阅读说明：本技术 改性钢渣及其制备方法和在sma沥青混凝土中的应用 (Modified steel slag, preparation method thereof and application thereof in SMA asphalt concrete ) 是由 张西斌 张吉哲 姜成岭 李洪印 刘贵翔 许尚江 刘伟 邢兵 余四新 徐琨 廖莹 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及SMA沥青混凝土技术领域,尤其涉及改性钢渣及其制备方法和在SMA沥青混凝土中的应用。所述改性钢渣包括如下组分：钢渣80-90％、白泥5-10％、赤泥5-10％。本发明先将所述钢渣先进行水洗,对水洗后的钢渣烘干至完全干燥,保证得到的钢渣中游离氧化钙含量不大于2％,即得钢渣集料；然后将步骤(1)中的钢渣集料研磨,获得钢渣粗粉；将烘干后的白泥进行研磨,获得白泥粗粉；将烘干后的赤泥进行研磨,获得赤泥粗粉；将所述钢渣粗粉、白泥粗粉、赤泥粗粉按比例进行混合,然后研磨,即得改性钢渣。本发明采用钢渣、白泥、赤泥制备道路工程材料,并代替部分天然材料,解决天然石料的过度开采问题。(The invention relates to the technical field of SMA asphalt concrete, in particular to modified steel slag, a preparation method thereof and application thereof in SMA asphalt concrete. The modified steel slag comprises the following components: 80-90% of steel slag, 5-10% of white mud and 5-10% of red mud. Firstly, washing the steel slag, drying the washed steel slag until the steel slag is completely dried, and ensuring that the content of free calcium oxide in the obtained steel slag is not more than 2 percent to obtain steel slag aggregate; then grinding the steel slag aggregate in the step (1) to obtain steel slag coarse powder; grinding the dried white mud to obtain white mud coarse powder; grinding the dried red mud to obtain red mud coarse powder; and mixing the steel slag coarse powder, the white mud coarse powder and the red mud coarse powder in proportion, and then grinding to obtain the modified steel slag. The invention adopts the steel slag, the white mud and the red mud to prepare the road engineering material and replaces partial natural materials, thereby solving the problem of excessive exploitation of natural stones.)

改性钢渣及其制备方法和在SMA沥青混凝土中的应用

技术领域

本发明涉及SMA沥青混凝土技术领域，尤其涉及改性钢渣及其制备方法和在SMA沥青混凝土中的应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着我国城市建设和公路、铁路等基础设施建设的发展，工程建设消耗了大量的不可再生资源。其中，经过几十年的破坏性开采,我国多数地区的石灰石已成为稀缺资源。作为我国公路建设的主要面层铺装材料--沥青混凝土,其中的填料部分即为石灰岩经破碎、磨细后制得的石灰岩矿粉。作为沥青马蹄脂碎石(SMA),填料的掺量约占混合料总质量的5-10％,主要起填充间断级配中集料的骨架空隙、有效裹覆沥青、提高沥青劲度和提高集料胶浆黏附性等作用,是SMA沥青混合料中不可或缺的重要组成部分。

随着我国自然资源的不断消耗,特别是近年来社会对环境保护和自然资源保护意识的增强,大量的石灰岩石料厂关闭,导致石料供不应求,优质石料已经达到被疯抢的程度。与此同时,由于石灰岩矿粉生产过程中产生的大量粉尘对空气质量产生及其负面的影响,部分不合格的石灰岩矿粉生产企业被关停整改,导致石灰岩矿粉价格逐年攀升,给公路建设投资单位和施工企业带来了严重的成本压力。

