CN115849756B - 一种沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及公路工程沥青路面材料制备领域，公开了一种沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒及其制备方法和应用。一种沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将蔗渣原料净化、去杂，加入碱液浸泡，取出蔗渣，调节pH至6.0～8.5，得饱水蔗渣；步骤2，向饱水蔗渣中加入酶进行水解，取出，得饱和面干蔗渣，将饱和面干蔗渣切碎分散、干燥，得到蔗渣纤维；步骤3，将减压瓦斯油与蔗渣纤维进行预混、搅拌，得到第一混合物；步骤4，在第一混合物中掺入活性白土，搅拌，得到第二混合物；步骤5，对第二混合物进行造粒，得到沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒。本发明的蔗渣纤维复合颗粒具有良好的防水与防腐效果，以及良好的耐热及抗降解性能。
Description
技术领域
本发明涉及公路工程沥青路面材料制备领域，具体涉及一种沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒及其制备方法和应用。
背景技术
纤维沥青混凝土能显著改善沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害及抗疲劳开裂等路用性能，已广泛应用于高等级公路路面工程。近年来，探索农林固废纤维化应用于沥青路面工程引起了工程界的普遍关注，以减少道路建设对合成纤维、木质纤维的依赖和木材的消耗，也有效降低农林废弃物堆放造成的环境污染和资源浪费。
作为农林固废之一的制糖蔗渣，制备的蔗渣纤维与沥青混合料具有良好的兼容性，提升混合料路用性能明显。蔗渣来源广泛，存量大，制备的蔗渣纤维应用于高等级沥青路面中，不仅低碳、环保，也降低了现有沥青路面用纤维的制备成本，解决蔗渣环境污染和资源浪费的难题，而且有助于延伸甘蔗产业和蔗渣利用范围，促使蔗渣利用的附加值大大提高。与不可逆有机纤维和从木材中提炼的木质素纤维相比，蔗渣纤维将是一种全新的绿色、生态、环境友好型工程材料。
沥青路面处于持续的交通荷载、湿热循环等多因素作用下，蔗渣纤维是否具有良好的耐水、抗热性能是其能否大规模推广应用的关键，也是业界关注的焦点问题。发明专利CN108751768B公布的“一种沥青路面用蔗渣纤维的制备方法”、发明专利CN109972403B公布的“一种植物纤维的加工处理方法”，通过表面改性等措施能改善蔗渣纤维的粘结、耐水、抗热等技术性能。然而，现有蔗渣纤维防水性及耐腐蚀性仍然较差，耐热及抗降解性能不佳，影响蔗渣纤维在沥青路面中的使用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒及其制备方法和应用，解决现有技术中蔗渣纤维防水性及耐腐蚀性较差、耐热及抗降解性能不佳的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将蔗渣原料净化、去杂，加入碱液浸泡；取出蔗渣，调节pH至6.0～8.5，得饱水蔗渣；
步骤2，向饱水蔗渣中加入酶进行水解，取出，得饱和面干蔗渣；将饱和面干蔗渣切碎分散、干燥，得到蔗渣纤维；
步骤3，将减压瓦斯油与蔗渣纤维进行预混、搅拌，得到第一混合物；
步骤4，在第一混合物中掺入活性白土，搅拌，得到第二混合物；
步骤5，对第二混合物进行造粒，得到沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒。
优选的，步骤1中碱液为氢氧化钠溶液，其质量浓度为3～8％。
优选的，步骤2中酶为多聚半乳糖醛酸水解酶，酶的质量为饱水蔗渣质量的1～3％。
优选的，步骤2中饱和面干蔗渣切碎分散的具体方法为：
向饱和面干蔗渣中加水，将饱和面干蔗渣和水的混合物加入剪切设备内进行切碎分散；饱和面干蔗渣和水的质量比为(1∶3)～(1：2)，剪切设备的转速为4500～5500r/min，剪切分散的时间为180～210s。
优选的，步骤3中减压瓦斯油为原油经减压蒸馏所得到的沸程范围约为350～500℃的馏分油。
优选的，步骤3中减压瓦斯油用量为蔗渣纤维质量的6％～12％，预混搅拌时间为10min～20min。
优选的，步骤4中活性白土，由白土经浓度为10％～15％的稀硫酸活化制成。
优选的，步骤4中活性白土用量为第一混合物质量的3％～5％，搅拌时间为10min～20min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用减压瓦斯油对蔗渣纤维进行预裹覆，可显著提高蔗渣纤维憎水性，蔗渣纤维复合颗粒具有良好的防水与防腐效果；此外，减压瓦斯油为石油基产品，与道路沥青具有良好的兼容性，有利于蔗渣纤维复合颗粒与道路沥青之间界面粘结。
