CN105417987B - 一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料，包括如下重量份配比的材料：聚合物改性沥青4.5～5.5份、集料80～88份、煤气化渣10～20份、聚丙烯腈纤维0.2～0.3份。本发明还提供了一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料的制备方法。本发明的优点体现在：1)煤气化渣富含石墨相，与沥青兼容性较好，提高了沥青与集料的粘附性；2)提高了沥青胶浆的弹性和劲度模量，减少了混合料的累积变形，有效地抑制了沥青混凝土路面车辙的产生；3)掺入聚丙烯腈纤维，起到良好的“桥接加筋”作用，进一步提升了高模量沥青混凝土高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能及水稳定性，延长沥青路面使用寿命；4)环保化利用了煤气化渣，是绿色发展的成功典范。

Description

一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及沥青路面材料制备领域，具体涉及一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着我国高速公路的飞速发展，沥青路面得到广泛应用。目前在我国建成的高速公路中，超过90％的路面采用沥青路面。因为其具有表面平整、无接缝、振动小、噪声低、行车舒适、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等优点。在已经建成通车的高速公路沥青路面中，大部分路面的使用状况良好。但是，随着交通量的急剧增加，多轮轴重载车辆持续增多，局部路段存在超载和重载现象，致使局部沥青路面车辙问题突出。车辙属永久变形，分为压密型车辙、失稳型车辙、结构型车辙三种类型，其中失稳型车辙最为普遍，由于在高温条件下，剪应力超过沥青混合料的抗剪强度，导致集料在混合料内迁移，路面侧向流动变形，不断累积形成车辙。

究其缘由，归结起来可分为内因、外因及其他因素三大类。其中内因主要反映在沥青混合料高温稳定性的不良，如施工中用油偏多、沥青稠度偏低、矿料级配中细料过多、矿粉掺量过大、天然的圆状集料颗粒含量高等；外因主要是极端气候条件、渠化交通及重载车辆数量的增加；其他因素则是指路面基层和路面结构组合及其施工质量对路面车辙的影响。

车辙的出现，严重影响了行车安全、路面的使用寿命和服务质量，给沥青路面及路面的使用者带来了诸多危害，因此，如何控制沥青路面车辙是道路界最迫切关心的问题。目前，防治措施主要有：在路线及路面结构设计时避免车辙，如避免设置长大纵坡路段、改善沥青路面结构组合、提高中面层抗车辙性能、确保结构层连续受力；采用不同的设计方法设计骨架嵌挤型混合料，提高混合料抗车辙性能；采用改性沥青，沥青类型对混合料的抗车辙能力有显著的影响。可见，寻找一种能有效抵抗车辙的沥青混凝土材料迫在眉睫。

高模量沥青混凝土具有优良的抗车辙功能，主要采用硬质沥青、岩沥青复合改性剂(RA)及掺加热固性高聚物材料(PR PLASTS)等沥青改性材料，已在法国、德国、意大利等西欧国家及北非国家得到广泛应用。高模量沥青混凝土核心技术在于外掺剂与沥青形成高弹性、强粘结的沥青胶浆，高模量剂在沥青胶浆中起到交联与支撑作用，提高沥青混凝土的弹性和刚度，有效地抑制了沥青路面车辙变形，减少了交通荷载传递到底基层的应力，提高沥青路面的耐久性。

目前，煤气化产能以合成氨产量估算，全年生产合成氨约9000万吨，煤气化装置全年需要煤炭量约13.5亿吨，以灰含量18％计算、碳转化率94％计算，则每年产生3.04亿吨灰渣。煤气化渣在高温、缺氧、湿态、密闭环境下煤气化后形成的残渣，富含与沥青吸附性极好的炭黑，可增强矿料与沥青的粘附性；气化形成的多孔疏松微组织相，超大比表面积，沥青组分相、高聚物组分相渗入其中，构建组分互渗透、高粘弹网状结合体，提高了沥青胶浆的弹性和劲度模量，减少混合料的累积变形，可见，将煤气化渣应用于沥青混凝土中，能有效地提升沥青混凝土的模量，降低沥青路面的车辙病害，同时，也为环保型利用煤气化渣提供了新的思路。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料。该沥青混凝土材料主要由聚合物改性沥青、集料、煤气化渣、聚丙烯腈纤维等组成。聚合物改性沥青为SBS改性沥青，满足《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》聚合物改性沥青技术要求，集料为公路沥青路面常用石料，煤气化渣来自流化床煤渣，分为粗渣和细渣。

