CN113698135A

CN113698135A - 一种磷石膏沥青混合料及其制备方法

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Publication number: CN113698135A
Application number: CN202110817401.6A
Authority: CN
Inventors: 王元元; 沈雪洪; 张瑜; 刘勇; 陈国华
Original assignee: Xiangyang Road And Bridge Construction Group Co ltd; Hubei University of Arts and Science
Current assignee: Xiangyang Road And Bridge Construction Group Co ltd; Hubei University of Arts and Science
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2041-07-19
Also published as: CN113698135B

Abstract

本发明公开一种磷石膏沥青混合料及其制备方法，所述磷石膏沥青混合料包括以下组分：磷石膏、沥青、矿料以及填料。本发明通过将工业废料磷石膏应用到沥青混合料中，不仅可以扩展磷石膏的有效利用途径，实现磷石膏的资源再利用，解决磷石膏废料的堆存和排放造成环境污染的问题，而且加入到沥青混合料中还能够降低沥青混合料制备工艺中的拌和温度，达到降低沥青混合料生产过程中的能耗的效果，最终实现固废利用和绿色降碳的双重目的。

Description

一种磷石膏沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路工程材料技术领域，具体涉及一种磷石膏沥青混合料及其制备方法。

背景技术

全国每年都会有超过7000万吨的工业废料磷石膏产生，巨量磷石膏的堆存和排放，不仅大量占用耕地面积，还会对环境造成严重污染，严重制约磷化工工艺链的健康可持续发展。因此，扩展磷石膏综合利用的途径，提高磷石膏的综合利用效率显得尤为重要。道路工程领域中，沥青混合料的应用较为普遍，且用量大，若能将固体废物磷石膏应用于沥青混合料中，既可以实现扩展磷石膏的有效利用途径，实现磷石膏的废物再利用，起到保护环境的效果，有利于磷化工工艺链的健康可持续发展。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种磷石膏沥青混合料及其制备方法，旨在提供一种磷石膏资源再利用的方式。

为实现上述目的，本发明提出一种磷石膏沥青混合料，包括以下组分：磷石膏、沥青、矿料以及填料。

可选地，所述磷石膏沥青混合料中，所述磷石膏、沥青、矿料和填料的质量百分比分别为0.2～2％、4～8％、75～92.8％和3～15％。

可选地，所述磷石膏的粒径为0.005～0.05mm；和/或，所述磷石膏的pH值为3.5～4.1。

可选地，所述矿料包括材质为玄武岩和/或石灰岩的粗集料、以及材质为玄武岩和/或石灰岩的细集料。

可选地，所述填料包括第一填料，所述第一填料为石灰岩矿粉，所述石灰岩矿粉的粒径不大于0.6mm，且其中粒径小于0.075mm的石灰岩矿粉的质量百分比不少于所述石灰岩矿粉总质量的75％。

可选地，所述填料还包括第二填料，所述第二填料包括水泥和粉煤灰中的至少一种，且所述第二填料的质量不超过所述填料总质量的3％。

为实现上述目的，本发明还提出一种如上所述的磷石膏沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

将磷石膏和沥青在预设温度下搅拌均匀，形成预混料；

向所述预混料中加入矿料和填料，继续在所述预设温度下搅拌均匀，然后压实成型并冷却，制得磷石膏沥青混合料；

其中，所述预设温度为130～150℃。

可选地，向所述预混料中加入矿料和填料，继续在所述预设温度下搅拌均匀，然后压实成型并冷却，制得磷石膏沥青混合料的步骤中，所述矿料加热至所述预设温度后再加入至所述预混料中。

本发明提供的技术方案中，所述磷石膏沥青混合料包括磷石膏、沥青、矿料以及填料，通过将工业废料磷石膏应用到沥青混合料中，不仅可以扩展磷石膏的有效利用途径，实现磷石膏的资源再利用，解决磷石膏废料的堆存和排放造成环境污染的问题，而且加入到沥青混合料中还能够降低沥青混合料制备工艺中的拌和温度，达到降低沥青混合料生产过程中的能耗的效果，最终实现低碳排放和保护环境的双重目的。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为实现工业废料磷石膏的资源再利用，本发明提出一种磷石膏沥青混合料，包括以下组分：磷石膏、沥青、矿料以及填料。本发明提供的技术方案中，所述磷石膏沥青混合料包括磷石膏、沥青(也即沥青结合料)、矿料以及填料，通过将工业废料磷石膏应用到沥青混合料中，不仅可以扩展磷石膏的有效利用途径，实现磷石膏的资源再利用，解决磷石膏废料的堆存和排放对地下水、河流水和土壤等生态环境造成的不利影响。此外，所述沥青混合料中还可以添加外加剂等成分，以进一步改善所述磷石膏沥青混合料的综合性能。

