一種利用生物炭改性瀝青及其混合料的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及道路工程的瀝青材料技術領域，具體涉及一種利用生物炭改性瀝青的方法，還涉及一種利用生物炭改性瀝青混合料的方法。
【背景技術】
[0002]道路工程用的瀝青粘結劑多數來自礦物燃料，礦物燃料的大量使用會導致溫室效應，造成環境污染。同時，石油資源不斷減少，面臨枯竭，而石油瀝青作為一種不可再生資源也面臨嚴重的供求失衡，因此迫切需要利用其他可再生資源生產一種新型材料以代替石油瀝青。綜合考慮石油儲量減少、降低能源成本、減緩溫室氣體排放等方面，使生物燃料得到廣泛關注。我國生物質資源豐富，約有7億多噸農副產品可作為資源利用，包括農作物秸桿、農林廢棄物、城市固體廢棄物等。生物質材料有來源廣泛、可再生性和環境友好性優點，但一些生物質材料的副產品一一生物炭，不適合用于生產生物燃料，因此該問題引起廣泛關注。之前碳纖維，炭黑等含碳材料已經長期被用作瀝青添加劑，且起到良好的效果。生物炭由于具有碳性質和形態，加上此前碳系瀝青改性劑的成功應用，為生物炭用作成為瀝青工業的生物改性劑提供了可能，同時可以改善瀝青粘合劑性能，為道路材料提供了一個充滿希望的發展新途徑。
【發明內容】
[0003]為了解決現有技術中的問題，本發明提出一種將生物炭摻入瀝青及其混合料中，制備生物炭改性瀝青及其混合料，提高普通瀝青及其混合料性能，以代替石油瀝青廣泛用于道路鋪筑，減少石油瀝青的使用，降低礦物燃料對環境的污染的利用生物炭改性瀝青及其混合料的方法。
[0004]為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案為:
[0005]—種利用生物炭改性瀝青的方法，包括以下步驟:
[0006]I)以植物為碳源，采用熱解法制備出生物炭改性劑；
[0007]2)將針入度為50?110(0.0lmm)的石油瀝青在160?170°C下加熱后，將質量百分比為4%?12 %的干燥生物炭改性劑與石油瀝青混合，在剪切混合器中高速剪切，待測樣品混合好之后用金屬容器收集，在-8?_12°C下儲存，即完成利用生物炭改性瀝青的方法。
[0008]所述步驟I)中采用管式爐分解法或微波反應器法制備生物炭改性劑；
[0009]管式爐分解法包括:將植物碳源放入管式爐中，使熱分解溫度由室溫上升至400?500°C，保持80?10min后冷卻至室溫，取反應完成后的固體殘余物作為生物炭樣品;
[0010]微波反應器法包括:將植物碳源制粉后與碳化硅顆粒按照質量比1:3混合，混合后放入微波反應器中，并在30?60s內加熱至400?500°C，保持15?20min冷卻至室溫后，對反應完成后的固體殘余物用100號篩篩分出碳化硅顆粒，再用4號篩篩分取篩下物，即得到生物炭改性劑。
[0011]所述的管式爐分解法和管式爐分解法中均采用氮氣將殘留的空氣及反應生成的氣體和流體排出，流速為I?2mL/s。
[0012]所述的植物碳源為農作物秸桿或柳枝。
[0013]所述步驟2)中生物炭改性劑的質量百分比優選10%。
[0014]一種利用生物炭改性瀝青混合料的方法，包括以下步驟:
[0015]I)以植物為碳源，采用熱解法制備出生物炭改性劑；
[0016]2)以針入度為50?110 (0.0lmm)的石油瀝青作為基質瀝青，粒徑為4.75?9.5mm的碎石作為粗集料，粒徑為1.18?2.36mm的天然砂為細集料，將基質瀝青、粗集料和細集料分別放在160?170°C下加熱2小時后混合得到瀝青混合料，將質量百分比為4%?12%的干燥生物炭改性劑與瀝青混合料混合，即完成利用生物炭改性瀝青混合料的方法。
[0017]所述步驟I)中采用管式爐分解法或微波反應器法制備生物炭改性劑；
[0018]管式爐分解法包括:將植物碳源放入管式爐中，使熱分解溫度由室溫上升至400?500°C，保持80?10min后冷卻至室溫，取反應完成后的固體殘余物，即得到生物炭改性劑；
[0019]微波反應器法包括:將植物碳源制粉后與碳化硅顆粒按照質量比1:3混合，混合后放入微波反應器中，并在30?60s內加熱至400?500°C，保持15?20min冷卻至室溫后，對反應完成后的固體殘余物用100號篩篩分出碳化硅顆粒，再用4號篩篩分取篩下物，即得到生物炭改性劑。
