一种掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料及其制备方法
【专利摘要】本发明属于沥青路面材料制备领域，具体公开了一种掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料，包括如下重量份配比的材料：煤气化细渣20～30份，0～3mm石屑15～20份，3～5mm碎石45～50份，SBS改性沥青10～15份，水镁石矿物纤维0～0.2份。及其制备方法，包括以下步骤：分别将所述0～3mm石屑、3～5mm碎石、煤气化细渣和SBS改性沥青恒温加热，备用；再将恒温加热后的0～3mm石屑、3～5mm碎石和煤气化细渣置于沥青混合料搅拌锅中，干拌15s，然后加入水镁石矿物纤维，干拌5s，再加入加热后的SBS改性沥青，湿拌90s，即得。本发明变废为宝，环保化利用了煤气化细渣，是绿色发展的成功典范。
【专利说明】
一种掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及沥青路面材料制备领域，特别涉及一种掺煤气化细渣的应力吸收层抗 裂材料及其制备方法，用于水泥混凝土路面与沥青罩面层之间。
【背景技术】
[0002] 无论新建沥青路面还是旧路加铺沥青面层，反射裂缝一直是沥青路面的一大公 害，也是沥青路面耐久性研究所面临的一大技术难题。反射裂缝的形成，破坏了路面结构的 整体性，严重影响了路面的耐久性、行车舒适性及美观。
[0003] 为了防止反射裂缝的产生，上世纪九十年代末，美国明尼苏达州交通厅在旧水泥 混凝土路面与沥青罩面层之间设置低模量改性沥青应力吸收层，应力吸收层具有良好的应 力消散和降低应力集中等功能，抑制沥青加铺层反射裂缝的形成，效果明显。
[0004] 随后，在国内，长安大学、湖北省交通运输厅开始引进该技术，并研发了相应的应 力吸收层特种改性沥青，在湖北、山东、河南、陕西、广西等省高速公路旧水泥混凝土沥青加 铺工程、新建沥青路面工程中得到应用，通过近十年来野外使用性能观测，沥青面层没有出 现反射裂缝，彰显了应力吸收层较好的抗裂效果，但大多存在成本过高、改性原料依赖进 口、施工困难等缺点，因此，进一步深度开发应力吸收层材料及推广应力吸收层技术具有重 要的现实意义和经济价值。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高粘弹、低模量、抗疲劳 开裂的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料，用于水泥混凝土路面与沥青罩面层之间。
[0006] 本发明的另一个目的在于提供该掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的制备工 艺，该制备方法流程简单，实现了煤渣的废物利用，经济环保，具有重要的现实意义和工程 实用价值。
[0007] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
[0008] (一) 一种掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料，其特征在于，包括如下重量份配 比的材料：
[0009] 煤气化细渣20~30份公称粒径为0~3mm石肩15~20份
[0010] 公称粒径为3~5mm碎石45~50份SBS改性浙青10~15份
[0011] 水镁石矿物纤维0~0.2份。
[0012]进一步地，所述煤气化细渣的密度为1.782g/cm3，包含三大类组织相：层状石墨 相-炭黑、多孔疏松组织相-铝硅酸钙、惰性球状二氧化硅，其化学元素包括:C、Si、0、Ca、AL、 Fe、Mg、Ti〇
[0013] 进一步地，所述公称粒径为0~3mm石肩和3~5mm碎石为石灰岩、辉绿岩或玄武岩。 [0014] 进一步地，所述SBS改性沥青满足《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》聚 合物改性沥青的技术要求，属于《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》中所列SBS改 性沥青的I-B或I-C系列。
[0015] 进一步地，所述水镁石矿物纤维的平均长度为1.0~3.5mm，平均直径为3.0~8.0μ m，抗拉强度为892.4~1283.7Mpa，脱水温度为400~500 °C。
[0016] (二)掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步 骤：
[0017] 步骤1，按照上述重量份配比分别称取煤气化细渣、0~3mm石肩、3~5mm碎石、SBS 改性沥青和水镁石矿物纤维；
[0018] 步骤2,将所述0~3mm石肩、3~5mm碎石在180~190 °C条件下恒温加热4小时以上， 备用；
