CN113511842A - 一种热再生钢渣沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热再生钢渣沥青混合料及其制备方法，包括如下重量份的原料：6‑24份钢渣，27‑29份旧沥青混合料，3.9‑4.5份沥青，42‑60份玄武岩，5.4‑5.6份矿粉，最佳油石比为3.9‑4.5％；钢渣与旧沥青混合料均用作粗集料，剩余集料为玄武岩和石灰岩矿粉。热再生钢渣沥青混合料试件具有较好的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性，钢渣的加入增强了混合料的低温抗裂性能，同时提升了再生沥青路面材料的掺配率，当钢渣为23.94份时，旧沥青路面材料为27.69份，对集料的替代率达到了51.63份。本发明解决了石料过度开采问题，保护生态环境，同时，通过加入钢渣提升了旧沥青路面材料的掺配率，降低了成本，解决了大量钢渣与旧沥青路面材料得不到利用的问题。

Description

一种热再生钢渣沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种热再生钢渣沥青混合料及其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

我国的公路建设始于1988年，截至2019年底，全国公路总里程已达501.25万公里，二级及以上公路的总里程为67.20万公里，高速公路为14.96万公里，排名世界第一。据统计，沥青路面约占我国高速公路路面的90％，大城市道路路面的70％。在我国，每年大中型公路维修产生大量的废旧沥青路面材料(reclaimed asphalt pavement缩写为RAP)，如果将这些废旧沥青路面材料用于原有道路的维护翻修或新的道路修建，不仅可以节约资源，还能降低费用。但作为再生沥青混凝土面层材料，RAP掺配率不够高，目前，在大多数项目中，再生沥青混合料的含量不超过30％。

钢渣的形成经历了一系列的化学与物理变化，是在冶炼钢铁的过程中产生的一种副产品，通过冷却钢水中的杂质而形成，其排放量为粗钢产量的12％-15％。我国是钢铁大国，每年都生产大量的钢材，2020年我国粗钢产量达到10.65亿吨，产生钢渣1.6亿吨左右，且截止到2020年，钢渣累计存量高达20亿吨。大量钢渣堆积会占用土地资源，钢渣中所含的化学成分也会对地下水造成污染。钢渣的主要矿物成分是硅酸三钙，硅酸二钙以及硅、镁、铁、锰和磷的氧化物。钢渣颗粒坚硬且耐磨，具有良好的表面形状，粗糙的纹理以及对沥青的良好黏附力。

将RAP代替新集料制备再生沥青混合料已有大量的研究与工程实例，但RAP的掺量较低，一般在15％到30％之间，实际掺量仅为20％或者更低。用钢渣代替部分骨料制备钢渣沥青混合料也有大量的研究与应用，也有授权或受理的专利，如南京市路桥工程总公司申请的CN109553341A，一种钢渣沥青混凝土路面材料及其制备方法；湖南鑫长胜材料科技有限公司申请的CN 110104996 A，一种高耐久性钢渣沥青混凝土路面材料及制备方法；长安大学已授权的CN 107352850 B，一种具有微波融冰除雪功能的钢渣沥青混合料；杨琼申请的CN 111704393 A，一种钢渣沥青混凝土配方，CN 111548076 A，一种抗车辙性能好的钢渣沥青混凝土及其制备方法，及CN 111704394 A，一种热稳定性和水稳定性好的钢渣沥青混凝土。这些都是将钢渣掺入到新拌沥青混凝土中，以达到融冰除雪、提供耐久性、抗车辙性及水稳定性等的目的，提高沥青混凝土的路用功能。

然而，将钢渣掺入到RAP中制备相同型号的热再生钢渣沥青混合料的研究几乎没有，因此本申请考虑到仅掺入RAP制备再生沥青混凝土，掺配率不高，而钢渣质地坚硬且耐磨，对沥青有良好的黏附力等特性，掺入到新拌沥青混凝土中能提高某些路用性能，如果把钢渣掺入到再生沥青混凝土中，用钢渣与RAP共同替代新集料，不但可以解决钢渣大量堆积、污染环境的问题，还能提升RAP的掺配率，大大提高对新集料的替代率来制备满足路用性能要求的再生沥青混凝土。

