CN106007486B - 一种多孔陶粒沥青混凝土及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多孔陶粒沥青混凝土，其由如下质量百分数的组分组成：含纳米TiO₂免烧结多孔陶粒45％～55％、SBS改性沥青4.5％～5.5％、补充矿料39.5％～50.5％；本发明所述多孔陶粒沥青混凝土可应用于路面汽车尾气降解式超薄磨耗层的铺设，兼具经济、环保、社会效益。

Description

一种多孔陶粒沥青混凝土及其应用

(一)技术领域

本发明属于道路工程中路面材料技术领域，尤其是涉及一种多孔陶粒沥青混凝土及其在铺设汽车尾气降解式超薄磨耗层中的应用。

(二)背景技术

随着我国汽车保有量的剧增，汽车排放的大量尾气严重污染了大气环境，大大增加了“雾霾”天气的发生频率。

目前，除了出台有各类尾气排放控制的行政管制和油品改良措施之外，科研人员还提出了各种尾气降解的新型路面材料及其新技术，包括尾气降解的沥青、沥青混合料、水泥砂浆、涂层和卷材等。这些新材料新技术的尾气降解效率和适用范围均有待进一步验证和提升，而且因各种因素制约，单独使用不能最大限度地发挥各自技术优势。

已有研究表明：纳米TiO₂是一种光催化剂，在光照条件下能将汽车尾气中的氮氧化物降解为硝酸盐，而将碳氢化物分解为CO₂和H₂O等物质。在已有的汽车尾气光催化降解技术及专利中，通常将纳米TiO₂等光催化剂混合于基质材料之中，从而制成尾气降解的涂层(“一种全天候汽车尾气降解路面涂层材料及制备方法”，专利号CN103058581A)或磨耗层(“一种可降解汽车尾气的彩色防滑超薄磨耗层及其制备方法”，专利号CN103214213A)。由于大部分光催化剂处于包裹状态，而只有少部分能与汽车尾气接触，从而大幅降低了纳米TiO₂等光催化剂的尾气降解效率。

随着我国公路和城市道路的大批新建、改建或扩建，天然土石方的大量开挖与运用造成了建材短缺和环境破坏。与此同时，在内河航道和海港岸滩等清淤整治过程中产生了大量的高含水量疏浚淤泥/污泥，而常用的倾倒处理方法易产生“二次污染”。

为此，本发明提出采用疏浚淤泥/污泥预制多孔陶粒，并用其部分替代天然矿质集料，以制备尾气降解式超薄磨耗层多孔陶粒沥青混凝土。同时，基于发明专利“一种汽车尾气降解材料及其应用”(专利号CN101254406A)所提出的尾气降解材料喷涂技术，使含纳米TiO₂的尾气降解胶浆吸附于多孔陶粒孔隙表面。如此，以超薄磨耗层的结构形式，联合含纳米TiO₂的多孔陶粒及其孔隙吸附的尾气降解胶浆共同降解汽车尾气，大幅提高降解效率。

本发明不仅可以有效缓解道路建材紧缺问题，而且可大量消耗疏浚淤泥/污泥，避免倾倒处理带来的系列问题，从而取得显著的经济、社会和环保效益。

(三)发明内容

本发明旨在克服现有技术之不足，提供一种多孔陶粒沥青混凝土，及其在铺设路面汽车尾气降解式超薄磨耗层中的应用。本发明将高含水量疏浚淤泥/污泥处治、汽车尾气降解和“雾霾”天气大气环境整治有机结合，具有技术先进、有利环保和效益显著的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多孔陶粒沥青混凝土，所述多孔陶粒沥青混凝土由如下质量百分数的组分组成：

含纳米TiO₂免烧结多孔陶粒 45％～55％

SBS改性沥青 4.5％～5.5％

补充矿料 39.5％～50.5％

其中，所述的含纳米TiO₂免烧结多孔陶粒由疏浚淤泥/污泥经透气真空快速泥水分离处理后，与粉煤灰、激发剂、尾气降解剂混合造粒制得；

所述的补充矿料为：粒径0.075～4.75mm的人工轧制石灰岩细集料、粒径9.5～13.2mm的玄武岩、粒径0.075～13.2mm的建筑废弃物再生集料中的一种或两种以上任意比例的混合物。

