CN106830727A - 一种掺尾矿砂的沥青混合料生产方法 - Google Patents

一种掺尾矿砂的沥青混合料生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种掺尾矿砂的沥青混合料生产方法，其中粗集料采用骨架结构级配以提高其高温性能，通过混合料构成机理及组成状态分析，构建粗集料、细集料、尾矿砂、油石比之间关系，并考虑混合料成型时粗集料压碎状况，提出一种掺尾矿砂沥青混合料级配设计理论。本方法生产的混合料性能，可通过体积参数对其控制，油石比的确定整合沥青成膜特性及混合料体积构成原理，确保混合料油石比精准控制。本方法在混合料生产过程中，通过控制各个环节的温度、拌合时间及添加顺序，使掺尾矿砂沥青混合料性能稳定。本方法将工业废料尾矿砂进行循环利用，添加到沥青混合料中代替部分细集料及矿粉，促进资源循环高效利用，使废物资源化、资源高效化、成果环保化。

Description

一种掺尾矿砂的沥青混合料生产方法
技术领域
本发明涉及沥青混合料及其制备方法领域，尤其涉及一种掺尾矿砂的沥青混合料生产方法。
背景技术
在公路快速建造的过程中，带来的生态破坏、资源消耗也日益严重。党的十八大明确提出包含“绿色发展”在内的五大发展理念，要求加快高排放和高能耗行业供给侧改革，实现生态环境保护与经济增长的协调发展。确保公路基础设施本身固有交通功能的同时，统筹资源利用，实现集约节约，减少环境破坏，推行基础设施与自然生态的和谐共生，已成为目前亟待解决的问题。
尾矿是选矿厂将矿石中有用成分提取后排出的固体废弃物。据不完全统计，全国堆存的尾矿总量超过100亿吨，且每年仍以10％左右的速度增长，而尾矿综合利用率却仅有10％左右。目前我国大量没有得到综合利用的尾矿主要处理方式就是堆放，这不仅占用宝贵土地资源，同时污染周围环境。因此，推广合理的尾矿大宗利用途径显得尤为迫切。
另一方面，中国公路建设正经历快速发展阶段，对优质的道路工程材料的需求也在日益增长，在我国，最为常见的无论是路基填料还是半刚性基层、沥青混合料面层的路面结构，都对天然石料的消耗都巨大。而尾矿砂其几何形状与力学性能与轧制碎石相似，具有代替天然石料的潜能，能有效解决筑路材料短缺的问题。
尾矿砂粒径均不超过4.75mm，颗粒比较均匀，其中0.075mm以下含量达到60～80％，用作沥青混合料中可代替部分细集料及矿粉。目前，将尾矿砂掺入沥青混合料研究与应用，尾矿砂的掺入量一般较低，掺入比例也比较随意，只能通过调整级配曲线进行控制，没有精确的控制方法，混合料油石比确定仅依据马歇尔试验以及相关经验获得，缺少相关理论依据，导致沥青混合料性能变异性较大，且缺少工厂化沥青混合料生产制备控制工艺，大规模生产受限。因此，寻求一种尾矿砂掺入比例可控、性能稳定的掺尾矿砂沥青混合料的制备方法，将尾矿砂有效的用作沥青面层，实现工业废料的资源化利用，将产生明显的经济效益要社会效益。
发明内容
本发明针对已有的铁尾矿砂在沥青混合料中的应用缺陷，旨在提供一种掺尾矿砂沥青混合料生产制备方法，该方法通过将尾矿砂代替沥青混合料中的部分矿粉及细集料，并结合混合料构成机理及成膜性能研究，提出掺尾矿砂沥青混合料生产过程中级配、油石比确定方法及混合料生产控制工艺，以生产出性能高且稳定的混合料。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种掺尾矿砂的沥青混合料生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)掺入尾矿砂的沥青混合料中包括粗集料、细集料和尾矿砂三部分，对各档集料及尾矿砂进行筛分，确定各档集料及尾矿砂的级配组成；