发明内容

针对现有背景技术，本发明提出一种热再生钢渣沥青混合料及其制备方法，一方面通过加入钢渣来提升RAP的掺配率，另外一方面用钢渣与RAP共同替代新集料，既解决大量钢渣与RAP得不到利用的问题，也避免过度开采石料，保护环境的目的。

为解决上述技术问题，本发明开展了大量工作，首先就是原材料的准备，钢渣取自湖南华菱湘潭钢铁有限公司的转炉钢渣，并摊平放置在试验室陈化6个月以上，RAP为在校区分层回收的AC-16旧沥青混凝土，沥青、玄武岩、矿粉取自某沥青拌和站，并对这些原材料进行了物理力学性能分析及筛分级配测试，需说明的是本申请采用的AC-16旧沥青混凝土，不是铣刨机铣刨的上、中、下面层的混合料再筛分选取满足AC-16粒径的集料，也没有将裹附于集料上的旧沥青进行提取，而是用切割机按上面层、中面层分层切割成块状，然后把中面层AC-16再切割成小块状，加热到一定温度，人工掰散成大小不一的颗粒状集料，集料上裹附着旧沥青，让裹附旧沥青的集料直接掺入到热再生钢渣沥青混合料中；其次就是各种钢渣掺配率和一定RAP掺配率组合下热再生钢渣沥青混合料的配合比设计，得到相应的新沥青最佳油石比；最后按最佳油石比制作热再生钢渣沥青混合料试件，测定路用性能要求的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性三大指标。

根据试验提供的热再生钢渣沥青混合料按重量百分比为：6-24份钢渣，27-29份旧沥青混合料，3.9-4.5份沥青，42-60份玄武岩，5.4-5.6份矿粉，最佳新沥青油石比为3.9％-4.5％，所述旧沥青混合料为分层回收的AC-16，且为分层回收的层状块体，所述钢渣为2.36-9.5mm粒径的转炉钢渣，所述沥青为70#道路石油沥青，所述矿粉为石灰岩矿粉，所述的热再生钢渣沥青混合料同为AC-16，钢渣与旧沥青混合料之和的掺配率最高超过50％。

优选的，所述2.36-9.5mm的钢渣6.22％，4.75-19mm的旧沥青混合料28.6％，0.075-19mm的玄武岩59.5％，矿粉5.59％，最佳新沥青油石比3.98％。

优选的，所述2.36-9.5mm的钢渣12.26％，4.75-19mm的旧沥青混合料28.29％，0.075-9.5mm的玄武岩53.96％，矿粉5.49％，最佳新沥青油石比4.31％。

优选的，所述2.36-9.5mm的钢渣18.11％，4.75-19mm的旧沥青混合料27.94％，0.075-9.5mm的玄武岩48.47％，矿粉5.48％，最佳新沥青油石比4.37％。

优选的，所述2.36-9.5mm的钢渣23.94％，4.75-19mm的旧沥青混合料27.69％，0.075-9.5mm的玄武岩42.93％，矿粉5.44％，最佳新沥青油石比4.46％。

上述热再生钢渣沥青混合料的制备方法如下：

(1)将钢渣摊平放在试验室陈放6个月以上；

(2)将层状的AC-16旧沥青混合料块加热，加热温度不超过120℃，然后采用人工揉搓的方式将其分散成颗粒状集料；

(3)将钢渣与旧沥青混合料集料进行筛分，按筛孔尺寸分类存放；

(4)将钢渣与石料加热，加热温度为168℃；

(5)将旧沥青混合料集料与矿粉加热，加热温度为120℃；

(6)将沥青加热至148℃，然后加入预热的钢渣、石料及旧沥青混合料集料，在165℃的温度下搅拌90s，再加入预热的矿粉继续搅拌90s，即得热再生钢渣沥青混合料。

本发明的有益效果：本发明将废弃的钢渣与废旧的沥青混合料用于道路铺筑，替代再生沥青混合料部分集料，既能够解决石料过度开采问题，保护生态环境，又能变废为宝，节省能源和资源，降低成本；将钢渣掺入到旧沥青混合料中既能提高热再生沥青混凝土的掺配率，钢渣+RAP的掺配率最高可超过50％，也能提高热再生沥青混合料的低温抗裂性能，具有显著的社会经济效益；不需要配备额外的机械设备，热再生钢渣沥青混合料的配合比设计、制作工艺和一般再生沥青混凝土一样，技术成熟，操作简便。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅局限于下面的实施例。

