CN114873953A - 水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，包括以下重量份数的物质：水性环氧树脂体系0.8‑1.0份、乳化沥青5.6‑7.0份、钢渣骨料93.5‑94份、钢渣微粉4.5‑5.5份、水泥1.0‑1.5份、水2.0‑2.5份。该混合料的制备方法包括以下步骤：制备水性环氧树脂乳化沥青；根据设计的混合料级配类型准备原材料；将各组成材料按顺序拌和均匀，即得到水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料。本发明的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的路用性能好，污染、排放和能耗低，可有效解决冷拌沥青混合料低温性能欠佳、早期水稳定性和强度差以及热拌钢渣混合料工程经济性差、能耗高的问题，实现钢渣固废的高值化、规模化利用以及道路建设的延寿命、降成本、碳减排和省资源，经济效益显著。
Description
技术领域
本发明属于道路及环境工程技术领域，具体涉及一种水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料及其制备方法。
背景技术
绿色低碳循环发展是破解资源环境约束、应对气候变化的基本路径。绿色发展，交通先行，但当前道路建设面临环境保护和资源匮乏的双重压力。一方面，热拌沥青混合料具有良好的路用性能，是一种常用的路面摊铺技术，但在施工过程中能耗高、污染大、资源和环境友好性差；另一方面，随着砂石材料开采的限制，筑路用天然骨料供应紧缺，价格持续上涨，寻找其替代品的需求日益迫切。
近年来，冷拌沥青混合料以其良好的施工和环境效益逐渐成为道路工程的研究热点，其具有能耗低、污染小、对施工的季节性影响小的优点。为了保证冷拌沥青混合料的性能，通常采用SBS或水性环氧树脂等高分子聚合物对乳化沥青进行改性。然而SBS改性乳化沥青的制备过程复杂，水性环氧树脂乳化沥青的制备工艺简单，且热稳定性好、强度高、附着力强。当水性环氧树脂与固化剂反应时，可以形成网络结构来限制沥青分子的运动，提高乳化沥青的高温稳定性和力学性能，因此水性环氧树脂乳化沥青具有更好的适用性。但水性环氧树脂乳化沥青混合料的低温性能欠佳，早期水稳定性和强度较差，主要原因是水性环氧树脂为热固性材料，低温脆性较高，且混合料中的水分蒸发较慢，降低了沥青-集料间的黏附性，混合料易松散，早期强度低。
此外，钢渣等冶金渣的资源化利用是发展循环经济的重要主题。据不完全统计，截止2020年底，我国的钢渣存量已高达20多亿吨，且每年以1.5亿吨的速度快速增长，但其综合利用率却只有30%左右，远低于欧美、日本等发达国家的84.4-98.4%。如此巨量钢渣的堆积或填埋处理，不仅占用大量土地资源，而且由于钢渣呈碱性、化学成分复杂，会进一步诱发一系列的生态和社会问题。但是钢渣较天然骨料压碎值低、洛杉矶磨耗值低，且与沥青的黏附性更好，可替代天然骨料应用于沥青路面。目前钢渣在沥青路面的利用主要集中于热拌沥青混合料，且具有较好的适用性，但是由于钢渣在表观密度和吸水率上与天然骨料差异较大，影响了混合料组成及沥青-集料吸附体系，造成油石比和运费的增加，工程经济性较差，且钢渣的热传输性能好，热拌钢渣混合料摊铺和压实对温度需求高，造成混合料在运输过程中的能耗高。
因此，在绿色低碳循环发展背景下，基于钢渣良好的理化特性和水性环氧树脂乳化沥青的技术优势，开发高性能冷拌冷铺沥青混合料，对深化钢渣固废再生循环利用、全面提升道路建设绿色建造水平，推动实现“碳达峰、碳中和”，助力生态文明建设具有重大影响和战略意义。
申请公布号为CN113603399A的发明专利公开了一种含钢渣的环氧乳化沥青混合料及其制备方法，该混合料包括20-40份环氧乳化沥青、2-4份水、99-120份集料、1-5份钢纤维，集料包括粗集料、细集料和填料，粗集料为辉绿岩，细集料包括钢渣和机制砂，粗集料、钢渣、机制砂和填料的质量比为17-58:23-81:15-16:1-3；其制备方法为：取1/3-1/2的水，将其与钢渣、钢纤维、机制砂进行预拌和，得到第一混料；将1/4-1/3的环氧乳化沥青、余下的水以及粗集料加入到第一混料中拌和，得到第二混料；将余下的环氧乳化沥青加入到第二混料中拌和后加入填料，得到含钢渣的环氧乳化沥青混合料。该技术方案虽然使用了钢渣，但是钢渣只作为部分细集料使用，且掺加量较少，主体材料依然是常规集料，所以对于沥青混合料的水稳定性和低温抗裂性的提高是有限的，对于钢渣固废再生循环利用也是有限的。
发明内容
针对目前冷拌沥青混合料的低温性能欠佳、早期水稳定性和强度差，以及热拌钢渣混合料的工程经济性较差、能耗高等问题，本发明提供一种水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料及其制备方法，所提供的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性良好，且污染、排放和能耗低，可推动实现钢渣固废的高值化、规模化利用以及道路建设的延寿命、降成本、碳减排和省资源，环境效益、经济效益和社会效益显著。