磷石膏的主要成分为二水石膏，其分子式是CaSO₄·2H₂O，含有两个结晶水，在不同条件的加热处理中，其结晶水容易脱出，当温度在65℃时加热，二水石膏就开始释出结晶水，但脱水速度比较慢，在107℃左右、水蒸气压达到971mmHg时，脱水速度迅速变快，128℃失去1分子结晶水，163℃全部失水。工业上，将生石膏加热到150℃脱水成熟石膏CaSO₄·1/2H₂O(或烧石膏)，加水又转化为CaSO₄·2H₂O。发明人在实践过程中意外发现，将磷石膏加入到沥青混合料中，能够降低沥青混合料制备工艺中的拌和温度(拌和温度降低至130～150℃)，起到温拌效果，如此，通过将磷石膏加入到沥青混合料中可以达到降低沥青混合料生产过程中的能耗的效果，解决沥青混合料生产过程能耗高的问题，最终实现低碳排放和保护环境的双重目的。

在本发明提供的临时改沥青混合料的一实施例中，所述磷石膏沥青混合料中各组分的添加比例分别为：所述磷石膏、沥青、矿料和填料占所述磷石膏沥青混合料的质量百分比分别为0.2～2％、4～8％、75～92.8％和3～15％。在此配比范围内，不仅能通过所述磷石膏的加入而达到降低沥青混合料拌和温度、实现磷石膏的有效利用的效果，而且所得到的所述磷石膏沥青混合料相比于不掺有磷石膏的沥青混合料的性能要更为优异。

工业废料磷石膏呈深灰色，风干之后呈灰白色，是一种复杂的多组分结晶体，主要有针状晶体、板状晶体、密实晶体，其晶体粗大，表面覆盖可溶性磷、有机物等杂质。在本发明实施例中，具体优选为所述磷石膏的粒径为0.005～0.05mm；和/或，所述磷石膏的pH值为3.5～4.1。如此，通过适当粒径和pH值的选择，有利于尽可能地减小所述磷石膏在加入到所述沥青混合料中后对沥青混合料拌和性能及使用性能的影响。

进一步地，在本发明实施例中，所述矿料作为沥青混合料的骨料成分，包括粗集料和细集料，粗集料通常是指粒径大于2.36mm以上的碎石、破碎砾石、筛选砾石、矿渣等，细集料是指粒径小于2.36的天然砂、人工砂(包括机制砂)及石屑，在具体选择时，所述粗集料可选择材质为玄武岩和/或石灰岩的粗集料，所述细集料可选择材质为玄武岩和/或石灰岩的细集料。通过选用上述物质作为所述沥青混合料中的矿料，能够保证所述沥青混合料的强度等使用性能。其中，所述粗集料和细集料的添加量可以根据沥青混合料的常规配方设计及实际使用需求对应选择，在此不做赘述。

更进一步地，所述填料包括第一填料，所述第一填料为石灰岩矿粉，所述石灰岩矿粉的粒径不大于0.6mm，且其中粒径小于0.075mm的石灰岩矿粉的质量百分比不少于所述石灰岩矿粉总质量的75％。另外，所述填料还可以包括第二填料，所述第二填料包括水泥和粉煤灰中的至少一种，既可以是所述第二填料为水泥或者为粉煤灰，也可以是所述第二填料为水泥和粉煤灰的混合物，且所述第二填料的质量不超过所述填料总质量的3％。如此，通过所述第一填料的加入或者所述第一填料和第二填料的同时加入，有利于进一步保证所述沥青混合料的强度等使用性能。

基于本发明上述实施例提供的磷石膏沥青混合料，本发明还进一步提出所述磷石膏沥青混合料的制备方法，具体地，所述磷石膏沥青混合料的制备方法包括以下步骤：

步骤S10、将磷石膏和沥青在预设温度下搅拌均匀，形成预混料；

首先，将磷石膏和沥青(也即沥青结合料)在130～150℃的预设温度下搅拌均匀，利用磷石膏释放的结晶水，使沥青结合料产生发泡降粘效果。

步骤S20、向所述预混料中加入矿料和填料，继续在所述预设温度下搅拌均匀，然后压实成型并冷却，制得磷石膏沥青混合料；

然后，按照上述实施例提供的所述磷石膏沥青混合料的配比，向所述预混料中添加矿料、填料、外加剂等，并且继续在所述预设温度下进行温拌，充分拌和均匀，然后压实成型并冷却，即制得所述磷石膏沥青混合料，在冷却过程中，利用脱水磷石膏的吸收特性，吸收混合料中多余的自由水，将自由水转变成为结晶水，从而减少其对沥青混合料强度的影响。进一步地，所述矿料在加入至所述预混料之前，先将所述矿料加热至所述预设温度之后，所述矿料的预热可以利用烘箱等加热设备实现，再将预热后的所述矿料加入至所述预混料中，而所述填料、外加剂等则可以直接加入，无需预热。