(2)尾矿砂及细集料用来填充粗集料嵌挤状态下形成的空隙，代替矿粉和部分细集料；结合混合料构成机理及体积参数确定粗集料、细集料及尾矿砂掺入比例，考虑粗集料击实过程中破碎状况，根据各档集料及尾矿砂的筛分结果，合成掺尾矿砂的沥青混合料级配曲线；
(3)根据混合料的成膜性能，添加到混合料中的沥青裹附集料表面，沥青被不同集料吸附到表面形成沥青膜，填充到集料形成的空隙中，通过平均沥青膜厚度及矿料比表面积确定混合料的最佳油石比；
(4)拌合站拌制掺尾矿砂的沥青混合料，拌制工艺为：集料在加热滚筒中加热；将尾矿砂加入集料中在拌合缸干拌10～15s；再将沥青加入拌合缸中均匀拌合30-40s。
粗集料采用骨架结构级配，粗集料破碎状况以粗集料细化率表示，细化率按照粗集料合成级配马歇尔单面击实100次后，集料颗粒4.75mm筛孔通过率。
所述的尾矿砂及矿料掺配比例计算方法按照如下公式确定：
G+g+f＝100％
G’＝G×（1-δ）
g′＝G×δ+g
式中：
G-粗集料的含量，％；g-细集料的含量，％；f-尾矿砂含量，％；
Pa-油石化，％；G’-粗集料破碎后实际混合料粗集料的含量，％；
g′-粗集料破碎后实际混合料粗集料的含量，％；δ-细化率，％；
ρG-粗集料合成密度，g/cm3；ρg-细集料合成密度，g/cm3；
ρf-尾矿砂密度，g/cm3；VCA-粗集料紧密堆积空隙率，％；
Pa-油石化，％；ρa-沥青密度，g/cm3。
混合料最佳油石比按照如下公式进行：
Pa＝SA×ρa×u
SA＝0.41+0.0041a+0.0082b+0.0164c+0.0287d+0.0614e+0.1229f+0.3277g
式中：u-沥青膜厚度，um；SA—矿料的比较面积，m2/kg；
a、b、c、d、e、f、g分别为4.75mm以下各筛孔通过率。
集料加热温度180-200℃，沥青加热温度160-170℃，拌合缸温度保持165-175℃，拌合缸出料温度165-175℃。
本发明的有益效果是：
本发明将工业废弃物尾矿砂用到沥青混合料中，代替沥青混合料中部分细集料及矿粉，实现废物资源化利用，资源节约，高效环保。
本发明提供掺尾矿砂沥青混合料级配设计方法，粗集料采用骨架结构，细集料及尾矿砂填充粗集料嵌挤状态下空隙，结合混合料构成机理及体积参数，提供粗集料、细集料及尾矿砂掺配比例的理论计算方法，同时，考虑了混合料成型时部分粗集料会压碎细化，以确保混合料具有高且稳定的性能。
本发明从沥青成膜性能角度，建立混合料油石比与级配间的关系，从而有效控制混合料油石比，减少沥青用量，减少混合料生产成本。
本发明制备过程中，集料加热后进入拌合缸，在将尾矿砂加入其中进行干拌，以确保尾矿砂均匀散开，并能吸收集料热量，避免混合料出现结团、花白料现象。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
选用的沥青为SBS改性沥青，沥青性能指标如表1所示，所用的粗集料为坚硬耐磨，基本不吸水、棱角性较好的玄武岩碎石，充分保证集料与集料之间的咬合力，对集料进行筛分获取逐档粒径，进行各档集料测试。
表1沥青性能测试结果
粗集料掺照SMA-13级配曲线要求，设计成骨架结构，粗集料1#、2#料构成比例为58：42，在此组成下粗集料经过马歇尔单面击实100次后集料颗粒4.75mm以下通过率为6％，即细化率δ为6％，击实密度ρG为1.82g/cm3。粗集料合成密度ρG＝2.829g/cm3,通过集料试验确定粗集料捣实密度为ρsc＝1.697g/cm3,粗集料空隙率取VMA＝16，VV＝4，SBS改性沥青膜厚度为9.8um，带入级配设计理论中，得到如下方程组：
G+g+f＝100
G’＝G×(1-0.06)
g’＝G×0.06+g
(0.0324g+0.348f+0.41)×9.8×1.03＝10×Pa