本发明的目的在于提供一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料组成及制备方法。制备煤气化渣高模量沥青混凝土工艺流程简单，实现煤渣废物利用，经济环保，具有重要的现实意义和工程应用价值。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料，包括如下重量份配比的材料：

聚合物改性沥青4.5～5.5份 集料80～88份

煤气化渣10～20份 聚丙烯腈纤维0.2～0.3份。

作为一种优选方案，所述聚合物改性沥青为SBS改性沥青，属于《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》所列SBS改性沥青的I-B或I-C或I-D系列。

作为一种优选方案，所述集料为公路沥青路面常用石料，材质为石灰岩或辉绿岩或玄武岩。

作为一种优选方案，所述常用石料共分为0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm和15～20mm五档规格，用于配制AC-13型和AC-20型沥青混凝土。

作为一种优选方案，所述煤气化渣分为细渣和粗渣。

作为一种优选方案，所述细渣的质量份数为2～5份，粗渣的质量份数为8～15份。

作为一种优选方案，所述聚丙烯腈纤维是用质量百分比85％以上的丙烯腈与第二和第三单体的共聚物，经湿法纺丝或干法纺丝制得的合成纤维。

作为一种优选方案，所述第二单体为非离子型单体，第三单体为离子型单体。

为实现上述第二个目的，本发明公开了如下技术方案：

一种基于前述掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料的掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取试验用聚丙烯腈纤维；

(2)在180℃-190℃温度下，将配制掺煤气化高模量沥青混凝土的各档集料恒温加热4h以上，煤气化渣在150℃～160℃温度下，恒温加热2h以上，备用；

(3)将SBS改性沥青加热至170℃～180℃，并充分搅拌均匀，备用；

(4)采用沥青混合料搅拌锅，将热集料和煤气化粗渣干拌10s，然后加入聚丙烯腈纤维干拌5s；

(5)加入热沥青湿拌90s，然后加入煤气化细渣湿拌90s；

(6)从沥青混合料搅拌锅中取样，经马歇尔击实仪击实成型或经车辙轮碾仪碾压成型，完成掺煤气化渣高模量沥青混凝土制备。

本发明公开的一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料及其制备方法，具有以下有益效果：

1)煤气化渣富含石墨相，与沥青兼容性较好，提高了沥青与集料的粘附性；

2)因高压气化，形成了大量多孔疏松微组织相，超大比表面积，沥青组分相、高聚物组分相渗入其中，构建组分互渗透、高粘弹网状的沥青胶浆结合体，提高了沥青胶浆的弹性和劲度模量，减少了混合料的累积变形，有效地抑制了沥青混凝土路面车辙的产生；

3)掺入聚丙烯腈纤维，起到良好的“桥接加筋”作用，进一步提升了高模量沥青混凝土高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能及水稳定性，延长沥青路面使用寿命；

4)转废为宝，环保化利用了煤气化渣，是绿色发展的成功典范。

具体实施方式

下面结合AC-13型高模量沥青混凝土的实施例对本发明作进一步描述。

一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料，包括如下重量份配比的材料：

聚合物改性沥青4.5～5.5份 集料80～88份

煤气化渣10～20份 聚丙烯腈纤维0.2～0.3份

聚合物改性沥青为SBS改性沥青，属于《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》所列SBS改性沥青的I-B系列。

所述AC-13型沥青混凝土集料为公路沥青路面常用石料，为辉绿岩石料，共分为0～3mm、3～5mm、5～10mm和10～15mm四档规格。

所述煤气化渣分为细渣和粗渣：细渣元素组成为：C、S_i、O、Ca、AL、Fe、Mg、T_i等元素组成，除C以炭黑(石墨)形式存在外，其他均以氧化物形式存在，细渣的质量份数为2～5份；粗渣元素组成为：S_i、AL、O、Ca、Fe、Mn、Mg、Na、K、C等元素组成，以氧化物形式存在，粗渣的质量份数为8～15份。

所述聚丙烯腈纤维是用质量百分比85％以上的丙烯腈与第二和第三单体的共聚物，经湿法纺丝或干法纺丝制得的合成纤维，是一种专用于沥青混凝土“加强加筋”的纤维，俗称“PAN”。常用的第二单体为非离子型单体，如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等，第三单体为离子型单体如丙烯磺酸钠和2-亚甲基-1，4-丁二酸等。