为解决现有技术中存在的问题，本发明采用的技术方案是：一种水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，包括水性环氧树脂体系、乳化沥青、钢渣骨料、钢渣微粉、水泥和水；所述混合料中各物质的重量份数为，水性环氧树脂体系0.8-1.0份、乳化沥青5.6-7.0份、钢渣骨料93.5-94份、钢渣微粉4.5-5.5份、水泥1.0-1.5份、水2.0-2.5份。
本发明中，使用钢渣骨料替代所有的粗集料和细集料，使用钢渣微粉替代部分填料，填料为水泥和矿粉，其中的矿粉全部由钢渣微粉替代。水泥起到促进剂的作用，促进水化。
优选的是，所述水性环氧树脂体系包括水性环氧树脂和固化剂；其中各物质的重量份数为，水性环氧树脂1份、固化剂1-1.25份。
在上述任一方案中优选的是，所述水性环氧树脂为非离子型水性环氧树脂，其包括环氧树脂和活性稀释剂，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，所述活性稀释剂为丁基缩水甘油醚、丙二醇甲醚、乙二醇丙醚、苄基缩水甘油醚中的一种或者几种；所述固化剂为改性聚酰胺类固化剂，其包括脂肪族聚酰胺、脂肪族-芳香族聚酰胺、芳香族聚酰胺中的任一种。
所述非离子型水性环氧树脂的固含量≥55%，环氧值为0.20-0.22 mol/100g，黏度≤2 Pa·s，pH为6-8。所述改性聚酰胺类固化剂的固含量≥50%，黏度≤10 Pa·s，pH为11-13。
在上述任一方案中优选的是，所述乳化沥青为慢裂、阳离子型乳化沥青。
在上述任一方案中优选的是，所述钢渣骨料为陈化至少6个月的转炉钢渣，碱度不小于2.5，游离氧化钙含量不大于3.0%，最小公称粒径为0.075mm，最大公称粒径为13.2mm和16mm；所述钢渣微粉为球磨钢渣微粉，粒径不大于0.075mm，比表面积不小于400m2/kg。
本发明采用的钢渣骨料为高碱度的钢渣骨料，其碱度≥2.5。由于沥青材料呈现酸性，所以采用高碱度的钢渣骨料可增强钢渣骨料与沥青之间的黏附性，混合料在低温条件下不易松散，抗裂性能更好。
本发明采用的钢渣微粉的比表面积≥400m2 /kg。比表面积≥400m2 /kg的钢渣微粉具有很好的水硬活性，加入水泥可进一步促进其水化反应的产生，加速水性环氧树脂乳化沥青中水分的消耗，缩短养生周期，使得钢渣骨料与沥青间的黏附性更好，保证水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料具有良好的低温抗裂性、早期水稳定性和强度。
在上述任一方案中优选的是，所述水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。
在上述任一方案中优选的是，所述混合料的级配类型为WEBM-10型或者WEBM-13型密级配。
本发明还提供一种水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：称取一定重量份数的水性环氧树脂和固化剂，在常温下进行混合，得到水性环氧树脂体系；将水性环氧树脂体系以一定速度添加到乳化沥青中，形成混合物；将混合物加热至一定温度，使用剪切仪对混合物进行剪切，得到水性环氧树脂乳化沥青，冷却至室温备用；
步骤二：根据设计的混合料级配类型，分别称取一定重量份数的水性环氧树脂乳化沥青、各档粒径的钢渣骨料、钢渣微粉、水泥和水，放置备用；
步骤三：首先，将钢渣骨料和水泥放入沥青混合料拌和机中，在常温下进行拌和；其次，将水添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和；然后，将水性环氧树脂乳化沥青添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和；最后，将钢渣微粉添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和，得到水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料。
优选的是，步骤一中，水性环氧树脂体系添加到乳化沥青中的速度为10-15g/min；采用恒温炉对混合物进行加热，加热温度为50-60℃；剪切仪的转速为2500r/min，剪切时间为5-10min。
步骤一中，水性环氧树脂乳化沥青是一种聚合物共混体系，这种共混体系为技术相容，而非化学相容，可以通过物理混合和剪切获得，无需特殊设备。影响水性环氧树脂乳化沥青制备效果的主要技术因素是剪切温度、剪切速率和剪切时间。本发明经过大量试验证明，采用步骤一中的制备方法和各个参数所制得的水性环氧树脂乳化沥青具有优异的相容性和贮存稳定性。
在上述任一方案中优选的是，步骤二中，将各档粒径的钢渣骨料、钢渣微粉、水泥放入烘箱中加热，加热后冷却备用；加热温度为80-160℃，加热时间为2-4h。