具体的，本发明所述的含纳米TiO₂免烧结多孔陶粒可按如下方法制备得到：

(1)将疏浚淤泥/污泥进行透气真空快速泥水分离处理，得到含水量降至2～3倍液限以内的粘土；

(2)在步骤(1)所得粘土中加入粉煤灰、激发剂、尾气降解剂，混合搅拌1～2min后进行造粒，造粒粒径为4.75～9.5mm；

其中，所述粘土与粉煤灰、激发剂、尾气降解剂的质量比为5：3：1：1；所述激发剂由如下质量百分数的组分组成：碱渣50％、磷石膏30％、水泥(例如普通硅酸盐水泥)20％；所述尾气降解剂由如下质量百分数的组分组成：纳米TiO₂粉末50％、稀释剂(如：丙酮)30％、偶联剂(如：硅烷偶联剂DL602，化学名称：N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷)20％；

(3)造粒完成后于80～90℃下干燥16～18h，得到所述含纳米TiO₂免烧结多孔陶粒。

本发明所述的疏浚淤泥/污泥为内陆湖泊、河道、水塘以及滨海港口、航道、码头清淤整治产生的高含水量淤泥/污泥，通常其含水量在85％～140％。

本发明所述多孔陶粒沥青混凝土可按照本领域常规方法应用于路面汽车尾气降解式超薄磨耗层的铺设，具体的，所述应用的方法为：

①拌和：采用厂拌法拌制多孔陶粒沥青混凝土(高等级公路宜采用间歇式拌和机拌和)，其中，SBS改性沥青采用导热油加热(导热油是一种加热介质，并不掺入多孔陶粒沥青混凝土中，导热油加热是对沥青的一种常规加热方式)，加热温度控制在160～170℃，而沥青混合料拌和温度控制在170～180℃，为杜绝混合料出现花白、团块和糊料，要求每盘每锅拌和时间为45～50s；

②运输：为减少运输过程中的温度散失，运输车辆采用保温装备保温，同时在料车底部涂刷防粘剂(如：薄油水混合液涂层)，以防粘结底板；

③摊铺：首先清理路面，用空压机吹净多余石子、泥土和残渣，乳化沥青喷洒温度为60～80℃，洒布量为1.0kg/m²，混合料摊铺温度为150～165℃，连续摊铺，不得出现停机现象，以保证摊铺平整度；

④碾压：由于多孔陶粒筒压强度小于天然碎石，因此不宜采用大功率压路机碾压，而是采用10～13t的双钢轮压路机进行静压，要求碾压终了温度≥110℃(通常在110～165℃)；

⑤冷却：在施工过程中，实行半封闭交通管制，保持路面车辆通行，施工完毕后，待沥青混凝土超薄磨耗层自然冷却，温度≤50℃后方可开放交通。

⑥清理路面：待磨耗层处理完成并且当磨耗层温度≤50℃后，对施工路段进行路面预处理：采用由里向外的方式，用高压鼓风机将细粒及灰尘吹出路面，用专用胶布粘封路面标线，以免施工时覆盖或污染路面标线；

⑦涂布尾气降解胶浆：将调配好的尾气降解胶浆装入洒布车灌装容器，将洒布车开至施工起点并对准控制线，开动发电机为系统供电，依次开启气阀、涂料阀，至涂料喷枪均匀、持续喷出雾状涂料时，开动洒布车匀速前进；所述的尾气降解胶浆由如下质量百分数的组分混匀配制而成：环氧树脂45％、稀释剂(二甲苯)30％、固化剂(聚醚胺)15％、纳米TiO₂粉末5％、稀释剂(丙酮)3％、偶联剂(DL602)2％；

