一种煤间接液化残渣沥青混合料的制备方法
阅读说明：本技术 一种煤间接液化残渣沥青混合料的制备方法 (Preparation method of coal indirect liquefied residue asphalt mixture ) 是由 季节 王哲 王子豪 韩秉烨 于 2021-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种煤间接液化残渣沥青混合料的制备方法,步骤一,测试煤间接液化残渣、沥青、集料、矿粉的各项性能指标；步骤二,采用马歇尔设计方法确定沥青混合料中沥青的最佳用量；步骤三,煤间接液化残渣以单一筛孔粒径、等体积的方式替换细集料,得到掺有煤间接液化残渣的集料；步骤四,将掺有煤间接液化残渣的集料、矿粉、沥青分别放置在烘箱内按照预设时间和预设温度进行预热；步骤五,将步骤四中预热后的集料、沥青、矿粉倒入拌合锅内拌合,最终制得煤间接液化残渣沥青混合料。本发明能够实现将煤间接液化残渣高附加值利用、变废为宝,混合料路用性能能够达到热拌沥青混合料的性能要求,具有明显的经济效益和和社会效益。(The invention relates to a preparation method of a coal indirect liquefaction residue asphalt mixture, comprising the following steps of testing various performance indexes of coal indirect liquefaction residue, asphalt, aggregate and mineral powder; determining the optimal amount of asphalt in the asphalt mixture by a Marshall design method; step three, replacing the fine aggregate with the coal indirect liquefaction residues in a mode of single sieve pore size and equal volume to obtain the aggregate doped with the coal indirect liquefaction residues; step four, respectively placing the aggregate, the mineral powder and the asphalt mixed with the coal indirect liquefaction residues in an oven for preheating according to preset time and preset temperature; and step five, pouring the aggregates, the asphalt and the mineral powder preheated in the step four into a mixing pot for mixing, and finally preparing the coal indirect liquefaction residue asphalt mixture. The invention can realize the high value-added utilization of the coal indirect liquefaction residues and change waste into valuable, the road performance of the mixture can meet the performance requirement of the hot-mix asphalt mixture, and the invention has obvious economic benefit and social benefit.)
技术领域
本发明涉及道路建筑材料制备技术领域，具体涉及一种煤间接液化残渣沥青混合料的制备方法。
背景技术
煤间接液化技术是指煤炭经气化、脱碳脱硫等步骤，再经费托合成生成一系列烷烃和烯烃化合物，后经尾气处理及产品精制得到合格油品和化工产品的过程。然而在煤炭液化制备油品过程中，会不可避免地产生约占原煤量20％～30％的副产品—煤间接液化残渣(Indirect coal liquefaction residue，ICLR)。煤间接液化残渣的矿物和化学组成主要是气化炉渣的岩相物质和蜡渣等，与粉煤灰、焚烧炉渣等矿物组分具有一定相似性性，由于目前人们对煤液化残渣的处理方式比较单一，其往往被当作垃圾堆砌或直接燃烧处理，利用率较低且污染环境，如果煤间接液化残渣不能被有效利用，将会产生巨大的资源浪，同时也会产生一定的负面社会和生态效应。