在上述任一方案中优选的是，步骤三中，钢渣骨料和水泥的拌和时间为30±3s；添加水后，拌和时间为45±3s；添加水性环氧树脂乳化沥青后，拌和时间为45±3s；添加钢渣微粉后，拌和时间为30±3s；沥青混合料拌和机搅拌叶的自转速度为76r/min，公转速度为48r/min。
步骤三中，原材料的添加顺序非常重要，直接影响混合料中沥青的分布以及骨料与沥青间的裹覆程度，钢渣骨料、钢渣微粉、水泥、水、水性环氧树脂乳化沥青的加入顺序不同，混合料将呈现不同的拌和状态，影响混合料的路用性能。钢渣骨料必须经过润湿才能使其与水性环氧树脂乳化沥青更好的黏结在一起，形成较厚的沥青膜。若钢渣微粉先于水性环氧树脂乳化沥青加入，将造成其与水性环氧树脂乳化沥青结团，进而导致钢渣骨料表面沥青裹覆不均匀。此外本发明经过大量试验证明，采用步骤三中的拌和参数能够获得最佳的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，若拌和时间过短会造成骨料与沥青间裹覆不均匀，沥青膜厚度不一致，若拌和时间过长会造成水性环氧树脂乳化沥青提前破乳，产生花白料现象。
本发明技术方案的具体作用方式如下：
（1）水性环氧树脂乳化沥青是一种两相体系，由水性环氧树脂和沥青在固化剂的存在下混合而成。当水性环氧树脂与固化剂反应时，可以形成网络状结构来限制沥青分子的运动，提高乳化沥青的高温稳定性和力学性能。水性环氧树脂的热固性（环氧大分子间的共价键在高温条件下难以被破坏）和沥青材料的黏弹塑性也有助于改善其混合料的路用性能。同时钢渣骨料较天然骨料压碎值低、洛杉矶磨耗值低，具有更好的力学性能，可进一步实现水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料优异的路用性能。
（2）钢渣骨料表面多孔隙，与沥青具有更好的黏附性，且沥青材料呈现酸性，本发明所采用的高碱度钢渣骨料可进一步增强钢渣骨料与沥青之间的黏附性，混合料在低温条件下不易松散，抗裂性能更好。此外钢渣骨料具有水硬活性（含有2CaO·SiO2、3CaO·SiO2和4CaO·Al2O3·Fe2O3等成分）的特点，能够与水性环氧乳化沥青中的水分发生水化反应，形成C-S-H凝胶，更好地提高钢渣骨料与沥青间的黏结强度。同时水硬活性更好的比表面积大于400m2 /kg的钢渣微粉和水泥的加入可进一步促进水化反应的产生，加速水性环氧树脂乳化沥青中水分的消耗，缩短养生周期，使得钢渣骨料与沥青间的黏附性更好，保证水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料具有良好的低温抗裂性、早期水稳定性和强度。
（3）钢渣材料和水泥的水化反应在加速水性环氧树脂乳化沥青中水分消耗的同时，形成的Ca(OH)2等结晶物质可一定程度改变钢渣骨料的孔径分布，改善其吸水率，进而提高混合料性能、降低经济成本。此外冷拌钢渣混合料的常温施工条件，也可以降低混合料在运输和摊铺过程中的能耗。
本发明的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料及其制备方法，与现有技术相比具有如下显著优势：
（1）本发明的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的制备方法简单，仅通过物理混合和剪切获得，无需特殊设备。
（2）本发明的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料具有良好的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，组成材料间的作用方式明确，克服了现有技术中冷拌沥青混合料低温性能欠佳、早期水稳定性和强度差等问题，满足沥青路面的长寿耐久性需求。
（3）本发明的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料采用钢渣材料替代天然骨料（天然骨料主要为玄武岩，因为混合料目标级配类型为WEBM-10型或WEBM-13型密级配，适用于路面上面层），钢渣材料价格仅为玄武岩价格的1/4，可大大降低工程造价；此外钢渣材料与水泥水化反应后形成的结晶物质可一定程度改变钢渣骨料的孔径分布，改善其吸水率高的缺陷，降低混合料的沥青用量，相比于热拌钢渣混合料，经济效益较好。
（4）本发明的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料可在常温施工，污染、排放和能耗低。同时混合料简便的制备方法、优异的性能表现和经济效益，有利于推动钢渣固废的高值化、规模化利用，减少对天然砂石材料的开采，实现道路建设的碳减排和省资源，这对深化钢渣固废再生循环利用、全面提升道路建设绿色建造水平，推动实现“碳达峰、碳中和”，助力生态文明建设具有重大影响和战略意义。
附图说明
图1为WEBM-10型密级配水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料设计级配曲线图；