目前沥青混合料的拌和温度通常较高，一般至少不低于160℃，而本发明实施例中，通过将磷石膏加入到所述沥青混合料中，将所述沥青混合料的拌和温度降低至130～150℃，起到降低拌和温度的效果，降低了沥青混合料生产中的能耗，而且还提高了沥青混合料的强度等使用性能。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

(1)磷石膏沥青混合料包括：0.2wt％的磷石膏(粒径0.005～0.05mm，pH值3.5～4.1)、4.3wt％的沥青(AC-13沥青结合料，采用普通石油沥青，油石比为4.5％)、89.5wt％的矿料(玄武岩粗集料和玄武岩细集料，粗集料和细集料的质量比为2:1)和6wt％的填料(粒径小于0.6mm且小于0.075mm的质量占比不小于75％的石灰岩矿粉)；

其中，AC-13沥青混合料的设计级配表如表1所示。

表1 AC-13沥青混合料的设计级配表

(2)将磷石膏和沥青结合料在130℃的温度下搅拌均匀，形成预混料；然后将矿料在烘箱中加热至130℃，然后将预热后的矿料加入到预混料中，同时加入填料，然后继续在130℃的温度下将物料充分搅拌均匀，搅拌完毕后将沥青混合料压实成型，然后冷却，制得磷石膏沥青混合料。

实施例2

(1)磷石膏沥青混合料包括：0.5wt％的磷石膏(粒径0.005～0.05mm，pH值3.5～4.1)、5wt％的沥青(AC-13沥青结合料)、85.5wt％的矿料(石灰岩粗集料和石灰岩细集料，粗集料和细集料的质量比为2:1)和9wt％的填料(粒径小于0.6mm且小于0.075mm的质量占比不小于75％的石灰岩矿粉)。

实施例3

(1)磷石膏沥青混合料包括：1wt％的磷石膏(粒径0.005～0.05mm，pH值3.5～4.1)、6wt％的沥青(SMA-13沥青结合料)、83wt％的矿料(玄武岩粗集料和石灰岩细集料，粗集料和细集料的质量比为8:1)和10wt％的填料(粒径小于0.6mm且小于0.075mm的质量占比不小于75％的石灰岩矿粉)。

(2)将磷石膏和沥青结合料在140℃的温度下搅拌均匀，形成预混料；然后将矿料在烘箱中加热至140℃，然后将预热后的矿料加入到预混料中，同时加入填料，然后继续在140℃的温度下将物料充分搅拌均匀，搅拌完毕后将沥青混合料压实成型，然后冷却，制得磷石膏沥青混合料。

实施例4

(1)磷石膏沥青混合料包括：2wt％的磷石膏(粒径0.005～0.05mm，pH值3.5～4.1)、5wt％的沥青(AC-13沥青结合料)、87wt％的矿料(玄武岩粗集料、石灰岩的粗集料和玄武岩细集料，粗集料和细集料的质量比为1:1)和6wt％的填料(粒径小于0.6mm且小于0.075mm的质量占比不小于75％的石灰岩矿粉和水泥，水泥的质量为填料总质量的3％)。

(2)将磷石膏和沥青结合料在135℃的温度下搅拌均匀，形成预混料；然后将矿料在烘箱中加热至135℃，然后将预热后的矿料加入到预混料中，同时加入填料，然后继续在135℃的温度下将物料充分搅拌均匀，搅拌完毕后将沥青混合料压实成型，然后冷却，制得磷石膏沥青混合料。

实施例5

(1)磷石膏沥青混合料包括：1.5wt％的磷石膏(粒径0.005～0.05mm，pH值3.5～4.1)、6.5wt％的沥青(SMA-13沥青结合料)、80wt％的矿料(玄武岩粗集料和玄武岩细集料，粗集料和细集料的质量比为8:1)和12wt％的填料(粒径小于0.6mm且小于0.075mm的质量占比不小于75％的石灰岩矿粉和粉煤灰，粉煤灰的质量为填料总质量的2％)。

(2)将磷石膏和沥青结合料在145℃的温度下搅拌均匀，形成预混料；然后将矿料在烘箱中加热至145℃，然后将预热后的矿料加入到预混料中，同时加入填料，然后继续在145℃的温度下将物料充分搅拌均匀，搅拌完毕后将沥青混合料压实成型，然后冷却，制得磷石膏沥青混合料。

