CN105017788A - 一种利用生物炭改性沥青及其混合料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用生物炭改性沥青及其混合料的方法，所采用的技术方案为：利用植物碳源制备生物炭改性剂，将生物炭掺入沥青及其混合料中，制备生物炭改性沥青及其混合料，提高普通沥青及其混合料性能，以代替石油沥青广泛用于道路铺筑，减少石油沥青的使用，降低矿物燃料对环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程的沥青材料技术领域，具体涉及一种利用生物炭改性沥青的方法，还涉及一种利用生物炭改性沥青混合料的方法。
背景技术
道路工程用的沥青粘结剂多数来自矿物燃料，矿物燃料的大量使用会导致温室效应，造成环境污染。同时，石油资源不断减少，面临枯竭，而石油沥青作为一种不可再生资源也面临严重的供求失衡，因此迫切需要利用其他可再生资源生产一种新型材料以代替石油沥青。综合考虑石油储量减少、降低能源成本、减缓温室气体排放等方面，使生物燃料得到广泛关注。我国生物质资源丰富，约有7亿多吨农副产品可作为资源利用，包括农作物秸秆、农林废弃物、城市固体废弃物等。生物质材料有来源广泛、可再生性和环境友好性优点，但一些生物质材料的副产品——生物炭，不适合用于生产生物燃料，因此该问题引起广泛关注。之前碳纤维，炭黑等含碳材料已经长期被用作沥青添加剂，且起到良好的效果。生物炭由于具有碳性质和形态，加上此前碳系沥青改性剂的成功应用，为生物炭用作成为沥青工业的生物改性剂提供了可能，同时可以改善沥青粘合剂性能，为道路材料提供了一个充满希望的发展新途径。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种将生物炭掺入沥青及其混合料中，制备生物炭改性沥青及其混合料，提高普通沥青及其混合料性能，以代替石油沥青广泛用于道路铺筑，减少石油沥青的使用，降低矿物燃料对环境的污染的利用生物炭改性沥青及其混合料的方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：
一种利用生物炭改性沥青的方法，包括以下步骤：
1)以植物为碳源，采用热解法制备出生物炭改性剂；
2)将针入度为50～110(0.01mm)的石油沥青在160～170℃下加热后，将质量百分比为4％～12％的干燥生物炭改性剂与石油沥青混合，在剪切混合器中高速剪切，待测样品混合好之后用金属容器收集，在-8～-12℃下储存，即完成利用生物炭改性沥青的方法。
所述步骤1)中采用管式炉分解法或微波反应器法制备生物炭改性剂；
管式炉分解法包括：将植物碳源放入管式炉中，使热分解温度由室温上升至400～500℃，保持80～100min后冷却至室温，取反应完成后的固体残余物作为生物炭样品；
微波反应器法包括：将植物碳源制粉后与碳化硅颗粒按照质量比1:3混合，混合后放入微波反应器中，并在30～60s内加热至400～500℃，保持15～20min冷却至室温后，对反应完成后的固体残余物用100号筛筛分出碳化硅颗粒，再用4号筛筛分取筛下物，即得到生物炭改性剂。
所述的管式炉分解法和管式炉分解法中均采用氮气将残留的空气及反应生成的气体和流体排出，流速为1～2mL/s。
所述的植物碳源为农作物秸秆或柳枝。
所述步骤2)中生物炭改性剂的质量百分比优选10％。
一种利用生物炭改性沥青混合料的方法，包括以下步骤：
1)以植物为碳源，采用热解法制备出生物炭改性剂；
2)以针入度为50～110(0.01mm)的石油沥青作为基质沥青，粒径为4.75～9.5mm的碎石作为粗集料，粒径为1.18～2.36mm的天然砂为细集料，将基质沥青、粗集料和细集料分别放在160～170℃下加热2小时后混合得到沥青混合料，将质量百分比为4％～12％的干燥生物炭改性剂与沥青混合料混合，即完成利用生物炭改性沥青混合料的方法。
所述步骤1)中采用管式炉分解法或微波反应器法制备生物炭改性剂；
