持续发展。截至2019年底，全国公路总里程501万公里，仅公路养护里程达495.31万公里，占公路总里程98.8％。薄层罩面作为一种经济有效的路面养护方法，通过在原路面基础上直接加铺一层沥青混凝土面层以提高路面质量，提升路面服务水平。温拌沥青混合料技术作为近年来兴起发展的新型路面养护技术，可显著降低沥青混合料生产拌合温度，通过降低沥青的粘度，使得其在较低温度下拥有良好的施工性能。温拌薄层罩面技术是温拌沥青混合料技术和超薄罩面技术的有机结合，可有效提高城市道路的路用性能及表面功能，满足新时期城市道路建设和养护的需求。
伴随着交通运输事业不断发展，机动车污染问题日益凸显。据国家环境保护部统计，截至2017年我国机动车保有量达到3.10亿辆，平均每1000辆汽车一天除了排放3t的CO，还排放200-400kg的碳氢化合物HC和50-150kg的氮氧化物NOx，这些一次污染物在阳光作用下反应生成臭氧、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物，两次污染物混合所形成的光化学烟雾不仅降低大气能见度，还会强烈刺激人体器官。考虑到汽车尾气在排放过程中主要向路面流动，如何延长道路使用寿命、开发环保型养护清洁路面材料并合理利用资源具有重要的意义。
光催化可以降解NOx、CO、HC和SO2，是一种减少光化学烟雾的有效途径。TiO2半导体因低能耗、无毒性、无二次污染、稳定等优势而成为光催化领域的研究热点。因此利用TiO2负载分子筛实现光催化和吸附协同效应，而分子筛又是一种良好的温拌剂，实现光催化吸附长寿命一体化。不仅积极响应环境友好、资源节约的政策号召，还统筹兼顾了交通运输行业高质量发展和高标准治理，具有良好的应用和推广前景。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料及其制备方法，制备得到一种可吸附降解汽车尾气的温拌剂TiO2负载沸石材料，利用硅钛分子筛本身的温拌和吸附优势以及TiO2的光催化降解优势，实现两者光催化吸附协同效应，降低沥青混合料施工温度还能长期维持其工作性能，其他助剂的添加赋予温拌改性沥青较好的高低温性能、抗水损性能；本发明的改性沥青罩面材料的制备过程不仅节约能源还低碳环保，得到的可吸附光降解薄层罩面用温拌改性沥青罩面材料不仅路用性能优异还可实现尾气净化，具有很好的应用和推广前景。
本发明提供的一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，按质量份计，由下述原料制备而成：100份沥青、0.8-1份温拌剂、1-3份增塑剂、1-3份稳定剂、1-3份改性剂、1-3份抗老化剂和1-3份抗剥落剂。
优选地，本发明中所述沥青为70#道路石油沥青，改性剂为聚氨酯。
优选地，本发明中所述温拌剂为TiO2/H-TS-1硅钛分子筛。
优选地，本发明中所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)。
优选地，本发明中所述稳定剂为木质素纤维。
优选地，本发明中所述抗老化剂为纳米CeO2。
优选地，本发明中所述抗剥落剂为非胺类抗剥落剂，选自SA100、XT-1、XT-2中的一种或几种。
优选地，本发明中所述温拌剂的合成步骤为：
采用正硅酸四乙酯TEOS作硅源、钛酸正四丁酯TBOT作钛源、四丙基氢氧化铵TPAOH作有机模板剂和十六烷基三甲基溴化铵CTAB作介孔造孔剂；按物质的量之比为TEOS：TPAOH：TBOT：CTAB：H2O＝(0.8～1.2)：(0.1～0.3)：(0.4～0.6)：(0.4～0.6)：18来制备反应溶胶；
先将钛源TBOT滴加入硅源TEOS中混合均匀得到混合液，然后在搅拌下将混合液逐滴加入到有机模板剂TPAOH水溶液(TPAOH与H2O配制而成)中，再加入介孔造孔剂CTAB，搅拌30min以上得到反应溶胶，将反应溶胶转移至反应釜，在70-90℃晶化至少6天，然后冷却、洗涤、干燥得多级孔钛硅分子筛，将此产物完全浸没在浓度为1mol/L的六氟钛酸铵(NH4)2TiF6水溶液中1h以上，放入烘箱干燥，在管式炉中以5℃/min的升温速率从室温升到520℃保持5h进行煅烧，即得TiO2/H-TS-1硅钛分子筛。
