一种生物改性沥青及其制备方法

1.本发明属于道路工程材料技术领域，涉及一种生物改性沥青及其制备方法。


背景技术：

2.随着我国经济高速发展，高级公路沥青路面与养护工程建设日益增多，沥青材料的需求也逐渐增加。随着不可再生的石油资源越来越紧缺，从原油中提炼的石油沥青也面临着供求失衡的危机，同时，石油沥青的大量使用对环境造成了严重影响。因此，在道路工程领域内在保证使用性能的条件下研究节约沥青用量的新技术是十分必要的。
3.近年来，针对沥青改性剂的研究，很多专家、学者将目光投向了生物改性剂，生物沥青的物理化学特性、路用性能等得到了广泛的研究。通过生物质快速热裂解技术将生物废弃物转化成生物油类物质从而用于生产生活是目前生物质的主要利用方式。
4.目前，在生物改性沥青研究领域内虽然有层出不穷、多种多样的生物改性剂，例如鱼鳞、龙虾壳等改性剂，但是现有的改性剂均存在一个较大的问题，即改善沥青的高温性能时损失了其低温性能，难以同时提高沥青高温、低温性能。沥青在道路工程使用中常常需要不断经历冬夏秋冬的循环，不断经受高温、低温的转变，这在技术层面上就要求沥青不仅要有优良的高温性能，还要有一定的低温抗裂性能，这也是限制沥青改性剂发展的一大关键因素。
5.福寿螺作为世界一百种恶性外来入侵物种之一和中国首批16种外来入侵物种之一，繁殖能力强，据相关研究数据显示，一对亲螺在两年的繁殖期内可产生成螺、中螺、仔螺1.0～1.2吨，所以其具有巨大的再生潜力。每一个成年福寿螺内含大约6000条广州管圆线虫，侵入人体后表现为嗜酸性粒细胞性脑膜炎和脑炎，是我国具有较大威胁的食源性寄生虫病之一。同时，福寿螺严重破坏水生态系统和农业生态系统，可造成其他水生物种灭绝，目前主要防治方法是采取药剂捕杀、人工捕杀及消灭越冬螺阻断传播等方式，灭杀后进行集中深埋、烧毁等处理。但是在处理过程中，深埋会占用一定的土地，喷洒药剂的过程中的药物残留成分以及焚烧过程中产生的烟灰会造成空气、土壤的污染，且并未实现对福寿螺的资源化利用。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供一种生物改性沥青，同时提高了基质沥青的高低温性能，降低了道路工程中路用的石油基质沥青的消耗量，提高了福寿螺的资源化利用效率，节能环保，解决了现有技术中存在的问题。
7.本发明另一目的是，提供一种生物改性沥青的制备方法。
8.本发明所采用的技术方案是，一种生物改性沥青，包括福寿螺粉和基质沥青，福寿螺粉与基质沥青的质量比5-45：100。
9.进一步的，福寿螺粉与基质沥青的质量比25-45：100。
10.进一步的，福寿螺粉与基质沥青的质量比5-25：100。
11.一种生物改性沥青的制备方法，具体按照以下步骤进行：s1，按照质量配比称取福寿螺粉和基质沥青，对福寿螺进行清洗、杀菌、烘干，研磨、筛分得到福寿螺粉；s2，在135-140℃下加热沥青为流动态；s3，将流动态的基质沥青加热至150（
±
2）℃，搅拌剪切；s4，向称取的基质沥青中缓慢加入福寿螺粉，保温，搅拌剪切；s5，在135-140℃下发育，即制得福寿螺粉改性沥青。
12.进一步的，所述步骤s1具体为：去除福寿螺表面污垢，然后放入135-140℃烘箱中30-35min进行高温杀菌消毒后取出；再次用蒸馏水对高温消杀后的福寿螺进行冲洗，去除杂质物质后放入135-140℃烘箱8-10h进行二次烘干，二次烘干取出后研磨10-15min后，过1800目筛网，得粒径小于0.01mm的福寿螺粉。
13.进一步的，所述福寿螺粉与基质沥青混合之前，将福寿螺粉放入135-140℃烘箱加热40-45min。
14.进一步的，所述步骤s3中，剪切速度为1000-1500rad/min，剪切时间5-10min。
15.进一步的，所述步骤s4中，福寿螺粉在2-3min添加完毕。