⑧第1层涂布：第1层涂布的涂布量为0.4kg/m²，涂布分为喷涂或滚涂2种方式，小面积施工采用滚刷刷涂方法，而大面积施工采用设备喷洒方法；

⑨第2层涂布：确认第1层涂层已固化后，按照相同方式进行第2层尾气降解胶浆的涂布，第2层涂布量同为0.4kg/m²；

⑩后处理完成施工：涂布完毕后，进行涂层养生，令涂层自然干燥、固化，即完成路面汽车尾气降解式超薄磨耗层的铺设。

本发明中尾气降解原理为：以超薄磨耗层的结构形式，联合含纳米TiO₂的多孔陶粒及其孔隙吸附的尾气降解胶浆共同降解汽车尾气。本发明中超薄磨耗层构造深度较大，可使表面多孔陶粒部分外露，而多孔陶粒比表面积大、孔隙多且具开放性。借助于喷涂时的喷射压力和表面张力，含纳米TiO₂的尾气降解胶浆可进入陶粒孔隙之中，干燥后可吸附于骨架表面且不阻塞孔隙。当汽车尾气排放时，超薄磨耗层内形成局部气流，吸收汽车尾气和部分PM2.5颗粒；在光照条件下，多孔陶粒和尾气降解胶浆中的纳米TiO₂(光催化剂)与汽车尾气发生光化学反应，氮氧化物降解为硝酸盐，而碳氢化物则分解为CO₂和H₂O等物质。含纳米TiO₂的多孔陶粒及其孔隙中尾气降解胶浆的有机结合大幅提高了汽车尾气的降解效率。

本发明的有益效果在于：

(1)经济效益：本发明多孔陶粒沥青混凝土可以降低尾气降解超薄磨耗层造价，产生显著经济效益。采用疏浚淤泥/污泥制备多孔陶粒，按照50％的比例替代天然矿料中的粗集料，可大大减少天然建材用量，同时大大节约道路建材成本；

(2)环保效益：利用本发明多孔陶粒沥青混凝土铺设的尾气降解式超薄磨耗层，可减少大气中氮氧、碳氢化合物含量，有效缓解“雾霾”频发问题并改善大气环境；还可再生利用疏浚淤泥/污泥，解决其因倾倒而产生的堆积占地和土地污染问题，因而具有良好的环保效益；

(3)社会效益：利用本发明多孔陶粒沥青混凝土的尾气降解式超薄磨耗层可铺设于城市交通密集或尾气排量较大的特殊路段路面功能层，从而在局部区域内缓解大气污染问题，降低城市居民呼吸道疾病发生概率，由此产生一定的社会效益。

(四)具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1：一种汽车尾气降解式超薄磨耗层多孔陶粒沥青混凝土的配制

一、含纳米TiO₂多孔陶粒预制

(1)纳米TiO₂的最佳掺量

以纳米TiO₂所占多孔陶粒的质量百分比为依据，选择3％、4％、5％、6％和8％这5种掺量，进行纳米TiO₂粉末尾气降解效率正交试验。为表述方便，表1给出了试样代号。

表1 纳米TiO₂不同掺量试样代号

试样代号	ST1	ST2	ST3	ST4	ST5
						纳米TiO2掺量/％	3％	4％	5％	6％	8％

表2 纳米TiO₂不同掺量试样的尾气降解效率

表2表明：随纳米TiO₂掺量增加，尾气降解效能同步增加，而增幅却持续衰减；ST₄降解效能高于ST₃，然而效能增幅较小，但掺量却提高1％。由于纳米TiO₂价格高，依据技术经济要求确定：纳米TiO₂最佳掺量为5％(可浮动±0.5％)，尾气降解效能达70％及以上。

(2)含纳米TiO₂多孔陶粒的配合比设计

依据正交试验结果，推荐含纳米TiO₂多孔陶粒的配合比为：50％(快速脱水后)疏浚淤(污)泥，30％粉煤灰填充料，10％激发剂(包括5％碱渣、3％磷石膏和2％水泥)，尾气降解剂10％(包括5％纳米TiO₂粉末光催化剂，3％稀释剂(丙酮)和2％偶联剂—如DL602)。