管式炉分解法包括：将植物碳源放入管式炉中，使热分解温度由室温上升至400～500℃，保持80～100min后冷却至室温，取反应完成后的固体残余物，即得到生物炭改性剂；
微波反应器法包括：将植物碳源制粉后与碳化硅颗粒按照质量比1:3混合，混合后放入微波反应器中，并在30～60s内加热至400～500℃，保持15～20min冷却至室温后，对反应完成后的固体残余物用100号筛筛分出碳化硅颗粒，再用4号筛筛分取筛下物，即得到生物炭改性剂。
所述的管式炉分解法和管式炉分解法中均采用氮气将残留的空气及反应生成的气体和流体排出，流速为1～2mL/s。
所述的植物碳源为农作物秸秆或柳枝。
所述步骤2)中生物炭改性剂与沥青混合料混合前在115～125℃条件下干燥2小时。
与现有技术相比，本发明通过测试生物炭改性沥青的相关试验指标，将生物炭改性沥青的粘度与未改性沥青的粘度相比，发现生物炭的掺入在高工作温度下可提高沥青粘度，在低工作温度下几乎无影响，表明生物炭具有降低基质沥青温度敏感性的作用；同时生物炭的掺入可降低老化对沥青的影响。弹性模量MR可以表征沥青混合料的抗车辙性能，值越高，沥青混合料的抗车辙性能越好，通过弹性模量试验数据可知，未掺生物炭改性剂的沥青的MR值在3800Mpa左右，而掺入生物炭改性剂的沥青的MR值在3800～4800Mpa，相比未掺入生物炭改性剂的沥青的MR值提高了近1000Mpa。发现弹性模量随生物炭掺量增加而增加，当掺量达10％时，改性沥青混合料的弹性模量值最大，表明生物炭改性剂的掺入可使沥青混合料有更好的抗车辙性能。同时观察8000次APA车辙试验的车辙深度也可发现掺入生物炭后沥青混合料的APA车辙深度在7.0～7.8mm，相比未掺入生物炭的APA车辙深度降低了0.7～1.5mm，使得沥青混合料的抗车辙性能明显提高。J积分可用于表征沥青混合料的抗裂性能，Jc值越大，混合料抗裂性能越好。对J积分结果进行分析知，生物炭的掺入使得沥青混合料的Jc值提高了约0.3kJ/m2，表明生物炭的掺入可提高沥青混合料的抗裂性能。
本发明采用植物为碳源，来源广泛，不仅能降低生产成本，充分利用废弃资源，而且能提高沥青及其混合料的使用性能，弥补石油沥青在某些使用性能方面的不足；本发明的工艺简单，操作方便，制备的生物炭改性沥青满足道路用沥青的使用性能，可以部分或者完全代替石油沥青。
进一步，生物炭改性剂掺量超过10％时，改性沥青的硬化效应明显，因此要合理控制生物炭的掺量。
附图说明
图1和图2分别是本发明的生物炭改性沥青、生物炭改性沥青混合料的方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
一种利用生物炭改性沥青的方法，包括以下步骤：
1)以植物为碳源，采用热解法制备出生物炭改性剂，热解法为管式炉分解法或微波反应器法，管式炉分解法包括：将植物碳源放入管式炉中，使热分解温度由室温上升至400～500℃，保持80～100min后冷却至室温，即得到生物炭改性剂；微波反应器法包括：将植物碳源制粉后与碳化硅颗粒按照质量比1:3混合，碳化硅颗粒粒径小于0.15mm，混合后放入微波反应器中，并在30～60s内加热至400～500℃，保持15～20min冷却至室温后，先用100号筛筛分出碳化硅颗粒，再用4号筛筛分取筛下物，即得到生物炭改性剂；
2)将针入度为50～110(0.01mm)的石油沥青在160～170℃下加热后，将质量百分比为4％～12％的干燥生物炭改性剂与石油沥青混合，在剪切混合器中高速剪切，待测样品混合好之后用金属容器收集，在-8～-12℃下储存，即完成利用生物炭改性沥青的方法。
管式炉分解法和管式炉分解法中均采用氮气将残留的空气及反应生成的气体和流体排出，流速为1～2mL/s。
所述步骤2)中生物炭改性剂的质量百分比优选10％。
植物碳源为农作物秸秆或柳枝。
一种利用生物炭改性沥青混合料的方法，包括以下步骤：
1)以植物为碳源，采用热解法制备出生物炭改性剂；
