CN114538827A - 一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料 - Google Patents

一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于高等级沥青或水泥路面“白改黑”的预防性养护和轻微病害矫正性养护的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，同时可以实现废旧轮胎与钢渣的“双废”再利用。所述的一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料，包括以下各组分及组分比例为钢渣粗集料：60～80份；钢渣细集料：20～40份；矿粉4～8份；聚合物复合橡胶改性沥青5～10份；所述的钢渣为热闷工艺生产的钢渣，钢渣粗集料其粒径为5～10mm、10～15mm，钢渣细集料粒径为0～3mm；所述的矿粉为石灰岩矿粉；所述的聚合物复合橡胶改性沥青为100份基质沥青、20～40份40目的脱硫活化胶粉、2～8份聚合物改性剂和1～3份界面剂在高温条件下，采用特定工艺充分剪切拌合、溶胀发育得到。

Description

一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混 合料
技术领域
本发明涉及一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，属于“黑色污染废弃轮胎”与“工业固废钢渣”的双重废物再利用的用于道路预防性养护领域的超薄磨耗层。
背景技术
随着汽车保有量的增加，大量的废旧轮胎难以利用，同时钢铁行业的快速发展，冶金副产物“钢渣”持续堆积，大量的废旧轮胎与钢渣堆积，造成了严重的土地资源浪费和环境污染问题。同时随着公路的快速建设，大量道路面临着道路维修养护的任务。
CN105130280A公布了一种橡胶沥青混合料，提供了橡胶沥青的配比及制作工艺；CN103803859A公布了一种反应型橡胶沥青密级配混凝土及其设计方法，利用废旧轮胎橡胶块与基质沥青溶胀、发育为反应型橡胶沥青，与集料混合形成空隙率为3.5～4.5％的密级配沥青混凝土，上述两项方法提供的技术均应用于新建道路表面层的橡胶沥青混凝土。CN101967047A公布了一种钢渣橡胶沥青混凝土及其制备方法，主要介绍了将钢渣作为粗集料的橡胶沥青混凝土的制备方法；CN111747684A公布了一种利用钢渣作为粗集料的橡胶沥青混合料及其制备方法，上述两项方法提供了将橡胶沥青与钢渣结合应用的技术，但是两者对于钢渣均只采用了粗集料钢渣，未能实现钢渣的全粒度应用，同时也均是应用于新建道路的沥青混凝土。随着公路路网的完善，新建工程的需求将逐渐减少，预防性养护工程的需求越来越大。目前现有养护技术超薄磨耗层对路面初期的裂缝、车辙等病害有着良好的使用效果。但是超薄磨耗层对石料的要求极高，需要用玄武岩、辉绿岩等优质石料，同时超薄磨耗层对沥青的性能也提出了特殊的要求，限制着超薄磨耗层的推广应用。
将“废旧轮胎”与“钢渣”相结合实现钢渣的全粒度应用的同时用于道路预防性养护工程，目前尚未有研究，钢渣由于其优良的力学性能以及耐磨性是优质石料的替代品，使用聚合物与脱硫橡胶粉对沥青进行复合改性使其具有优良的性能，因此，对橡胶与钢渣进行“双废”利用的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层具有显著的技术、经济效益。
发明内容
针对道路发展需求以及现有技术存在的不足，本发明提供一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料。目的在于一是解决固体废弃物难以资源化利用的难题，实现橡胶与全粒度钢渣的双重应用；二是利用橡胶与钢渣形成一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料，用于道路的预防性养护，提高路面使用质量与寿命。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料，采用骨架空隙的间断级配，该磨耗层包括以下组分：钢渣粗集料：60～80份；钢渣细集料： 20～40份；矿粉4～8份；聚合物复合橡胶改性沥青5～10份。
优选的，合成级配的上下限为：
筛孔尺寸 16 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