实施例6

(1)磷石膏沥青混合料包括：1.5wt％的磷石膏(粒径0.005～0.05mm，pH值3.5～4.1)、6wt％的沥青(SMA-13沥青结合料)、82.5wt％的矿料(玄武岩粗集料和玄武岩细集料，粗集料和细集料的质量比为8:1)和10wt％的填料(粒径小于0.6mm且小于0.075mm的质量占比不小于75％的石灰岩矿粉、水泥和粉煤灰，水泥和粉煤灰的质量比为1:1，且水泥和粉煤灰的质量之和为填料总质量的3％)。

(2)将磷石膏和沥青结合料在150℃的温度下搅拌均匀，形成预混料；然后将矿料在烘箱中加热至150℃，然后将预热后的矿料加入到预混料中，同时加入填料，然后继续在150℃的温度下将物料充分搅拌均匀，搅拌完毕后将沥青混合料压实成型，然后冷却，制得磷石膏沥青混合料。

对比例1

(1)磷石膏混合料的配方与实施例2相同，不同之处在于，将磷石膏替换成为等质量的石灰岩矿粉。

(2)将沥青结合料加热至160℃；将矿料在烘箱中预热至160℃后，在搅拌作用下将矿料加入到沥青混合料中，同时加入填料，然后继续在160℃下将物料充分搅拌均匀，搅拌完毕后将沥青混合料压实成型，然后冷却，制得沥青混合料。

对比例2

(1)磷石膏混合料的配方与对比例1相同。

(2)步骤与对比例1相同，不同之处沥青混合料的拌和温度为130℃。

测试实施例1至实施例6制得的磷石膏沥青混合料、以及对比例1和对比例2制得的沥青混合料的路用性能，结果如表2所示。

表2 各实施例和对比例制得的沥青混合料的路用性能对比

从表2的结果可以看出，对比例1和对比例2汇总不掺有磷石膏的沥青混合料在130℃和160℃两种拌和温度下表现出较大的差异，体现在：在130℃时，不掺有磷石膏的沥青混合料的路用性能有较大的下降趋势，其稳定度下降约27.0％，且低于8.0kN；残留稳定度降低约17.1％，且低于75％；低温弯曲破坏应变降低约23.6％，已无法满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对沥青混合料的技术要求。而本发明实施例中拌和温度130～160℃、掺有磷石膏的磷石膏沥青混合料的路用性能与拌和温度160℃、不掺有磷石膏的沥青混合料的路用性能大致相对，均能够满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对沥青混合料的技术要求，说明本发明实施例中通过磷石膏的加入，对沥青混合料起到了很好的温拌效果，在降低沥青混合料拌和温度的同时，保障了沥青混合料的路用性能，从而提供了一种磷石膏再利用的新途径，提高了磷石膏的综合利用效率，同时还能降低沥青混合料的拌和温度，进而降低沥青混合料生产中的能耗。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种磷石膏沥青混合料，其特征在于，包括以下组分：磷石膏、沥青、矿料以及填料。

2.如权利要求1所述的磷石膏沥青混合料，其特征在于，所述磷石膏沥青混合料中，所述磷石膏、沥青、矿料和填料的质量百分比分别为0.2～2％、4～8％、75～92.8％和3～15％。

3.如权利要求1所述的磷石膏沥青混合料，其特征在于，所述磷石膏的粒径为0.005～0.05mm；和/或，所述磷石膏的pH值为3.5～4.1。

4.如权利要求1所述的磷石膏沥青混合料，其特征在于，所述矿料包括材质为玄武岩和/或石灰岩的粗集料、以及材质为玄武岩和/或石灰岩的细集料。

5.如权利要求1所述的磷石膏沥青混合料，其特征在于，所述填料包括第一填料，所述第一填料为石灰岩矿粉，所述石灰岩矿粉的粒径不大于0.6mm，且其中粒径小于0.075mm的石灰岩矿粉的质量百分比不少于所述石灰岩矿粉总质量的75％。

6.如权利要求5所述的磷石膏沥青混合料，其特征在于，所述填料还包括第二填料，所述第二填料包括水泥和粉煤灰中的至少一种，且所述第二填料的质量不超过所述填料总质量的3％。

7.一种如权利要求1至6任意一项所述的磷石膏沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将磷石膏和沥青在预设温度下搅拌均匀，形成预混料；

其中，所述预设温度为130～150℃。

8.如权利要求7所述的磷石膏沥青混合料的制备方法，其特征在于，向所述预混料中加入矿料和填料，继续在所述预设温度下搅拌均匀，然后压实成型并冷却，制得磷石膏沥青混合料的步骤中，所述矿料加热至所述预设温度后再加入至所述预混料中。