一种钢渣沥青混合料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种钢渣沥青混合料及其制备方法 (Steel slag asphalt mixture and preparation method thereof ) 是由 武建民 舒志强 徐长春 李少卿 覃仲 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钢渣沥青混合料及其制备方法,该混合料包括以下重量份的组分：钢渣粗集料40-60份、石灰岩细集料20-50份、矿粉5-10份、橡胶沥青16-20份和钢渣改性剂10-20份；钢渣改性剂包括重量配比为1:1的A组分和B组分,A组分中包括质量占比为60-80％的环氧树脂和质量占比为20-40％的长链稀释剂,B组分中包括质量占比为20-35％的聚醚胺、30-40％的聚氨酯类预聚体和30-40％的改性固化剂。该钢渣沥青混合料可有效解决现有的钢渣沥青混合料存在的易开裂变形的问题。(The invention discloses a steel slag asphalt mixture and a preparation method thereof, wherein the mixture comprises the following components in parts by weight: 40-60 parts of steel slag coarse aggregate, 20-50 parts of limestone fine aggregate, 5-10 parts of mineral powder, 16-20 parts of rubber asphalt and 10-20 parts of steel slag modifier; the steel slag modifier comprises a component A and a component B in a weight ratio of 1:1, wherein the component A comprises 60-80% by mass of epoxy resin and 20-40% by mass of long-chain diluent, and the component B comprises 20-35% by mass of polyetheramine, 30-40% by mass of polyurethane prepolymer and 30-40% by mass of modified curing agent. The steel slag asphalt mixture can effectively solve the problem of easy cracking and deformation of the existing steel slag asphalt mixture.)
技术领域
本发明涉及沥青道路技术领域，具体涉及一种钢渣沥青混合料及其制备方法。
背景技术
我国交通行业飞速发展刺激了原材料需求的增长，石料作为建筑和基础设施结构中的重要组成部分，在道路结构质量组成中占据了90％以上。天然石料的过度开采导致国内半数地区出现建材短缺的状况，砂石开采对河流生态环境产生了恶劣影响。因此，寻找一类储量丰富并达到道路建设标准的可再生材料迫在眉睫。
粗钢炼制过程中钢渣的产率约为12％～20％。钢渣可以代替石灰岩在炼钢过程中循环利用，同时经处理后的钢渣也可以在建筑和农业领域“发挥余热”；虽然国内外有关钢渣和橡胶粉应用于道路工程的大量研究，但是，钢渣材料作为炼钢过程中的副产物，与常见的石灰岩玄武岩等道路材料热学性能存在差异，当路面各层位材料的热学性能具有较大差异性时，层状路面内部温度分布将发生变化，导致由钢渣制成的混合料的高温抗变形性能和低温抗裂性能变差，且由于钢渣中含有大量游离态的氧化钙和氧化镁，其遇水后体积发生膨胀，上述原因均会导致路面易出现开裂，变形等问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种钢渣沥青混合料及其制备方法，钢渣沥青混合料可有效解决现有的钢渣沥青混合料存在的易开裂变形的问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种钢渣沥青混合料，包括以下重量份的组分：钢渣粗集料40-60份、石灰岩细集料20-50份、矿粉5-10份、橡胶沥青16-20份和钢渣改性剂10-20份；