2)以针入度为50～110(0.01mm)的石油沥青作为基质沥青，粒径为4.75～9.5mm的岩碎石作为粗集料，粒径为1.18～2.36mm的天然砂为细集料，基质沥青、粗集料和细集料分别在160～170℃下加热2小时后混合得到沥青混合料，将质量百分比为4％～10％的干燥生物炭改性剂与沥青混合料混合，即完成利用生物炭改性沥青混合料的方法。
所述步骤1)中采用管式炉分解法或微波反应器法制备生物炭改性剂；
管式炉分解法包括：将植物碳源放入管式炉中，使热分解温度由室温上升至400～500℃，保持80～100min后冷却至室温，即得到生物炭改性剂；
微波反应器法包括：将植物碳源制粉后与碳化硅颗粒按照质量比1:3混合，碳化硅颗粒粒径小于0.15mm，混合后放入微波反应器中，并在30～60s内加热至400～500℃，保持15～20min冷却至室温后，用100号筛筛分出碳化硅颗粒，再用4号筛筛分取筛下物，即得到生物炭改性剂。
所述的管式炉分解法和管式炉分解法中均采用氮气将残留的空气及反应生成的气体和流体排出，流速为1～2mL/s。
所述的植物碳源为农作物秸秆或柳枝。
所述步骤2)中生物炭改性剂与沥青混合料混合前在115～125℃条件下干燥2小时。
参见图1，制备生物炭改性沥青的试验步骤如下：
(1)对柳枝进行热解生产生物改性剂——生物炭；
(2)将基质沥青放入烘箱中加热，并对改性剂进行干燥；
(3)以设计浓度将基质沥青与改性剂进行混合；
(5)混合好后对试样进行收集、储存。
参见图2，制备生物炭改性沥青混合料的试验步骤如下；
(1)对柳枝进行热解生产生物改性剂——生物炭；
(2)将基质沥青、集料放入烘箱中加热，并对改性剂进行干燥；
(3)以设计浓度将沥青混合料与改性剂进行混合；
(4)混合好后对试样进行收集、储存。
生物炭改性沥青：
对柳枝进行热解以生产生物炭，生物炭的最高处理温度为400～500℃。选用针入度50～110(0.01mm)范围石油沥青作为基质沥青，并在160～170℃的烘箱中加热。在115～125℃下将碳基改性剂干燥2小时，然后按照反应的设计浓度将基质沥青与改性剂混合，之后在剪切混合器中高速剪切。待测样品混合好之后用金属容器快速收集，在-8～-12℃下储存。其中，改性剂掺量分别为4％、6％、8％、10％、12％。
生物炭改性沥青混合料：
采用管式炉分解法对柳枝进行处理以生产生物炭，生物炭改性沥青混合料的原料有生物炭，针入度50～110(0.01mm)范围石油沥青作为基质沥青，最大公称粒径为9.5mm的碎石作为粗集料，细集料为通过1.18～2.36mm筛的天然砂。在进行混合之前，基质沥青和集料在160～170℃的烘箱中加热2小时。同时，碳基改性剂先在115～125℃条件下干燥2小时，然后再以设计浓度与加热后的沥青混合料混合。
通过测试生物炭改性沥青的相关试验指标，将生物炭改性沥青的粘度与未改性沥青的粘度相比，发现生物炭的掺入在高工作温度下可提高沥青粘度，在低工作温度下几乎无影响，表明生物炭具有降低基质沥青温度敏感性的作用；同时生物炭的掺入可降低老化对沥青的影响，但当生物炭掺量超过10％时，改性沥青的硬化效应明显，因此要合理控制生物炭的掺量。
弹性模量MR可以表征沥青混合料的抗车辙性能，值越高，沥青混合料的抗车辙性能越好，通过弹性模量试验数据可知，未掺生物炭的沥青的MR值在3800Mpa左右，而掺入生物炭的沥青的MR值在3800～4800Mpa，相比未掺入生物炭的沥青的MR值提高了近1000Mpa。发现弹性模量随生物炭掺量增加而增加，当掺量达10％时，改性沥青混合料的弹性模量值最大，表明生物炭的掺入可使沥青混合料有更好的抗车辙性能。同时观察8000次APA车辙试验的车辙深度也可发现掺入生物炭后沥青混合料的APA车辙深度在7.0～7.8mm，相比未掺入生物炭的APA车辙深度降低了0.7～1.5mm，使得沥青混合料的抗车辙性能明显提高。
J积分可用于表征沥青混合料的抗裂性能，Jc值越大，混合料抗裂性能越好。对J积分结果进行分析知，生物炭的掺入使得沥青混合料的Jc值提高了约0.3kJ/m2，表明生物炭的掺入可提高沥青混合料的抗裂性能。
