CN114179219B - 一种高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法及沥青混凝土 - Google Patents

一种高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法及沥青混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明属于沥青混凝土制备的技术领域，具体的涉及一种高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法及沥青混凝土。所述制备方法包括以下步骤：(1)将细集料、粗集料烘干预热备用；(2)制备微米级无机粉体；(3)制备改性矿粉；(4)制备复合沥青；(5)制备粗集料混合物，然后加入改性矿粉得到粗集料与改性矿粉的均匀混合物；(6)将复合沥青加入至粗集料与改性矿粉的均匀混合物中再最后加入细集料，搅拌即得所述酸性集料沥青混凝土。

Description

一种高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法及沥青混凝土
技术领域
本发明属于沥青混凝土制备的技术领域，具体的涉及一种高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法及沥青混凝土。
背景技术
交通运输是国民经济的命脉，公路交通基础设施是交通运输的重要组成部分。随着经济社会的不断发展，公路建设的规模持续增加，对沥青混凝土的需求也日益增大。由于环境保护力度的加强，开山采石受到限制，生产沥青混凝土所用的优质石料资源日益缺乏。特别是在我国西部高原地区，气候条件十分恶劣，地形、地貌和水文地质条件复杂，脆弱的生态环境给公路建设带来了巨大的挑战，可用于修筑沥青路面的优质原材料相对匮乏，给当地的公路建设带来了极大的制约。
我国幅员辽阔，河流众多，西部高原地区沉积着大量的卵石，且强度大、硬度高、耐冲击性好，如果用于生产沥青混凝土，将大大减少对砂石资源的开采，缓解优质砂石资源紧张的局面。沉积卵石大多为酸性集料，而酸性集料与弱酸性的沥青之间粘附性较差，集料与沥青之间的粘结力低，用破碎卵石酸性集料生产的沥青混合料水稳定性差、耐老化性差、耐久性不易保证，易出现坑槽、剥落、开裂等病害，严重影响沥青路面的质量。为了改善酸性集料与沥青的粘附性，保证酸性集料沥青混凝土的性能，目前设计生产了多种抗剥落剂，常用的有机抗剥落剂质量参差不齐，稳定性差，价格昂贵，添加量大，造价高。高原地区施工设备相对落后，温度变异大，传统酸性集料沥青混凝土的加工方法，无论是固体抗剥落剂的投放还是液体抗剥落剂的添加，因沥青粘稠、混料之间流动性差等原因均出现难以拌和均匀，需采用较高的拌和温度、较长的拌和时间及较高的拌和效率等加工条件，即便如此也难以使酸性集料沥青混凝土性能达到理想状态，严重制约了高原地区酸性集料的应用，影响沥青路面质量。因此亟需一种适用于环境严苛的高原地区的酸性集料沥青混凝土。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，根据破碎卵石沥青混合料的特点及高原地区的施工环境条件，提供一种高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法及沥青混凝土，通过该制备方法制得的沥青混凝土可以显著促进改善酸性集料沥青混合料的性能。
本发明的技术方案为：一种高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将细集料、不同规格的粗集料分别烘干预热后保温备用；
(2)将水泥、石灰石微粉、城市垃圾焚烧底灰三种固体材料按比例混合后进行粉碎，然后进行机械粉磨，制成微米级无机粉体；
(3)将步骤(2)中得到的微米级无机粉体按照比例加入矿粉中，以矿粉作为分散剂，制得改性矿粉，烘干备用；