[0019] 步骤3,将所述煤气化细渣在150~160°C温度下，恒温加热2h以上，备用；
[0020] 步骤4,将所述SBS改性沥青加热至170~180°C，并充分搅拌均匀，备用；
[0021 ] 步骤5，将恒温加热后的0~3_石肩、3~5_碎石和煤气化细渣置于沥青混合料搅 拌锅中，干拌15s，然后加入水镁石矿物纤维，干拌5s，再加入加热后的SBS改性沥青，湿拌 90s，即得。
[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0023] 本发明变废为宝，环保化利用了煤气化细渣，并利用煤气化细渣中的层状石墨相-炭黑、多孔疏松组织相-铝硅酸钙和惰性球状二氧化硅三大类组织相以及微细的水镁石纤 维的结构性能，制备了一种高粘弹、低模量、抗疲劳开裂的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂 材料，制备方法流程简单，经济环保，具有重要的现实意义和工程实用价值。
【附图说明】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0025] 图1为本发明掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料中煤气化细渣的扫描电镜图。
[0026] 图2为实施例5的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的低温弯曲蠕变试验图；
[0027] 图3为实施例5的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的手工弯曲试验图。
【具体实施方式】
[0028] 下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述。
[0029] 本发明的一种掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料，其特征在于，包括如下重量 份配比的材料：
[0030] 煤气化细渣20~30份公称粒径为0~3mm石肩15~20份 [0031 ] 公称粒径为3~5mm碎石45~50份SBS改性浙青10~15份 [0032] 水镁石矿物纤维0~0.2份。
[0033]本发明中的煤气化细渣来自气流床煤气化装置，为黑色粉末混合物，密度为 1.782g/cm3，筛分结果见表1，主要包括三大类组织相:层状石墨相-炭黑、多孔疏松组织相-铝硅酸钙、惰性球状二氧化硅，其化学元素包括:(：、31、0、0 &)1^、？6、1%、1^，除(：以炭黑（石 墨)形式存在外，其他元素均以氧化物的形式存在，表征其微观形貌的扫描电镜照片如图1 所示。
[0034]表1煤气化细渣的筛分结果
[0036] 本发明中的集料为公路沥青路面的常用石料，选用0~3mm和3~5mm两档规格，其 材质为辉绿岩。
[0037] 本发明中的水镁石矿物纤维来自纤维状结构的水镁石矿物岩石中获得的纤维，其 平均长度为I. 〇~3.5mm，平均直径为3.0~8. ΟμL?，抗拉强度为892.4~1283.7Mpa，脱水温度 为400~500°C，该纤维的主要元素组成为:1%、3丨^1、!1、0小6等元素组成。
[0038] 本发明中的SBS改性沥青满足《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》聚合物 改性沥青的技术要求，属于《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》中所列SBS改性沥 青的I-B或I-C系列。
[0039] 实施例1
[0040]掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的制备，包括以下步骤：
[0041 ] 步骤1，称取20份煤气化细渣、20份0~3mm石肩、50份3~5mm碎石、10份SBS改性沥 青；
[0042] 步骤2，将所述0~3mm石肩、3~5mm碎石在180~190 °C条件下恒温加热4h，备用；
[0043] 步骤3，将所述煤气化细渣在150~160°C温度下，恒温加热3h，备用；
[0044] 步骤4,将所述SBS改性沥青加热至170~180°C，并充分搅拌均匀，备用；
[0045] 步骤5，将恒温加热后的0~3_石肩、3~5_碎石和煤气化细渣置于沥青混合料搅 拌锅中，干拌15s，加入加热后的SBS改性沥青，湿拌90s，即得。
[0046] 实施例2
[0047] 掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的制备，包括以下步骤：
[0048] 步骤1，称取23份煤气化细渣、18份0~3mm石肩、48份3~5mm碎石、10.8份SBS改性 沥青、0.2份水镁石矿物纤维；
[0049] 步骤2，将所述0~3mm石肩、3~5mm碎石在180~190 °C条件下恒温加热4h，备用；