筛孔通过率上限 100 100 80 35 30 22 16 12 10 7
筛孔通过率下限 100 85 60 25 23 12 8 6 5 4
通过上述方案，本发明采用钢渣作为粗、细集料，采用聚合物复合橡胶改性沥青进行拌合形成。
优选的，钢渣为热闷工艺生产的钢渣，其钢渣粗集料粒径为5～10mm、 10～15mm，钢渣细集料粒径为0～3mm，矿粉为石灰岩矿粉；
优选的，所述的钢渣粗集料游离氧化钙含量<3％，洛杉矶磨耗损失≤28％，磨光值≥42；
优选的，所述的钢渣细集料的砂当量≥60％，棱角性(流动时间)≥40s；
通过上述方案，本发明采用的沥青为聚合物复合橡胶改性沥青，为100份基质沥青、20～40份40目的脱硫活化胶粉、2～8份聚合物改性剂、1～3份的助剂和1～3份界面剂在高温条件下，充分剪切拌合、溶胀发育得到的；
选用的脱硫活化胶粉，溶胶含量在30～45％之间；
选用的聚合物为苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS)、丁苯橡胶(SBR)、高密度聚乙烯(LDPE)中的一种或几种；
选用的助剂为橡胶油、芳烃油、废机油中的一种或几种；
选用的界面剂由乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、硫磺、聚辛烯(TOR)、聚乙烯蜡混合而成。
优选的，所述的聚合物复合橡胶改性沥青180℃粘度为2.5±0.5Pa.s，针入度≥50(0.1mm)，软化点≥65℃，5℃延度≥20cm，弹性恢复率≥75％，48h离析≤2℃。旋转薄膜烘箱老化的指标为质量损失≤1％，25℃针入度比≥60％，5℃延度≥15cm；
通过上述方案，一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料，在规定的温度下，采用旋转压实方法成型试件，根据混合料体积性质、沥青膜厚度和性能测试确定最佳沥青用量。
优选的，所述的一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料，室内拌合温度为170℃～180℃，压实温度为160℃～165℃，旋转压实仪的单位压力为600Kpa，旋转压实次数为100次。
优选的，所述的一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料，超薄磨耗层体积技术要求为:空隙率为≥10％，矿料间隙率≥20％，沥青饱和度为35％～55％，油膜厚度＞9μm。
优选的，所述的一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料，超薄磨耗层性能要求为沥青析漏损失≤0.1％，冻融劈裂强度比＞80％，残留稳定度＞90％，车辙试验动稳定度＞4500次/mm。
附图说明
图1，为本发明中10mm～15mm粒径的钢渣示意图；
图2，为本发明中5mm～10mm粒径的钢渣示意图；
图3，为本发明中0mm～3mm粒径的钢渣示意图；
图4，为本发明中的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料工艺图。
具体实施方式
钢渣目前的处理工艺有热泼法、滚筒法、热闷法等工艺，热闷法处理后的钢渣稳定性好，粒形好，有利用道路规模化应用。本发明须采用热闷法处理的钢渣，具有耐磨、强度高、与沥青黏附性好等优良特性，同时采用聚合物与橡胶复合改性沥青具有优良的高低温稳定性以及抗老化性能。本发明实施的一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料具有良好的高温抗车辙能力、低温抗裂性能、抗水损害能力以及良好的抗滑、耐久性能，用于高等级沥青或水泥路面的预防性养护。
一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层混合料，主要包括聚合物复合橡胶改性沥青以及高性能超薄磨耗层，具体来说，该方法包括以下步骤：
在此需要说明的是，以下所述的技术指标的试验方法是《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》、《公路工程集料试验规程》中的内容，是本领域技术人员公知的内容，故在此不做详述。