本发明还提供了一种上述原料配比的可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将沥青加热至呈流动状态后倒入温拌剂中，剪切混合均匀，加入改性剂，以速率为3000rpm～3500rpm剪切至无明显大颗粒，得混合物1；
2)将增塑剂加到混合物1中混合均匀，然后加入稳定剂，混合均匀后，得到混合物2；
3)将抗老化剂加入到混合物2中搅拌均匀，然后加入抗剥落剂，混合均匀即得。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)罩面用温拌改性沥青性能优异
由于介孔的引入，TiO2/H-TS-1硅钛分子筛，相比于一般微孔结构的分子筛温拌剂更加有效降低沥青的瞬时黏度，可较长时间维持混合料的工作性，极大提升了混合料的内聚力，降低沥青混合料的施工温度，改善沥青的高温性能。
增塑剂能够改善沥青混合料之间的相容性并赋予低温下沥青较高的弹性和减震功能；生物基稳定剂的添加使沥青整体构成网状结构相互交联，对改性剂的分散起促进作用；抗老化剂可吸收95％以上的紫外可见光，可显著改善沥青的光热老化性能，大大提升沥青的寿命。由于温拌沥青整体抗水损害能力较差，抗剥落剂的添加，不仅可以改善沥青混合料的水稳定性，同时增强沥青整体的粘附性和耐热性；少量聚氨酯改性剂的添加，可增强薄层罩面的耐磨耗、高弹性能，并且与沥青之间的化学键合交联作用极大地提高了沥青整体的抗低温变形能力。
2)罩面用温拌改性沥青光降解吸附一体化
含氟前驱体六氟钛酸铵(NH4)2TiF6的使用和在一定温度下的煅烧可有效地改善TiO2的结晶度和可见光敏感性；硅钛分子筛作为TiO2的负载体，其结构稳定，骨架上的Ti使TiO2更加趋向于表面附着，形成Ti-O-Ti化学键，有利于路面以及大气中的污染物(NOx、CO、HC和SO2)降解；罩面的铺筑，更加有利于TiO2充分吸收并利用紫外可见光，实现光降解；罩面铺筑完成后，分子筛的多级孔结构更加有利于气体有机小分子和碳氢化合物的吸附。这种可降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，极大提升了沥青整体的的抗光热老化性能，实现薄层罩面光降解吸附一体化。
3)罩面用温拌改性沥青具有很好的应用和推广前景
道路早期破坏及机动车污染问题备受关注，延长道路使用寿命、开发环保型养护清洁路面材料并合理利用资源已成为趋势，本发明提供一种具有光降解吸附功能一体化的罩面用温拌改性材料，不仅积极响应环境友好、资源节约的政策号召，还统筹兼顾了交通运输行业高质量发展和高标准治理，具有很好的推广和应用前景。
具体实施方式
下面申请人将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。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1-5中所用的TiO2/H-TS-1硅钛分子筛的合成步骤为：
采用1.0mol的硅酸四乙酯TEOS作硅源、0.5mol的钛酸正四丁酯TBOT作钛源、0.2mol的四丙基氢氧化铵TPAOH作有机模板剂、18.0mol的水作溶剂、0.5mol的十六烷基三甲基溴化铵CTAB作介孔造孔剂，来制备反应溶胶；
先将0.5mol的钛源TBOT滴加入1.0mol的硅源TEOS中混合5min得到混合液，在搅拌下将混合液逐滴加入0.2mol TPAOH和18.0mol水组成的有机模板剂TPAOH水溶液中，再加入0.5mol的介孔造孔剂CTAB，搅拌60min后即得到反应溶胶，将反应溶胶转移至反应釜，在80℃晶化7天，冷却洗涤干燥得多级孔钛硅分子筛，将此产物完全浸没在提前配置好的浓度为1mol/L的六氟钛酸铵(NH4)2TiF6水溶液中2h，放入80℃烘箱干燥，在管式炉中以5℃/min的升温速率从室温升到520℃，保持恒温煅烧5h，即得TiO2/H-TS-1硅钛分子筛。