依据上述推荐配合比，以内河航道或海港岸滩的疏浚淤(污)泥为主要原料，首先通过透气真空快速泥水分离技术获得淤泥质土，然后在其中掺入粉煤灰填充料、激发剂和尾气降解剂，再经搅拌、造粒、干燥和养生系列环节制得多孔陶粒。上述工艺不需烧结，操作简单，所需设备少、投资成本低，因而经济效益较高。

依据超薄磨耗层厚度(约为15～25mm)，决定多孔陶粒造粒粒径为4.75～9.5mm，以替代沥青混凝土中对应粒径(组)的矿质集料。按照《公路工程集料试验规程》(JTJ E42-2005)相关规定，测试多孔陶粒各项技术指标(见表3)。

由表3可知：多孔陶粒的物理力学性能满足规范提出的关键技术要求，因此可用于制备高等级公路磨耗层混合料。

表3 多孔陶粒主要技术指标

二、尾气降解式多孔陶粒沥青混凝土的制备

(1)矿料级配设计

为了简化配合比设计程序，以多孔隙沥青混凝土PAC-13作为尾气降解超薄磨耗层设计参考。采用4.75～9.5mm陶粒，等体积取代PAC-13中矿质集料，多孔陶粒掺量为50％，获得多孔陶粒改良PAC-13的矿料设计级配。

(2)沥青最佳用量

以体积性能为设计指标，综合PAC-13体积特性和油膜厚度控制要求，初拟沥青用量为5％。制作SBS沥青用量为4.0％，4.5％，5.0％，5.5％，6.0％的5组试件，在60℃条件下进行马歇尔配合比试验，测定流值和稳定度等相关指标(如表4)，最终确定SBS沥青最佳用量为5.0％。

表4 多孔陶粒PAC-13马歇尔试验结果

(3)尾气降解试验

针对不同陶粒掺量和SBS沥青用量的试件，进行汽车尾气降解试验，统计分析测试结果表明：当多孔陶粒掺量为50％，沥青用量为5.0％时，多孔陶粒改良PAC-13的尾气降解效率、水稳定性和高温稳定性等关键性能达到最佳平衡点，并满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)的技术要求。在现场施工过程中，可根据实际工程所提出的质量控制要求，调整多孔陶粒掺量和沥青用量形成生产配合比，容许变化范围为：多孔陶粒掺量50±5％，SBS沥青用量5.0±0.5％。

三、尾气降解式喷涂胶浆的配制

喷涂胶浆是为强化降解效率而设定的多孔陶粒尾气降解辅助成分。参照文献资料，初拟尾气降解涂料的组成成分和材料配比，制作测试试样，通过室内模拟试验测试降解效果，分析确定喷涂胶浆的最佳配比为：环氧树脂45％，稀释剂(二甲苯)30％，固化剂(聚醚胺)15％，降解剂10％(其中纳米TiO₂5％，稀释剂(丙酮)3％和偶联剂(如DL602)2％)。

四、尾气降解式超薄磨耗层施工

参照已有的超薄磨耗层同步施工工艺，进行尾气降解式多孔陶粒沥青混凝土超薄磨耗层施工。之后，采用多功能洒布车，进行尾气降解式喷涂胶浆分层(次)喷涂施工，相关施工步骤如下：

①首次喷涂：按照0.4kg/m²的用量要求，进行第1次(层)喷涂。大面积施工采用设备喷洒方法，小面积施工采用喷枪喷涂。

②二次复喷：确认第1次(层)喷涂胶浆硬化后，按照相同方式，进行第2次(层)喷涂，第2次(层)喷涂用量仍为0.4kg/m²。

③胶浆喷涂完毕后，关闭所有阀门，多功能洒布车开离施工地点。

④涂层养生：令涂层自然干燥、固化。

涂层养生时间与施工现场的气温密切相关，建议涂层养生时间与气温的关系如表5所示。

表5 喷涂胶浆养生时间气温的关系

气温/℃	>20	10～20	<10
				养生时间/h	8～12	18～24	不适宜施工

在开放交通前，禁止一切车辆和行人通行，以防损坏尚未干结的涂层薄膜。

Claims (4)