其中，钢渣改性剂包括重量配比为1:1的A组分和B组分，A组分中包括质量占比为60-80％的环氧树脂和质量占比为20-40％的长链稀释剂，B组分中包括质量占比为20-35％的聚醚胺、30-40％的聚氨酯类预聚体和30-40％的改性固化剂。
进一步地，包括以下重量份的组分：钢渣粗集料50份、石灰岩细集料30份、矿粉8份、橡胶沥青20份和钢渣改性剂15份；
其中，钢渣改性剂包括重量配比为1:1的A组分和B组分，A组分中包括质量占比为70％的环氧树脂和质量占比为30％的长链稀释剂，B组分中包括质量占比为25％的聚醚胺、35％的聚氨酯类预聚体和40％的改性固化剂。
进一步地，钢渣粗集料中，4.7-9.5mm的钢渣占25-40％，9.5-13mm的钢渣占25-40％，13-16mm的钢渣占25-40％。
上述方案中，钢渣改性剂中的A和B组分混合后，可交联形成疏水性的薄膜包裹在钢渣外部，避免钢渣在后续使用过程中吸收膨胀，导致路面发生断裂的情况的发生，提高路面的水稳定性；且形成的疏水性膜具有一定的弹性和韧性，可以降低路面的刚性，提高车辆在路面上行走时的舒适性和耐磨性。
进一步地，石灰岩细集料的尺寸为0-4.75mm。
进一步地，长链活性稀释剂两端含有环氧基。
进一步地，聚氨酯类预聚体为大豆油基聚氨酯预聚体。
上述的钢渣沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将A组分中的环氧树脂与长链稀释剂混合均匀，然后向其中加入钢渣，搅拌至混合均匀，得钢渣混合料；
(2)将B组分中的聚醚胺升温至70-75℃，然后在搅拌条件下向其中加入改性固化剂和聚氨酯类预聚体，混合均匀，得固化混合料；
(3)搅拌条件下，将步骤(2)中的固化混合料和矿粉先后缓慢加入步骤(1)中的钢渣混合料中，混合均匀，得改性钢渣混合料；
(4)将改性钢渣混合料、橡胶沥青和石灰岩细集料分别进行加热，然后将橡胶沥青加入改性钢渣混合料中，边加边搅拌，再加入石灰岩细集料，混合均匀，制得。
进一步地，步骤(1)中的搅拌速度为700-900r/min。
进一步地，步骤(3)中加入固化混合料3-6min后再加入矿粉。
进一步地，步骤(4)中加热温度为170-190℃。
上述方案中，将A组分的环氧树脂和长链稀释剂混合后形成的液体物料与钢渣混合后，先在钢渣表面均匀分布，然后将B组分中的混合物料加热后，加入钢渣中，B组分中的聚醚胺和改性固化剂可与环氧树脂发生固化反应，形成疏水的交联结构粘附在钢渣表面，避免钢渣直接与水接触，避免后续出现体积膨胀，造成路面断裂；且该交联结构也作为粘结剂，将钢渣与石灰岩集料等原料进行粘结，提高形成的钢渣混凝土的强度，减少路面开裂的情况，提高路面的使用寿命；
改性固化剂由脂肪胺类固化剂与壬基酚、甲醛等进行曼尼希改性制得，长链活性稀释剂分子链中碳原子数大于10个，改性固化剂可与长链稀释剂中的环氧基发生反应，使得反应物具有一定的弹性，进而降低钢渣混凝土路面的硬度，提高行车的舒适性；
聚氨酯类预聚体中含有氨基结构，也可与环氧树脂发生交联反应，促进环氧树脂固化，而且，其中还含有大量的醚键，利用醚键的自由旋转的特性，提高交联结构的韧性，进而降低钢渣混凝土路面的硬度，提高行车的舒适性。
加入一定量B组分后，再同时向钢渣中加入矿粉，利用矿粉将已经在钢渣表面发生交联固化的胶体分散，使得钢渣表面形成厚度均匀的膜状结构，提高钢渣的疏水性以及混合后的物料的均匀性，使得铺设的路面中各原料均匀分布。
本发明所产生的有益效果为：
1、使用钢渣改性剂对钢渣进行改性后，可在钢渣表面形成厚度均匀的疏水膜状结构，该膜既可以作为防水使用，避免雨水等渗透进入钢渣内部，引起钢渣体积膨胀，导致路面开裂；又可以作为粘结剂使用，同沥青一起，将钢渣与其余原料进行粘结，提高路面的稳定性，提高铺设后路面的强度；且该膜具有一定的弹性和韧性，使用后可降低路面的硬度，提高行车的舒适性。