实施例1-5和各对比例中用到的聚氨酯由深圳市富永佳聚氨酯材料有限公司提供，其抗拉强度为4.03MPa，断裂延伸率为225％，固化条件为60℃。木质素纤维由江苏海德新材料有限公司提供；纳米CeO2由北京嘉安恒科技有限公司提供。SA100是江苏苏博特新材料股份有限公司生产的
Figure BDA0002982602680000041
抗剥落剂；XT-1和XT-2由常州信拓路面改性材料有限公司提供。
以下实施例和对比例中所涉及的分子筛经检测数据如下表：
分子筛类型 粒径尺寸(nm) 吸附曲线类型 比表面积(m<sup>2</sup>/g) 孔体积(cm<sup>3</sup>/g)
TiO<sub>2</sub>/H-TS-1硅钛分子筛 120 I和IV 551 0.870
H-TS-1硅钛分子筛 100 I和IV 550 0.873
TS-1硅钛分子筛 450 I 412 0.123
实施例1
一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料的制备方法，步骤如下：
1)将100kg的70#道路石油沥青加热至165℃呈流动状态，再称取0.8kg TiO2/H-TS-1硅钛分子筛，将加热好的70#道路石油沥青缓慢倒入TiO2/H-TS-1硅钛分子筛中，混合均匀，再加入1kg聚氨酯，以速率为3500rpm剪切30min，无明显大颗粒，得混合物1；
2)将1kg邻苯二甲酸二丁酯DBP加到混合物1中混合均匀，后将1kg木质素纤维加入混合均匀后，得到混合物2；
3)将1kg纳米CeO2加入到混合物2中搅拌均匀，再将1kg XT-1加入，混合均匀即得。
实施例2
一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料的制备方法，步骤如下：
1)将100kg的70#道路石油沥青加热至165℃呈流动状态，再称取0.8kg TiO2/H-TS-1硅钛分子筛，将加热好的70#道路石油沥青缓慢倒入TiO2/H-TS-1硅钛分子筛中，混合均匀，再加入2kg聚氨酯，以速率为3200rpm剪切30min，无明显大颗粒，得混合物1；
2)将1kg邻苯二甲酸二丁酯DBP加到混合物1中混合均匀，后将1kg木质素纤维加入混合均匀后，得到混合物2；
3)将3kg纳米CeO2加入到混合物2中搅拌均匀，再将1kg SA100加入，混合均匀即得。
实施例3
一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料的制备方法，步骤如下：
1)将100kg的70#道路石油沥青加热至165℃呈流动状态，再称取0.9kg TiO2/H-TS-1硅钛分子筛，将加热好的70#道路石油沥青缓慢倒入TiO2/H-TS-1硅钛分子筛中，混合均匀，再加入2kg聚氨酯，以速率为3300rpm剪切30min，无明显大颗粒，得混合物1；
2)将3kg邻苯二甲酸二丁酯DBP加到混合物1中混合均匀，后将3kg木质素纤维加入混合均匀后，得到混合物2；
3)将3kg纳米CeO2加入到混合物2中搅拌均匀，再将2kg XT-1加入，混合均匀即得。
实施例4
一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料的制备方法，步骤如下：
1)将100kg的70#道路石油沥青加热至165℃呈流动状态，再称取0.9kg TiO2/H-TS-1硅钛分子筛，将加热好的70#道路石油沥青缓慢倒入TiO2/H-TS-1硅钛分子筛中，混合均匀，再加入1kg聚氨酯，以速率为3000rpm剪切30min，无明显大颗粒，得混合物1；
2)将3kg邻苯二甲酸二丁酯DBP加到混合物1中混合均匀，后将2kg木质素纤维加入混合均匀后，得到混合物2；
3)将2kg纳米CeO2加入到混合物2中搅拌均匀，再将2kg XT-2加入，混合均匀即得。
实施例5
一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料的制备方法，步骤如下：
1)将100kg的70#道路石油沥青加热至165℃呈流动状态，再称取1kg TiO2/H-TS-1硅钛分子筛，将加热好的70#道路石油沥青缓慢倒入TiO2/H-TS-1硅钛分子筛中，混合均匀，再加入3kg聚氨酯，以速率为3500rpm剪切30min，无明显大颗粒，得混合物1；