(4)将沥青加热使其完全融化，加入有机偶联改性剂，搅拌均匀，制得复合沥青，备用；
(5)将步骤(1)不同规格的粗集料混合后搅拌，得到粗集料混合物，然后加入步骤(3)制得的改性矿粉，搅拌均匀，得到粗集料与改性矿粉的均匀混合物；
(6)将步骤(4)制得的复合沥青加入至步骤(5)所得粗集料与改性矿粉的均匀混合物中，搅拌均匀后加入步骤(1)的细集料，搅拌即得所述酸性集料沥青混凝土。
该制备方法首先通过微米级无机粉体和有机偶联改性剂分别处理矿粉和沥青得到改性矿粉和复合沥青；然后将改性矿粉优先与形成沥青混合料骨架的粗集料相结合，利用矿粉与粗集料之间比表面积的差异，使得呈碱性的改性矿粉在粗集料表面得到充分均匀的吸附，改善了酸性粗集料的表面电荷；再将复合沥青加入，此时复合沥青会与改善后的酸性粗集料表面形成两种强相互作用：①改善后的酸性粗集料表面带有碱性负电荷与复合沥青所带有的酸性正电荷具有吸附作用；②所采用的有机偶联改性剂同时具有无机反应性基团和有机反应性基团的特点，使得沥青与酸性粗集料之间形成桥接作用；③有机偶联改性剂的双基团具有表面活性，对沥青产生有机降粘的作用，有利于混合料的混合均匀，无需通过较高的拌合温度和较长的拌合时间来解决难以拌和均匀的技术问题，有效地降低混合料的拌和温度，减少了拌合时间，大大提高了工程施工效率。
由上述可知，微米级无机粉体和有机偶联改性剂双组份相互协同起到了抗剥落剂的作用，不同于现有技术中的抗剥落剂，两者分别以沥青混合料中固有的组分矿粉和沥青作为分散剂，微米级无机粉体分散于同样具有无机性质的矿粉中，有机偶联改性剂则分散于有机性质的沥青中，有效避免了不同性质的组分因难以融合而造成如现有抗剥落剂存在的难以均匀分散的技术问题，不仅可以减少抗剥落剂的掺量，而且提高了沥青混凝土的整体性能。
不同于传统沥青混凝土的制备工艺，本发明所述的制备方法选择最后加入细集料，这样可以避免出现因细集料比表面积大，对沥青过多吸附而导致沥青混合料出现花白料等拌和不均匀的情况，有效保证了粗集料表面的沥青膜厚度，进而保证了沥青混凝土的性能。此外，最后加入细集料还可以减少细集料对改性矿粉和复合沥青的吸附，使得改性矿粉和复合沥青均集中靶向作用于粗集料，更加有效地提高酸性集料沥青混凝土的抗剥落和抗水损害的能力，进而减少了具有抗剥落性能的双组份的用量。
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法中按照重量份所述粗集料混合物为50-80份，细集料为20-50份，微米级无机粉体为1-3份，矿粉为2-6份，沥青为3-6份，有机偶联改性剂为0.1-0.9份；按重量份所述水泥为2-5份，石灰石微粉为5-10份，城市垃圾焚烧底灰为2-5份。该重量份配比中微米级无机粉体的掺量与矿粉亲水性能处于最佳平衡状态，有机偶联改性剂的用量与沥青分散性处于最佳平衡状态。
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法中粗、细集料均为破碎卵石；沥青为90#基质沥青、110#基质沥青、SBR改性沥青和SBS改性沥青中的任意一种；矿粉为花岗岩矿粉、砂岩矿粉或石英岩矿粉；有机偶联改性剂为钛酸脂偶联剂、铝酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中的至少一种。
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法步骤(1)中粗集料的规格为3-5mm、5-10mm、10-15mm和10-20mm中的至少一种；细集料的规格为0-3mm。
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法步骤(1)烘干预热的时间为3-5h，其具体操作如下：当步骤(4)沥青采用改性沥青时，则将粗、细集料分别烘干预热至160-180℃，保温备用；当步骤(4)沥青采用基质沥青时，则将粗、细集料分别烘干预热至140-160℃，保温备用。
