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        玉米秸稈基生物瀝青制備與性能

        2022-07-11 01:36:58張世曉龐久寅姜貴全劉云龍于麗輝
        關(guān)鍵詞:延度針入度焦油

        張世曉,龐久寅,姜貴全,劉云龍,于麗輝

        (1.北華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 吉林 132013;2.吉林新元木業(yè)有限公司,吉林 敦化 133799)

        因鋪設(shè)快捷、維護(hù)方便,瀝青路面得到了廣泛應(yīng)用[1].作為石油提煉的副產(chǎn)物,瀝青資源減少、售價(jià)升高.秸稈在高溫碳化過程中受熱分解,秸稈中的木質(zhì)纖維素產(chǎn)生可冷凝煙氣,處理冷凝后的液體得到的黑色黏稠狀液體即為秸稈焦油[2].秸稈焦油的性質(zhì)與石油瀝青類似,為了擺脫對瀝青的依賴,國內(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)研究[3].馮德成等[4]提出的“一種道路用生物瀝青材料及其制備方法”獲得專利,主要解決了生物瀝青在使用過程中存在的性能缺陷,以及傳統(tǒng)道路黏結(jié)劑產(chǎn)量不足、價(jià)格高的問題;廖曉峰等[5]試驗(yàn)研究了添加生物瀝青的瀝青共混物性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn):生物結(jié)合料具有良好的低溫抗裂性,添加適量的生物結(jié)合料能顯著改善常規(guī)瀝青的抗裂性,可作為改性添加劑使用;WILLIAMS R C等[6]針對有機(jī)油快速熱解的膠結(jié)材料柔性路面,研究了橡木、櫻桃柳樹和玉米秸稈3種生物油用作瀝青改性劑的效果.秸稈焦油含有很多有機(jī)成分,作為生產(chǎn)生物炭時(shí)的副產(chǎn)物,通常被直接排放,不僅給環(huán)境造成污染,而且也會(huì)造成很大的資源浪費(fèi).為了更加全面地評價(jià)生物瀝青的性能,更好利用秸稈焦油,本文以玉米秸稈、90號基質(zhì)瀝青和增溶劑為原料,利用正交試驗(yàn)確定生物瀝青的最佳物料比,采用延度、針入度和軟化點(diǎn)等指標(biāo)檢測生物瀝青的各項(xiàng)性能,研究結(jié)果可為秸稈制備生物瀝青提供理論依據(jù).

        1 試驗(yàn)材料、儀器與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        玉米秸稈,市場購買;玉米秸稈焦油,pH為3~4,含水率為18%~21%,吉林新元木業(yè)有限公司;增溶劑、無水乙醇,分析純,南京化學(xué)試劑有限公司;90號石油瀝青,廣東茂名正誠石油化工有限公司.

        1.2 試驗(yàn)儀器

        YB-2000高速多功能粉碎機(jī),浙江永康市速鋒工貿(mào)有限公司;MAX-C30002電子天平,深圳市無限量衡器有限公司;DK-98-Ⅱ電子調(diào)溫萬用電爐,天津市泰斯特儀器有限公司;DF-4智能數(shù)顯瀝青針入度儀,南京拓興儀器儀表研究所;SY-2D調(diào)溫調(diào)速瀝青延伸度測定儀,天津市慶達(dá)試驗(yàn)儀器制造有限公司;DHG-90電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋,金壇市江南儀器廠;DD5臺(tái)式高速離心機(jī),湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司.

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 玉米秸稈焦油制備

        稱取一定量干燥至恒重的玉米秸稈置于反應(yīng)釜內(nèi),按比例加入液化劑和催化劑.封閉反應(yīng)釜,通入保護(hù)氣(N2),排出反應(yīng)釜內(nèi)的空氣后密封.設(shè)定液化溫度為200 ℃,液化時(shí)間為120 min,初步制得秸稈焦油.將體積比為1∶0.5的秸稈焦油與乙醇溶劑混合,在50 ℃常壓下攪拌1 h,得到混合物料.將乙醇逐次加入混合物料中,加熱蒸餾,直至混合物料質(zhì)量不再減少.將混合物料放入離心機(jī)離心,2 000 r/min分離5 min,得到凈化的秸稈焦油.秸稈焦油特性:密度(20 ℃)為1.09 g/cm3,黏度(20 ℃)為9.8 m2·s,pH為4.

        1.3.2 生物瀝青制備

        將整株玉米秸稈用高速粉碎機(jī)粉碎,制成玉米秸稈纖維.按照基質(zhì)瀝青質(zhì)量的5%、10%、20%、30%和40%添加凈化后的秸稈焦油,按基質(zhì)瀝青質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%添加秸稈纖維,按基質(zhì)瀝青質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%添加增溶劑.120 ℃下混合攪拌,得到秸稈生物瀝青.

        1.3.3 基質(zhì)瀝青性能檢測

        基質(zhì)瀝青采用90號A級道路石油瀝青,試驗(yàn)項(xiàng)目依照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中要求的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行選取,試驗(yàn)方法采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的方法.各項(xiàng)技術(shù)要求和測試結(jié)果見表1.