图2为WEBM-13型密级配水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料设计级配曲线图-A；
图3为WEBM-13型密级配水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料设计级配曲线图-B。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例一：
按照本发明的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的一优选实施例，包括水性环氧树脂体系、乳化沥青、钢渣骨料、钢渣微粉、水泥和水；所述混合料中各物质的重量份数为：水性环氧树脂体系1.0份、乳化沥青7.0份、钢渣骨料93.5份、钢渣微粉5.5份、水泥1.0份、水2.0份。本实施例中，使用钢渣骨料替代所有的粗集料和细集料，使用钢渣微粉替代部分填料，填料为水泥和矿粉，其中的矿粉全部由钢渣微粉替代。
所述水性环氧树脂体系包括水性环氧树脂和固化剂，其中各物质的重量份数为：水性环氧树脂1份、固化剂1份。所述水性环氧树脂为非离子型水性环氧树脂，由环氧树脂和活性稀释剂组成，其中环氧树脂为双酚A型环氧树脂，活性稀释剂为丁基缩水甘油醚。所述固化剂为改性聚酰胺类固化剂，选择脂肪族聚酰胺。
所述非离子型水性环氧树脂的固含量为56%，环氧值为0.20 mol/100g，黏度为1.45Pa·s，pH为6-8。所述改性聚酰胺类固化剂的固含量为53%，黏度为9.05 Pa·s，pH为11-13。
所述乳化沥青为慢裂、阳离子型乳化沥青。本实施例的乳化沥青是以65:35的油水比和1.6%掺量的乳化剂通过胶体磨剪切制备而成，其中沥青为AH-70型道路石油沥青，乳化剂可选择BH-MK乳化剂。
所述钢渣骨料为陈化12个月的转炉钢渣，碱度为3.12，游离氧化钙含量为1.92%，最小公称粒径为0.075mm，最大公称粒径为13.2mm；所述钢渣微粉为球磨钢渣微粉，粒径≤0.075mm，比表面积为426m2/kg。所述水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。所述混合料的级配类型为WEBM-10型密级配，设计级配曲线如图1所示。
本实施例还提供一种水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：按照本实施例的重量份数称取水性环氧树脂和固化剂，在常温下进行混合，得到水性环氧树脂体系；将水性环氧树脂体系以一定速度添加到乳化沥青中，形成混合物；将混合物加热至一定温度，使用FLUKO剪切仪对混合物进行剪切，得到水性环氧树脂乳化沥青，冷却至室温备用；
步骤二：根据WEBM-10型混合料的设计级配，按照本实施例的重量份数分别称取水性环氧树脂乳化沥青、各档粒径的钢渣骨料、钢渣微粉、水泥和水，放置备用；
步骤三：首先，将钢渣骨料和水泥放入沥青混合料拌和机中，在常温下进行拌和；其次，将水添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和；然后，将水性环氧树脂乳化沥青添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和；最后，将钢渣微粉添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和，得到水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料。
步骤一中，水性环氧树脂体系添加到乳化沥青中的速度为10g/min；采用恒温炉对混合物进行加热，本实施例选择电磁炉加热，将温度计插入混合物中测温，加热温度为60℃；剪切仪的转速为2500r/min，剪切时间为10min。
步骤二中，将各档粒径的钢渣骨料、钢渣微粉、水泥放入烘箱中加热，加热后冷却备用；加热温度为80℃，加热时间为4h。
步骤三中，钢渣骨料和水泥的拌和时间为30s；添加水后，拌和时间为45s；添加水性环氧树脂乳化沥青后，拌和时间为45s；添加钢渣微粉后，拌和时间为30s；沥青混合料拌和机搅拌叶的自转速度为76r/min，公转速度为48r/min。
本实施的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的制备方法简单，仅通过物理混合和剪切获得，无需特殊设备。所制备的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料具有良好的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，组成材料间的作用方式明确，克服了现有技术中冷拌沥青混合料低温性能欠佳、早期水稳定性和强度差等问题。在制备水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料时采用钢渣材料替代天然骨料，钢渣材料价格仅为天然骨料价格的1/4，可大大降低工程造价，此外钢渣材料与水泥水化反应后形成的结晶物质可一定程度改变钢渣骨料的孔径分布，改善其吸水率高的缺陷，降低混合料的沥青用量，相比于热拌钢渣混合料，经济效益较好。所制备的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料可在常温施工，污染、排放和能耗低，同时混合料简便的制备方法、优异的性能表现和经济效益，有利于推动钢渣固废的高值化、规模化利用，减少对天然砂石材料的开采，实现道路建设的碳减排和省资源。