本发明采用活性白土去除减压瓦斯油中的部分胶质，使蔗渣纤维中的极性官能团相对减少，疏水性能进一步改善；此外活性白土在蔗渣纤维颗粒表面形成一层含胶质的活性白土界面层，进一步隔绝了外界氧气进入，活性白土的多孔结构特性致使其本身也是一种天然的隔热、抗氧化剂，更有利于提高蔗渣纤维复合颗粒的耐热及抗降解性能。
应用了本发明的蔗渣纤维复合颗粒的沥青混合料，高温稳定性、低温抗裂性和耐久性好，抗疲劳开裂性能提升明显。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的蔗渣纤维的扫描电子显微图；
图2为本发明的吸附减压瓦斯油的蔗渣纤维的扫描电子显微图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
甘蔗渣为制糖后的残渣，其成分与木材相似，本发明将蔗渣通过适度的碱液处理和表面活性剂浸泡等预处理工序，通过减压瓦斯油和活性白土的复合作用，形成一种沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒，将其适量掺入沥青混合料中，能有效地提高沥青路面的高温抗车辙、低温抗开裂及水稳定性能，延长沥青路面的使用寿命。
实施例1
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用5％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以5％稀盐酸调节至pH值8.0，得饱水蔗渣；
步骤2，向饱水蔗渣中加入占饱水状态蔗渣总质量2％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理5小时，活化处理温度为60℃，随后捞出沥干至饱和面干状态，得饱和面干蔗渣；将饱和面干蔗渣与水以质量比2∶5混合，加入剪切设备内进行切碎分散，剪切设备转速为5000r/min，剪切分散时间为210s，对剪切分散物进行干燥、筛分，得到长度为1～6mm，长径比为30～50的蔗渣纤维；
步骤3，将沸程范围为350～500℃、135℃的旋转黏度为280mPa·s的减压瓦斯油掺入到上述蔗渣纤维中，搅拌20min，得到第一混合物；其中减压瓦斯油质量为蔗渣纤维质量的6％；
步骤4，在第一混合物中掺入活性白土，搅拌，得到第二混合物；活性白土用量为第一混合物质量的3％，搅拌时间为15min；
步骤5，采用螺旋造粒机对第二混合物进行挤出造粒，得到直径为5mm、颗粒长度为4～8mm的蔗渣纤维复合颗粒。
沥青混合料，包含以下原料：石料90份、矿粉5.0份、沥青4.5份和实施例1制备的蔗渣纤维复合颗粒0.1份。
实施例2
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用3％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以5％稀盐酸调节至pH值7.0，得饱水蔗渣；
步骤2，向饱水蔗渣中加入占饱水状态蔗渣总质量1％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理5小时，活化处理温度为60℃，随后捞出沥干至饱和面干状态，得饱和面干蔗渣；将饱和面干蔗渣与水以质量比2∶5混合，加入剪切设备内进行切碎分散，剪切设备转速为4500r/min，剪切分散时间为180s，对剪切分散物进行干燥、筛分，得到长度为1～6mm，长径比为30～50的蔗渣纤维。
步骤3，将沸程范围为350～500℃、135℃的旋转黏度为280mPa·s的减压瓦斯油掺入到上述蔗渣纤维中，搅拌15min，得到第一混合物；其中减压瓦斯油质量为蔗渣纤维质量的8％；
步骤4，在第一混合物中掺入活性白土，搅拌，得到第二混合物；活性白土用量为第一混合物质量的4％，搅拌时间为20min；
步骤5，采用螺旋造粒机对第二混合物进行挤出造粒，得到直径为5mm、颗粒长度为4～8mm的蔗渣纤维复合颗粒。
沥青混合料，包含以下原料：石料89份、矿粉4.8份、沥青4.7份和实施例2制备的蔗渣纤维复合颗粒0.15份。
实施例3
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用6％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以5％稀盐酸调节至pH值6.0，得饱水蔗渣；
步骤2，向饱水蔗渣中加入占饱水状态蔗渣总质量2％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理5小时，活化处理温度为60℃，随后捞出沥干至饱和面干状态，得饱和面干蔗渣；将饱和面干蔗渣与水以质量比1∶3混合，加入剪切设备内进行切碎分散，剪切设备转速为5500r/min，剪切分散时间为190s，对剪切分散物进行干燥、筛分，得到长度为1～6mm，长径比为30～50的蔗渣纤维。