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法步骤(2)中微米级无机粉体的细度为1-50μm。
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法步骤(4)中搅拌时间至少2h，搅拌速率为20～47转/分钟；当沥青采用改性沥青时，有机偶联改性剂加入后的搅拌温度为145-160℃；当沥青采用基质沥青时，有机偶联改性剂加入后的搅拌温度为130-145℃。
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法中粗集料混合物、改性矿粉、复合沥青以及细集料之间先后搅拌混合的总拌和时间≤90s。
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法步骤(5)中粗集料混合物中加入改性矿粉后搅拌30-40s；所述步骤(6)中加入复合沥青后搅拌15-25s，加入细集料后搅拌15-25s。
一种所述制备方法制得的高原地区酸性集料沥青混凝土。
本发明的有益效果为：
(一)提供一种酸性集料沥青混凝土的加工方法，该方法可以有效提高酸性沥青混凝土的拌和均匀性，提高粗集料表面沥青膜的厚度，提升沥青混合料的抗老化能力，减少沥青用量，降低拌和温度。
(二)提供具有抗剥落性能的双组份及其添加方法，使该双组份优先作用于粗集料与沥青的界面，提升沥青混合料中沥青与形成骨架的粗集料之间的吸附力，减少沥青的脱落，提高了沥青混合料的抗水损害能力及耐久性。
(三)通过具有抗剥落性能双组份的分别加入，充分利用沥青混合料中的固有组分，较传统抗剥落剂减少了掺量，提高了分散均匀性，保证了混合料性能的均一，增强了沥青与集料之间的粘结力，提升沥青混合料的抗裂性能。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将规格为0-3mm、3-5mm、5-10mm、10-15mm和10-20mm的破碎卵石分别在150℃下烘干预热4h后保温备用；
(2)将3份水泥、5份石灰石微粉、2份城市垃圾焚烧底灰三种固体材料按比例混合后进行粉碎，然后进行机械粉磨，制成细度为40μm的微米级无机粉体；
(3)将1.5份步骤(2)中得到的微米级无机粉体加入至2.5份石英岩矿粉中，以石英岩矿粉作为分散剂，制得改性矿粉，烘干备用；
(4)将4份90#基质沥青加热使其完全融化，加入0.5份钛酸脂偶联剂，在130℃下搅拌2h，搅拌速率为40转/分钟，制得复合沥青，备用；
(5)将步骤(1)不同规格的粗集料混合后搅拌，得到69份粗集料混合物，然后加入步骤(3)制得的改性矿粉，搅拌35s，得到粗集料与改性矿粉的均匀混合物；
(6)将步骤(4)制得的复合沥青加入至步骤(5)所得粗集料与改性矿粉的均匀混合物中，均匀搅拌20s后加入28份步骤(1)的破碎卵石细集料，搅拌20s即得所述酸性集料沥青混凝土。
实施例2
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将规格为0-3mm、3-5mm、5-10mm和10-15mm的破碎卵石分别在180℃下烘干预热3h后保温备用；
(2)将2份水泥、5份石灰石微粉、2份城市垃圾焚烧底灰三种固体材料按比例混合后进行粉碎，然后进行机械粉磨，制成细度为20μm的微米级无机粉体；
(3)将1份步骤(2)中得到的微米级无机粉体加入2份花岗岩矿粉中，以花岗岩矿粉作为分散剂，制得改性矿粉，烘干备用；
(4)将4.5份基质沥青为90#沥青的SBR改性沥青加热使其完全融化，加入0.1份铝酸酯偶联剂，在150℃下搅拌3h，搅拌速率为30转/分钟，制得复合沥青，备用；
