CN113737600A - 一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法 - Google Patents

一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，采用尾矿砂、粒径0～3mm、粒径3～5mm两档集料合成级配，并以合成级配剩余空隙率控制其击实后密实状态，通过加入胶粉与沥青发生溶胀反应，沥青粘度有所增加，进而裹附集料的结构沥青比例上升，本发明以设计空隙率和级配合成剩余空隙率控制胶粉及沥青掺入量，避免混合料设计时完全依赖设计空隙，过渡追求低空隙率造成沥青含量过高，以掺胶粉沥青砂的最终沥青膜厚度为控制值，通过沥青膜及空隙率的变化理论计算胶粉和沥青掺量，从而制备出的沥青砂有更强应力吸收能力，其柔韧性、变形协调性、抗裂性等路用性能均较为优越，同时，掺入细粒度的尾矿砂，实现固体废弃物的再生使用。

Description

一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法。
背景技术
雨水降落至道路表面，如若渗入路面结构层内部，在动水压力作用下，会造成层间剥离，出现诸如坑槽、裂缝、掉粒等早期病害，对于桥梁、涵洞等构造物，路面水下渗到梁板内部，会腐蚀钢筋，影响桥梁结构安全性，其后果相当严重。当前，路面结构多采用面层为柔性的沥青混合料、基层为半刚性、刚性材料，面层、基层之间模量和刚度不同，受复杂环境和荷载作用，路面面层、基层受力变形，然而两者之间协调性较差，很容易出现脱层、开裂等病害，路面使用耐久性经受较大考验。
沥青砂是一种粒径小于5mm，而油石比较高的沥青混合料，沥青砂的空隙率在2～3％左右，连通空隙率几乎为0，在沥青层内隔绝水下渗通道作用，沥青砂中沥青含量高达6％以上，是一种柔韧性好、变形追溯强，并具有一定自修复能力，沥青砂空隙小，与下承层界面粘结面积大，油石比高，本身粘结性强，能够与下承层界面形成高效粘结，沥青砂在防水、抗裂、粘结方面具有较好优势，能够提升路面使用耐久性。常规的沥青砂设计时，在合成级配过程中并未考虑集料合成后空隙率，导致后期配合比设计定油石比时，为保证空隙率较低，而过多的加入沥青，沥青包裹集料后剩余的自由沥青量较多，很容易出现离析。因此，有必要在级配设计、油石比确定过程中均有效控制好空隙率，并减少自由沥青用量，增加结构沥青膜厚度，以此提高所制备沥青砂的路用性能。
发明内容
本发明针对沥青砂生产制备过程中存在的缺陷，旨在提供掺胶粉的沥青砂生产制备方法，该方法根据集料合成级配剩余空隙率和沥青砂空隙率要求，确定胶粉和沥青的掺入比例，并以沥青膜厚度变化，提高结构沥青占比，以此避免沥青砂因沥青含量高而产生离析，并提高沥青砂路用性能。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，包括以下步骤：
(1)胶粉改性沥青砂包括：沥青、胶粉、尾矿砂、粒径0～3mm细集料、粒径3～5mm粗集料，对各档集料和尾矿砂进行筛分，确定各档集料及尾矿砂的级配组成；
(2)按照规定的级配范围进行沥青砂矿料级配设计，并以2.36mm、0.6mm、0.075mm作为关键筛孔，确定尾矿砂、粒径0～3mm细集料、粒径3～5mm粗集料掺配比例；
(3)将尾矿砂、粒径0～3mm细集料、粒径3～5mm粗集料按照上述比例进行参配，根据合成级配参配比例计算其理论密度，再采用马歇尔击实方法对集料击实，计算合成级配的击实密度，据此，计算合成级配剩余空隙；
(4)沥青与胶粉都填充在剩余空隙中，胶粉与沥青发生溶胀反应致使前后沥青膜厚度变化值，胶粉反应后沥青膜厚度控制在一定值，结合混合料空隙值以及沥青膜厚度变化，计算最佳的胶粉与沥青的掺配比例；
(5)拌合站拌制掺胶粉沥青砂，拌制工艺为：粒径0～3mm细集料、粒径3～5mm粗集料在加热滚筒中加热；将尾矿砂、胶粉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35-45s。
按照如下公式进行初步计算掺配比例，再进行归一化处理，依据初步计算归一化厚的掺配比例和原材料筛分结果合成级配，如若超出级配范围，则以级配要求的上下限范围进行修订
Figure BDA0003248128430000021
Figure BDA0003248128430000022
Figure BDA0003248128430000023
式中：Pw——尾矿砂掺比；P0～3——粒径0～3mm的集料掺比；
P3～5——粒径3～5mm的集料掺比；dw0.075——尾矿砂0.075mm通过率；
dw0.6——尾矿砂0.6mm通过率；dw2.36——尾矿砂2.36mm通过率；