[0050] 步骤3,将所述煤气化细渣在150~160°C温度下，恒温加热2h，备用；
[0051 ]步骤4,将所述SBS改性沥青加热至170~180°C，并充分搅拌均匀，备用；
[0052] 步骤5，将恒温加热后的0~3_石肩、3~5_碎石和煤气化细渣置于沥青混合料搅 拌锅中，干拌15s，然后加入水镁石矿物纤维，干拌5s，再加入加热后的SBS改性沥青，湿拌 90s，即得。
[0053] 实施例3
[0054]掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的制备，包括以下步骤：
[0055] 步骤1，称取26份煤气化细渣、16份0~3mm石肩、46份3~5mm碎石、11.8份SBS改性 沥青、0.2份水镁石矿物纤维；
[0056] 步骤2,将所述0~3mm石肩、3~5mm碎石在180~190°C条件下恒温加热4h，备用；
[0057] 步骤3,将所述煤气化细渣在150~160°C温度下，恒温加热2h，备用；
[0058]步骤4,将所述SBS改性沥青加热至170~180°C，并充分搅拌均匀，备用；
[0059] 步骤5，将恒温加热后的0~3_石肩、3~5_碎石和煤气化细渣置于沥青混合料搅 拌锅中，干拌15s，然后加入水镁石矿物纤维，干拌5s，再加入加热后的SBS改性沥青，湿拌 90s，即得。
[0060] 实施例4
[0061] 掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的制备，包括以下步骤：
[0062] 步骤1，称取28份煤气化细渣、14份0~3mm石肩、45份3~5mm碎石、12.8份SBS改性 沥青、0.2份水镁石矿物纤维；
[0063] 步骤2,将所述0~3mm石肩、3~5mm碎石在180~190°C条件下恒温加热4h，备用； [0064] 步骤3,将所述煤气化细渣在150~160°C温度下，恒温加热3h，备用；
[0065]步骤4,将所述SBS改性沥青加热至170~180°C，并充分搅拌均匀，备用；
[0066] 步骤5，将恒温加热后的0~3_石肩、3~5_碎石和煤气化细渣置于沥青混合料搅 拌锅中，干拌15s，然后加入水镁石矿物纤维，干拌5s，再加入加热后的SBS改性沥青，湿拌 90s，即得。
[0067] 实施例5
[0068] 掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的制备，包括以下步骤：
[0069] 步骤1，称取30份煤气化细渣、12份0~3mm石肩、43份3~5mm碎石、14.8份SBS改性 沥青、0.2份水镁石矿物纤维；
[0070] 步骤2,将所述0~3mm石肩、3~5mm碎石在180~190°C条件下恒温加热4h，备用；
[0071] 步骤3,将所述煤气化细渣在150~160°C温度下，恒温加热2h，备用；
[0072] 步骤4,将所述SBS改性沥青加热至170~180°C，并充分搅拌均匀，备用；
[0073] 步骤5，将恒温加热后的0~3_石肩、3~5_碎石和煤气化细渣置于沥青混合料搅 拌锅中，干拌15s，然后加入水镁石矿物纤维，干拌5s，再加入加热后的SBS改性沥青，湿拌 90s，即得。
[0074] 从上述实施例制得的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料中取样，进行如下的试 件成型试验：
[0075] ①经马歇尔击实仪击实成型，完成掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料马歇尔试 件的制备，用于测试试件的体积参数；
[0076] ②取抗压回弹模量试模（cp:100mm#150mm )，静压法成型(plOOmn^lOOmm试 件，用于测试试件的抗压回弹模量；
[0077] ③采用车辙轮碾仪，碾压成型掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料车辙板，用于 测试试件的高温稳定性、低温抗裂性、疲劳性能。
[0078] 对上述制备的试件进行测试，所得结果如表2所示。
[0079] 表2不同实施例的材料的性能测试结果
[0082] 注抗压回弹模量试验温度为15°C，*2低温弯拉破坏应变试验温度为-10°C，* 3控 制应变疲劳试验温度为20°C，*4美国明尼苏达州应力吸收层混合料。
[0083] 由表2可知，上述5个实施例的应力吸收层抗裂材料呈现低模量、大变形、抗疲劳开 裂的特性。当煤气化细渣掺量从20%增至30%，抗压回弹模量从624MPa降至380Mpa，低温弯 拉破坏应变和控制应变疲劳破坏次数分别增加了66.4 %、247.0 % ;可见，随着煤气化细渣 掺量的增加，掺煤气化细渣应力吸收层抗裂材料的疲劳性能显著增加。