(5)将步骤(1)不同规格的粗集料混合后搅拌，得到50份粗集料混合物，然后加入步骤(3)制得的改性矿粉，搅拌35s，得到粗集料与改性矿粉的均匀混合物；
(6)将步骤(4)制得的复合沥青加入至步骤(5)所得粗集料与改性矿粉的均匀混合物中，均匀20s搅拌后加入20份步骤(1)的破碎卵石细集料，搅拌20s即得所述酸性集料沥青混凝土。
实施例3
所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将规格为0-3mm、3-5mm、5-10mm、10-15mm和10-20mm的破碎卵石分别在170℃下烘干预热5h后保温备用；
(2)将5份水泥、10份石灰石微粉、5份城市垃圾焚烧底灰三种固体材料按比例混合后进行粉碎，然后进行机械粉磨，制成细度为50μm的微米级无机粉体；
(3)将1份步骤(2)中得到的微米级无机粉体加入3份砂岩矿粉中，以砂岩矿粉作为分散剂，制得改性矿粉，烘干备用；
(4)将4份SBS改性沥青加热使其完全融化，加入0.9份硅烷偶联剂，在150℃下搅拌2h，搅拌速率为47转/分钟，制得复合沥青，备用；
(5)将步骤(1)不同规格的粗集料混合后搅拌，得到80份粗集料混合物，然后加入步骤(3)制得的改性矿粉，搅拌35s，得到粗集料与改性矿粉的均匀混合物；
(6)将步骤(4)制得的复合沥青加入至步骤(5)所得粗集料与改性矿粉的均匀混合物中，均匀搅拌20s后加入50份步骤(1)的破碎卵石细集料，搅拌20s即得所述酸性集料沥青混凝土。
对比例1
该对比例与实施例1的区别在于：该对比例1步骤(3)不加入微米级无机粉体，仅为4份石英岩矿粉，烘干备用；在步骤(5)的粗集料混合物中加入4份石英岩矿粉，搅拌30-40s，得到粗集料与矿粉的混合物；在步骤(6)将复合沥青加入粗集料与矿粉的混合物中。其他与实施例1相同。
对比例2
该对比例与实施例1的区别在于：该对比例2步骤(4)不加入钛酸脂偶联剂，仅为4.5份90#基质沥青，加热使其完全融化备用；在步骤(6)将90#基质沥青加入粗集料与改性矿粉的混合物中。其他与实施例1相同。
对比例3
该对比例与实施例1的区别在于：该对比例3步骤(5)是将步骤(1)不同规格的粗集料与细集料先混合搅拌，得到粗、细集料的混合物，然后将改性矿粉加入至粗、细集料的混合物中，得到粗、细集料与改性矿粉的均匀混合物；在步骤(6)将复合沥青加入粗、细集料与改性矿粉的均匀混合物中。除了细集料的加入顺序不同，其他与实施例1相同。
对比例4
该对比例沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将规格为0-3mm、3-5mm、5-10mm、10-15mm和10-20mm的破碎卵石分别在200℃下烘干预热4h后保温备用；
(2)将4.5份90#基质沥青加热使其完全融化，备用；
(3)将步骤(1)不同规格的破碎卵石混合后搅拌，得到混合物；然后加入石英岩矿粉，搅拌90s，得到粗、细集料与矿粉的均匀混合物；
(4)将步骤(2)的沥青加入至步骤(3)所得粗、细集料与矿粉的均匀混合物中，搅拌90s均匀后即得所述沥青混凝土。
该对比例4为现有常规酸性集料沥青混凝土的制备方法，与实施例1的区别在于：未加入微米级无机粉体和有机偶联改性剂，且加工过程中各组分的加入顺序、拌合温度以及拌合时间均不同。对比实施例1可知，常规制备方法的拌合温度较本发明高，且拌合时间长。
分别测试实施例1-3以及对比例1-4所得沥青混凝土的性能，测试数据详见表1,其中表1中各个参数的解释具体如下：
1.冻融劈裂强度：冻融劈裂强度试验试件采用马歇尔击实法成型试件，击实次数为正反两面各50次。试验时将试件分为两组，每组四个。一组在25℃水中浸泡2小时后测定，另一组饱水养生，其过程如下：常温下(约25℃)浸水20min；0.09Mpa浸水抽真空15min；-18℃冰箱中存放16小时；置于60℃水浴中恒温24小时；25℃水中浸泡2小时，养生结束后，测出压裂时的压力值，然后计算冻融劈裂抗拉强度比TSR，其TSR值越大，则表征混合料的水稳定性能越好。