本发明公开了一种基于前述掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料的掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)拌制高模量沥青混凝土总质量为12000g，聚丙烯腈纤维掺量为0.25％，称取试验用聚丙烯腈纤维30.0g；

(2)在180℃-190℃温度下，将配制掺煤气化渣高模量沥青混凝土的各档集料恒温加热4h以上，煤气化渣在150℃～160℃温度下，恒温加热2h以上，备用。各实施例沥青混凝土材料组成配比见表1。

表1实施例沥青混凝土材料组成配比质量单位：克

(3)将SBS改性沥青加热至170℃～180℃，并充分搅拌均匀，备用；

(4)采用沥青混合料搅拌锅，将热集料和煤气化粗渣干拌10s，然后加入聚丙烯腈纤维干拌5s；

(5)加入热沥青，湿拌90s，然后加入煤气化细渣湿拌90s；

(6)从沥青混合料搅拌锅中取样，经车辙轮碾仪，碾压成型掺煤气化高模量沥青混凝土车辙板，掺煤气化高模量沥青混凝土制备完成，即可进行车辙试验，检验掺煤气化高模量沥青混凝土高温性能。

采用煤气化渣替代部分细集料，粗集料配比不变，4种不同质量配比的实施例及性能见表2。

表2不同实施例混合料组成与性能

*动态模量试验温度为15℃，试验频率为1Hz。

从表2中数据可以看出，4种沥青混凝土动稳定度均能满足规范要求。当煤气化渣总量占矿料的10％时，与未掺煤渣的沥青混凝土相比，动稳定度提高了41.3％，动态模量提高了50.5％；当煤气化渣总量占矿料的20％时，与未掺煤渣的沥青混凝土相比，动稳定度提高了141.0％，动态模量提高了108.7％。由此可见，掺入煤气化渣后，沥青混凝土动稳定度大幅提升，抗车辙性能显著改善。

本发明的优点体现在：

1)煤气化渣富含石墨相，与沥青兼容性较好，提高了沥青与集料的粘附性；

2)因高压气化，形成了大量多孔疏松微组织相，超大比表面积，沥青组分相、高聚物组分相渗入其中，构建组分互渗透、高粘弹网状的沥青胶浆结合体，提高了沥青胶浆的弹性和劲度模量，减少了混合料的累积变形，有效地抑制了沥青混凝土路面车辙的产生。

3)掺入聚丙烯腈纤维，起到良好的“桥接加筋”作用，进一步提升了高模量沥青混凝土高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能及水稳定性，延长沥青路面使用寿命。

4)转废为宝，环保化利用了煤气化渣，是低碳循环、绿色发展的成功典范。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还可以对本发明做出的若干改进和补充，这些改进和补充，也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料，其特征在于，包括如下重量份配比的材料：

聚合物改性沥青4.5～5.5份集料80～88份

煤气化渣10～20份聚丙烯腈纤维0.2～0.3份；

所述聚合物改性沥青为SBS改性沥青，属于《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》所列SBS改性沥青的I-B或I-C或I-D系列；

所述集料为公路沥青路面常用石料，材质为石灰岩或辉绿岩或玄武岩；

所述常用石料共分为0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm和15～20mm五档规格，用于配制AC-13型和AC-20型沥青混凝土；

所述煤气化渣分为细渣和粗渣；

所述细渣的质量份数为2～5份，粗渣的质量份数为8～15份；

所述聚丙烯腈纤维是用质量百分比85％以上的丙烯腈与第二和第三单体的共聚物，经湿法纺丝或干法纺丝制得的合成纤维；

所述第二单体为非离子型单体，第三单体为离子型单体。

2.一种基于权利要求1所述的掺煤气化渣高模量沥青混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)称取试验用聚丙烯腈纤维；

(2)在180℃-190℃温度下，将配制掺煤气化高模量沥青混凝土的各档集料恒温加热4h以上，煤气化渣在150℃～160℃温度下，恒温加热2h以上，备用；

(3)将SBS改性沥青加热至170℃～180℃，并充分搅拌均匀，备用；

(4)采用沥青混合料搅拌锅，将热集料和煤气化粗渣干拌10s，然后加入聚丙烯腈纤维干拌5s；

(5)加入热沥青湿拌90s，然后加入煤气化细渣湿拌90s；

(6)从沥青混合料搅拌锅中取样，经马歇尔击实仪击实成型或经车辙轮碾仪碾压成型，完成掺煤气化渣高模量沥青混凝土制备。