上述方程求解得：f＝11％，g＝12％，G＝77％，Pa＝5.0，带入各档集料筛分结果，得到级配如下：
表2掺尾矿砂沥青混合料级配设计结果
取混合料油石比为4.7％、5.0％、5.3％在以下条件下制作马歇尔试件：
将集料加入烘箱加热至180-200℃；
沥青加热温度为165-170℃；
尾矿砂加入集料在拌合缸中干拌12s，再将沥青加入拌合缸均匀拌合，保证拌合温度为165-175℃，拌合时间为35s；
将上诉步骤中所得的混合料在165-175℃下出锅，在160-170℃成型。
马歇尔试验结果如表3所示。
表3掺尾矿砂沥青混合料马歇尔实验结果
混合料空隙率4％时，最佳油石比为5.2％，进行路用性能验证，掺尾矿砂沥青混合料，的各项性能结果如表4所示。
表4掺尾矿砂沥青混合料性能
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种掺尾矿砂的沥青混合料生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)掺入尾矿砂的沥青混合料中包括粗集料、细集料和尾矿砂三部分，对各档集料及尾矿砂进行筛分，确定各档集料及尾矿砂的级配组成；
(2)尾矿砂及细集料用来填充粗集料嵌挤状态下形成的空隙，代替矿粉和部分细集料；结合混合料构成机理及体积参数确定粗集料、细集料及尾矿砂掺入比例，考虑粗集料击实过程中破碎状况，根据各档集料及尾矿砂的筛分结果，合成掺尾矿砂的沥青混合料级配曲线；
(3)根据混合料的成膜性能，添加到混合料中的沥青裹附集料表面，沥青被不同集料吸附到表面形成沥青膜，填充到集料形成的空隙中，通过平均沥青膜厚度及矿料比表面积确定混合料的最佳油石比；
(4)拌合站拌制掺尾矿砂的沥青混合料，拌制工艺为：集料在加热滚筒中加热；将尾矿砂加入集料中在拌合缸干拌10～15s；再将沥青加入拌合缸中均匀拌合30-40s。
2.根据权利要求1所述的掺尾矿砂的沥青混合料生产方法，其特征在于：粗集料采用骨架结构级配，粗集料破碎状况以粗集料细化率表示，细化率按照粗集料合成级配马歇尔单面击实100次后，集料颗粒4.75mm筛孔通过率。
3.根据权利要求1所述的掺尾矿砂的沥青混合料生产方法，其特征在于：所述的尾矿砂及矿料掺配比例计算方法按照如下公式确定：
G+g+f＝100％
G’＝G×(1-δ)
g’＝G×δ+g
g , ρ g + f ρ f = G , ρ G ( V C A - V M A 100 )
P a ρ a = G , ρ G ( V M A - V V 100 )
式中：
G-粗集料的含量，％；g-细集料的含量，％；f-尾矿砂含量，％；
Pa-油石比，％；G’-粗集料破碎后实际混合料粗集料的含量，％；
g’-粗集料破碎后实际混合料粗集料的含量，％；δ-细化率，％；
ρG-粗集料合成密度，g/cm3；ρg-细集料合成密度，g/cm3；
ρf-尾矿砂密度，g/cm3；VCA-粗集料紧密堆积空隙率，％；
Pa-油石比，％；ρa-沥青密度，g/cm3。
4.根据权利要求1所述的掺尾矿砂的沥青混合料生产方法，其特征在于，混合料最佳油石比按照如下公式进行：
Pa＝SA×ρa×u
SA＝0.41+0.0041a+0.0082b+0.0164c+0.0287d+0.0614e
+0.1229f+0.3277g
式中：u-沥青膜厚度，um；SA-矿料的比较面积，m2/kg；
a、b、c、d、e、f、g分别为4.75mm以下各筛孔通过率。
5.根据权利要求1所述的掺尾矿砂的沥青混合料生产方法，其特征在于：集料加热温度180-200℃，沥青加热温度160-170℃，拌合缸温度保持165-175℃，拌合缸出料温度165-175℃。
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