本发明涉及道路工程领域，具体涉及一种生物质沥青改性剂及其制备方法与应用。
背景技术：
随着我国公路交通建设的快速发展，人们对沥青路面的使用性能呈现出多元化趋势，其中对道路沥青材料的可持续发展及经济环保的要求尤为关键。近年来，利用高分子聚合物对基质沥青进行改性，以改善沥青的高温抗车辙性能、抗老化性能等相关性能，满足人们对沥青路面使用的要求。但沥青路面材料严重依赖于日趋枯竭的石油能源，并且石油沥青、高聚物改性剂的大量生产导致严重的环境污染，制约我国道路材料的可持续发展，阻碍了资源节约型、环境友好型社会的建设。因此，加快可持续的经济环保型道路材料的开发成为目前亟需解决的问题。
秸秆等木质材料具有优异的物化性质、环境特性和良好的力学性能，由于其属于难熔、难溶的天然复合材料，难以像玻璃、塑料一样通过物理加热和加压等方式进行加工处理，从而影响了木质资源的回收和利用。木材液化是一种将木质纤维从固态转化为液态物质的方法，即在某些化学催化反应的条件下，将木质转化为粘稠状流体的热化学过程。本发明在沥青供给日趋紧张及功能性沥青难推广的双重压力之下，利用稻草秸秆的液化产物作为生物质沥青改性剂，拓展木质生物质材料的应用领域，缓解沥青路面材料生产带来的能源短缺和环境污染。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种生物质沥青改性剂及其制备方法与应用，该生物质改性剂以稻草秸秆为原料，在高温高压环境下与聚乙二醇400、丙三醇和对羟基苯乙醇的混合物在酸催化作用下进行化学反应，制得热塑性较好的生物质改性剂；将生物质改性剂用于道路基质沥青改性，所得改性沥青在不改变基质沥青高温性能的前提下，能够显著提高基质沥青的低温变形能力。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)一种生物质沥青改性剂，包括以下原料：稻草秸秆、液化剂和催化剂。
优选的，所述液化剂包含对羟基苯乙醇、聚乙二醇和丙三醇。
优选的，所述催化剂包含对甲苯磺酸。
优选的，所述稻草秸秆与液化剂的质量比为1:3～1:4。
进一步优选的，所述液化剂中对羟基苯乙醇、聚乙二醇和丙三醇的质量比为1:(1～2):(2～3)。
优选的，所述催化剂的质量占所述液化剂质量的5～10％。
(二)一种生物质沥青改性剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对稻草秸秆进行初步粉碎，得纤维状秸秆；
步骤2，对所述纤维状秸秆进一步粉碎，过筛，干燥至恒重，冷却，得粉末状秸秆；
步骤3，将粉末状秸秆、液化剂和催化剂加入反应釜内，向反应釜内通入氮气以排出反应釜内的空气，液化反应，排出反应釜内的气体，冷却至室温，得生物质沥青改性剂。
优选的，步骤1中，所述纤维状秸秆的长度为0.2～0.5cm。
优选的，步骤2中，所述粉末状秸秆的最大粒径为50目。
优选的，步骤2中，所述干燥的温度为100～110℃，干燥的时间为22～26h。
优选的，步骤3中，所述反应釜的初始压强为4～5mpa。
优选的，步骤3中，所述液化反应的温度为150～200℃，液化反应的时间为120～180min。
(三)一种生物质改性沥青，包括以下原料：生物质沥青改性剂和基质沥青。
优选的，所述生物质沥青改性剂的质量占所述基质沥青质量的5～20％。
(四)一种生物质改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，加热基质沥青，备用；
步骤2，将生物质沥青改性剂加入所述基质沥青中，搅拌，发育，得生物质改性沥青。
优选的，步骤1中，所述加热基质沥青为加热至120～140℃。
优选的，步骤2中，所述搅拌的温度为120～135℃，搅拌的时间为30～60min。
优选的，步骤2中，所述发育的温度为120～130℃，发育的时间为90～180min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明中的稻草秸秆为干燥的天然稻草秸秆，是一种废弃的可再生材料，具有天然降解、易回收等特性，可在高温高压环境下与聚乙二醇400、丙三醇和对羟基苯乙醇的混合物在酸催化作用下进行化学反应，使得天然稻草秸秆转化为具有一定反应活性的深褐色粘稠状液态物质，即生物质沥青改性剂。