钢渣是炼钢过程产生的一种工业固体废弃物,占到粗钢产量的10％-15％,数量十分惊人。然而,目前我国钢渣综合利用有限,利用率不超过30％,累计堆存的钢渣已超过10亿吨,每年仍以数千万吨递增。钢渣堆积既占用大量土地,又污染环境。随着社会对安全生产和环境保护的日益重视,钢渣的排放与堆存已成为制约钢铁行业发展的重要瓶颈和区域社会发展与环境保护的负担。如通过技术创新,提高钢渣的资源化率,既可以解决钢渣堆积造成的环境危害问题,又能拓展建筑材料来源,缓解其天然资源短缺的困境。例如，李新宇等在《钢渣SMA-13沥青混凝土设计与路用性能研究》中借助SMA的设计方法，将钢渣应用于道路工程，研究钢渣SMA-13沥青混凝土的设计与制备，并进行了路用性能分析，探讨了钢渣作为筑路材料的可行性，其研究显示：将钢渣作为筑路材料应用于道路工程建设，不仅解决了天然岩石供应不足的问题，又保护了自然环境，具有广阔的工程应用前景。冯艳瑾在《钢渣细料与钢渣粉在SMA-13沥青混合料中的应用研究》中通过相关试验确定钢渣细集料与钢渣粉在面层SMA-13沥青混凝土中的应用可行性，对钢渣SMA-13混合料的级配设计、路用性能以及经济性进行了研究，解决目前钢渣在沥青混凝土中应用存在的安全风险和成本过高的问题。

目前，尽管已经有大量将钢渣用于SMA沥青混凝土的制备、设计的技术，然而，本发明人研究后发现：目前钢渣在沥青混凝土中的应用，主要使用大粒径钢渣代替传统粗集料，对于钢渣微粉的利用还尚有欠缺。同时，石灰岩矿粉价格越来越高，如何将钢渣微粉应用于SMA沥青混凝土的生产，代替传统石灰岩矿粉，是需要研究的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是开发成本可控、性能稳定的石灰岩矿粉替代材料,研究适用于替代材料的沥青混合料制备工艺,这也是公路建设领域亟待解决的关键问题。为此，本发明提供一种改性钢渣及其制备方法和在SMA沥青混凝土中的应用。

本发明第一目的：提供一种改性钢渣。

本发明第二目的：提供所述改性钢渣的制备方法。

本发明第三目的：提供所述改性钢渣在SMA沥青混凝土中的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开一种改性钢渣，按质量百分数计，其包括如下组分：钢渣80-90％、白泥5-10％、赤泥5-10％。

作为进一步的技术方案，所述钢渣为电炉钢渣尾渣。

作为进一步的技术方案，所述钢渣陈化时间大于12个月,初碎后粒径小于10mm。

作为进一步的技术方案，所述钢渣为经过水洗后干燥而得，且最终得到的钢渣中游离氧化钙含量不大于2％，水洗主要作用是去除或降低钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁，降低后期因吸水产生的体积膨胀。

作为进一步的技术方案，所述赤泥为氧化铝厂用碱法处理铝土矿提取氧化铝后排放的不溶性固体工业废弃物,其主要成分为Al₂O₃、SiO₂、Na₂O、CaO等。

作为进一步的技术方案，所述赤泥初碎后粒径小于10mm。

作为进一步的技术方案，所述白泥为制浆造纸过程中产生的高碱性固体废弃物,主要成分为CaCO₃,同时含有少量的制浆纤维。

作为进一步的技术方案，所述白泥初碎后粒径小于10mm。

其次，本发明公开所述改性钢渣的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述钢渣先进行水洗,对水洗后的钢渣烘干至完全干燥，保证得到的钢渣中游离氧化钙含量不大于2％，得到钢渣集料；

(2)将步骤(1)中的钢渣集料研磨，获得钢渣粗粉，备用；

(3)将烘干后的白泥进行研磨,获得白泥粗粉，备用；

(4)将烘干后的赤泥进行研磨,获得赤泥粗粉，备用；

(5)所述钢渣粗粉、白泥粗粉、赤泥粗粉按质量百分比：钢渣80-90％,白泥5-10％,赤泥5-10％进行混合,然后研磨，即得改性钢渣。

作为进一步的方法，步骤(1)、(3)、(4)中，所述干燥的条件均为：在100-120℃下干燥3-4.5h。

作为进一步的方法，步骤(2)-(4)中，所述钢渣粗粉、白泥粗粉、泥粗粉的获得方法均为：研磨直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％。

作为进一步的方法，步骤(5)中，所述研磨的细度要求为：0.15mm标准方孔筛通过率为100％,0.075mm标准方孔筛通过率为85-100％。

再次，本发明公开所述改性钢渣在SMA沥青混凝土中的应用，具体为一种SMA沥青混凝土，按质量百分数计，其包括如下组分：沥青4-7％、改性钢渣5-10％、粗集料50-75％、细集料10-36％、纤维0.3-0.5％。

