CN116354633A - 一种赤泥沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

一种赤泥沥青混合料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及沥青材料领域，具体公开了一种赤泥沥青混合料及其制备方法，先由赤泥、双酚A型环氧树脂、偶联剂溶液按重量比（20‑30）：（6‑10）：（2‑4）制备得到改性赤泥，再由粗集料、细集料、沥青、改性赤泥按重量比（60‑80）：（20‑40）：（8‑10）：（8‑10）制备得到赤泥沥青混合料。本申请提供的改性赤泥与沥青的相容性好，本申请提供的赤泥沥青混合料具有良好的抗水性能、高温抗变形性能和低温抗裂性能。

Description

一种赤泥沥青混合料及其制备方法
技术领域
本申请涉及沥青材料领域，尤其是涉及一种赤泥沥青混合料及其制备方法。
背景技术
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，其主要成分为Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2等，赤泥通常难以回收利用，只能堆存；随着铝工业的发展和铝土矿石品位的降低，赤泥堆存量将越来越大，且由于赤泥中含有碱性物质，随着雨水的冲淋，赤泥中的碱被溶出，可能污染地表水和地下水；因此，赤泥的综合利用正成为日益重要的研究课题。
相关技术中公开号为CN110317463B的中国专利，提出了一种多粒径赤泥改性沥青、制备方法、使用该改性沥青的沥青混合料，该改性沥青包括沥青、赤泥；赤泥采用大粒径：中粒径：小粒径＝(3～4):2:2的配比混合；其制备方法是将高温煅烧的三种不同粒径赤泥按照上述质量比均匀混合后，加入沥青均匀搅拌，制得多粒径赤泥改性沥青；该赤泥改性沥青可应用于沥青混合料中。与单一粒径赤泥改性沥青相比，多粒径赤泥改性沥青在不添加其他添加剂与改性剂的条件下，具有优良的高、中、低温性能，可很好的应用于沥青路面中。
由于赤泥的主要成分为多种金属氧化物且具有较强的碱性，赤泥与沥青之间的粘着力不强、相容性较差，导致赤泥和沥青之间存在较大的间隙；当沥青用于铺设路面时，雨水容易渗透赤泥和沥青之间的间隙，使得沥青的抗水性能较差，从而影响沥青路面的使用寿命。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本申请的第一个目的在于提供一种改性赤泥，该改性赤泥与沥青的相容性好，使用该改性赤泥制备得到的沥青混合料具有良好的抗水性能。
本申请的第二个目的在于提供一种赤泥沥青混合料，该沥青混合料使用改性赤泥作为原料，实现赤泥的利用，制备得到的沥青混合料具有良好的抗水性能、高温抗变形性能和低温抗裂性能。
为实现上述第一个目的，本申请提供了如下技术方案：
一种改性赤泥，所述改性赤泥由赤泥、双酚A型环氧树脂、偶联剂溶液按重量比(20-30)：(6-10)：(2-4)制备得到。
通过采用上述技术方案，偶联剂对赤泥中的Fe2O3、Al2O3等金属氧化物以及SiO2等非金属氧化物的表面进行改性，使赤泥的疏水性增强，有助于避免赤泥中的颗粒团聚，从而使赤泥均匀分散，同时，赤泥的疏水性增强也有助于提高赤泥与沥青以及双酚A型环氧树脂的相容性；双酚A型环氧树脂在沥青中交联形成网状结构，赤泥颗粒填充于网状结构之中，提高赤泥与沥青之间的粘着力，从而改善赤泥沥青混合料的抗水性能和力学性能。
进一步地，所述偶联剂溶液包括10-20重量份的偶联剂、70-80重量份的有机溶剂，其中，偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种，有机溶剂选自乙醇、乙二醇、丙酮中的一种或多种。
进一步地，制备所述改性赤泥的步骤包括：将偶联剂溶液和赤泥混匀，再加入双酚A型环氧树脂混匀，得到改性赤泥。
通过采用上述技术方案，先将偶联剂溶于有机溶剂得到偶联剂溶液，再将偶联剂溶液加入赤泥，有助于使偶联剂在赤泥中均匀分散，从而提高赤泥改性的效率；然后加入双酚A型环氧树脂，使双酚A型环氧树脂包覆在赤泥表面得到改性赤泥，由于双酚A型环氧树脂亲油，随后将改性赤泥加入到沥青中时，包覆在赤泥表面的双酚A型环氧树脂作为亲油的媒介，有助于使改性赤泥均匀分散于沥青中，从而进一步提高赤泥与沥青的相容性。
进一步地，所述偶联剂溶液和赤泥的混匀方式为：将偶联剂溶液喷洒在赤泥上，搅拌，所述搅拌转速100-200rpm，搅拌时间40-60min。