步骤3，将沸程范围为350～500℃、135℃的旋转黏度为280mPa·s的减压瓦斯油掺入到上述制备的蔗渣纤维中，搅拌10min，得到第一混合物；其中减压瓦斯油质量为蔗渣纤维质量的10％；
步骤4，在第一混合物中掺入活性白土，搅拌，得到第二混合物；活性白土用量为第一混合物质量的5％，搅拌时间为10min；
步骤5，采用螺旋造粒机对第二混合物进行挤出造粒，得到直径为5mm、颗粒长度为4～8mm的蔗渣纤维复合颗粒。
沥青混合料，包含以下原料：石料91份、矿粉4.6份、沥青4.9份和实施例3制备的蔗渣纤维复合颗粒0.20份。
实施例4
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用8％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以5％稀盐酸调节至pH值8.5，得饱水蔗渣；
步骤2，向饱水蔗渣中加入占饱水状态蔗渣总质量3％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理5小时，活化处理温度为60℃，随后捞出沥干至饱和面干状态，得饱和面干蔗渣；将饱和面干蔗渣与水以质量比1：2混合，加入剪切设备内进行切碎分散，剪切设备转速为5000r/min，剪切分散时间为200s，对剪切分散物进行干燥、筛分，得到长度为1～6mm，长径比为30～50的蔗渣纤维；
步骤3，将沸程范围为350～500℃、135℃的旋转黏度为280mPa·s的减压瓦斯油掺入到上述蔗渣纤维中，搅拌18min，得到第一混合物；其中减压瓦斯油为蔗渣纤维质量的12％；
步骤4，在第一混合物中掺入活性白土，搅拌，得到第二混合物；活性白土用量为第一混合物质量的5％，搅拌时间为20min；
步骤5，采用螺旋造粒机对第二混合物进行挤出造粒，得到直径为5mm、颗粒长度为4～8mm的蔗渣纤维复合颗粒。
沥青混合料，包含以下原料：石料90.5份、矿粉4.4份、沥青5.1份和实施例4制备的的蔗渣纤维复合颗粒0.25份。
对比例
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用5％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以5％稀盐酸中和至中性，得饱水蔗渣；
步骤2，向饱水蔗渣中加入占饱水状态蔗渣总质量2％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理4小时，捞出至饱和面干状态，得到饱和面干蔗渣；
步骤3，向饱和面干蔗渣中加入质量为饱和面干蔗渣质量的2％的亚甲基双萘磺酸钠分散剂以及质量为饱和面干蔗渣质量的3％的膨胀珍珠岩微粉，搅拌4min，得搅拌物；
步骤4，向搅拌物中加入饱和面干蔗渣质量的2.5倍水，选用刀片式破碎高速分散机，刀片旋转速度为4000转/分钟，在室温下加工4min；得到机械分散物；
步骤5，对机械分散物进行干燥，过0.15mm方孔筛筛分，即得。
沥青混合料，包含以下原料：石料90.5份、矿粉4.4份、沥青5.1份和对比例制备的的蔗渣纤维0.25份。
将本发明实施例1制备的蔗渣纤维与第一混合物用扫描电子显微镜进行微观观察，可以发现蔗渣纤维微观构造为多层纤维壁围绕构织形成的中空微纤维管，再由数个中空微纤维管结合形成的纤维束状，如图1所示，具有极强的吸附能力。第一混合物中减压瓦斯油渗入蔗渣纤维，整个蔗渣纤维表面被减压瓦斯油全方位裹覆，如图2所示。采用减压瓦斯油对蔗渣纤维进行裹覆，大幅度提高了蔗渣纤维表面的疏水性，也隔断了外来水分进入蔗渣纤维内部，改善了防水与防腐性能。此外，减压瓦斯油为石油基产品，与道路沥青具有良好的兼容性，有利于蔗渣纤维与道路沥青之间界面粘结。
减压瓦斯油经活性白土脱去其中的部分胶质，极性官能团相对减少，疏水性能进一步改善；另一方面，在蔗渣纤维表面形成一层含胶质的活性白土界面层，进一步隔绝了外界氧气进入，活性白土的多孔结构特性致使其本身也是一种天然的隔热、抗氧化剂，更有利于提高蔗渣纤维的耐热及抗降解性能。此外，活性白土也填补了蔗渣纤维表面缺陷，改善了蔗渣纤维的力学性能。
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011》和《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》，对实施例1-4和对比例所得的沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性评价，试验结果如表1所示。
表1沥青混合料路用性能试验结果