实施例二：
按照本发明的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料及其制备方法的另一优选实施例，所使用的原材料、制备工艺、测试仪器、设备、原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
本实施例的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料中各物质的重量份数为：水性环氧树脂体系0.8份、乳化沥青5.6份、钢渣骨料94份、钢渣微粉4.5份、水泥1.5份、水2.5份。所述水性环氧树脂体系中各物质的重量份数为：水性环氧树脂1份、固化剂1.25份。
所述非离子型水性环氧树脂的固含量为58%，环氧值为0.22 mol/100g，黏度为1.63Pa·s，pH为6-8。所述改性聚酰胺类固化剂的固含量为51%，黏度为8.69 Pa·s，pH为11-13。
所述钢渣骨料为陈化12个月的转炉钢渣，碱度为2.94，游离氧化钙含量为1.81%，最小公称粒径为0.075mm，最大公称粒径为16mm；所述钢渣微粉为球磨钢渣微粉，粒径≤0.075mm，比表面积为432m2/kg。所述混合料的级配类型为WEBM-13型密级配，设计级配曲线如图2所示。
本实施例的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的制备方法，其中：
步骤一中，水性环氧树脂体系添加到乳化沥青中的速度为15g/min；对混合物进行加热的温度为50℃；剪切仪的转速为2500r/min，剪切时间为5min。
步骤二中，各档粒径的钢渣骨料、钢渣微粉、水泥在烘箱中的加热温度为160℃，加热时间为2h。
步骤三中，钢渣骨料和水泥的拌和时间为33s；添加水后，拌和时间为42s；添加水性环氧树脂乳化沥青后，拌和时间为48s；添加钢渣微粉后，拌和时间为27s。
实施例三：
按照本发明的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料及其制备方法的另一优选实施例，所使用的原材料、制备工艺、测试仪器、设备、原理、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
本实施例的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料中各物质的重量份数为：水性环氧树脂体系0.9份、乳化沥青6.3份、钢渣骨料93.8份、钢渣微粉5份、水泥1.2份、水2.3份。所述水性环氧树脂体系中各物质的重量份数为：水性环氧树脂1份、固化剂1.15份。
所述非离子型水性环氧树脂的固含量为57%，环氧值为0.21mol/100g，黏度为1.55Pa·s，pH为6-8。所述改性聚酰胺类固化剂的固含量为52%，黏度为8.26 Pa·s，pH为11-13。
所述钢渣骨料为陈化12个月的转炉钢渣，碱度为3.08，游离氧化钙含量为1.79%，最小公称粒径为0.075mm，最大公称粒径为12mm；所述钢渣微粉为球磨钢渣微粉，粒径≤0.075mm，比表面积为442m2/kg。所述混合料的级配类型为WEBM-13型密级配，设计级配曲线如图3所示。
本实施例的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的制备方法，其中：
步骤一中，水性环氧树脂体系添加到乳化沥青中的速度为13g/min；对混合物进行加热的温度为55℃；剪切仪的转速为2500r/min，剪切时间为8min。
步骤二中，各档粒径的钢渣骨料、钢渣微粉、水泥在烘箱中的加热温度为120℃，加热时间为3h。
步骤三中，钢渣骨料和水泥的拌和时间为27s；添加水后，拌和时间为48s；添加水性环氧树脂乳化沥青后，拌和时间为42s；添加钢渣微粉后，拌和时间为33s。
对比例一：
本对比例为一种水性环氧树脂乳化沥青冷拌混合料，该冷拌混合料中各物质的重量份数为：水性环氧树脂体系0.8份、乳化沥青5.6份、玄武岩骨料94份、石灰岩矿粉4.5份、水泥1.5份、水2.5份。
所述水性环氧树脂体系包括水性环氧树脂和固化剂，其中各物质的重量份数为：水性环氧树脂1份、固化剂1.25份。所述水性环氧树脂为非离子型水性环氧树脂，由环氧树脂和活性稀释剂组成，其中环氧树脂为双酚A型环氧树脂，活性稀释剂为丁基缩水甘油醚。所述固化剂为改性聚酰胺类固化剂，选择脂肪族聚酰胺。