作为进一步的方法，所述沥青为SBS改性沥青。

作为进一步的方法，所述粗集料和细集料均为玄武岩集料。

作为进一步的方法，所述纤维为木质素纤维。

最后，本发明公开所述SMA沥青混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)将改性钢渣粉、粗集料与细集料分别加热后,备用；

2)将SBS改性沥青加热至至熔融状态,备用；

3)将粗集料、细集料与木质素纤维预混后再加入步骤(2)制备的沥青，混匀后加入改性钢渣，混匀后即得SMA沥青混凝土。

作为进一步的技术方案，步骤1)中，所述加热条件为：在160-180℃下加热4h。

作为进一步的技术方案，步骤2)中，所述加热温度为140-160℃。

本发明的技术原理为：钢渣属于高碱性多孔材料,与弱酸性沥青有较好的黏附性,能够有效裹覆SMA沥青混凝土中的沥青,形成沥青马蹄脂结构。为了消除游离氧化钙在沥青混凝土体系中带来的负面影响,首先是采用水洗的方法,有效降低游离氧化钙的含量。在球磨过程中,白泥中的碳酸钙会填充一部分钢渣的微空隙,有效抑制游离氧化钙的浸出,而白泥中的少量木质素纤维也会提高与沥青的裹覆能力。同时,赤泥作为一种多孔材料,在球磨过程中也会与钢渣微粉进行充分填充与嵌锁,提高改性钢渣粉与沥青的黏附性,并且提高对沥青的裹覆能力。通过上述改性，本发明成功将普通的钢渣转变成为适合替代石灰石的产品，从而时钢渣能够用于制备SMA沥青混凝土。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明采用三种固体废弃物:钢渣、白泥、赤泥制备道路工程材料,并代替部分天然材料,既能解决天然石料的过度开采问题,保护自然资源,又能够消纳固体废弃物,减少环境污染,具有显著的环境效益与社会效益。

(2)本发明以钢渣为主要原料,制备的改性钢渣粉,与沥青有很好的黏附性,可有效保证沥青马蹄脂的抗水损害能力,提高SMA沥青混凝土的服役寿命。

(3)本发明采用三种固体废弃物材料制备改性钢渣粉,原材料来源广泛,价格低廉,同时制备工艺简单,操作方便,可有效降低SMA沥青混凝土的生产成本,具有广阔的应用前景。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如前文所述，开发成本可控、性能稳定的石灰岩矿粉替代材料,研究适用于替代材料的沥青混合料制备工艺,这也是公路建设领域亟待解决的关键问题。为此，本发明提供一种改性钢渣及其制备方法和在SMA沥青混凝土中的应用，现结合具体实施方式对本发明进一步进行说明。

下列实施例中，所述钢渣购自闽源钢铁有限公司，且该钢渣为电炉钢渣尾渣,陈化时间大于12个月,初碎后粒径小于10mm。

下列实施例中，所述赤泥购自山东铝业集团，该赤泥为用碱法处理铝土矿提取氧化铝后排放的不溶性固体工业废弃物,主要成分为Al₂O₃、SiO₂、Na₂O、CaO等。

下列实施例中，所述白泥购自齐河造纸厂，该白泥为制浆造纸过程中产生的高碱性固体废弃物,主要成分为CaCO₃,同时含有少量的制浆纤维。

实施例1

一种改性钢渣，按质量百分数计，其包括如下组分：钢渣80％、白泥10％、赤泥10％；该改性钢渣的制备方法包括如下步骤：

(1)将陈化后的钢渣尾渣进行水洗,以去除或去除钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁,保证游离氧化钙含量不大于2％,对水洗后的钢渣在105℃条件下烘干4小时；

(2)采用球磨机对步骤(1)中烘干后的钢渣集料进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得钢渣粗粉，备用；

(3)将白泥在105℃条件下烘干4小时，然后采用球磨机对烘干后的白泥进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得白泥粗粉；