由表1可知，随着蔗渣纤维复合颗粒掺量增加，沥青混合料的动稳定度、低温弯曲破坏应变、浸水马歇尔试验残留稳定度、冻融劈裂试验残留强度比的数值随之增大，表明蔗渣纤维复合颗粒对混合料强度、低温韧性及水稳定性的增强效果。与对比例相比较，减压瓦斯油和活性白土的复合作用对混合料高温性能的提升效果不太显著，甚至当减压瓦斯油掺量为12％，其动稳定度小于对比例，但对低温弯曲破坏应变、浸水马歇尔试验残留稳定度、冻融劈裂试验残留强度比的提升效果比较明显，以实施例4为例，与对比例相比较，分别提高了11.6％、5.7％、7.3％，因此，如果着眼于混合料低温抗裂及水稳性的改善，适当增加减压瓦斯油掺量，如果着眼于混合料高温稳定性的改善，适当减少增加减压瓦斯油掺量，增加活性白土和蔗渣纤维复合颗粒掺量。
综合考虑沥青混合料的性能提升状况和经济性，选择掺量为0.20％蔗渣纤维复合颗粒作为沥青混合料的最佳纤维掺量，减压瓦斯油和活性白土掺量分别为10％和5％，沥青混合料的各项路用性能均得到较好的改善。
本发明的蔗渣纤维颗粒掺加到沥青混合料中，可明显提升其高温稳定性和低温抗裂性。沥青混合料通过沥青将各种粒径的粗集料和细集料粘结在一起，在荷载作用下，一方面，沥青混合料集粘-弹-塑性与一体，当蔗渣纤维颗粒融入到沥青混合料中，蔗渣纤维起着桥接沥青混合料中的各个粒径的集料，提高了沥青混合料的劲度模量和韧性，增强了沥青的胶结作用。另一方面，蔗渣纤维在混合料中呈无序随机分布，与吸附的沥青构成了复杂多样的空间结构，增大了复合材料的摩擦角，提升了沥青混合料的抗形变能力。
本发明的蔗渣纤维复合颗粒掺加到沥青混合料中，可明显提升其抗疲劳开裂性能。在长期的交变荷载、温度的升降交替变化等不利因素的作用下，沥青路面结构中某个部分出现微小裂缝，受荷载的持续作用，在裂缝尖端出现应力集中现象，裂缝也逐步扩展，当尺寸到达临界值时，裂缝的发展方式转变成了失稳扩展的形式直至整个结构遭到破坏。蔗渣纤维复合颗粒中的短纤维所形成的网络结构正好能够阻止裂缝的开展，换言之，路面结构中的裂缝要继续扩展，必须要先打破纤维构成的网络结构，需要吸收更多的能量，这样纤维起到了增加结构体的韧性、抵抗疲劳开裂的能力。同样，蔗渣纤维复合颗粒与其吸附的沥青构成的胶结层同样使混合料在低温条件下，阻止裂缝的开展。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将蔗渣原料净化、去杂，加入碱液浸泡；取出蔗渣，调节pH至6.0～8.5，得饱水蔗渣；
步骤2，向所述饱水蔗渣中加入多聚半乳糖醛酸水解酶进行水解，取出，得饱和面干蔗渣；将饱和面干蔗渣切碎分散、干燥，得到蔗渣纤维；
步骤3，将减压瓦斯油与蔗渣纤维进行预混、搅拌，得到第一混合物；
步骤4，在第一混合物中掺入活性白土，搅拌，得到第二混合物；
步骤5，对第二混合物进行造粒，得到沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒。
2.根据权利要求1所述的沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述碱液为氢氧化钠溶液，其质量浓度为3～8％。
3.根据权利要求1所述的沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述酶为多聚半乳糖醛酸水解酶，所述酶的质量为所述饱水蔗渣质量的1～3％。
4.根据权利要求1所述的沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，其特征在于，步骤2中，饱和面干蔗渣切碎分散的具体方法为：
向饱和面干蔗渣中加水，将饱和面干蔗渣和水的混合物加入剪切设备内进行切碎分散，饱和面干蔗渣和水的质量比为(1:3)～(1:2)，所述剪切设备的转速为4500～5500r/min，剪切分散的时间为180～210s。
5.根据权利要求1所述的沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述减压瓦斯油为原油经减压蒸馏所得到的沸程范围为350～500℃的馏分油。
6.根据权利要求1所述的沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述减压瓦斯油用量为蔗渣纤维质量的6％～12％，预混搅拌时间为10min～20min。
7.根据权利要求1所述的沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述活性白土，由白土经浓度为10％～15％的稀硫酸活化制成。
8.根据权利要求1所述的沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述活性白土用量为第一混合物质量的3％～5％，搅拌时间为10min～20min。
9.根据权利要求1-8任一项所述制备方法制备的沥青路面用蔗渣纤维复合颗粒。
10.一种沥青混合料，其特征在于，包含以下原料：石料、矿粉、沥青和权利要求9所述的蔗渣纤维复合颗粒；其中，石料用量为89-91份，矿粉用量为4.4-5份，沥青用量为4.5-5.1份，蔗渣纤维复合颗粒用量为0.1-0.25份。
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