通过采用上述技术方案，使用一边喷涂一边搅拌的方法将偶联剂溶液与赤泥混合，有助于使偶联剂溶液与赤泥混合均匀，从而提高赤泥改性的效率。
为实现上述第二个目的，本申请提供了如下技术方案：
一种赤泥沥青混合料，由包括以下重量份的原料混合而成：粗集料60-80份、细集料20-40份、沥青8-10份、改性赤泥8-10份；其中，所述粗集料为碎石，所述细集料为天然砂。
进一步地，所述赤泥沥青混合料还包括0.5-1重量份的二氧化硅。
进一步地，所述二氧化硅为硅烷偶联剂改性二氧化硅，所述硅烷偶联剂改性二氧化硅的平均粒径为20-500nm。
通过采用上述技术方案，二氧化硅填充沥青与赤泥之间的缝隙，从而改善沥青混合料的抗水性能和力学性能；硅烷偶联剂改性二氧化硅与沥青的相容性更好，从而使沥青混合料的抗水性能和力学性能进一步改善。
进一步地，所述赤泥沥青混合料还包括0.5-1重量份的海藻酸盐，所述海藻酸盐选自海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸钙中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，海藻酸盐的粘性使赤泥与沥青之间的粘结更加紧密，从而使沥青混合料的抗水性能和力学性能进一步改善。
进一步地，所述赤泥沥青混合料中还包括6-8重量份的矿物纤维。
通过采用上述技术方案，矿物纤维使沥青、赤泥等组分在赤泥沥青混合料中均匀分散，有助于改善沥青混合料的抗水性能和力学性能。
本申请提供上述赤泥沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将沥青加热融化；
S2.将粗集料、细集料预热；
S3.向所述步骤S1得到的融化后的沥青中加入硅烷偶联剂改性二氧化硅和改性赤泥，在160-180℃下搅拌5-10min；
S4.向所述步骤S3得到的混合物中加入预热的粗集料和细集料，在160-180℃下搅拌5-10min；S5.向所述步骤S4得到的混合物中加入海藻酸盐和矿物纤维，在160-180℃下搅拌5-10min。
通过采用上述技术方案，改性赤泥、硅烷偶联剂改性二氧化硅与沥青的相容性良好，有助于提高沥青混合料的抗水性能，沥青与粗集料和细集料混合后，再加入海藻酸盐和矿物纤维，可进一步提高沥青的抗水性能、高温抗变形性能和低温抗裂性能。
综上所述，本申请包括以下有益技术效果：
1.本申请提供一种改性赤泥，采用特定配比的偶联剂和双酚A型环氧树脂对赤泥进行改性，提高赤泥与沥青的相容性，从而改善赤泥沥青混合料的抗水性能；
2.本申请提高一种赤泥沥青混合料，实现赤泥利用的同时，得到性能良好的赤泥沥青混合料，配合特定粒径的硅烷偶联剂改性二氧化硅，以及海藻酸盐和矿物纤维，进一步改善赤泥沥青混合料的抗水性能、高温抗变形性能和低温抗裂性能；
3.本申请得到的赤泥沥青混合料具有良好的抗水性能，浸水残留稳定度达到90％以上；
4.本申请得到的赤泥沥青混合料具有良好的高温抗变形性能，马歇尔稳定度达到12kN以上，动稳定度达到1700次/mm以上；
5.本申请得到的赤泥沥青混合料具有良好的低温抗裂性能，低温劈裂强度比达到90％以上，最大弯拉应变达到2500με以上。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。以下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，使用的方法如无特别说明，均为本领域公知的常规方法，使用的耗材和试剂如无特别说明，均为市场购得。除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
实施例1
实施例1提供的赤泥沥青混合料的制备方法如下：
1)将拜耳法赤泥破碎，研磨至外观无团粒结块。
2)将KH-560硅烷偶联剂和乙醇按重量比15:75混匀，得到偶联剂溶液。
3)取25重量份步骤1)得到的赤泥、3重量份步骤2)得到的偶联剂溶液，将偶联剂溶液喷洒在赤泥上，搅拌，搅拌转速150rpm，搅拌时间50min，再加入8重量份双酚A型环氧树脂，继续搅拌20min，得到改性赤泥。
4)将70#基质沥青加热融化。
5)将碎石、天然砂预热至160℃。
6)取9重量份步骤4)得到的融化后的沥青，加入9重量份步骤3)得到的改性赤泥，在160-180℃下搅拌8min。
7)向步骤6)得到的混合物中加入60重量份预热的碎石和40重量份预热的天然砂，在160-180℃下搅拌8min，得到赤泥沥青混合料。
实施例2
实施例2提供的赤泥沥青混合料的制备方法如下：