        表1 生物瀝青性能檢測結(jié)果Tab.1 Performance testing of bio-asphalt

        1.3.4 正交試驗(yàn)

        正交試驗(yàn)是依據(jù)Galois理論設(shè)計(jì)的一種研究多因素、多水平的試驗(yàn)方法,可在不影響試驗(yàn)結(jié)果的情況下簡化試驗(yàn)[7].本文采用3水平3因素正交表進(jìn)行試驗(yàn).以秸稈焦油、秸稈纖維和增溶劑的添加量為變量因素,取3個(gè)變化水平,采用9種組合制備秸稈生物瀝青,測試針入度、軟化點(diǎn)和延度.正交試驗(yàn)方案見表2.

        表2 正交試驗(yàn)方案Tab.2 Orthogonal experimental scheme

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 生物瀝青性能

        2.1.1 針入度

        瀝青針入度用來檢測瀝青的軟、硬程度,針入度越高,瀝青越軟;反之,則越硬.不同因素和水平下生物瀝青針入度見圖1.

        圖1不同因素和水平下生物瀝青針入度Fig.1Variation of the penetration of bio-asphalt under different factors and levels

        由圖1可知:隨著秸稈焦油添加量的增加,生物瀝青的針入度也隨之提高.秸稈焦油添加量在10%時(shí)斜率最大,表明隨著焦油的添加,生物瀝青的針入度增長速率顯著增加;當(dāng)秸稈添加量達(dá)到20%時(shí)針入度最高;隨著焦油添加量的提高,針入度開始下降.這是由于秸稈焦油屬于油分材料,與石油瀝青相容性較好,但隨著秸稈焦油的提高,石油瀝青與秸稈焦油混合料達(dá)到飽和,繼續(xù)添加秸稈焦油反而會(huì)降低針入度[8].

        隨著秸稈纖維摻量的提高,生物瀝青的針入度逐漸減小.秸稈纖維每增加0.1%,針入度就會(huì)降低0.1~0.6 mm,這是由于添加大量秸稈纖維使得整個(gè)生物瀝青體系變得濃稠,輕質(zhì)組分減少,針入度降低.當(dāng)秸稈纖維添加量為0.1%時(shí),生物瀝青的針入度最高.

        增溶劑的作用是使秸稈焦油與基質(zhì)瀝青更好、更多地融合在一起.隨著增溶劑添加量的提高,生物瀝青針入度逐漸提高,但當(dāng)增溶劑的添加量超過0.4%時(shí),針入度不再提高,反而隨著增溶劑的增加開始降低,這與秸稈焦油添加量的變化一致.

        對比3個(gè)影響因素的極差可知,影響生物瀝青針入度的主次因素為A>B>C,最佳配比為A3B1C3,即秸稈焦油添加量為30%、秸稈纖維添加量為0.1%、增溶劑添加量為0.3%時(shí),生物瀝青的針入度最高.

        圖2不同因素和水平下生物瀝青延度Fig.2Ductility variation law of bio-asphalt under different factors and levels

        2.1.2 延 度

        在15 ℃下,以5 cm/min的速度拉伸試樣,直至拉斷,讀取的數(shù)值即為延度.延度是對瀝青低溫延展性的表征,延度越大,表明其低溫延展性越好.不同因素水平下生物瀝青15 ℃延度見圖2.

        由圖2可知:當(dāng)秸稈焦油摻量增加時(shí),生物瀝青的延度逐漸上升.當(dāng)焦油添加量超過10%時(shí),延度開始高于基質(zhì)瀝青,20%~30%時(shí)延度增加最快,當(dāng)達(dá)到30%時(shí)延度最高,隨后開始下降.這是由于秸稈焦油中含有大量輕質(zhì)組分,這些輕質(zhì)組分與石油瀝青混合,使得瀝青的柔韌性增強(qiáng)[9].

        添加的秸稈纖維會(huì)與瀝青中的酸性成分產(chǎn)生吸附作用,使得瀝青呈單分子狀排列在纖維上,形成穩(wěn)定的瀝青-纖維混合結(jié)構(gòu).生物質(zhì)纖維的比表面積較大,可以吸取秸稈焦油中的油分,使纖維的韌性增強(qiáng),秸稈纖維、秸稈焦油和石油瀝青三者協(xié)同作用使得生物瀝青的延展性增強(qiáng)[10].

        隨著增溶劑添加量的提高,生物瀝青的延度也逐漸提高,在添加量為0.3%時(shí)達(dá)到最大,超過0.3%時(shí)開始下降,此時(shí)增溶劑的作用開始降低.這可能是因?yàn)樵鋈軇p輕了分子間的范德華力,使得分子間移動(dòng)性增大,生物瀝青的延度得到提高[11].

        對比3個(gè)不同因素的極差可知,對生物瀝青延度影響由高到低為A>B>C,最佳配比為A3B3C2,即秸稈焦油為30%、秸稈纖維為0.3%、增溶劑為0.2%.