所述非离子型水性环氧树脂的固含量为58%，环氧值为0.22mol/100g，黏度为1.63Pa·s，pH为6-8。所述改性聚酰胺类固化剂的固含量为51%，黏度为8.69Pa·s，pH为11-13。
所述乳化沥青为慢裂、阳离子型乳化沥青。本对比例的乳化沥青是以65:35的油水比和1.6%掺量的乳化剂通过胶体磨剪切制备而成，其中沥青为AH-70型道路石油沥青，乳化剂可选择BH-MK乳化剂。
所述玄武岩骨料的最小公称粒径为0.075mm，最大公称粒径为16mm。所述石灰岩矿粉的比表面积为421m2/kg。所述水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。所述混合料的级配类型为WEBM-13型密级配，设计级配曲线同图2所示。
本对比例的水性环氧树脂乳化沥青冷拌混合料的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：按照本对比例的重量份数称取水性环氧树脂和固化剂，在常温下进行混合，得到水性环氧树脂体系；将水性环氧树脂体系以10g/min的速度添加到乳化沥青中，形成混合物；将混合物加热至60℃，使用FLUKO剪切仪以2500r/min的速度对混合物剪切5min，得到水性环氧树脂乳化沥青，冷却至室温备用；
步骤二：根据WEBM-13型混合料的设计级配，按照本对比例的重量份数分别称取水性环氧树脂乳化沥青、各档粒径的玄武岩骨料、石灰岩矿粉、水泥和水；将各档粒径的玄武岩骨料、石灰岩矿粉、水泥放入160℃的烘箱中加热2h，加热后冷却备用；
步骤三：首先，将玄武岩骨料和水泥放入沥青混合料拌和机中，在常温下进行拌和30s；其次，将水添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和45s；然后，将水性环氧树脂乳化沥青添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和45s；最后，将石灰岩矿粉添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和30s，得到水性环氧树脂乳化沥青冷拌混合料。沥青混合料拌和机搅拌叶的自转速度为76r/min，公转速度为48r/min。
对比例二：
本对比例的水性环氧树脂乳化沥青冷拌混合料及其制备方法，所使用的原材料及组分与对比例一相同，不同的是：
本对比例的水性环氧树脂乳化沥青冷拌混合料的制备方法，其步骤三中，各物质不按照对比例一的顺序添加，而是按照常规方法混合，比如：直接将所有物质倒入拌和机中混合；或者，先将水与玄武岩骨料和石灰岩矿粉混合，再将水性环氧树脂乳化沥青和水泥加入进去进行混合。
对比例三：
本对比例为一种普通乳化沥青冷拌混合料，该冷拌混合料中各物质的重量份数为：乳化沥青6.4份、玄武岩骨料94份、石灰岩矿粉4.5份、水泥1.5份、水2.5份。
所述乳化沥青为慢裂、阳离子型乳化沥青。本对比例的乳化沥青是以65:35的油水比和1.6%掺量的乳化剂通过胶体磨剪切制备而成，其中沥青为AH-70型道路石油沥青，乳化剂可选择BH-MK乳化剂。
所述玄武岩骨料的最小公称粒径为0.075mm，最大公称粒径为16mm。所述石灰岩矿粉的比表面积为421m2/kg。所述水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。所述混合料的级配类型为AC-13型密级配，设计级配曲线同图2所示。
本对比例的普通乳化沥青冷拌混合料的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：根据AC-13型混合料的设计级配，按照本对比例的重量份数分别称取乳化沥青、各档粒径的玄武岩骨料、石灰岩矿粉、水泥和水；将各档粒径的玄武岩骨料、石灰岩矿粉、水泥放入160℃的烘箱中加热2h，加热后冷却备用；
步骤二：首先，将玄武岩骨料和水泥放入沥青混合料拌和机中，在常温下进行拌和30s；其次，将水添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和45s；然后，将乳化沥青添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和45s；最后，将石灰岩矿粉添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和30s，得到普通乳化沥青冷拌混合料。沥青混合料拌和机搅拌叶的自转速度为76r/min，公转速度为48r/min。
上述实施例和对比例中所用到的水性环氧树脂、固化剂、乳化剂等添加材料购买于无锡惠隆电子材料有限公司；水泥购买于山东万科新材料科技有限公司；钢渣骨料和钢渣微粉购买于沧州中铁装备制造材料有限公司；AH-70型道路石油沥青购买于中海沥青（滨州）有限责任公司。
实施例一至三为按照本发明的技术方案的优选实施例，粗集料和细集料全部由钢渣骨料替代，填料中的矿粉由钢渣微粉替代，在制备过程中，各物质的添加顺序非常重要。