实施例1：一种热再生钢渣沥青混合料，包括如下重量份的原料：3.98份70#道路石油沥青，28.60份粒径范围为4.75-19mm的AC-16旧沥青混合料集料，6.22份粒径范围为2.36-9.5mm的钢渣，59.5份0.075-19mm的玄武岩石料，5.59份石灰岩矿粉。

上述热再生钢渣沥青混合料的制备方法：(1)通过筛孔筛选钢渣，旧沥青路面材料与玄武岩石料；(2)将钢渣与玄武岩石料共同加热，加热至168℃；(3)将旧沥青混合料集料与矿粉共同加热，加热至120℃；(4)将沥青加热至148℃，然后加入钢渣、旧沥青混合料集料与玄武岩骨料的混合料，在温度为165℃的搅拌锅中搅拌90s；(5)将矿粉加入步骤(4)的混合料，继续搅拌90s，即得热再生钢渣沥青混合料。

实施例2：一种热再生钢渣沥青沥青混合料，包括如下重量份的原料：4.31份70#道路石油沥青，28.29份粒径范围为4.75-19mm的旧沥青混合料集料，12.26份粒径范围为2.36-9.5mm的钢渣，53.96份粒径范围为0.075-9.5mm的玄武岩，5.49份石灰岩矿粉。

上述热再生钢渣沥青混合料的制备方法与实施例1相同。

实施例3：一种热再生钢渣沥青混合料，包括如下重量份的原料：4.37份70#道路石油沥青，27.94份粒径范围为4.75-19mm的旧沥青混合料集料，18.11份粒径范围为2.36-9.5mm的钢渣，48.47份粒径范围为0.075-9.5mm的玄武岩，5.48份石灰岩矿粉。

上述热再生钢渣沥青沥青混合料的制备方法与实施例1相同。

实施例4：一种热再生钢渣沥青沥青混合料，包括如下重量份的原料：4.46份70#道路石油沥青，27.69份粒径范围为4.75-19mm的旧沥青混合料集料，23.94份粒径范围为2.36-9.5mm的钢渣，42.93份粒径范围为0.075-9.5mm的玄武岩，5.44份石灰岩矿粉。

上述热再生钢渣沥青沥青混合料的制备方法与实施例1相同。

对以上实施例的热再生钢渣沥青混合料进行路用性能评价，沥青混合料的路用性能主要表现在三个方面：在高温条件下承受车轮荷载所表现出的力学性能，在低温条件下承受车轮荷载所表现出的力学性能以及受到水的影响而表现出的力学性能。因此需做高温稳定性试验、低温抗裂性试验及水稳定性试验，已验证实施例满足作为沥青混凝土路面材料的要求。

1.高温稳定性测试

将实施例1-4的热再生钢渣沥青混合料制作长300mm×宽300mm×厚50mm的车辙板，按T 0719-2011《沥青混合料车辙试验》进行车辙试验，试验结果如表1：

表1实施例热再生钢渣沥青混合料的车辙试验结果

由表1可以看出，本发明实施例的热再生钢渣沥青混合料动稳定度较高，均满足规范要求。

2.低温抗裂性测试

采用切割法从上述车辙板试件中切割出棱柱体试件，试件尺寸应符合长250mm±2.0mm、宽30mm±2.0mm、高35mm±2.0mm的要求，采用小梁弯曲试验方法，并利用破坏应变等力学参数以综合评判热再生钢渣沥青混合料的低温抗裂性能，试验温度为-10℃，加载使用UTM实验机。具体试验结果如表2：