16.进一步的，所述步骤s4中，福寿螺粉全部加入后，保持温度为150
±
2℃，高速剪切的转速为3400-3500rad/min，剪切时间45-50min。
17.进一步的，所述步骤s5中，发育时间为40min-1h。
18.本发明的有益效果是：1、本发明实施例制备的福寿螺改性沥青与基质沥青相比，改性沥青的高低温性能均优于基质沥青，提升了改性沥青的综合路用性能，可以通过提高道路工程的沥青材料质量从而提高道路路面质量。
19.2、本发明实施例将外来入侵物种福寿螺作为沥青改性剂，解决了福寿螺处置过程中对环境造成的空气、土壤污染问题；为福寿螺提供了绿色无污染的处置方法，同时实现了对福寿螺的变废为宝、转害为益，通过将其作为沥青改性剂，减小了其对农业生态系统、水生态系统的危害，具有很好的经济效益。
20.3、本发明实施例降低了道路工程中路用的石油基质沥青的消耗量，减少了不可再生能源的损耗，符合节约资源、绿色环保的道路工程建设理念。
21.4、本发明实施例以福寿螺粉部分替代石油沥青降低生产成本，具有良好的经济、社会效益更好。
22.5、本发明实施例的制备方法工艺简单，不需要对福寿螺进行特殊处理，只需要经过简单清洗、磨粉、烘干、过筛等步骤即可制得具有良好社会效益与经济效益的生物沥青改性剂，有利于在工程实践中进行推广，具有良好的工程应用前景。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是基质沥青和改性沥青-12℃蠕变劲度对比图。
25.图2是基质沥青和改性沥青135℃布式旋转黏度对比图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
27.福寿螺软体内主要含蛋白质、碳水化合物，壳体主要为碳酸钙和甲壳质，而碳酸钙和甲壳质等物质可有效提高沥青的高温性能，故本发明福寿螺研磨成粉过筛后，将其作为沥青改性剂，以再生潜力巨大的有害生物福寿螺替代基质沥青，缓解石油资源消耗压力的同时提高基质沥青的路用性能，同时为福寿螺的资源化处治提供新的方案。
28.实施例1，一种生物改性沥青，包括福寿螺粉和基质沥青，福寿螺粉与基质沥青的质量比5-45：100。
29.实施例2，一种生物改性沥青的制备方法，具体按照以下步骤进行：s1，按照质量比5：100称取福寿螺粉和基质沥青，将福寿螺放在自来水中进行第一次清洗，用毛刷刷去表面污垢；然后放入135℃烘箱中35min进行高温杀菌消毒后取出；再次用蒸馏水对高温消杀后的福寿螺进行冲洗，去除杂质物质后放入135℃烘箱10h进行二次烘干，二次烘干取出后放入小型研磨机（型号：秒康-316）进行研磨，研磨10min后过1800目筛网，得粒径小于0.01mm的福寿螺粉。
30.s2，将基质沥青在135℃烘箱加热45min，至沥青为流动态。
31.s3，将流动态的基质沥青放入磁力搅拌器（df-101t-5）的集热锅，在148℃下进行油浴加热，同时启动高速剪切机（gs-1型）在1000rad/min的转速下剪切10min，使沥青受热均匀，温度稳定在148℃。
32.s4，待温度稳定后，向基质沥青中缓缓加入福寿螺粉，全部加入后保持温度为148℃，调整高速剪切仪的转速为3500rad/min剪切45min。
33.s5，将剪切完成后的改性沥青放入烘箱中，在135℃下发育1h，即制得福寿螺粉改性沥青。
34.实施例3，一种生物改性沥青的制备方法，具体按照以下步骤进行：s1，按照质量比25：100称取福寿螺粉和基质沥青，将福寿螺放在自来水中进行第一次清洗，用毛刷刷去表面污垢；然后放入140℃烘箱中30min进行高温杀菌消毒后取出；再次用蒸馏水对高温消杀后的福寿螺进行冲洗，去除杂质物质后放入140℃烘箱8h进行二次烘干，二次烘干取出后放入小型研磨机（型号：秒康-316）进行研磨，研磨15min后过1800目筛网，得粒径小于0.01mm的福寿螺粉。