现有技术中对煤间接液化残渣的研究如下，章丽萍等以煤间接液化残渣为原料，以生石灰、水泥、石膏等为辅料，在100℃蒸养下制备出了符合国家标准要求且各项性能良好免烧砖。张龙以煤间接液化残渣为实验基材，在不同造孔剂和粘结剂下烧制得到多孔陶瓷材料，通过扫描电子显微镜对不同参料比下的产品进行微观形貌表征，发现了性能优良且具有微孔结构的陶瓷制品可用于金属废水离子处理、除尘、气体净化。
申请号CN213671080U的发明专利公开了一种关于煤间接液化残渣综合利用的生产机组，用于生产过程中提高煤间接液化残渣的利用率、避免残渣中组分损失浪费，申请号CN203222714U的发明专利公开了一种表面设有条状防滑槽的六边或八边形的煤间接液化残渣渗水砖，在铺设时可形成空隙便于雨水排入土壤，申请号CN103172320A的发明专利公开了一种煤间接液化残渣免烧砖及其生产方法，所生产的砖体不易变形、开裂、收缩，砖表面平滑、外形美观，实现了残渣再利用，但以上关于煤间接液化残渣的应用研究均不设计沥青混合料。
此外，沥青路面工程建设需要大量天然砂石集料，而如今砂石紧缺、价格飙升，在一定程度上制约了公路建设的发展，因此有必要研究一种能够替代沥青混合料中天然砂石集料的材料。煤间接液化残渣颗粒大小不一，具有一定级配，且具备作为沥青混凝土生产过程中的骨料和掺和料的可能性，若能将煤间接液化残渣代替砂石集料应用于道路工程，既可实现煤间接液化残渣资源化利用，将其变废为宝，又可节约公路建设成本，助力国家交通基础设施建设，具有重大经济、社会效益。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种煤间接液化残渣沥青混合料的制备方法，可实现煤间接液化残渣的高附加值利用、变废为宝，混合料路用性能能够达到热拌沥青混合料的性能要求，且高温性能和水稳定性能优于热拌沥青混合料，具有明显的经济效益和和社会效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种煤间接液化残渣沥青混合料的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤，
步骤一，测试煤间接液化残渣、沥青、集料、矿粉的各项性能指标，确保制备沥青混合料使用的沥青、集料和矿粉的各项性能指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)中相关技术要求；
步骤二，选取沥青型号，采用马歇尔设计方法确定沥青混合料中沥青的最佳用量；
步骤三，集料、矿粉按照AC-20中值级配进行配制，其中，集料中A档筛孔的细集料由煤间接液化残渣以单一筛孔粒径、等体积的方式替换，得到掺有煤间接液化残渣的集料；
步骤四，将掺有煤间接液化残渣的集料、矿粉、沥青分别放置在烘箱内按照预设时间和预设温度进行预热；
步骤五，将步骤四中预热后的集料倒入拌合锅内，随后将步骤二确定的最佳用量的沥青加入拌合锅内，并按照第一预设拌合时间进行拌合，直到达到第一预设拌合时间，最后加入矿粉并按照第二预设拌合时间进行拌合，最终制备出煤间接液化残渣沥青混合料。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，所述沥青为SK-90沥青，最佳沥青用量占集料、矿粉质量之和的4.3％。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中煤间接液化残渣通过筛分器具进行筛分，筛分时间为8～12min，得出A档筛孔对应的煤间接液化残渣，且筛分器具为连续级配方孔筛。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中等体积替代方式为，在已知煤间接液化残渣和天然细集料密度的前提下，通过质量换算、加入相应质量的煤间接液化残渣来使其与被替代天然细集料的体积相等。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中的A档筛孔的尺寸为2.36mm或1.18mm。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤四中，掺有煤间接液化残渣的集料在烘箱内的预设温度为165℃，预热时间为4h，矿粉在烘箱内的预热温度为155℃、预热时间为4h，沥青在烘箱的预热温度为160℃、预热时间为2h。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤五中，拌合锅的加热温度为165℃，第一预设拌合时间和第二预设拌合时间均为90s。
在上述任一方案中优选的是，所述煤间接液化残渣替代该档的天然细集料为100％等体积替代。
在上述任一方案中优选的是，采用的AC-20中值级配为，4.75mm～26.5mm粗集料质量占比为59％，其中19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm各档筛孔占比分别为5％、10％、14％、10％、20％；0.075～4.75mm的细集料质量占比36％，其中2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm各档筛孔占比分别为11％、7.5％、6.5％、5％、2.5％、3.5％；矿粉质量占比为5％。