(1)制备聚合物复合橡胶改性沥青，采用40目的脱硫活化胶粉与聚合物改性剂对基质沥青进行复合改性，第一步将100份基质沥青加热到180℃，随后加入2～8份聚合物改性剂剪切搅拌一小时，加入20～40份40目的脱硫活化胶粉、 1～3份的助剂和1～3份界面剂剪切搅拌1.5小时，保温发育4小时，制的聚合物复合橡胶改性沥青，检测各项指标是否满足技术指标，以满足技术指标的聚合物复合橡胶改性沥青进行后续的制备。
所述的聚合物复合橡胶改性沥青的技术指标如下：
聚合物复合橡胶改性沥青的180℃粘度位2.5±0.5Pa.s，针入度≥50(0.1mm)，软化点≥65℃，5℃延度≥20cm，弹性恢复率≥75％，48h离析≤2℃；旋转薄膜烘箱老化的指标为质量损失≤1％，25℃针入度比≥60％，5℃延度≥15cm。
(2)以60～80份钢渣粗集料，20～40份钢渣细集料，4～8份矿粉，筛分合成级配符合要求的矿料。
所述的钢渣粗集料粒径为10～15mm、5～10mm，钢渣细集料为0～3mm；
所述的钢渣采用热闷法处理的钢渣，钢渣粗集料游离氧化钙含量<3％，洛杉矶磨耗损失≤28％，磨光值≥42；
所述的钢渣细集料的砂当量≥60％，棱角性(流动时间)≥40s；
矿粉为石灰岩磨成的矿粉；
各档料的相对密度及吸水率由实测得到；
所述的级配要求范围为：
筛孔尺寸 16 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
筛孔通过率上限 100 100 80 35 30 22 16 12 10 7
筛孔通过率下限 100 85 60 25 23 12 8 6 5 4
(3)将聚合物复合橡胶改性沥青与合成的矿料级配，在规定的温度下进行拌合，采用旋转压实方法成型试件，理论最大相对密度通过实测法得到，根据混合料体积性质、沥青膜厚度和性能测试确定最佳沥青用量。
所述的聚合物复合橡胶改性沥青和矿料，各组分及比例为：钢渣：60～80份；钢渣细集料：20～40份；矿粉4～8份；聚合物复合橡胶改性沥青5～10份；
所述的规定的温度为室内拌合温度为170℃～180℃，压实温度为160℃～165℃。
所述的旋转压实方法，旋转压实仪的单位压力为600Kpa，旋转压实次数为 100次。
所述的混合料体积性质、沥青膜厚度为:空隙率≥10％，矿料间隙率≥20％，沥青饱和度为35％～55％，油膜厚度＞9μm。
所述的混合料性能为：沥青析漏损失≤0.1％，冻融劈裂强度比＞80％，残留稳定度＞90％，车辙试验动稳定度＞4500次/mm。
所述的最佳沥青用量为：以矿料间隙率最小时对应的油石比为最佳油石比，如果该油石比对应的体积指标包括矿料间隙率、沥青饱和度、油膜厚度满足要求，则对其进行性能验证，主要包括沥青析漏损失、冻融劈裂强度比、残留稳定度等，如果该最佳沥青用量满足体积指标和性能要求，则为最佳沥青用量；如果该最佳沥青用量不满足体积指标和性能要求，则应重新调整矿料配合比，按照(1)～(4)流程进行调整。
下面结合实例对本发明做出进一步的说明。
采用步骤(1)的方法，制备聚合物复合橡胶改性沥青，并对其指标进行了检测，如下表所示。
Figure RE-GDA0003588447450000061
Figure RE-GDA0003588447450000071
采用步骤(2)的方法，对钢渣进行检测，如下表所示。
指标 单位 试验结果 技术要求
游离氧化钙含量 ％ 1.73 <3
洛杉矶磨耗损失 ％ 18 ≤28
磨光值 / 49 ≥42
采用步骤(2)的方法，对钢渣细集料进行检测，如下表所示。
指标 单位 试验结果 技术要求
砂当量 ％ 81 60
棱角性 S 42.5 40
采用步骤(2)的方法，对各档料的密度进行测试，如下表所示。
矿料 10～15mm 5～10mm 0～3mm 矿粉
毛体积相对密度 3.120 3.071 2.637 2.655
表观相对密度 3.326 3.350 2.768 2.655
吸水率(％) 1.53 1.76 1.8
采用步骤(2)的方法，设计的级配如下表所示。
筛孔尺寸 16 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
筛孔通过率上限 100 100 80 35 30 22 16 12 10 7
设计级配 100 93 68 30 27 17 12 9 8 5
筛孔通过率下限 100 85 60 25 23 12 8 6 5 4
采用步骤(3)的方法，聚合物复合橡胶改性沥青的用量为5.5％、5.8％、6.1％、6.3％、6.5％，本次试验室内的拌合温度为175℃，压实温度为165℃，设定旋转压实次数为100次，旋转压实的单位压力为600Kpa，各沥青用量下混合料的压实特性和体积特性件下表所示。