2)将3kg邻苯二甲酸二丁酯DBP加到混合物1中混合均匀，后将3kg木质素纤维加入混合均匀后，得到混合物2；
3)将3kg纳米CeO2加入到混合物2中搅拌均匀，再将3kg SA-100加入，混合均匀即得。
对比例1：
一种改性沥青，其制备方法同实施例1基本相同，不同之处在于未使用温拌剂TiO2/H-TS-1硅钛分子筛，具体合成步骤如下：
1)将100kg的70#道路石油沥青加热至165℃呈流动状态，加入1kg聚氨酯，以速率为3500rpm剪切30min，无明显大颗粒，得混合物1；
2)将1kg邻苯二甲酸二丁酯DBP加到混合物1中混合均匀，后将1kg木质素纤维加入混合均匀后，得到混合物2；
3)将1kg纳米CeO2加入到混合物2中搅拌均匀，再将1kg XT-1加入，混合均匀即得。
对比例2：
一种改性沥青，其制备方法同实施例1基本相同，不同之处在于将TiO2/H-TS-1硅钛分子筛温拌剂替换为孔道未经处理的TS-1硅钛分子筛温拌剂，具体合成步骤如下：
先将0.5mol钛源TBOT滴加入1.0mol硅源TEOS中混合5min得到混合液，在搅拌下将混合液逐滴加入0.2mol TPAOH和18.0mol水组成的有机模板剂TPAOH溶液中，搅拌60min后得到反应溶胶，将反应溶胶转移至反应釜，在80℃晶化7天，冷却洗涤干燥得微孔钛硅分子筛，将此产物浸渍在1mol/L的六氟钛酸铵水溶液中2h，放入80℃烘箱干燥，在管式炉中以5℃/min的升温速率从室温升到520℃，保持恒温煅烧5h，即得TS-1硅钛分子筛。
将100kg的70#道路石油沥青加热至165℃呈流动状态，再称取0.8kg TS-1硅钛分子筛，将加热好的70#道路石油沥青缓慢倒入TS-1硅钛分子筛中，混合均匀，再加入1kg聚氨酯，以速率为3500rpm剪切30min，无明显大颗粒，得混合物1；将1kg邻苯二甲酸二丁酯DBP加到混合物1中混合均匀，后将1kg木质素纤维加入混合均匀后，得到混合物2；将1kg纳米CeO2加入到混合物2中搅拌均匀，再将1kg XT-1加入，混合均匀即得。
对比例3：
一种改性沥青，其制备方法同实施例1基本相同，不同之处在于将TiO2/H-TS-1硅钛分子筛温拌剂替换为表面无TiO2负载孔道已处理的H-TS-1硅钛分子筛温拌剂，具体合成步骤如下：
先将0.5mol钛源TBOT滴加入1.0mol硅源TEOS中混合5min得到混合液，在搅拌下将混合液逐滴加入0.2mol TPAOH和18.0mol水组成的有机模板剂TPAOH溶液中，再加入0.5mol表面活性剂CTAB，搅拌60min后得到反应溶胶，将反应溶胶转移至反应釜，在80℃晶化7天，冷却洗涤干燥，在管式炉中以5℃/min的升温速率从室温升到520℃，保持恒温煅烧5h，即得H-TS-1硅钛分子筛。
将100kg的70#道路石油沥青加热至165℃呈流动状态，再称取0.8kg H-TS-1硅钛分子筛，将加热好的70#道路石油沥青缓慢倒入H-TS-1硅钛分子筛中，混合均匀，再加入1kg聚氨酯，以速率为3500rpm剪切30min，无明显大颗粒，得混合物1；将1kg邻苯二甲酸二丁酯DBP加到混合物1中混合均匀，后将1kg木质素纤维加入，混合均匀后，得到混合物2；将1kg纳米CeO2加入到混合物2中搅拌均匀，再将1kg XT-1加入，混合均匀即得。
根据规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，对本发明实施例1-5和对比例1-3制备得到的沥青及沥青混合料进行性能测试，包括针入度、软化点、延度、135℃粘度、离析软化点差、薄膜烘箱老化、车辙动稳定度、最大弯拉应变、冻融劈裂试验，测试结果见表1。对本发明的实施例1-5和对比例1-3进行了排气污染物CO、HC和NOx排放量的测试，测试结果见表2。
表1实施例及对比例温拌改性沥青及沥青混合料的性能表征
Figure BDA0002982602680000071
Figure BDA0002982602680000081
表2实施例及对比例的吸附降解尾气的性能表征
Figure BDA0002982602680000082