2、该钢渣沥青混合料的制备过程根据各原料的特性设置，钢渣改性剂的B组分形成的混合物与矿粉依次加入改性的钢渣中，A组分和B组分在钢渣表面接触发生交联后，加入矿粉进行搅拌，可利用矿粉将钢渣进行分离，避免钢渣之间形成整体固化，影响铺设效果。
具体实施方式
实施例1
一种钢渣沥青混合料，包括以下重量份的组分：钢渣粗集料40份、石灰岩细集料20份、矿粉5份、橡胶沥青16份和钢渣改性剂10份；其中，钢渣粗集料中，4.7-9.5mm的钢渣占25％，9.5-13mm的钢渣占35％，13-16mm的钢渣占40％；石灰岩细集料的尺寸为0-4.75mm；
其中，钢渣改性剂包括重量配比为1:1的A组分和B组分，A组分中包括质量占比为60％的环氧树脂和质量占比为40％的长链稀释剂，B组分中包括质量占比为20％的聚醚胺、40％的聚氨酯类预聚体和40％的改性固化剂；其中，长链活性稀释剂两端含有环氧基，聚氨酯类预聚体为大豆油基聚氨酯预聚体。
上述的钢渣沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将A组分中的环氧树脂与长链稀释剂混合均匀，然后向其中加入钢渣，以700r/min的速度搅拌至混合均匀，得钢渣混合料；
(2)将B组分中的聚醚胺升温至70℃，然后在搅拌条件下向其中加入改性固化剂和聚氨酯类预聚体，混合均匀，得固化混合料；
(3)在700r/min的速度搅拌条件下，将步骤(2)中的固化混合料和矿粉先后缓慢加入步骤(1)中的钢渣混合料中，混合均匀，得改性钢渣混合料，其中，加入固化混合料3min后再加入矿粉；
(4)将改性钢渣混合料、橡胶沥青和石灰岩细集料分别进行加热至170℃，然后将橡胶沥青加入改性钢渣混合料中，边加边搅拌，再加入石灰岩细集料，混合均匀，制得。
实施例2
一种钢渣沥青混合料，包括以下重量份的组分：钢渣粗集料60份、石灰岩细集料50份、矿粉10份、橡胶沥青20份和钢渣改性剂15份；其中，钢渣粗集料中，4.7-9.5mm的钢渣占40％，9.5-13mm的钢渣占35％，13-16mm的钢渣占25％；石灰岩细集料的尺寸为0-4.75mm；
其中，钢渣改性剂包括重量配比为1:1的A组分和B组分，A组分中包括质量占比为80％的环氧树脂和质量占比为20％的长链稀释剂，B组分中包括质量占比为35％的聚醚胺、40％的聚氨酯类预聚体和25％的改性固化剂；其中，长链活性稀释剂两端含有环氧基，聚氨酯类预聚体为大豆油基聚氨酯预聚体。
上述的钢渣沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将A组分中的环氧树脂与长链稀释剂混合均匀，然后向其中加入钢渣，以900r/min的速度搅拌至混合均匀，得钢渣混合料；
(2)将B组分中的聚醚胺升温至75℃，然后在搅拌条件下向其中加入改性固化剂和聚氨酯类预聚体，混合均匀，得固化混合料；
(3)在900r/min的速度搅拌条件下，将步骤(2)中的固化混合料和矿粉先后缓慢加入步骤(1)中的钢渣混合料中，混合均匀，得改性钢渣混合料，其中，加入固化混合料6min后再加入矿粉；
(4)将改性钢渣混合料、橡胶沥青和石灰岩细集料分别进行加热至190℃，然后将橡胶沥青加入改性钢渣混合料中，边加边搅拌，再加入石灰岩细集料，混合均匀，制得。
实施例3
一种钢渣沥青混合料，包括以下重量份的组分：钢渣粗集料50份、石灰岩细集料30份、矿粉8份、橡胶沥青20份和钢渣改性剂15份；其中，钢渣粗集料中，4.7-9.5mm的钢渣占30％，9.5-13mm的钢渣占30％，13-16mm的钢渣占40％；石灰岩细集料的尺寸为0-4.75mm；
其中，钢渣改性剂包括重量配比为1:1的A组分和B组分，A组分中包括质量占比为70％的环氧树脂和质量占比为30％的长链稀释剂，B组分中包括质量占比为25％的聚醚胺、35％的聚氨酯类预聚体和40％的改性固化剂；其中，长链活性稀释剂两端含有环氧基，聚氨酯类预聚体为大豆油基聚氨酯预聚体。
上述的钢渣沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将A组分中的环氧树脂与长链稀释剂混合均匀，然后向其中加入钢渣，以900r/min的速度搅拌至混合均匀，得钢渣混合料；