Figure RE-GDA0003588447450000072
Figure RE-GDA0003588447450000081
采用步骤(3)的方法，矿料间隙率最小时对应的沥青用量为6.1％，此时其他技术指标也均满足要求，因此初定最佳沥青用量为6.1％。
采用步骤(3)的方法，对最佳沥青用量为6.1％的混合料进行性能验证，其沥青析漏损失为0.03％，冻融劈裂强度比为86％，残留稳定度为94％，车辙试验动稳定度7866次/mm，因此次试验混合料的最佳沥青用量为6.1％。

Claims (10)

1.一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，采用骨架空隙间断级配，包括钢渣粗集料60～80份、钢渣细集料20～40份、矿粉4～8份以及聚合物复合橡胶改性沥青5～10份。
2.根据权利要求1所述的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，所述钢渣粗集料和所述钢渣细集料采用热闷工艺制成，所述钢渣粗集料粒径为5～10mm、10～15mm，所述钢渣细集料粒径为0～3mm，所述矿粉为石灰岩矿粉。
3.根据权利要求1所述的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，所述的钢渣采用热闷法处理的钢渣，具有耐磨、强度高、与沥青黏附性好等优良特性，钢渣粗集料的游离氧化钙含量<3％、洛杉矶磨耗损失≤28％、磨光值≥42。
4.根据权利要求1所述的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，所述的钢渣细集料的砂当量≥60％，棱角性≥40s。
5.根据权利要求1所述的一种聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，所述聚合物复合橡胶改性沥青为100份基质沥青、20～40份40目脱硫活化胶粉、2～8份聚合物改性剂、1～3份助剂和1～3份界面剂在高温条件下，充分剪切拌合、溶胀发育得到；
所述脱硫活化胶粉的溶胶含量在30～45％之间；
所述聚合物为苯乙烯丁二烯嵌段共聚物、丁苯橡胶、高密度聚乙烯中的一种或几种；
所述助剂为橡胶油、芳烃油、废机油中的一种或几种；
所述界面剂由乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、硫磺、聚辛烯、聚乙烯蜡混合而成。
6.根据权利要求1所述的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，所述聚合物复合橡胶改性沥青的180℃粘度为2.5±0.5Pa.s，针入度≥50(0.1mm)，软化点≥65℃，5℃延度≥20cm，弹性恢复率≥75％，48h离析≤2℃，旋转薄膜烘箱老化的指标为质量损失≤1％，25℃针入度比≥60％，5℃延度≥15cm。
7.根据权利要求1所述的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，采用骨架空隙间断级配设计，合成级配的上下限为：
粒径 16 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 筛孔通过率上限 100 100 80 35 30 22 16 12 10 7 筛孔通过率下限 100 85 60 25 23 12 8 6 5 4
8.根据权利要求1所述的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，所述聚合物复合橡胶改性沥青的用量采用旋转压实方法成型试件，根据所述混合料体积性质、沥青膜厚度和性能测试确定。
9.根据权利要求1所述的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，所述混合料的超薄磨耗层的空隙率为≥10％，矿料间隙率≥20％，沥青饱和度为35％～55％，油膜厚度＞9μm。
10.根据权利要求1所述的聚合物复合橡胶改性沥青高性能钢渣超薄磨耗层的混合料，其特征在于，超薄磨耗层性能技术要求为沥青析漏损失≤0.1％，冻融劈裂强度比＞80％，残留稳定度＞90％，车辙试验动稳定度＞4500次/mm。
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