表2实施例热再生钢渣沥青混合料的小梁弯曲试验结果

由表2可以看出，本发明实施例的热再生钢渣沥青混合料的最大弯拉应变均满足规范要求。随着钢渣掺量的增加，沥青混合料的最大弯拉应变呈上升的趋势。

3.水稳定性测试

将实施例1-4的热再生钢渣沥青混合料按标准击实法成型马歇尔试件，采用冻融劈裂试验判定混合料水稳定性能。冻融劈裂试验主要包括以下三个过程：(1)真空饱水；(2)冻融；(3)高温水浴。测试结果如表3：

表3实施例热再生钢渣沥青混合料的冻融劈裂试验结果

由表3可以看出，本发明实施例的热再生钢渣沥青混合料的抗拉强度比均满足规范要求，表明热再生钢渣沥青混合料具有一定的抗水损害能力。

从表1、表2、表3可看出，实施例1-4的热再生钢渣沥青混合料均满足各项路用性能要求，可作为AC-16沥青混凝土路面材料使用，以上所述仅是本发明的优选实施方式，若按重量百分比：6-24份钢渣，27-29份旧沥青混合料，3.9-4.5份沥青，42-60份玄武岩，5.4-5.6份矿粉，最佳油石比为3.9％-4.5％，调整实施例1-4中钢渣、旧沥青混合料等的份量制备热再生钢渣沥青混合料，也均能满足路用性能要求；应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干调整和改进，比如调整旧沥青混合料的份量、做正交试验找出钢渣和旧沥青混合料的最佳掺配率组合、添加某些外加材料，都有可能进一步提高钢渣和旧沥青混合料的总体掺配率，这些调整和改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种热再生钢渣沥青混合料及其制备方法，其特征在于，该热再生钢渣沥青混合料由钢渣、旧沥青混合料、玄武岩、矿粉、沥青组成，按重量百分比：6-24份钢渣，27-29份旧沥青混合料，3.9-4.5份沥青，42-60份玄武岩，5.4-5.6份矿粉，最佳新沥青油石比为3.9％-4.5％，所述旧沥青混合料为AC-16，且为分层回收的层状块体，所述钢渣为2.36-9.5mm粒径的转炉钢渣，所述沥青为70#道路石油沥青，所述矿粉为石灰岩矿粉，所述热再生钢渣沥青混合料同为AC-16，钢渣与旧沥青混合料之和的掺配率最高超过50％。

2.根据权利要求1所述的热再生钢渣沥青混合料，其特征在于，所述2.36-9.5mm的钢渣6.22％，4.75-19mm的旧沥青混合料28.60％，0.075-19mm的玄武岩59.50％，矿粉5.59％，最佳新沥青油石比3.98％。

3.根据权利要求1所述的热再生钢渣沥青混合料，其特征在于，所述2.36-9.5mm的钢渣12.26％，4.75-19mm的旧沥青混合料28.29％，0.075-9.5mm的玄武岩53.96％，矿粉5.49％，最佳新沥青油石比4.31％。

4.根据权利要求1所述的热再生钢渣沥青混合料，其特征在于，所述2.36-9.5mm的钢渣18.11％，4.75-19mm的旧沥青混合料27.94％，0.075-9.5mm的玄武岩48.47％，矿粉5.48％，最佳新沥青油石比4.37％。

5.根据权利要求1所述的热再生钢渣沥青混合料，其特征在于，所述2.36-9.5mm的钢渣23.94％，4.75-19mm的旧沥青混合料27.69％，0.075-9.5mm的玄武岩42.93％，矿粉5.44％，最佳新沥青油石比4.46％。

6.如权利要求2至5任一项所述的热再生钢渣沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将钢渣摊平放在试验室陈放6个月以上；

(2)将层状的AC-16旧沥青混合料块加热，加热温度不超过120℃，然后采用人工揉搓的方式将其分散成颗粒状集料；

(3)将钢渣与旧沥青混合料集料进行筛分，按筛孔尺寸分类存放；

(4)将钢渣与石料加热，加热温度为168℃；

(5)将旧沥青混合料集料与矿粉加热，加热温度为120℃；

(6)将沥青加热至148℃，然后加入预热的钢渣、石料及旧沥青混合料集料，在165℃的温度下搅拌90s，再加入预热的矿粉继续搅拌90s，即得热再生钢渣沥青混合料。