2.浸水马歇尔试验强度：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规范要求成型沥青混合料马歇尔试件，之后对试件尺寸进行检测，在试件满足直径101.6±0.2mm、高度63.5±1.3mm的情况下，进行后续试验。将合格的一批试样放入60℃的标准恒温水浴中浸水保持30-45分钟，然后进行普通马歇尔稳定度及流值试验；将另一批试件放入60℃的恒温水浴中连续保持48±1小时后，进行浸水马歇尔试样，试验加载速率均为50mm/min。浸水马歇尔稳定度与普通马歇尔稳定度的百分比即为残留稳定度，残留稳定度越大则表征混合料的水稳定性能越好。
3.低温最大弯拉应变：在我国设计规范中，常以沥青混合料低温时的最大弯拉应变来表征其低温性能，最大弯拉应变越大，说明沥青混合料抗低温开裂的能力越好。
4.疲劳弯曲试验：疲劳损坏是沥青路面最主要的破坏形式之一，沥青混合料的疲劳性能是指在某一特定的荷载环境及气候条件下其抵抗重复荷载作用而不产生破裂的能力，在车辆重复荷载作用下，沥青路面承受应力应变的重复循环变化，从而使沥青路面结构强度逐渐下降，当荷载重复作用超过一定的次数后，荷载应力超过路面材料的极限强度，从而使路面出现开裂，即疲劳破坏，疲劳开裂的早期现象是路面在纵向出现不间断的裂缝，之后出现更多的变形，影响沥青路面的使用性和耐久性。
5.汉堡车辙深度：汉堡车辙试验作为一种评价沥青混合料高温抗车辙性能和水稳定性的试验方法，其评价结果与实际路用性能相关性较高，可以确保二者之间的一致性,与传统的轮辙试验相比，汉堡轮辙试验是目前测试沥青混合料水敏感性和抗车辙性能试验条件最苛刻的试验设备之一。试验的基本过程是使一定规格和重量的钢制轮子在浸泡于试验温度水中的沥青混合料试件表面上来回碾过设定的遍数，通过测量沥青混合料的轮辙深度和变形曲线的特征判断沥青混合料的水稳定性和抗车辙性能。汉堡轮辙试验的评价指标主要有轮辙深度和剥落拐点，轮辙深度越小，无剥落拐点则混合料的路用性能越佳。
表1实施例1-3和对比例1-4所述沥青混凝土的水稳定性使用效果数据
Figure BDA0003389213490000071
Figure BDA0003389213490000081
对表1数据综合分析可得出如下结论：
(1)酸性集料应用于沥青路面面层中所遇到的最大问题就是：酸性集料与沥青之间的黏附性不足，容易引发混合料水损害等病害，进一步破坏路面，降低路面使用寿命。对比实施例1-3与对比例1-4可见，加入所述微米级无机粉体和/或有机偶联改性剂后酸性集料沥青混合料的冻融劈裂强度(规范指标为基质沥青≥70％、改性沥青≥75％)、浸水马歇尔残留稳定度(规范指标为基质沥青≥75％、改性沥青≥80％)、低温弯曲最大弯拉应变(规范指标为基质沥青≥2000με、改性沥青≥2500με)及汉堡车辙深度(规范指标为≤12.7mm)均满足规范指标要求，酸性集料沥青混合料的水稳定性和其他路用性能均显著提升。
(2)对比对比例3与对比例4可见，加入微米级无机粉体和有机偶联改性剂比不加在冻融劈裂强度比方面提升了16％，浸水马歇尔残留稳定度提升了13％，低温弯曲最大弯拉应变约提升33.9％，400应变下的疲劳寿命约提升43.5％，汉堡车辙试验的车辙深度减小了至少37.9％，且没有出现剥落拐点(浸水钢轮车辙试验变形曲线由蠕变阶段转变为剥落阶段所对应的试验次数，通常认为当剥落拐点小于10000次时，沥青混合料水稳定性能较差)，因此添加了本发明所述微米级无机粉体和有机偶联改性剂后，混合料的水稳定性能、低温性能、高温性能和疲劳寿命均显著提升。
(3)基于实施例1、对比例1和对比例2综合对比分析可知，单独加入微米级无机粉体或有机偶联改性剂，可以有效改善酸性集料沥青混混合料的水稳定性，但改善效果不如两者共同作用时效果明显。