        圖3不同因素和水平下生物瀝青軟化點(diǎn)Fig.3Softening point of bio-asphalt under different factors and levels

        2.1.3 軟化點(diǎn)

        瀝青軟化點(diǎn)是對瀝青溫度敏感性的表征,軟化點(diǎn)越高,溫度敏感性越低,高溫穩(wěn)定性越好.生物瀝青軟化點(diǎn)檢測結(jié)果見圖3.

        由圖3可知:隨著秸稈焦油添加量的提高,生物瀝青的軟化點(diǎn)逐漸升高,這是因?yàn)榻斩捊褂褪墙?jīng)過高溫裂解所獲得的,在與石油瀝青混合時(shí)高溫穩(wěn)定性得到提升,軟化點(diǎn)也隨之提高,當(dāng)添加量在10%~20%時(shí),軟化點(diǎn)提高較快.

        秸稈纖維的添加會(huì)提高瀝青結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)被逐漸加固,溫度敏感性減弱,高溫穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)[12].

        增溶劑的添加使得秸稈纖維、秸稈焦油和瀝青分子之間的作用力減小,能更好地相互融合,經(jīng)過兩者填充使得生物瀝青的軟化點(diǎn)提高,高溫穩(wěn)定性也隨之提高.

        雖然瀝青的軟化點(diǎn)越高穩(wěn)定性越好,但同時(shí)也會(huì)對其他性質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響.檢測發(fā)現(xiàn),當(dāng)軟化點(diǎn)超過55 ℃時(shí),生物瀝青的針入度和延度將會(huì)大幅降低,因此,應(yīng)合理添加秸稈纖維和焦油.經(jīng)過試驗(yàn)分析確定,影響生物瀝青軟化點(diǎn)的因素為A>C>B,最佳配合比為A1C3B3,即秸稈焦油為10%、增溶劑為0.3%、秸稈纖維為0.3%.

        2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

        秸稈焦油對生物瀝青性能的影響最大,其自身油分可以補(bǔ)充瀝青中的輕質(zhì)組分,使其延度增大,同時(shí)摻加其他添加劑能夠進(jìn)一步重塑生物瀝青的性能[13].在單因素試驗(yàn)中,當(dāng)增溶劑添加量超過0.4%時(shí),生物瀝青的性質(zhì)均不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求.這是由于增溶劑雖然能夠?qū)⒔斩捓w維和石油瀝青更好地混合,但同時(shí)也會(huì)使石油瀝青中的油分被吸收,加速瀝青的老化,因此,本次正交試驗(yàn)并未對其進(jìn)行研究.不同摻量組合生物瀝青的性能見表3.由表3可見:隨著秸稈焦油添加量的增加,生物瀝青的軟化點(diǎn)、針入度和延度都逐漸升高,但是當(dāng)添加量超過20%時(shí),針入度開始降低.因此,確定生物瀝青的最佳摻量組合為A2B2C3,即秸稈焦油為20%、秸稈纖維為0.2%、增溶劑為0.3%.

        表3 秸稈生物瀝青性能測試結(jié)果Tab.3 Performance test results of straw bio-asphalt

        3 小結(jié)及討論

        玉米秸稈焦油中所含的有機(jī)成分較多,可以用來制備生物瀝青,不僅符合綠色可持續(xù)發(fā)展要求,同時(shí)也能降低瀝青的生產(chǎn)成本.其中,作為主要的填充劑,秸稈焦油對生物瀝青的性質(zhì)有很大影響.

        1)通過正交試驗(yàn),明確了玉米秸稈生物瀝青的最佳配比為秸稈焦油20%、秸稈纖維0.2%、增溶劑0.3%,確定了秸稈焦油用于生物瀝青的適用性,兩者相互協(xié)調(diào),可為今后研制綠色生物瀝青奠定基礎(chǔ).

        2)在基質(zhì)瀝青中適當(dāng)添加玉米秸稈焦油與秸稈纖維可以提高基質(zhì)瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn),但當(dāng)玉米秸稈焦油與秸稈纖維的添加量超過基質(zhì)瀝青質(zhì)量的30%和0.3%時(shí),生物瀝青的性能達(dá)不到技術(shù)要求,同時(shí)也會(huì)使瀝青的老化速度加快,因此,控制添加量對生物瀝青的制備尤為重要.

        受試驗(yàn)設(shè)備以及研究條件限制,本研究只針對玉米秸稈焦油生物瀝青進(jìn)行了試驗(yàn)檢測,而不同生物質(zhì)所生產(chǎn)出來的生物油性質(zhì)不同,這也給生物瀝青研究帶來了許多新的方向;針入度、延度和軟化點(diǎn)只是瀝青表觀性能的一種表現(xiàn),并不能體現(xiàn)生物瀝青應(yīng)用性的優(yōu)劣,因此,后續(xù)還需對生物瀝青混合料進(jìn)行更深入的探討與研究,以保證所制備的生物瀝青可以更好地應(yīng)用在道路工程領(lǐng)域.

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