(4)将赤泥在105℃条件下烘干4小时，然后采用球磨机对烘干后的赤泥进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得赤泥粗粉；

(5)按比例将钢渣粗粉(80％)、白泥粗粉(10％)、赤泥粗粉(10％)混合后用球磨机进行研磨,细度要求为0.15mm标准方孔筛通过率为100％,0.075mm标准方孔筛通过率为85-100％,研磨完成后即得改性钢渣。

2、一种SMA沥青混凝土，沥青混合料类型:SMA-13，按质量百分数计，该混凝土包括如下组分：SBS改性沥青5.7％,改性钢渣粉5％,粗集料69％,细集料20％,木质素纤维0.3％。所述改性钢渣为本实施例制备，所述粗集料和细集料均为玄武岩集料,各项技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的相关要求。

3、所述SMA沥青混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述改性钢渣粉、粗集料与细集料分别在温度为180℃条件下加热4小时,备用；

(2)将SBS改性沥青加热至160℃至熔融状态,备用；

(3)将所述粗集料、细集料与木质素纤维加入反应釜中预混；然后将步骤(2)制备的沥青加入上述反应釜中，混匀后加入改性钢渣粉,混合后即得SMA沥青混凝土。

实施例2

一种改性钢渣，按质量百分数计，其包括如下组分：钢渣90％、白泥5％、赤泥5％；该改性钢渣的制备方法包括如下步骤：

(1)将陈化后的钢渣尾渣进行水洗,以去除或去除钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁,保证游离氧化钙含量不大于2％,对水洗后的钢渣在100℃条件下烘干4.5小时；

(2)采用球磨机对步骤(1)中烘干后的钢渣集料进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得钢渣粗粉，备用；

(3)将白泥在100℃条件下烘干4.5小时，然后采用球磨机对烘干后的白泥进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得白泥粗粉；

(4)将赤泥在100℃条件下烘干4.5小时，然后采用球磨机对烘干后的赤泥进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得赤泥粗粉；

(5)按比例将钢渣粗粉(90％)、白泥粗粉(5％)、赤泥粗粉(5％)混合后用球磨机进行研磨,细度要求为0.15mm标准方孔筛通过率为100％,0.075mm标准方孔筛通过率为85-100％,研磨完成后即得改性钢渣。

2、一种SMA沥青混凝土，沥青混合料类型:SMA-13，按质量百分数计，该混凝土包括如下组分：SBS改性沥青4％,改性钢渣粉9.5％,粗集料50％,细集料36％,木质素纤维0.5％。所述改性钢渣为本实施例制备，所述粗集料和细集料均为玄武岩集料,各项技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的相关要求。

3、所述SMA沥青混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述改性钢渣粉、粗集料与细集料分别在温度为160℃条件下加热4小时,备用；

(2)将SBS改性沥青加热至140℃至熔融状态,备用；

(3)将所述粗集料、细集料与木质素纤维加入反应釜中预混；然后将步骤(2)制备的沥青加入上述反应釜中，混匀后加入改性钢渣粉,混合后即得SMA沥青混凝土。

实施例3

一种改性钢渣，按质量百分数计，其包括如下组分：钢渣85％、白泥7％、赤泥8％；该改性钢渣的制备方法包括如下步骤：

(1)将陈化后的钢渣尾渣进行水洗,以去除或去除钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁,保证游离氧化钙含量不大于2％,对水洗后的钢渣在105℃条件下烘干4小时；

(2)采用球磨机对步骤(1)中烘干后的钢渣集料进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得钢渣粗粉，备用；

(3)将白泥在105℃条件下烘干4小时，然后采用球磨机对烘干后的白泥进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得白泥粗粉；

(4)将赤泥在105℃条件下烘干4小时，然后采用球磨机对烘干后的赤泥进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得赤泥粗粉；

(5)按比例将钢渣粗粉(85％)、白泥粗粉(7％)、赤泥粗粉(8％)混合后用球磨机进行研磨,细度要求为0.15mm标准方孔筛通过率为100％,0.075mm标准方孔筛通过率为85-100％,研磨完成后即得改性钢渣。