综合表1实施例和对比例的运动粘度数据可知硅钛分子筛作为温拌剂，无论是介孔还是微孔，均可大大降低沥青的粘度，多级孔硅钛分子筛H-TS-1温拌剂相比于一般微孔结构更加有效降低沥青的运动黏度；软化点数据可知，硅钛分子筛温拌剂的使用可改善沥青的高温性能；老化试验可知，加了温拌剂的耐老化性能良好，其中有TiO2负载的硅钛分子筛温拌剂性能更优，改性剂聚氨酯使沥青的低温性能良好。综合表2，制备的吸附降解尾气改性沥青，吸附和光催化协同作用，高效净化吸收汽车尾气中CO、HC和NOx污染物。由此可见，本发明得到的一种可吸附光降解薄层罩面用温拌改性沥青材料路用性能优异可实现尾气净化，具有很好的应用和推广前景。

Claims (9)

1.一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，其特征在于，按质量份计，由下述原料制备而成：100份沥青、0.8-1份温拌剂、1-3份增塑剂、1-3份稳定剂、1-3份改性剂、1-3份抗老化剂、1-3份抗剥落剂。
2.根据权利要求1所述的一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，其特征在于：所述沥青为70#道路石油沥青，所述改性剂为聚氨酯。
3.根据权利要求1所述的一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，其特征在于：所述温拌剂为TiO2/H-TS-1硅钛分子筛。
4.根据权利要求1所述的一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，其特征在于：所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。
5.根据权利要求1所述的一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，其特征在于：所述稳定剂为木质素纤维。
6.根据权利要求1所述的一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，其特征在于：所述抗老化剂为纳米CeO2。
7.根据权利要求1所述的一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，其特征在于：所述抗剥落剂选自SA100、XT-1、XT-2中的一种或几种。
8.根据权利要求3所述的一种吸附可降解尾气的温拌改性沥青罩面材料，其特征在于：所述温拌剂的合成步骤为：
采用正硅酸四乙酯TEOS作硅源、钛酸正四丁酯TBOT作钛源、四丙基氢氧化铵TPAOH作有机模板剂和十六烷基三甲基溴化铵CTAB作介孔造孔剂；按物质的量之比为TEOS： TPAOH：TBOT：CTAB：H2O =0.8-1.2：0.1-0.3：0.4-0.6：0.4-0.6：18来制备反应溶胶；
先将钛源TBOT滴加入硅源TEOS中混合均匀得到混合液，在搅拌下将混合液逐滴加入有机模板剂TPAOH水溶液中，再加入介孔造孔剂CTAB，搅拌30 min以上得到反应溶胶，将反应溶胶转移至反应釜，在70-90℃晶化至少6天，冷却洗涤干燥得多级孔钛硅分子筛，将此产物完全浸没在浓度为1 mol/L的六氟钛酸铵 (NH4)2TiF6溶液中1 h以上，放入烘箱干燥，在管式炉中以5℃/min的升温速率从室温升到520℃后保持5 h进行煅烧，即得TiO2/H-TS-1硅钛分子筛。
9.如权利要求1-7中任一项所述的一种可吸附降解尾气的温拌改性沥青罩面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将沥青加热至呈流动状态后倒入温拌剂中，剪切混合均匀，加入改性剂，以速率为3000-3500 rpm剪切至无明显大颗粒，得混合物1；
2）将增塑剂加到混合物1中混合均匀，然后加入稳定剂，混合均匀后，得到混合物2；
3）将抗老化剂加入到混合物2中搅拌均匀，后将抗剥落剂加入混合均匀即得。
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