在上述任一方案中优选的是，所述粗集料、细集料和矿粉均为石灰石。
与现有技术相比，本发明提供的一种煤间接液化残渣沥青混合料的制备方法具有以下有益效果：
本发明的煤间接液化残渣沥青混合料可实现煤间接液化残渣的高附加值利用、变废为宝，上述各操作环节便捷明晰，通过各原材料配比、各步骤参数的组合实现了煤间接液化残渣沥青混合料的制备，设计思路独特，工艺简单，混合料路用性能能够达到热拌沥青混合料的性能要求，且高温性能和水稳定性能优于热拌沥青混合料，具有良好的路用性能，具有明显的经济效益和和社会效益。
附图说明
图1为本发明提供的一种煤间接液化残渣沥青混合料的制备方法的流程示意图。
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。
如图1所示，按照本发明提供的一种煤间接液化残渣沥青混合料的制备方法的一实施例，按照先后顺序包括以下步骤，
步骤一，测试煤间接液化残渣、沥青、集料、矿粉的各项性能指标，确保制备沥青混合料使用的沥青、集料和矿粉的各项性能指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)中相关技术要求；
步骤二，选取沥青型号，采用马歇尔设计方法确定沥青混合料中沥青的最佳用量；
步骤三，集料、矿粉按照AC-20中值级配进行配制，其中，集料在配制时，集料中A档筛孔的细集料由煤间接液化残渣以单一筛孔粒径、等体积的方式替换，得到掺有煤间接液化残渣的天然集料；
步骤四，将掺有煤间接液化残渣的集料、矿粉、沥青分别放置在烘箱内按照预设时间和预设温度进行预热；
步骤五，将步骤四中预热后的集料倒入拌合锅内，随后将步骤二确定的最佳用量的沥青加入拌合锅内，并按照第一预设拌合时间进行拌合，直到达到第一预设拌合时间，最后加入矿粉并按照第二预设拌合时间进行拌合，最终制备出煤间接液化残渣沥青混合料。
所述步骤二中，所述沥青为SK-90沥青，最佳沥青用量占集料、矿粉质量之和的4.3％。
具体为，SK-90沥青混合料毛体积密度对应的沥青用量a1＝4.3％、稳定度最大值对应的SK-90沥青用量a2＝4.2％，目标空隙率为4％时对应的SK-90沥青用量a3＝4.3％、沥青饱和度中值对应的SK-90用量a4＝4.6％，求其平均值OAC1＝(a1+a2+a3+a4)/4＝4.35％。当沥青用量在3.7％～4.8％时，各项指标均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中相关技术标准，此时OACmin＝3.8％，OACmax＝4.8％，其平均值OAC2＝(OACmin+OACmax)/2＝4.3％。取OAC1和OAC2的平均值作为计算的SK-90沥青的最佳用量OAC＝(OAC1+OAC2)/2＝4.3％。
所述步骤三中煤间接液化残渣通过筛分器具进行筛分，筛分时间为8～12min，得出A档筛孔对应的煤间接液化残渣，且筛分器具为连续级配方孔筛。
所述步骤三中等体积替代方式为，在已知煤间接液化残渣和天然细集料密度的前提下，通过质量换算、加入相应质量的煤间接液化残渣来使其与被替代天然细集料的体积相等。
优选的，所述步骤三中的A档筛孔的尺寸为2.36mm或1.18mm。
具体的，煤间接液化残渣25℃下密度为2.52g/cm2(以试验的实测值为准)，天然的细集料密度为2.78g/cm3(以试验的实测值为准)，AC-20中值级配对应的2.36mm和1.18mm筛孔的通过率分别为11％、7.5％，因此等体积代替情况下，煤间接液化残的质量占比为对应天然的细集料质量的90.65％。
所述煤间接液化残渣替代该档的天然细集料为100％等体积替代。
所述步骤四中，掺有煤间接液化残渣的集料在烘箱内的预设温度为165℃，预热时间为4h，矿粉在烘箱内的预热温度为155℃、预热时间为4h，沥青在烘箱的预热温度为160℃、预热时间为2h。
所述步骤五中，拌合锅的加热温度为165℃，第一预设拌合时间和第二预设拌合时间均为90s。
本发明制得的煤间接液化残渣沥青混合料，包括粗集料、细集料、矿粉、沥青和煤间接液化残渣，混合料采用的AC-20中值级配为，4.75mm～26.5mm粗集料质量占比为59％，其中19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm各档筛孔占比分别为5％、10％、14％、10％、20％；0.075～4.75mm的细集料质量占比36％，其中2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm各档筛孔占比分别为11％、7.5％、6.5％、5％、2.5％、3.5％；矿粉质量占比为5％。
进一步的，所述粗集料、细集料和矿粉均为石灰石。
需要说明的是，煤间接液化残渣和煤直接液化残渣二者属于两种不同的物质。本实施例采用的煤间接液化残渣是煤炭在间接液化工艺技术下产生的副产品，质地坚硬且密度与天然砂石接近，高温下不会熔融，因此将其加入到沥青中对沥青不起到改性作用，但将其加入到混合料中可对沥青混合料整体起到改性作用，即在沥青混合料低温性能不降低的情况下可显著提高其高温抗变形能力和抗水损害能力。