1.一种多孔陶粒沥青混凝土，其特征在于，所述多孔陶粒沥青混凝土由如下质量百分数的组分组成：

含纳米TiO₂免烧结多孔陶粒 45％～55％

SBS改性沥青 4.5％～5.5％

补充矿料 39.5％～50.5％

所述的含纳米TiO₂免烧结多孔陶粒按如下方法制备得到：

(1)将疏浚淤泥/污泥进行透气真空快速泥水分离处理，得到含水量降至2～3倍液限以内的粘土；

(2)在步骤(1)所得粘土中加入粉煤灰、激发剂、尾气降解剂，混合搅拌1～2min后进行造粒，造粒粒径为4.75～9.5mm；所述粘土与粉煤灰、激发剂、尾气降解剂的质量比为5：3：1：1；所述激发剂由如下质量百分数的组分组成：碱渣50％、磷石膏30％、水泥20％；所述尾气降解剂由如下质量百分数的组分组成：纳米TiO₂粉末50％、稀释剂30％、偶联剂20％；

(3)造粒完成后于80～90℃下干燥16～18h，得到所述含纳米TiO₂免烧结多孔陶粒；

所述的补充矿料为：粒径0.075～4.75mm的人工轧制石灰岩细集料、粒径9.5～13.2mm的玄武岩、粒径0.075～13.2mm的建筑废弃物再生集料中的一种或两种以上任意比例的混合物。

2.如权利要求1所述的多孔陶粒沥青混凝土，其特征在于，所述的稀释剂为丙酮，所述的偶联剂为硅烷偶联剂DL602。

3.权利要求1所述的多孔陶粒沥青混凝土在路面汽车尾气降解式超薄磨耗层的铺设中的应用。

4.如权利要求3所述的应用，其特征在于，所述应用的方法为：

①拌和：将权利要求1所述的多孔陶粒沥青混凝土采用厂拌法拌制，其中，SBS改性沥青采用导热油加热，加热温度控制在160～170℃，沥青混合料拌和温度控制在170～180℃，为杜绝混合料出现花白、团块和糊料，要求每盘每锅拌和时间为45～50s；

②运输：为减少运输过程中的温度散失，运输车辆采用保温装备保温，同时在料车底部涂刷防粘剂，以防粘结底板；

③摊铺：首先清理路面，用空压机吹净多余石子、泥土和残渣，乳化沥青喷洒温度为60～80℃，洒布量为1.0kg/m²，混合料摊铺温度为150～165℃，连续摊铺，不得出现停机现象，以保证摊铺平整度；

④碾压：采用10～13t的双钢轮压路机进行静压，碾压终了温度≥110℃；

⑤冷却：在施工过程中，实行半封闭交通管制，保持路面车辆通行，施工完毕后，待沥青混凝土超薄磨耗层自然冷却，温度≤50℃后方可开放交通；

⑥清理路面：待磨耗层处理完成并且当磨耗层温度≤50℃后，对施工路段进行路面预处理：采用由里向外的方式，用高压鼓风机将细粒及灰尘吹出路面，用专用胶布粘封路面标线，以免施工时覆盖或污染路面标线；

⑦涂布尾气降解胶浆：将调配好的尾气降解胶浆装入洒布车灌装容器，将洒布车开至施工起点并对准控制线，开动发电机为系统供电，依次开启气阀、涂料阀，至涂料喷枪均匀、持续喷出雾状涂料时，开动洒布车匀速前进；

所述的尾气降解胶浆由如下质量百分数的组分混匀配制而成：环氧树脂45％、稀释剂二甲苯30％、固化剂聚醚胺15％、纳米TiO₂粉末5％、稀释剂丙酮3％、偶联剂DL602 2％；

⑧第1层涂布：第1层涂布的涂布量为0.4kg/m²，涂布分为喷涂或滚涂2种方式，小面积施工采用滚刷刷涂方法，而大面积施工采用设备喷洒方法；

⑨第2层涂布：确认第1层涂层已固化后，按照相同方式进行第2层尾气降解胶浆的涂布，第2层涂布量同为0.4kg/m²；

⑩后处理完成施工：涂布完毕后，进行涂层养生，令涂层自然干燥、固化，即完成路面汽车尾气降解式超薄磨耗层的铺设。