[0084]此外，掺煤气化细渣应力吸收层混合料与美国明尼苏达州应力吸收层混合料各项 性能相比较，实施例3的掺煤气化细渣应力吸收层混合料在高温稳定性、抗压回弹模量、低 温抗裂性能、疲劳性能方面与美国明尼苏达州应力吸收层混合料的各项性能基本接近。
[0085] 另外，由图2可看出，本发明的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料具有优良的低 温弯拉疲劳特性，由图3可知，本发明的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料具有卓越的弯 曲柔韧性。
[0086] 这主要是因为:①煤气化细渣中的层状石墨相-炭黑与沥青的吸附性极好，可增强 矿料与沥青之间的粘附性，同时，石墨相-炭黑的层状结构有利于集料颗粒间迀移、润滑，有 利于应力吸收层材料的大形变，消散裂缝尖端应力集中；②煤气化细渣中的多孔疏松组织 相-铝硅酸钙具备超大比表面积，沥青组份、高聚物组份相继渗入其中，构建成组分互渗透、 高粘弹的空间网状结构，有利于增强应力吸收层材料的弹性以及弹性恢复，提高应力吸收 层材料的抗疲劳开裂性能;③煤气化细渣中的惰性球状二氧化硅有利于应力吸收层材料的 粘弹形变，缓解及消散应力;④微细的水镁石纤维在掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料 中，纤维缠结或伸入到多孔疏松煤气化细渣中，起到良好的"桥接加筋"作用，进一步提升了 应力吸收层抗裂材料的抗疲劳性能。
[0087]虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述， 但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。 因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范 围。
【主权项】
1. 一种掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料，其特征在于，包括如下重量份配比的材 料： 煤气化细渣20~30份公称粒径为0~3mm石肩15~20份 公称粒径为3~5mm碎石45~50份SBS改性沥青10~15份 水镁石矿物纤维〇~〇. 2份。2. 根据权利要求1所述的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料，其特征在于，所述煤气 化细渣的密度为1.782g/cm3，包含三大类组织相:层状石墨相-炭黑、多孔疏松组织相-铝硅 酸钙、惰性球状二氧化硅，其化学元素包括:C、Si、0、Ca、AL、Fe、Mg、Ti。3. 根据权利要求1所述的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料，其特征在于，所述0~ 3mm石肩和3~5mm碎石为石灰岩、辉绿岩或玄武岩。4. 根据权利要求1所述的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料，其特征在于，所述SBS 改性沥青满足《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》聚合物改性沥青的技术要求，属 于《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》中所列SBS改性沥青的I-B或Ι-C系列。5. 根据权利要求1所述的掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料，其特征在于，所述水镁 石矿物纤维的平均长度为1.0~3.5mm，平均直径为3.0~8. Ομπι，抗拉强度为892.4~ 1283.7Mpa，脱水温度为400~500°C。6. 掺煤气化细渣的应力吸收层抗裂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，按照权利要求1所述的重量份配比分别称取煤气化细渣、0~3_石肩、3~5mm碎 石、SBS改性沥青和水镁石矿物纤维； 步骤2,将所述0~3mm石肩、3~5mm碎石在180~190 °C条件下恒温加热至少4h，备用； 步骤3，将所述煤气化细渣在150~160°C温度下，恒温加热至少2h，备用； 步骤4，将所述SBS改性沥青加热至170~180°C，并充分搅拌均匀，备用； 步骤5，将恒温加热后的0~3mm石肩、3~5mm碎石和煤气化细渣置于沥青混合料搅拌锅 中，干拌15s，然后加入水镁石矿物纤维，干拌5s，再加入加热后的SBS改性沥青，湿拌90s，即 得。
【文档编号】C04B26/26GK106007485SQ201610329104
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】李祖仲, 何锐, 张荣军, 李文凯, 陈华鑫, 刘开平, 关羽, 汤卓群, 张洁, 华敏
【申请人】长安大学