35.s2，将基质沥青在140℃烘箱加热40min，至沥青为流动态。
36.s3，将流动态的基质沥青放入磁力搅拌器（df-101t-5）的集热锅，在150℃下进行
油浴加热，同时启动高速剪切机（gs-1型）在1200rad/min的转速下剪切7min，使沥青受热均匀，温度稳定在150℃。
37.s4，待温度稳定后，向基质沥青中缓缓加入福寿螺粉，全部加入后保持温度为150℃，调整高速剪切仪的转速为3400rad/min剪切47min。
38.s5，将剪切完成后的改性沥青放入烘箱中，在140℃下发育40min，即制得福寿螺粉改性沥青。
39.实施例4，一种生物改性沥青的制备方法，具体按照以下步骤进行：s1，按照质量比45：100称取福寿螺粉和基质沥青，将福寿螺放在自来水中进行第一次清洗，用毛刷刷去表面污垢；然后放入138℃烘箱中32min进行高温杀菌消毒后取出；再次用蒸馏水对高温消杀后的福寿螺进行冲洗，去除杂质物质后放入138℃烘箱9h进行二次烘干，二次烘干取出后放入小型研磨机（型号：秒康-316）进行研磨，研磨12min后过1800目筛网，得粒径小于0.01mm的福寿螺粉。
40.s2，将基质沥青在138℃烘箱加热43min，至沥青为流动态。
41.s3，将流动态的基质沥青放入磁力搅拌器（df-101t-5）的集热锅，在152℃下进行油浴加热，同时启动高速剪切机（gs-1型）在1500rad/min的转速下剪切5min，使沥青受热均匀，温度稳定在152℃。
42.s4，待温度稳定后，向基质沥青中缓缓加入福寿螺粉，全部加入后保持温度为152℃，调整高速剪切仪的转速为3450rad/min剪切50min。
43.s5，将剪切完成后的改性沥青放入烘箱中，在138℃下发育50min，即制得福寿螺粉改性沥青。
44.福寿螺粉的掺量分别为0、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%，其余制备方法与实施例2相同，制得福寿螺粉改性沥青的试验数据如图1-2所示。
45.抗蠕变分为高温和低温两种状态下，低温要求抗蠕变性能弱，在受力时要求沥青有较好的流动性，所以不容易产生低温脆断。而高温下要求抗蠕变性能强，表示在高温下受力后不容易变形。本发明实施例的蠕变劲度模量是低温下通过弯曲梁流变仪对标准试件进行试验得到的数据，15℃以下均可称为低温环境，弯曲梁流变仪在试验蠕变劲度模量时可以在-12℃下对沥青进行性能测试来表征其低温性能，如图1所示。蠕变劲度模量的数值越大说明其在低温条件力的作用下越不容易产生变形，故而其低温下更脆所以容易产生断裂，其值越小说明其在低温下的流动性越好，越不容易产生低温脆断现象，低温抗裂性越好。规范要求蠕变劲度模量应小于等于300 mpa，从图1可知，本发明实施例制得福寿螺粉改性沥青的蠕变劲度模量均小于100mpa，具有良好的低温抗裂性。
46.布式黏度可作为沥青高温性能的评价指标，数值越大说明沥青的高温性能越好。如图2所示，本发明实施例改性沥青中福寿螺粉掺量达到50%时，其-12℃蠕变劲度模量和基质沥青相当，说明其低温性能与基质沥青相差不大，在掺量为25%时，蠕变劲度相比基质沥青降低了19.0%。随着福寿螺粉掺量的增加，改性沥青黏度不断增大，说明沥青的高温性能随着福寿螺粉掺量的增加不断提高，福寿螺粉掺量为50%的时候，其布式黏度相对于基质沥青提高了43.7%。综上，本发明实施例制得的改性沥青的高低温性能相比基质沥青均有明显改善，提高了基质沥青的综合路用性能。
47.本发明实施例中，福寿螺粉与基质沥青的质量比5-45：100，比例过小体现不出福寿螺粉的改性沥青的优势，比例过大（超过45%时），导致沥青低温蠕变劲度大于基质沥青，所以低温性能变差，所以比例不宜过高。