1)将拜耳法赤泥破碎，研磨至外观无团粒结块。
2)将KH-560硅烷偶联剂和乙醇按重量比15:75混匀，得到偶联剂溶液。
3)取25重量份步骤1)得到的赤泥、3重量份步骤2)得到的偶联剂溶液，将偶联剂溶液喷洒在赤泥上，搅拌，搅拌转速150rpm，搅拌时间50min，再加入8重量份双酚A型环氧树脂，继续搅拌20min，得到改性赤泥。
4)将70#基质沥青加热融化。
5)将碎石、天然砂预热至160℃。
6)取9重量份步骤4)得到的融化后的沥青，加入9重量份步骤3)得到的改性赤泥，在160-180℃下搅拌8min。
7)向步骤6)得到的混合物中加入70重量份预热的碎石和30重量份预热的天然砂，在160-180℃下搅拌8min，得到赤泥沥青混合料。
实施例3
实施例3提供的赤泥沥青混合料的制备方法如下：
1)将拜耳法赤泥破碎，研磨至外观无团粒结块。
2)将KH-560硅烷偶联剂和乙醇按重量比15:75混匀，得到偶联剂溶液。
3)取25重量份步骤1)得到的赤泥、3重量份步骤2)得到的偶联剂溶液，将偶联剂溶液喷洒在赤泥上，搅拌，搅拌转速150rpm，搅拌时间50min，再加入8重量份双酚A型环氧树脂，继续搅拌20min，得到改性赤泥。
4)将70#基质沥青加热融化。
5)将碎石、天然砂预热至160℃。
6)取9重量份步骤4)得到的融化后的沥青，加入9重量份步骤3)得到的改性赤泥，在160-180℃下搅拌8min。
7)向步骤6)得到的混合物中加入80重量份预热的碎石和20重量份预热的天然砂，在170℃下搅拌8min，得到赤泥沥青混合料。
实施例4
实施例4提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例2，实施例4与实施例2的不同之处仅在于，步骤6)中，沥青的重量份为8重量份，改性赤泥的重量份为10重量份。
实施例5
实施例5提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例2，实施例5与实施例2的不同之处仅在于，步骤6)中，沥青的重量份为10重量份，改性赤泥的重量份为8重量份。
实施例6
实施例6提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例2，实施例6与实施例2的不同之处仅在于，步骤3)中，赤泥的重量份为20重量份，偶联剂溶液的重量份为4重量份，双酚A型环氧树脂的重量份为6重量份。
实施例7
实施例7提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例2，实施例7与实施例2的不同之处仅在于，步骤3)中，赤泥的重量份为30重量份，偶联剂溶液的重量份为2重量份，双酚A型环氧树脂的重量份为10重量份。
实施例8
实施例8提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例2，实施例8与实施例2的不同之处仅在于，步骤2)中，KH-560硅烷偶联剂和乙醇的重量比为10:80。
实施例9
实施例9提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例2，实施例9与实施例2的不同之处仅在于，步骤2)中，KH-560硅烷偶联剂和乙醇的重量比为20:70。
实施例10
实施例10提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例2，实施例10与实施例2的不同之处仅在于，步骤6)中，还加入0.5重量份二氧化硅，二氧化硅的平均粒径为200nm。
实施例11
实施例11提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例10，实施例11与实施例10的不同之处仅在于，步骤6)中，二氧化硅的重量份为0.8重量份。
实施例12
实施例12提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例10，实施例12与实施例10的不同之处仅在于，步骤6)中，二氧化硅的重量份为1重量份。
实施例13
实施例13提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例11，实施例13与实施例11的不同之处仅在于，步骤6)中，将二氧化硅替换为硅烷偶联剂改性二氧化硅。
实施例14
实施例14提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例13，实施例14与实施例13的不同之处仅在于，步骤6)中，硅烷偶联剂改性二氧化硅的平均粒径为20nm。