对比例一的技术方案，粗集料和细集料选择常规的玄武岩骨料，矿粉选择常规的石灰岩矿粉，在制备过程中，各物质的添加顺序按照本发明的顺序操作。
对比例二的技术方案，粗集料和细集料选择常规的玄武岩骨料，矿粉选择常规的石灰岩矿粉，在制备过程中，各物质的添加顺序不按照本发明的顺序操作，而是按照常规方法混合，比如：直接将所有物质倒入拌和机中混合；或者，先将水与玄武岩骨料和石灰岩矿粉混合，再将水性环氧树脂乳化沥青和水泥加入进去进行混合。
对比例三的技术方案，为普通乳化沥青冷拌混合料，在制备过程中，各物质的添加顺序按照本发明的顺序操作。
根据《道路用水性环氧树脂乳化沥青混合料》（GB/T 38990-2020）和《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求分别对实施例和对比例所制备的冷拌沥青混合料进行试件成型和养生，并检测其动稳定度、最大弯拉应变、残留稳定度、冻融劈裂强度比（TSR）以及养生1d、2d、3d和7d的间接拉伸强度，试验结果如表1所示。
表1 实施例和对比例的冷拌沥青混合料的性能测试结果
从表1可以看出：
（1）以水性环氧树脂乳化沥青为胶结料的冷拌混合料（实施例一至三、对比例一）比以普通乳化沥青为胶结料的冷拌混合料（对比例三）具有更好的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性和力学性能，这表明添加水性环氧树脂对冷拌沥青混合料路用性能的提升较明显。
（2）在以水性环氧树脂乳化沥青为胶结料的冷拌混合料（实施例一至三、对比例一）中，以钢渣为集料的混合料（实施例一至三）与以玄武岩为集料的混合料（对比例一）均具有优异的高温稳定性和后期水稳定性，但前者的低温抗裂性提升明显，可满足规范要求，且前者在不同养护龄期的间接拉伸强度也明显高于后者，这说明钢渣的掺加有效解决了以天然骨料为集料的冷拌沥青混合料低温性能欠佳、早期水稳定性和强度差等问题，水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料可满足沥青路面的长寿耐久性需求。
（3）水性环氧树脂的掺加使得以水性环氧树脂乳化沥青为胶结料的冷拌混合料（对比例二）比以普通乳化沥青为胶结料的冷拌混合料（对比例三）具有更好的高温稳定性，但其水稳定性和低温抗裂性均不满足规范要求，力学性能欠佳，且综合性能为各实施例和对比例中最差，这说明混合料制备过程中各物质的添加顺序非常重要，沥青的分布以及骨料与沥青间的裹覆程度受此影响大，不利于混合料抗水损害能力、低温抗裂能力和强度的形成。
（4）实施例一至三的结果相当，这说明水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料及其制备方法具有良好的操作性和准确性。
此外，本发明背景技术中引用的对比文件CN113603399A公开了一种含钢渣的环氧乳化沥青混合料，包括20-40份环氧乳化沥青、2-4份水、99-120份集料、1-5份钢纤维，集料包括粗集料、细集料和填料，粗集料为辉绿岩，细集料包括钢渣和机制砂，粗集料、钢渣、机制砂和填料的质量比为17-58:23-81:15-16:1-3。
该对比文件中虽然使用了钢渣，但是钢渣只作为部分细集料使用，且掺加量较少，主体材料依然是常规集料，所以对于沥青混合料的水稳定性和低温抗裂性的提高是有限的，对于钢渣固废再生循环利用也是有限的。
该对比文件中采用弯拉强度表征混合料的低温抗裂性能，这在行业规范中并非评价指标（评价指标为最大弯拉应变），将其转化为试件破坏时的最大荷载仅为800N左右（本发明实施例最低为1300N左右），无法明确最大弯拉应变，即混合料低温抗裂性能不明确。
该对比文件中未提及混合料的早期水稳定性和强度，而这是影响水性环氧树脂乳化沥青推广应用的关键因素。由于施工与通车时间的矛盾，更高的早期水稳定性和强度才能保证灵活的开放交通时间，本实施例的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料具备优异的早期力学性能，可解决以天然骨料为集料的冷拌沥青混合料早期水稳定性和强度差等问题，保证开放交通时间，促进水性环氧树脂乳化沥青的推广应用。
特别说明：本发明的技术方案中涉及了诸多参数，需要综合考虑各个参数之间的协同作用，才能获得本发明的有益效果和显著进步。而且技术方案中各个参数的取值范围都是经过大量试验才获得的，针对每一个参数以及各个参数的相互组合，发明人都记录了大量试验数据，限于篇幅，在此不公开具体试验数据。
本领域技术人员不难理解，本发明水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料及其制备方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，包括水性环氧树脂体系、乳化沥青、水泥和水，其特征在于：还包括钢渣骨料和钢渣微粉；所述混合料中各物质的重量份数为，水性环氧树脂体系0.8-1.0份、乳化沥青5.6-7.0份、钢渣骨料93.5-94份、钢渣微粉4.5-5.5份、水泥1.0-1.5份、水2.0-2.5份。