2)本发明是在高温、无氧的环境中进行，避免了稻草秸秆的高温氧化、碳化；所得液化产物是一种热塑性材料，在常温下为褐色黏稠状液体，具有良好的可塑性；随温度的升高，液化产物流动性增加，冷却至常温又恢复原状，具有与石油沥青相似的性质。
3)道路工程用沥青属于一种组成复杂的有极高黏度液体，本发明将稻草秸秆液化所得产物用于沥青的改性，所得生物质改性沥青不仅性能优异、成本低廉，而且也解决了稻草秸秆利用难或利用率低等问题，提高了废弃秸秆的使用价值和适用性，拓宽了废弃木质材料的应用领域。
4)本发明的稻草秸秆液化过程液化剂用量低、重现性好，液化过程中避免了环境二次污染。因此，本发明的生物质沥青改性剂可有效推广，并且缓解了道路工程对石油沥青、天然沥青的依赖。
5)本发明所得生物质沥青改性剂在不改变沥青高温性能的前提下，对沥青的低温变形能力具有显著的改善作用。
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。
实施例1
一种生物质沥青改性剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对干燥的稻草秸秆进行初步粉碎，得长度为0.2～0.5cm纤维状秸秆。
步骤2，采用微型植物粉碎机对纤维状秸秆进一步粉碎，过50目筛网，将通过筛孔的粉末状秸秆置于105℃的干燥箱中干燥24h，冷却至室温，得绝干的粉末状秸秆，备用。
步骤3，将10g粉末状秸秆、35g液化剂(液化剂中对羟基苯乙醇、聚乙二醇400和丙三醇的质量比为1:1.5:2.5)和2.8g对甲苯磺酸加入反应釜内，将反应釜的通气阀和排气阀同时打开，持续通入氮气1min以排除反应釜内的空气。将排气阀关闭，并继续充入氮气，直至反应釜内的压强达到4.5mpa后关闭通气阀。启动反应釜，在175℃条件下液化反应160min，反应完成后，排出反应釜内的气体，取出液化产物，冷却至室温，得生物质沥青改性剂。
将上述所得的生物质沥青改性剂用于对道路工程用90#基质沥青进行改性，具体改性方法如下：
步骤1，将壳牌90#基质沥青加热至130℃，备用。
步骤2，将25g、50g生物质沥青改性剂分别加入到500g加热后的90#基质沥青中，在130℃、600r/min条件下机械搅拌40min，然后放入120℃的干燥箱内发育90min，分别得生物质改性沥青a和改性沥青b。
对90#基质沥青、改性沥青a和改性沥青b的软化点、针入度、延度、黏度等性能进行测试，具体测试方法参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)中的t0604-2011、t0605-2011、t0606-2011和t0625-2011，试验结果见表1。
表1性能测试结果
由表1可知，相比于基质沥青，改性沥青a和改性沥青b的软化点变化不明显，但其针入度和延度明显增加，黏度降低；说明生物质沥青改性剂对基质沥青的高温性能基本没有影响，但会增加基质沥青的低温变形能力。即生物质沥青改性剂掺入到基质沥青后，起到与基质沥青中轻质组分相似的作用，会使得沥青软化、稠度降低，更利于沥青的低温抗开裂性能。
同时，改性沥青b的针入度和延度高于改性沥青a的针入度和延度，表明随着生物质沥青改性剂掺量的增加，针入度和延度也随之增大，说明生物质沥青改性剂掺量越高对沥青低温变形能力越有利。改性沥青b和改性沥青a的粘度相差不大，说明生物质沥青改性剂掺量对沥青黏度的影响有限。
综上所述，本发明所得的生物质沥青改性剂在不改变沥青高温性能的前提下，对沥青的低温变形能力具有良好的改性效果，在寒冷地区具有较为广阔的应用前景。
实施例2
一种生物质沥青改性剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对干燥的稻草秸秆进行初步粉碎，得长度为0.2～0.5cm纤维状秸秆。