而煤直接液化残渣是煤炭在直接液化工艺技术下产生的副产品，质地轻脆且密度与沥青接近，高温下可以熔融，可以将其加入到基质中起到沥青改性的作用，进而再与矿料拌合形成改性沥青混合料。
下面以具体试验进行说明。步骤一中，测试煤间接液化残渣、沥青、集料、矿粉的各项性能指标，结果见表1～表6。
表1 SK-90沥青的性能
项目
单位
试验结果
技术要求
试验方法
针入度(25℃,5s,100g)
0.1mm
85
80-100
T0604
软化点(R&B)
℃
56
≥45
T0606
10℃延度
cm
53.2
≥20
T0605
60℃动力黏度
Pa.s
215.7
≥160
T0620
质量变化
％
±0.1
±0.8
T0608
残留针入度比(25℃)
％
63.9
≥57
T0604
残留延度(10℃)
cm
8.1
≥8
T0605
表2煤间接液化残渣的元素分析
指标
表观密度(25℃)
C
H
N
S
失重率
煤间接液化残渣
2.52g/cm<sup>3</sup>
15％
40.5％
0
20.7％
8.81％
注：失重率是采用GB/T212-2008中灰分测定方法，在800℃中烧2h后的质量损失。
表3煤间接液化残渣的组分分析
表4粗、细集料的性能测试结果
表5 0～2.36mm细集料的性能测试结果
试验项目
试验结果
技术指标
表观相对密度
2.78
≥2.60
毛体积相对密度
2.68
—
棱角性/s
43.2
≥30
砂当量/％
65.0
≥60
表6矿粉的性能测试结果
SK-90沥青、粗集料、细集料和矿粉的各项性指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中有关90号沥青的相关技术要求。粗集料、细集料和矿粉的性能指标满足《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中的相关技术要求。
选用SK-90沥青，采用马歇尔设计方法确定SK-90沥青混合料的最佳沥青用量为4.3％。
本发明采用2.36mm或1.18mm档筛孔的煤间接液化残渣分别进行沥青混合料的制备，保持级配通过率不变，量取2.36mm或1.18mm档筛孔对应的煤间接液化残渣用量，分别单一粒径、等体积替换掉AC-20级配中值所对应的天然细集料，煤间接液化残渣的表观密度为2.52g/cm3(因料源存有微小差异，实际操作时以实测值为准)，天然细集料的表观密度为2.78g/cm3(因料源存有微小差异，实际操作时以实测值为准)，替代细集料后的AC-20集料组成见表6。
表6煤间接液化残渣替换细集料后的AC-20集料组成
分别称量好级配一、级配二试验用的集料，将级配一和级配二对应的集料分别在165℃烘箱中恒温预设4h，将SK-90沥青在160℃烘箱中预热2h，将矿粉在155℃烘箱中预热4h。
分别制备级配一和级配二对应的沥青混合料，制作方法相同，以级配一为例进行制备说明。将拌合锅温度调整至165℃，取出级配一对应的集料倒入拌合锅，倒入确定用量的SK-90沥青后并拌合90s，随后加入矿粉拌合90s，制备煤间接液化残渣沥青混合料，两种方法制备的马歇尔试件各项性能指标见表8。
表8煤间接液化残渣沥青混合料马歇尔实验结果
对煤间接液化残渣沥青混合料的路用性能进行验证，试验结果见表9～表11。
表9煤间接液化残渣沥青混合料高温性能
混合料类型
45min车辙深度(mm)
60min车辙深度(mm)
动稳定度(次/mm)
SK-90沥青混合料
4.151
4.629
1318
级配一沥青混合料
3.213
3.552
1858
级配二沥青混合料
3.168
3.476
2045
表10煤间接液化残渣沥青混合料低温性能
混合料类型
抗弯拉强度(MPa)
弯曲劲度模量(MPa)
低温破坏应变(με)
SK-90沥青混合料
8.38
3812
2215
级配一沥青混合料
8.61
3563
2376
级配二沥青混合料
8.76
3439
2387
表11煤间接液化残渣沥青混合料水稳定性能
综上，采用AC-20中值级配，以2.36mm筛孔和1.18mm筛孔分别等体积替换该档对应的天然细集料制成的级配一沥青混合料和级配二沥青混合料，其性能均满足《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中相关技术标准。
本发明的煤间接液化残渣沥青混合料设计思路独特，工艺简单，上述各操作环节便捷明晰，通过各原材料配比、各步骤参数的组合实现了煤间接液化残渣沥青混合料的制备，将煤间接液化残渣代替砂石集料应用于道路工程，具有良好的路用性能，既可实现资源化利用煤间接液化残渣，又可节约公路建设成本，具有重要的经济社会价值。
本领域技术人员不难理解，本发明包括上述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。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种用于公路的透层沥青快速喷洒装置