(4)对比实施例1和对比例3可见，按照本发明加料顺序所得的沥青混凝土比对比例3加料顺序所得沥青混凝土在冻融劈裂强度比方面提升了3％，浸水马歇尔残留稳定度提升了4％，汉堡车辙试验的车辙深度减小了17.1％，且无拐点出现，由此可知，在相同用料及工艺参数的情况下，本发明所述的加料顺序对酸性集料沥青混合料水稳定性的改善效果更佳。

Claims (9)

1.一种高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将细集料、不同规格的粗集料分别烘干预热后保温备用；
（2）将水泥、石灰石微粉、城市垃圾焚烧底灰三种固体材料按比例混合后进行粉碎，然后进行机械粉磨，制成微米级无机粉体；
（3）将步骤（2）中得到的微米级无机粉体按照比例加入矿粉中，以矿粉作为分散剂，制得改性矿粉，烘干备用；
（4）将沥青加热使其完全融化，加入有机偶联改性剂，搅拌均匀，制得复合沥青，备用；
（5）将步骤（1）不同规格的粗集料混合后搅拌，得到粗集料混合物，然后加入步骤（3）制得的改性矿粉，搅拌均匀，得到粗集料与改性矿粉的均匀混合物；
（6）将步骤（4）制得的复合沥青加入至步骤（5）所得粗集料与改性矿粉的均匀混合物中，搅拌均匀后加入步骤（1）的细集料，搅拌即得所述酸性集料沥青混凝土；
按照重量份所述粗集料混合物为50-80份，细集料为20-50份，微米级无机粉体为1-3份，矿粉为2-6份，沥青为3-6份，有机偶联改性剂为0.1-0.9份；按重量份所述水泥为2-5份，石灰石微粉为5-10份，城市垃圾焚烧底灰为2-5份。
2.根据权利要求1所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，其特征在于，所述粗、细集料均为破碎卵石；沥青为90#基质沥青、110#基质沥青、SBR改性沥青和SBS改性沥青中的任意一种；矿粉为花岗岩矿粉、砂岩矿粉或石英岩矿粉；有机偶联改性剂为钛酸脂偶联剂、铝酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中粗集料的规格为3-5mm、5-10mm、10-15mm和10-20mm中的至少一种；细集料的规格为0-3mm。
4.根据权利要求1所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）烘干预热的时间为3-5h，其具体操作如下：当步骤（4）沥青采用改性沥青时，则将粗、细集料分别烘干预热至160-180℃，保温备用；当步骤（4）沥青采用基质沥青时，则将粗、细集料分别烘干预热至140-160℃，保温备用。
5.根据权利要求1所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中微米级无机粉体的细度为1-50μm。
6.根据权利要求1所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中搅拌时间至少2h，搅拌速率为20～47转/分钟；当沥青采用改性沥青时，有机偶联改性剂加入后的搅拌温度为145-160℃；当沥青采用基质沥青时，有机偶联改性剂加入后的搅拌温度为130-145℃。
7.根据权利要求1所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，其特征在于，所述粗集料混合物、改性矿粉、复合沥青以及细集料之间先后搅拌混合的总拌和时间≤90s。
8.根据权利要求7所述高原地区酸性集料沥青混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中粗集料混合物中加入改性矿粉后搅拌30-40s；所述步骤（6）中加入复合沥青后搅拌15-25s，加入细集料后搅拌15-25s。
9.一种权利要求1-8任一项所述制备方法制得的高原地区酸性集料沥青混凝土。
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