步骤2，采用微型植物粉碎机对纤维状秸秆进一步粉碎，过50目筛网，将通过筛孔的粉末状秸秆置于100℃的干燥箱中干燥26h，冷却至室温，得绝干的粉末状秸秆，备用。
步骤3，将10g粉末状秸秆、30g液化剂(液化剂中对羟基苯乙醇、聚乙二醇400和丙三醇的质量比为1:2:3)和1.5g对甲苯磺酸加入反应釜内，将反应釜的通气阀和排气阀同时打开，持续通入氮气1min以排除反应釜内的空气。将排气阀关闭，并继续充入氮气，直至反应釜内的压强达到5mpa后关闭通气阀。启动反应釜，在150℃条件下液化反应180min，反应完成后，排出反应釜内的气体，取出液化产物，冷却至室温，得生物质沥青改性剂。
将上述所得的生物质沥青改性剂用于对道路工程用90#基质沥青进行改性，具体改性方法如下：
步骤1，将壳牌90#基质沥青加热至120℃，备用。
步骤2，将生物质沥青改性剂加入到加热后的90#基质沥青中，在120℃、600r/min条件下机械搅拌60min，然后放入125℃的干燥箱内发育130min，得生物质改性沥青；其中，生物质沥青改性剂的掺入量为90#基质沥青质量的20％。
实施例3
一种生物质沥青改性剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对干燥的稻草秸秆进行初步粉碎，得长度为0.2～0.5cm纤维状秸秆。
步骤2，采用微型植物粉碎机对纤维状秸秆进一步粉碎，过50目筛网，将通过筛孔的粉末状秸秆置于110℃的干燥箱中干燥22h，冷却至室温，得绝干的粉末状秸秆，备用。
步骤3，将10g粉末状秸秆、40g液化剂(液化剂中对羟基苯乙醇、聚乙二醇400和丙三醇的质量比为1:1:2)和4g对甲苯磺酸加入反应釜内，将反应釜的通气阀和排气阀同时打开，持续通入氮气1min以排除反应釜内的空气。将排气阀关闭，并继续充入氮气，直至反应釜内的压强达到4mpa后关闭通气阀。启动反应釜，在200℃条件下液化反应120min，反应完成后，排出反应釜内的气体，取出液化产物，冷却至室温，得生物质沥青改性剂。
将上述所得的生物质沥青改性剂用于对道路工程用90#基质沥青进行改性，具体改性方法如下：
步骤1，将壳牌90#基质沥青加热至140℃，备用。
步骤2，将生物质沥青改性剂加入到加热后的90#基质沥青中，在120℃、600r/min条件下机械搅拌45min，然后放入130℃的干燥箱内发育90min，得生物质改性沥青；其中，生物质沥青改性剂的掺入量为90#基质沥青质量的12.5％。
实施例4
一种生物质沥青改性剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对干燥的稻草秸秆进行初步粉碎，得长度为0.2～0.5cm纤维状秸秆。
步骤2，采用微型植物粉碎机对纤维状秸秆进一步粉碎，过50目筛网，将通过筛孔的粉末状秸秆置于105℃的干燥箱中干燥24h，冷却至室温，得绝干的粉末状秸秆，备用。
步骤3，将10g粉末状秸秆、40g液化剂(液化剂中对羟基苯乙醇、聚乙二醇400和丙三醇的质量比为1:1:3)和2g对甲苯磺酸加入反应釜内，将反应釜的通气阀和排气阀同时打开，持续通入氮气1min以排除反应釜内的空气。将排气阀关闭，并继续充入氮气，直至反应釜内的压强达到4.5mpa后关闭通气阀。启动反应釜，在200℃条件下液化反应160min，反应完成后，排出反应釜内的气体，取出液化产物，冷却至室温，得生物质沥青改性剂。
将上述所得的生物质沥青改性剂用于对道路工程用90#基质沥青进行改性，具体改性方法如下：
步骤1，将壳牌90#基质沥青加热至130℃，备用。
步骤2，将生物质沥青改性剂加入到加热后的90#基质沥青中，在135℃、600r/min条件下机械搅拌30min，然后放入120℃的干燥箱内发育180min，得生物质改性沥青；其中，生物质沥青改性剂的掺入量为90#基质沥青质量的5％。
以上实施例中，反应釜为高温高压反应釜，可提供高温、高压反应环境，实现固-固、固-液和液-液反应。
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。