2、一种SMA沥青混凝土，沥青混合料类型:SMA-13，按质量百分数计，该混凝土包括如下组分：SBS改性沥青7％,改性钢渣粉6.5％,粗集料56％,细集料30％,木质素纤维0.5％。所述改性钢渣为本实施例制备，所述粗集料和细集料均为玄武岩集料,各项技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的相关要求。

3、所述SMA沥青混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述改性钢渣粉、粗集料与细集料分别在温度为160℃条件下加热4小时,备用；

(2)将SBS改性沥青加热至140℃至熔融状态,备用；

(3)将所述粗集料、细集料与木质素纤维加入反应釜中预混；然后将步骤(2)制备的沥青加入上述反应釜中，混匀后加入改性钢渣粉,混合后即得SMA沥青混凝土。

实施例4

一种改性钢渣，按质量百分数计，其包括如下组分：钢渣83％、白泥7％、赤泥10％；该改性钢渣的制备方法包括如下步骤：

(1)将陈化后的钢渣尾渣进行水洗,以去除或去除钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁,保证游离氧化钙含量不大于2％,对水洗后的钢渣在120℃条件下烘干3小时；

(2)采用球磨机对步骤(1)中烘干后的钢渣集料进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得钢渣粗粉，备用；

(3)将白泥在120℃条件下烘干3小时，然后采用球磨机对烘干后的白泥进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得白泥粗粉；

(4)将赤泥在120℃条件下烘干3小时，然后采用球磨机对烘干后的赤泥进行研磨,直至1.18mm标准方孔筛通过率为100％,获得赤泥粗粉；

(5)按比例将钢渣粗粉(85％)、白泥粗粉(7％)、赤泥粗粉(8％)混合后用球磨机进行研磨,细度要求为0.15mm标准方孔筛通过率为100％,0.075mm标准方孔筛通过率为85-100％,研磨完成后即得改性钢渣。

2、一种SMA沥青混凝土，沥青混合料类型:SMA-13，按质量百分数计，该混凝土包括如下组分：SBS改性沥青4.5％,改性钢渣粉10％,粗集料75％,细集料10％,木质素纤维0.5％。所述改性钢渣为本实施例制备，所述粗集料和细集料均为玄武岩集料,各项技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的相关要求。

3、所述SMA沥青混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述改性钢渣粉、粗集料与细集料分别在温度为170℃条件下加热4小时,备用；

(2)将SBS改性沥青加热至150℃至熔融状态,备用；

(3)将所述粗集料、细集料与木质素纤维加入反应釜中预混；然后将步骤(2)制备的沥青加入上述反应釜中，混匀后加入改性钢渣粉,混合后即得SMA沥青混凝土。

性能测试：

为了评价利用本发明方法改性的钢渣制备的SMA沥青混凝土的性能，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的试验流程，对实施例1-4制备的SMA沥青混凝土进行了整体强度、高温性能、低温性能、水稳定性的评价，同时，本发明制备了一种采用石灰岩矿粉作为填料的常规SMA沥青混凝土作为对比样，各项性能测试结果如表1所示。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例
						冻融劈裂强度比(％)	91.2	91.8	93.2	92.5	90.4
动稳定度(次/mm)	4013	3820	4258	4147	3650
						马歇尔稳定度(KN)	10.5	9.5	11.5	10.9	8.5
最大弯曲应变(με)	2534	2668	2598	2616	2123
						浸水残留稳定度(％)	86	90	87	92	79

由以上性能测试结果可以看出：(1)加入本发明制备的改性钢渣微粉，通过进行冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验得到的SMA沥青混合料的冻融劈裂强度比和浸水残留稳定度显著提高，说明本发明制备的改性钢渣微粉可以有效提高SMA沥青混合料的水稳定性。(2)加入本发明制备的改性钢渣微粉后，通过进行沥青混合料的小梁弯曲试验得到的沥青混合料最大弯曲应变显著提高，说明本发明制备的改性钢渣微粉可以有效提高SMA沥青混合料的低温抗裂性。(3)加入本发明制备的改性钢渣微粉后，通过进行马歇尔稳定度试验和车辙试验得到的沥青混合料的马歇尔稳定度和动稳定度显著提高，说明本发明制备的改性钢渣微粉可以有效提高SMA沥青混合料的高温稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。