48.在一些实施例中，步骤s4福寿螺粉加入速度保持在2min-3min添加完毕，添加速度过慢则导致沥青剪切时间增加，容易使沥青中部分轻组分挥发氧化，加快老化；添加速度过快会导致在剪切过程中容易使剪切仪阻塞，降低剪切分散效果。
49.福寿螺粉末中除了含有福寿螺壳的矿物质、甲壳素外还含有软体部分，软体部分中含有大量有机物，如氨基酸、脂肪、蛋白质等；单独的硬质矿物质虽然可以提高沥青的高温性能，但是对低温性能有一定的损伤，导致加入沥青中容易产生应力集中现象所以导致其低温抗裂性能较差。福寿螺软体部分含有的有机物质研磨成粉后在沥青内部产生熔融共混有利于补充沥青中饱和分芳香分等低分子组分，增大其中的小分子比例，降低矿物质对沥青低温性能带来的不利影响，在提高基质沥青高温性能的同时提高基质沥青的低温抗裂性。石油本身就是由动物以及植物的尸体，随着时间的流逝被掩藏在土壤之中，然后再跟有机物反应形成的，沥青即为石油中的重组分。
50.对比例1，通过鱼鳞粉改性基质沥青，鱼鳞粉掺量分别为4%、8%、12%、16%；制得的改性基质沥青随着鱼鳞掺量增加，4%时蠕变劲度（-12℃）增长幅度大概为200-250 mpa，增长率40%左右，说明在极低的掺量下其低温性能已经有了较大幅度的降低。在低温性能降幅达到40%以上时，鱼鳞掺量4%时布式黏度增长16.5mpa.s，鱼鳞掺量4%时布式黏度增长35.0%，均低于本发明实施例，因此在性能与废弃有害物资源化利用等方面上，本发明实施例具备相当明显的优势。
51.对比例2，通过龙虾壳粉改性基质沥青，龙虾壳粉掺量为5%-20%，其余步骤与本发明实施例2相同，制得的改性基质沥青低温性能较差。而本发明实施例不仅可以提高基质沥青的高温性能，而且可以较大程度改善低温性能，在福寿螺粉掺量25%时低温性能相比基质沥青提高了19.0%，同时高温性能提高了14.8%。在保证低温性能和基质沥青相同时，高温可相比基质沥青提高40%。
52.采用龙虾壳粉、鱼鳞粉作为沥青改性剂虽然对高温有较好的提高作用，鱼鳞、龙虾壳粉主要提供单一的硬质矿物质，由于硬质矿物质含量很高，对低温存在不利影响，在沥青内部容易产生应力集中，所以低温抗裂性能差。同时，在原材料的搜集方面难度很大，龙虾壳常常需要通过餐饮业进行收集，需要对龙虾壳进行仔细的清洗才可以使用，鱼鳞则搜集难度更大，难以大规模推广。本发明中可以使得用量最大达到45%，仍然可以得到低温性能与基质沥青相当，高温性能相比基质沥青提高40%以上的改性沥青产品，在废弃物处置、资源化利用、节约石油沥青等不可再生资源上具有相当大的优势。
53.本发明实施例通过福寿螺粉改性沥青，同时提高了基质沥青的高低温性能，同时能够适用于气温较低的地区，适用性更加广泛。同时，具有收集便利，可再生力极强等优点，若进行大规模使用甚至可以采用人工集中养殖的方式进行，同时可以增加经济、社会效益，减少福寿螺本身处置中对于空气土壤的污染，鼓励捕捉收集可有效降低其对农业、生态系统的危害，为福寿螺资源化处治提供有效的利用途径，在工程实际应用中更容易大规模使
用，工程实用性更强。福寿螺为外来入侵物种，对水生态系统和农业生态系统有害，本发明实施例将福寿螺作为沥青改性剂，一是为有害生物防治提供了新的方法；二是采用绿色无害化处理，消除了传统防治中喷洒药物、焚烧后填埋所造成的空气、土壤等环境污染问题；三是将福寿螺作为改性剂对沥青进行改性后，基质沥青的高低温性能均有一定的提高，综合路用性能相比基质沥青更好；四是通过福寿螺改性剂，降低了石油沥青等不可再生资源的消耗，具有资源节约、可持续发展的特点；五是采用福寿螺作为改性剂替代部分的基质沥青使得道路工程使用的沥青成本更低，其经济、社会效益更好，更有利于在工程实践应用中推广。
54.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。