实施例15
实施例15提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例13，实施例15与实施例13的不同之处仅在于，步骤6)中，硅烷偶联剂改性二氧化硅的平均粒径为500nm。
实施例16
实施例16提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例13，实施例16与实施例13的不同之处仅在于，还包括步骤8)：向步骤7)得到的混合物中加入0.8重量份的海藻酸钙。
实施例17
实施例17提供赤泥沥青混合料，该赤泥沥青混合料的制备方法参照实施例16，实施例17与实施例16的不同之处仅在于，步骤8)中，还加入7重量份的矿物纤维。
对比例1
对比例1提供的沥青混合料的制备方法如下：
1)将70#基质沥青加热融化。
2)将碎石、天然砂预热至160℃。
3)取9重量份步骤1)得到的融化后的沥青，加入70重量份预热的碎石和30重量份预热的天然砂，在160-180℃下搅拌8min，得到沥青混合料。
对比例2
对比例2提供的赤泥沥青混合料的制备方法如下：
1)将拜耳法赤泥破碎，研磨至外观无团粒结块。
2)将70#基质沥青加热融化。
3)将碎石、天然砂预热至160℃。
4)取9重量份步骤2)得到的融化后的沥青，加入9重量份步骤1)得到的赤泥，在160-180℃下搅拌8min。
5)向步骤4)得到的混合物中加入70重量份预热的碎石和30重量份预热的天然砂，在160-180℃下搅拌8min，得到赤泥沥青混合料。
对比例3
对比例3提供的赤泥沥青混合料的制备方法如下：
1)将拜耳法赤泥破碎，研磨至外观无团粒结块。
2)将KH-560硅烷偶联剂和乙醇按重量比15:75混匀，得到偶联剂溶液。
3)将70#基质沥青加热融化。
4)将碎石、天然砂预热至160℃。
5)取6.25重量份步骤1)得到的赤泥、0.75重量份步骤2)得到的偶联剂溶液、2重量份双酚A型环氧树脂、9重量份步骤3)得到的融化后的沥青混合，在160-180℃下搅拌8min。
6)向步骤5)得到的混合物中加入70重量份预热的碎石和30重量份预热的天然砂，在160-180℃下搅拌8min，得到赤泥沥青混合料。
性能检测
针对本申请实施例1～17和对比例1～3提供的赤泥沥青混合料，按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行如下的性能检测：
按照T0709-2011《沥青混合料马歇尔稳定度试验》检测赤泥沥青混合料的马歇尔稳定度和浸水残留稳定度。
按照T0719-2011《沥青混合料车辙试验》检测赤泥沥青混合料的动稳定度。
按照T0729-2000《沥青混合料冻融劈裂试验》检测赤泥沥青混合料的低温劈裂强度比。
按照T0715-2011《沥青混合料弯曲试验》检测最大弯拉应变。
检测结果数据见表1。
表1实施例1-17、对比例1-3的马歇尔稳定度、浸水残留稳定度、动稳定度、低温劈裂强度比、最大弯拉应变检测结果数据表
Figure BDA0004158413190000081
以下结合表1提供的实验数据，对本申请进行详细说明。
实施例1-3考察了粗集料和细集料的添加量对赤泥沥青混合料性能的影响，结果表明，当粗集料和细集料的重量比为7:3时，赤泥沥青混合料的各方面性能较优。
以实施例2为对照，实施例4-5考察了沥青和改性赤泥的添加量对赤泥沥青混合料性能的影响，结果表明，当沥青与改性赤泥的重量比为1:1时，赤泥沥青混合料的各方面性能较优。
以实施例2为对照，实施例6-7考察了改性赤泥中赤泥、双酚A型环氧树脂、偶联剂溶液的重量比例对赤泥沥青混合料性能的影响，结果表明，当改性赤泥中赤泥、双酚A型环氧树脂、偶联剂溶液的重量比为25:8:3时，赤泥沥青混合料的各方面性能较优。
以实施例2为对照，实施例8-9考察了偶联剂溶液中偶联剂和化学溶剂的重量比例对赤泥沥青混合料性能的影响，结果表明，偶联剂溶液中偶联剂和化学溶剂的重量比为15：75时，赤泥沥青混合料的各方面性能较优。
实施例10-12在实施例2的基础上添加了二氧化硅，考察了二氧化硅的添加量对赤泥沥青混合料性能的影响，结果表明，添加二氧化硅后，赤泥沥青混合料的各方面性能改善，这是因为二氧化硅可填充沥青与赤泥之间的缝隙，综合比较赤泥沥青混合料的各方面性能，实施例11相对较优。