dx0.6——0～3档料0.6mm通过率；dx2.36——0～3档料2.36mm通过率；dc2.36——3～5档料2.36mm通过率；s0.075——级配要求0.075mm通过率；
s0.6——级配要求0.6mm通过率；s2.36——级配要求2.36mm通过率；
按照如下公式计算合成级配的剩余空隙率：
Figure BDA0003248128430000031
式中：SVV——合成级配击实后剩余空隙率；ρs——合成级配击实密度；
ρg——合成级配理论最大密度；
按照如下公式确定掺胶粉的沥青砂最佳胶粉与沥青掺配比例：
Figure BDA0003248128430000032
u1/u2＝Pa/(Pa+Pj)
式中：VV——沥青砂设计空隙率；ρa——沥青密度；ρj——胶粉密度；
Pa——沥青掺量；Pj——胶粉掺量；u1——沥青膜厚度；u2——胶粉沥青膜厚度；
掺胶粉的沥青砂生产制备过程中，选用的沥青，沥青膜厚度为8～11um，胶粉与沥青溶胀反应后，沥青膜厚度控制值为12～16um.
掺胶粉的沥青砂制备过程中的设计空隙率控制在1.5～3.0％，合成级配的剩余空隙率控制在9～13％。
掺胶粉的沥青砂生产制备过程中选用的尾矿砂最大粒径为1.18mm，其中0.075mm通过率不低于75％。
本发明的有益效果是：
本发明在沥青砂中掺入胶粉，胶粉加入与沥青发生溶胀反应，增加沥青膜厚度，集料裹附的沥青中的结构沥青所占比例会大幅度增加，集料之间粘结更加牢固，沥青砂有更强应力吸收能力，增加其柔韧性、变形协调性、抗裂性等路用性能。
本发明提供一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，增加合成级配剩余空隙率作为控制值，确保沥青砂制备过程中集料形成较佳的密实状态，并避免一味通过追加油石比降低空隙率，从而减少离析产生，保障沥青砂混合料均匀性。
本发明提供一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，从沥青成膜性能角度，依据胶粉加入后沥青膜变化，建立混合料沥青、胶粉掺量与空隙变化的关系，在沥青砂生产过程中，可以根据空隙变化实时动态调整沥青、胶粉添加量，有效的控制生产成本和混合料质量。
本发明填料采用细粒度的尾矿砂，将工业废弃物进行再生使用，实现废物资源化利用，资源节约，高效环保。
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。
一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，包括对尾矿砂、0～3mm、3～5mm档进行筛分，其结果如下所示：
表1原材料筛分结果
Figure BDA0003248128430000041
Figure BDA0003248128430000051
表2原材料密度
材料 3～5档集料 0～3档集料 尾矿砂 沥青 胶粉
密度(kg/m<sup>3</sup>) 2.702 2.654 2.671 1.02 1.10
进行级配合成，按照0.075mm、0.6mm、2.36mm作为关键筛孔进行控制，关键筛孔取值按照级配上限及下限的中间值进行考虑，即0.075mm、0.6mm、2.36mm通过率分别为10％、31％、72％，按照以下公式计算掺配比例：
Figure BDA0003248128430000052
Figure BDA0003248128430000053
Figure BDA0003248128430000054
对计算结果进行归一化处理得到0.075mm、0.6mm、2.36mm掺配比例为12.1％、50％、37.9％。进行级配合成如下表所示：
表3沥青砂级配合成结果
Figure BDA0003248128430000055
Figure BDA0003248128430000061
按照上述级配合成结果，理论合成密度为ρg＝2.674kg/m3，对合成级配的集料单面击实100次，测定其击实密度ρs＝2.356kg/m3，集料合成后剩余空隙率：
Figure BDA0003248128430000062
设计空隙率取2.5％，沥青膜厚度9.6um，胶粉反应后沥青膜厚度按照13.8um控制，
Figure BDA0003248128430000063
9.6/13.8＝Pa/(Pa+Pj)
经计算得到：沥青油石比Pa为6.8％，胶粉掺量Pj为3.0％。
取混合料油石比为6.5％、6.8％、7.1％在以下条件下制作马歇尔试件：
将集料加入烘箱加热至190-210℃；
沥青加热温度为160-165℃；