[0020]所述的管式爐分解法和管式爐分解法中均采用氮氣將殘留的空氣及反應生成的氣體和流體排出，流速為I?2mL/s。
[0021]所述的植物碳源為農作物秸桿或柳枝。
[0022]所述步驟2)中生物炭改性劑與瀝青混合料混合前在115?125°C條件下干燥2小時。
[0023]與現有技術相比，本發明通過測試生物炭改性瀝青的相關試驗指標，將生物炭改性瀝青的粘度與未改性瀝青的粘度相比，發現生物炭的摻入在高工作溫度下可提高瀝青粘度，在低工作溫度下幾乎無影響，表明生物炭具有降低基質瀝青溫度敏感性的作用；同時生物炭的摻入可降低老化對瀝青的影響。彈性模量Mr可以表征瀝青混合料的抗車轍性能，值越高，瀝青混合料的抗車轍性能越好，通過彈性模量試驗數據可知，未摻生物炭改性劑的瀝青的MR值在3800Mpa左右，而摻入生物炭改性劑的瀝青的Mr值在3800?4800Mpa，相比未摻入生物炭改性劑的瀝青的Mr值提高了近lOOOMpa。發現彈性模量隨生物炭摻量增加而增加，當摻量達10%時，改性瀝青混合料的彈性模量值最大，表明生物炭改性劑的摻入可使瀝青混合料有更好的抗車轍性能。同時觀察8000次APA車轍試驗的車轍深度也可發現摻入生物炭后瀝青混合料的APA車轍深度在7.0?7.8mm,相比未摻入生物炭的APA車轍深度降低了 0.7?1.5_，使得瀝青混合料的抗車轍性能明顯提高。J積分可用于表征瀝青混合料的抗裂性能，Jc值越大，混合料抗裂性能越好。對J積分結果進行分析知，生物炭的摻入使得瀝青混合料的Jc值提高了約0.3kJ/m2，表明生物炭的摻入可提高瀝青混合料的抗裂性會K。
[0024]本發明采用植物為碳源，來源廣泛，不僅能降低生產成本，充分利用廢棄資源，而且能提高瀝青及其混合料的使用性能，彌補石油瀝青在某些使用性能方面的不足；本發明的工藝簡單，操作方便，制備的生物炭改性瀝青滿足道路用瀝青的使用性能，可以部分或者完全代替石油瀝青。
[0025]進一步，生物炭改性劑摻量超過10%時，改性瀝青的硬化效應明顯，因此要合理控制生物炭的摻量。
【附圖說明】
[0026]圖1和圖2分別是本發明的生物炭改性瀝青、生物炭改性瀝青混合料的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合具體的實施例和說明書附圖對本發明作進一步的解釋說明。
[0028]—種利用生物炭改性瀝青的方法，包括以下步驟:
[0029]I)以植物為碳源，采用熱解法制備出生物炭改性劑，熱解法為管式爐分解法或微波反應器法，管式爐分解法包括:將植物碳源放入管式爐中，使熱分解溫度由室溫上升至400?500°C，保持80?10min后冷卻至室溫，即得到生物炭改性劑；微波反應器法包括:將植物碳源制粉后與碳化硅顆粒按照質量比1:3混合，碳化硅顆粒粒徑小于0.15_，混合后放入微波反應器中，并在30?60s內加熱至400?500°C，保持15?20min冷卻至室溫后，先用100號篩篩分出碳化硅顆粒，再用4號篩篩分取篩下物，即得到生物炭改性劑；
[0030]2)將針入度為50?110(0.0lmm)的石油瀝青在160?170°C下加熱后，將質量百分比為4%?12 %的干燥生物炭改性劑與石油瀝青混合，在剪切混合器中高速剪切，待測樣品混合好之后用金屬容器收集，在-8?_12°C下儲存，即完成利用生物炭改性瀝青的方法。
[0031]管式爐分解法和管式爐分解法中均采用氮氣將殘留的空氣及反應生成的氣體和流體排出，流速為I?2mL/s。
[0032]所述步驟2)中生物炭改性劑的質量百分比優選10%。
[0033]植物碳源為農作物秸桿或柳枝。
[0034]—種利用生物炭改性瀝青混合料的方法，包括以下步驟:
[0035]I)以植物為碳源，采用熱解法制備出生物炭改性劑；
[0036]2)以針入度為50?110 (0.0lmm)的石油瀝青作為基質瀝青，粒徑為4.75?9.5mm的巖碎石作為粗集料，粒徑為1.18?2.36mm的天然砂為細集料，基質瀝青、粗集料和細集料分別在160?170°C下加熱2小時后混合得到瀝青混合料，將質量百分比為4%?10%的干燥生物炭改性劑與瀝青混合料混合，即完成利用生物炭改性瀝青混合料的方法。
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