(2)将B组分中的聚醚胺升温至72℃，然后在搅拌条件下向其中加入改性固化剂和聚氨酯类预聚体，混合均匀，得固化混合料；
(3)在900r/min的速度搅拌条件下，将步骤(2)中的固化混合料和矿粉先后缓慢加入步骤(1)中的钢渣混合料中，混合均匀，得改性钢渣混合料，其中，加入固化混合料4min后再加入矿粉；
(4)将改性钢渣混合料、橡胶沥青和石灰岩细集料分别进行加热至180℃，然后将橡胶沥青加入改性钢渣混合料中，边加边搅拌，再加入石灰岩细集料，混合均匀，制得。
对比例1
一种钢渣沥青混合料，包括以下重量份的组分：钢渣粗集料50份、石灰岩细集料30份、矿粉8份、橡胶沥青20份；其中，钢渣粗集料中，4.7-9.5mm的钢渣占30％，9.5-13mm的钢渣占30％，13-16mm的钢渣占40％；石灰岩细集料的尺寸为0-4.75mm。
上述的钢渣沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
将钢渣粗集料、橡胶沥青、矿粉和石灰岩细集料分别进行加热至180℃，然后将橡胶沥青加入钢渣混合料中，边加边搅拌，再加入矿粉、石灰岩细集料，混合均匀，制得。
对比例2
一种钢渣沥青混合料，包括以下重量份的组分：钢渣粗集料50份、石灰岩细集料30份、矿粉8份、橡胶沥青20份和钢渣改性剂15份；其中，钢渣粗集料中，4.7-9.5mm的钢渣占30％，9.5-13mm的钢渣占30％，13-16mm的钢渣占40％；石灰岩细集料的尺寸为0-4.75mm；
其中，钢渣改性剂包括重量配比为1:1的A组分和B组分，A组分为环氧树脂，B组分为聚醚胺；其中，长链活性稀释剂两端含有环氧基。
上述的钢渣沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将A组分中的环氧树脂加入钢渣中，以900r/min的速度搅拌至混合均匀，得钢渣混合料；
(2)将B组分中的聚醚胺升温至72℃，在900r/min的速度搅拌条件下，将其和矿粉先后缓慢加入步骤(1)中的钢渣混合料中，混合均匀，得改性钢渣混合料，其中，加入聚醚胺4min后再加入矿粉；
(3)将改性钢渣混合料、橡胶沥青和石灰岩细集料分别进行加热至180℃，然后将橡胶沥青加入改性钢渣混合料中，边加边搅拌，再加入石灰岩细集料，混合均匀，制得。
试验例
1、高温稳定性试验
根据《公路工程沥青及沥青混合料实验规程(JTG E20—2011)》，采用车辙试验评价高温稳定性。车辙试验使用标准轮碾方法成型沥青混凝土板式试件，在60℃，接触轮压为0.7MPa，碾压轮沿试件表面同一条轨迹往复碾压滚动，测定试件表面在试验轮反复作用下中形成的车辙深度，具体结果见表1。
表1：车辙试验结果
通过上表数据可知，实施例1-3中的测试结果均优于对比例1-2中的测试结果，证明按照本申请中的方法制得的钢渣沥青混合料的性能更优。
2、低温抗裂性试验
在-10℃下，以5mm/min的速率，对沥青混合料小梁试件跨中施加集中荷载至断裂破坏，计算出沥青混合料的破坏弯拉应力应变。
表2：抗裂性实验结果
最大载荷(N)
抗弯拉强度(MPa)
最大弯拉应变(με)
实施例1
1259.5
9.11
2745
实施例2
1247.6
9.08
2731
实施例3
1261.3
9.15
2758
对比例1
1142.3
8.81
2670
对比例2
1145.3
8.79
2684
通过上表中的数据可知，实施例1-3中的钢渣沥青混合料的抗裂性能由于对比例1-2中的抗裂性能。
3、膨胀试验
根据《公路工程集料试验规程(JTG E42—2005)》进行钢渣膨胀性试验。首先制作3个标准马歇尔试件，用游标卡尺测试浸水前试件的直径和高度计算得到初始体积，然后将试件浸泡在60℃±1℃的恒温水箱中72h，之后取出测定直径、高度从而得到浸泡后体积，最后计算钢渣沥青混凝土膨胀率。
表3：膨胀率结果
浸水膨胀率％
实施例1
0.79
实施例2
0.81
实施例3
0.77
对比例1
0.85
对比例2
0.89
通过膨胀率结果可知，实施例1-3中的试件的膨胀率低于对比例1-2中的膨胀率。
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