以实施例11为对照，实施例13将二氧化硅替换为硅烷偶联剂改性二氧化硅，结果表明，相比于二氧化硅，硅烷偶联剂改性二氧化硅与沥青的相容性更好，从而有效地填充沥青与赤泥之间的缝隙，使赤泥沥青混合料的抗水性能、高温抗变形性能和低温抗裂性能进一步增强。
以实施例13为对照，实施例14-15考察了硅烷偶联剂改性二氧化硅的粒径对赤泥沥青混合料性能的影响，结果表明，平均粒径为200nm的硅烷偶联剂改性二氧化硅可以有效地填充沥青与赤泥之间的缝隙，使赤泥沥青混合料的性能改善更加明显。
实施例16在实施例13的基础上添加了海藻酸盐，结果表明，由于海藻酸盐的粘性使赤泥与沥青之间的粘结更加紧密，添加海藻酸盐后，赤泥沥青混合料的抗水性能、高温抗变形性能和低温抗裂性能均有提高。
实施例17在实施例16的基础上添加了矿物纤维，结果表明，添加了矿物纤维的赤泥沥青混合料的高温抗变形性能明显提高，抗水性能和低温抗裂性能也有所改善，这是因为矿物纤维有助于沥青、赤泥等组分在赤泥沥青混合料中均匀分散。
与实施例2相比，对比例1的沥青混合料的整体性能降低，说明加入改性赤泥后，沥青混合料的抗水性能、高温抗变形性能和低温抗裂性能相对于普通沥青混合料均有改善，本申请实现了赤泥的利用，并取得了优于普通沥青混合料的效果。
与实施例2相比，对比例2的赤泥沥青混合料整体性能降低，说明未经改性的赤泥与沥青的相容性不佳，不利于提高沥青混合料的抗水性能、高温抗变形性能和低温抗裂性能。
与实施例2相比，对比例3的赤泥沥青混合料整体性能降低，说明当沥青、赤泥、双酚A型环氧树脂、偶联剂溶液一锅混合时，各组分的相容性不佳，导致沥青混合料的抗水性能、高温抗变形性能和低温抗裂性能较差；实施例2先将赤泥与偶联剂溶液混合，再加入双酚A型环氧树脂得到改性赤泥，随后向沥青中加入改性赤泥，可以使各组分充分相容，从而得到性能较优的赤泥沥青混合料。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种改性赤泥，其特征在于：所述改性赤泥由赤泥、双酚A型环氧树脂、偶联剂溶液按重量比（20-30）：（6-10）：（2-4）制备得到。
2.根据权利要求1所述的改性赤泥，其特征在于：所述偶联剂溶液包括10-20重量份的偶联剂、70-80重量份的有机溶剂，其中，偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种，有机溶剂选自乙醇、乙二醇、丙酮中的一种或多种。
3.一种权利要求1或2所述的改性赤泥的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将偶联剂溶液和赤泥混匀，再加入双酚A型环氧树脂，混匀，得到所述改性赤泥。
4.根据权利要求3所述的改性赤泥的制备方法，其特征在于：所述偶联剂溶液和赤泥的混匀方式为：将偶联剂溶液喷洒在赤泥上，搅拌，所述搅拌转速100-200rpm，搅拌时间40-60min。
5.一种赤泥沥青混合料，其特征在于：由包括以下重量份的原料混合而成：粗集料60-80份、细集料20-40份、沥青8-10份、权利要求1所述的改性赤泥8-10份；其中，所述粗集料为碎石，所述细集料为天然砂。
6.根据权利要求5所述的赤泥沥青混合料，其特征在于：所述赤泥沥青混合料还包括0.5-1重量份的二氧化硅。
7.根据权利要求6所述的赤泥沥青混合料，其特征在于：所述二氧化硅为硅烷偶联剂改性二氧化硅，所述硅烷偶联剂改性二氧化硅的平均粒径为20-500nm。
8.根据权利要求5所述的赤泥沥青混合料，其特征在于：所述赤泥沥青混合料还包括0.5-1重量份的海藻酸盐，所述海藻酸盐选自海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸钙中的一种或多种。
9.根据权利要求5所述的赤泥沥青混合料，其特征在于：所述赤泥沥青混合料中还包括6-8重量份的矿物纤维。
10.一种权利要求5-9任一项所述的赤泥沥青混合料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将沥青加热融化；
S2.将粗集料、细集料预热；
S3.向所述步骤S1得到的融化后的沥青中加入硅烷偶联剂改性二氧化硅和权利要求1所述的改性赤泥，在160-180℃下搅拌5-10min；
S4.向所述步骤S3得到的混合物中加入预热的粗集料和细集料，在160-180℃下搅拌5-10min；
S5.向所述步骤S4得到的混合物中加入海藻酸盐和矿物纤维，在160-180℃下搅拌5-10min。
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