胶粉与尾矿砂、集料在拌合缸中干拌15s，再将沥青加入拌合缸均匀拌合，保证拌合温度为175-180℃，拌合时间为40s；
将上诉步骤中所得的混合料在175-180℃下出锅，在170-175℃成型。
马歇尔试验结果如表3所示。
表4掺胶粉沥青砂马歇尔试验结果
Figure BDA0003248128430000064
混合料空隙率2.5％时，最佳油石比为6.76％，进行路用性能验证，掺胶粉的砂沥青混合料，的各项性能结果如表4所示。
表5掺胶粉沥青砂路用性能
Figure BDA0003248128430000071
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 (7)

1.一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)胶粉改性沥青砂包括：沥青、胶粉、尾矿砂、粒径0～3mm细集料、粒径3～5mm粗集料，对各档集料和尾矿砂进行筛分，确定各档集料及尾矿砂的级配组成；
(2)按照规定的级配范围进行沥青砂矿料级配设计，并以2.36mm、0.6mm、0.075mm作为关键筛孔，确定尾矿砂、粒径0～3mm细集料、粒径3～5mm粗集料掺配比例；
(3)将尾矿砂、粒径0～3mm细集料、粒径3～5mm粗集料按照上述比例进行参配，根据合成级配参配比例计算其理论密度，再采用马歇尔击实方法对集料击实，计算合成级配的击实密度，据此，计算合成级配剩余空隙；
(4)沥青与胶粉都填充在剩余空隙中，胶粉与沥青发生溶胀反应致使前后沥青膜厚度变化值，胶粉反应后沥青膜厚度控制在一定值，结合混合料空隙值以及沥青膜厚度变化，计算最佳的胶粉与沥青的掺配比例；
(5)拌合站拌制掺胶粉沥青砂，拌制工艺为：粒径0～3mm细集料、粒径3～5mm粗集料在加热滚筒中加热；将尾矿砂、胶粉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35-45s。
2.如权利要求1所示的一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，所述的沥青砂矿料掺配比例按照如下公式进行初步计算,再进行归一化处理，依据初步计算归一化厚的掺配比例和原材料筛分结果合成级配，如若超出级配范围，则以级配要求的上下限范围进行修订：
Figure FDA0003248128420000011
Figure FDA0003248128420000012
Figure FDA0003248128420000013
式中：Pw——尾矿砂掺比；P0～3——粒径0～3mm的集料掺比；P3～5——粒径3～5mm的集料掺比；dw0.075——尾矿砂0.075mm通过率；
dw0.6——尾矿砂0.6mm通过率；dw2.36——尾矿砂2.36mm通过率；dx0.6——0～3档料0.6mm通过率；dx2.36——0～3档料2.36mm通过率；dc2.36——3～5档料2.36mm通过率；s0.075——级配要求0.075mm通过率；s0.6——级配要求0.6mm通过率；s2.36——级配要求2.36mm通过率。
3.如权利要求1所示的一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，其特征在于：合成级配的剩余空隙率按照如下公式计算：
Figure FDA0003248128420000021
式中：SVV——合成级配击实后剩余空隙率；ρs——合成级配击实密度；
ρg——合成级配理论最大密度。
4.如权利要求1所示的一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，其特征在于：最佳胶粉与沥青掺配比例按照如下公式计算：
Figure FDA0003248128420000022
u1/u2＝Pa/(Pa+Pj)
式中：VV——沥青砂设计空隙率；ρa——沥青密度；ρj——胶粉密度；
Pa——沥青掺量；Pj——胶粉掺量；u1——沥青膜厚度；u2——胶粉加入沥青膜厚度控制值。
5.如权利要求1所示的一种掺胶粉的沥青砂生产制备方法，其特征在于：所述的沥青膜厚度为8～11um，胶粉与沥青溶胀反应后，制备的掺胶粉沥青砂过程中，沥青膜厚度控制值为12～16um。
6.如权利要求1所示的一种掺胶粉沥青砂生产制备方法，其特征在于：所述尾矿砂最大粒径为1.18mm，其中0.075mm通过率不低于75％。
7.如权利要求1所示的一种掺胶粉沥青砂生产制备方法，其特征在于：所述沥青砂的空隙率1.5～3.0％，合成级配的剩余空隙率9～13％。
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