本发明的改性剂来源广泛，如农作物秸秆、柳枝等。本发明不仅能降低生产成本，充分利用废弃资源，而且能提高沥青及其混合料的使用性能，弥补石油沥青在某些使用性能方面的不足；本发明的工艺简单，操作方便，制备的生物炭改性沥青满足道路用沥青的使用性能，可以部分或者完全代替石油沥青。
Claims (10)
1.一种利用生物炭改性沥青的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以植物为碳源，采用热解法制备出生物炭改性剂；
2)将针入度为50～110(0.01mm)的石油沥青在160～170℃下加热后，将质量百分比为4％～12％的干燥生物炭改性剂与石油沥青混合，在剪切混合器中高速剪切，待测样品混合好之后用金属容器收集，在-8～-12℃下储存，即完成利用生物炭改性沥青的方法。
2.根据权利要求1所述的一种利用生物炭改性沥青的方法，其特征在于，所述步骤1)中采用管式炉分解法或微波反应器法制备生物炭改性剂；
管式炉分解法包括：将植物碳源放入管式炉中，使热分解温度由室温上升至400～500℃，保持80～100min后冷却至室温，取反应完成后的固体残余物作为生物炭样品；
微波反应器法包括：将植物碳源制粉后与碳化硅颗粒按照质量比1:3混合，混合后放入微波反应器中，并在30～60s内加热至400～500℃，保持15～20min冷却至室温后，对反应完成后的固体残余物用100号筛筛分出碳化硅颗粒，再用4号筛筛分取筛下物，即得到生物炭改性剂。
3.根据权利要求2所述的一种利用生物炭改性沥青的方法，其特征在于，所述的管式炉分解法和管式炉分解法中均采用氮气将残留的空气及反应生成的气体和流体排出，流速为1～2mL/s。
4.根据权利要求3所述的一种利用生物炭改性沥青的方法，其特征在于，所述的植物碳源为农作物秸秆或柳枝。
5.根据权利要求1所述的一种利用生物炭改性沥青的方法，其特征在于，所述步骤2)中生物炭改性剂的质量百分比优选10％。
6.一种利用生物炭改性沥青混合料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以植物为碳源，采用热解法制备出生物炭改性剂；
2)以针入度为50～110(0.01mm)的石油沥青作为基质沥青，粒径为4.75～9.5mm的碎石作为粗集料，粒径为1.18～2.36mm的天然砂为细集料，将基质沥青、粗集料和细集料分别放在160～170℃下加热2小时后混合得到沥青混合料，将质量百分比为4％～12％的干燥生物炭改性剂与沥青混合料混合，即完成利用生物炭改性沥青混合料的方法。
7.根据权利要求6所述的一种利用生物炭改性沥青的方法，其特征在于，所述步骤1)中采用管式炉分解法或微波反应器法制备生物炭改性剂；
管式炉分解法包括：将植物碳源放入管式炉中，使热分解温度由室温上升至400～500℃，保持80～100min后冷却至室温，取反应完成后的固体残余物，即得到生物炭改性剂；
微波反应器法包括：将植物碳源制粉后与碳化硅颗粒按照质量比1:3混合，混合后放入微波反应器中，并在30～60s内加热至400～500℃，保持15～20min冷却至室温后，对反应完成后的固体残余物用100号筛筛分出碳化硅颗粒，再用4号筛筛分取筛下物，即得到生物炭改性剂。
8.根据权利要求7所述的一种利用生物炭改性沥青的方法，其特征在于，所述的管式炉分解法和管式炉分解法中均采用氮气将残留的空气及反应生成的气体和流体排出，流速为1～2mL/s。
9.根据权利要求8所述的一种利用生物炭改性沥青的方法，其特征在于，所述的植物碳源为农作物秸秆或柳枝。
10.根据权利要求6所述的一种利用生物炭改性沥青的方法，其特征在于，所述步骤2)中生物炭改性剂与沥青混合料混合前在115～125℃条件下干燥2小时。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151104 |