2.如权利要求1所述的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，其特征在于：所述水性环氧树脂体系包括水性环氧树脂和固化剂；其中各物质的重量份数为，水性环氧树脂1份、固化剂1-1.25份。
3.如权利要求2所述的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，其特征在于：所述水性环氧树脂为非离子型水性环氧树脂，其包括环氧树脂和活性稀释剂，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，所述活性稀释剂为丁基缩水甘油醚、丙二醇甲醚、乙二醇丙醚、苄基缩水甘油醚中的一种或者几种；所述固化剂为改性聚酰胺类固化剂，其包括脂肪族聚酰胺、脂肪族-芳香族聚酰胺、芳香族聚酰胺中的任一种。
4.如权利要求1所述的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，其特征在于：所述乳化沥青为慢裂、阳离子型乳化沥青。
5.如权利要求1所述的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，其特征在于：所述钢渣骨料为陈化至少6个月的转炉钢渣，碱度不小于2.5，游离氧化钙含量不大于3.0%，最小公称粒径为0.075mm，最大公称粒径为13.2mm和16mm；所述钢渣微粉为球磨钢渣微粉，粒径不大于0.075mm，比表面积不小于400m2/kg。
6.如权利要求1所述的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，其特征在于：所述水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：称取一定重量份数的水性环氧树脂和固化剂，在常温下进行混合，得到水性环氧树脂体系；将水性环氧树脂体系以一定速度添加到乳化沥青中，形成混合物；将混合物加热至一定温度，使用剪切仪对混合物进行剪切，得到水性环氧树脂乳化沥青，冷却至室温备用；
步骤二：根据设计的混合料级配类型，分别称取一定重量份数的水性环氧树脂乳化沥青、各档粒径的钢渣骨料、钢渣微粉、水泥和水，放置备用；
步骤三：首先，将钢渣骨料和水泥放入沥青混合料拌和机中，在常温下进行拌和；其次，将水添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和；然后，将水性环氧树脂乳化沥青添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和；最后，将钢渣微粉添加到沥青混合料拌和机中，在常温下继续拌和，得到水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料。
8.如权利要求7所述的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，其特征在于：步骤一中，水性环氧树脂体系添加到乳化沥青中的速度为10-15g/min；采用恒温炉对混合物进行加热，加热温度为50-60℃；剪切仪的转速为2500r/min，剪切时间为5-10min。
9.如权利要求7所述的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，其特征在于：步骤二中，将各档粒径的钢渣骨料、钢渣微粉、水泥放入烘箱中加热，加热后冷却备用；加热温度为80-160℃，加热时间为2-4h。
10.如权利要求7所述的水性环氧树脂乳化沥青冷拌钢渣混合料，其特征在于：步骤三中，钢渣骨料和水泥的拌和时间为30±3s；添加水后，拌和时间为45±3s；添加水性环氧树脂乳化沥青后，拌和时间为45±3s；添加钢渣微粉后，拌和时间为30±3s；沥青混合料拌和机搅拌叶的自转速度为76r/min，公转速度为48r/min。
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Denomination of invention: Waterborne epoxy resin emulsified asphalt cold mixed steel slag mixture and its preparation method Granted publication date: 20220930 Pledgee: China Construction Bank Corporation Cangzhou Yunhe Branch Pledgor: CANGZHOU MUNICIPAL ENGINEERING Co.,Ltd. Registration number: Y2024980002372 |
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