一种研磨处理改善钢渣沥青混合料性能的方法

一种研磨处理改善钢渣沥青混合料性能的方法
【专利摘要】本发明公开了一种通过研磨钢渣集料改善钢渣沥青混合料性能的方法，包括如下步骤：依据沥青混凝土施工要求按照钢渣粒径大小将钢渣分为4～5档的步骤；选取待研磨材料的步骤，每次研磨选用两个相邻粒径等级的钢渣作为研磨对象，质量份数均为40～60份；钢球作为研磨介质，单个钢球的质量为300～600g；所有钢球总的质量份数为50～70份，占钢渣总质量的50%～70%；将待研磨的钢渣和钢球放进研磨筒内对钢渣进行研磨的步骤；对研磨后的钢渣进行重新筛分分档的步骤。经过该方法研磨后的钢渣集料表面孔隙和粉尘杂质以及钢渣内部的缺陷都得到有效减少，使得其在与沥青胶结料的拌和过程中对沥青的吸收量大幅度降低，混凝土的稳定性和其他性能都得到提高。
【专利说明】一种研磨处理改善钢渣沥青混合料性能的方法【技术领域】[0001]本发明涉及一种钢渣作为浙青混合料集料及其处理方法，特别是涉及一种能有效减少钢渣集料对浙青胶结料的吸收且同时改善混合料性能的钢渣集料处理方法。【背景技术】[0002]由于我国钢产量巨大，每年产生的钢渣超过5000万吨，数量如此庞大的钢渣如果以固体废弃物的形式堆放或者进行简单的填埋处理将对我国环境造成巨大的负面影响，目前各钢厂大多采取将其击碎处理后再炼钢的做法来处理钢渣，虽然这种做法可以减少浪费和污染，该处理过程却非常复杂，成本较高。而另一方面，我国高速公路建设近年来迅猛发展，每年消耗的热拌浙青混合料超过6.2亿吨，相应需要集料达到5.6亿吨，如此大规模的集料需求已经导致部分地区出现天然集料短缺甚至枯竭的现象。[0003]有研究人员将钢渣作为天然集料的替代品用于浙青路面的铺筑并进行了初步研究，研究结果表明钢渣作为浙青混凝土集料的优点主要表现在以下几方面:钢渣表面大量孔隙能够提高钢渣对浙青胶结料的粘附能力，从而提高混合料的稳定性；钢渣呈碱性，能够与弱酸性的浙青在结合过程中发生化学反应生成稳定的物质，能增加钢渣与浙青结合的稳定性；钢渣集料强度大、磨耗率低，钢渣浙青混凝土路面在服役过程中表现出良好的耐磨损性能和优良的抗滑性能。[0004]从当前钢渣用于浙青混凝土的研究与应用情况来看，尚存在许多问题，从目前实际工程应用案例可以知悉，钢渣浙青混凝土路面油石比普遍在6%以上，这个比例比传统浙青混凝土路面高50%以上，给施工成本带来很大压力，因而在推广运用上受到很大限制。有相关学者指出钢渣粒径越小则浙青吸收率越高，因此通过采用小粒径的天然集料来代替小粒径的钢渣集料的方法，来降低钢渣浙青混凝土的油石比，但这并不能从根本上解决钢渣对浙青胶结料的吸收率偏高的问题。
【发明内容】
[0005]针对当前钢渣浙青混凝土路面存在的油石比偏高的问题，本发明人经过深入的研究和反复试验，发明了一种浙青混凝土用钢渣集料的研磨处理方法，本发明中钢球对钢渣的作用温和，经过该方法研磨后的钢渣表面的杂质、粉尘和软弱颗粒会被剥离，集料在与浙青胶结料的拌和过程中对浙青的吸收率大幅度降低，同时能改善钢洛与浙青的粘结情况从而提高混凝土的稳定性；并且，该研磨处理能使钢渣内部应力得以消除、微裂纹得以增殖最终使钢渣破碎，从而达到消除钢渣内部结构缺陷提升钢渣性能的目的，使得集料性能从根本上得到提闻，进而提闻混合料的整体性能。[0006]该方法特征在于其主要包括以下步骤和工艺:[0007]一种研磨处理改善钢渣浙青混合料性能的方法，包括如下步骤:[0008]根据《公路工程集料实验规程》(JTG E42-2005)中T0302的相关步骤依据浙青混凝土施工要求按照钢渣粒径的大小将集料筛分为4~5档的步骤。因为 钢渣的结构特殊，本发明，首先需要明确如何让钢渣能作为集料被用于浙青混凝土中。从理论上讲，集料分档越多越好，因为这对级配曲线的控制，即对浙青混合料集料的粒径分布有利，《公路浙青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)中5.4混合料的拌制中规定冷料仓不宜少于5~6个， 但在实际施工过程中考虑到某档或者某几档集料可能需要两个冷料仓，通常仅将集料按粒径大小分为4~5档，故本发明为了使钢渣能作为集料应用于浙青混凝土中且满足浙青混凝土施工要求，对钢渣选择采取以AC-13浙青混合料配合比设计为例，将钢渣分为4档:: O ~2.36mm、2.36mm ~4.75mm、4.75mm ~9.5mm、9.5mm ~13.2mm,或以 AC-19 浙青混合料配合比设计为例，将钢禮:分为5档:0~2.36mm、2.36mm~4.75mm、4.75mm~9.5mm、9.5mm~ 13.2mm、13.2mm~19mm,其中，因为O~2.36mm档钢禮:粒径过小,研磨不能有效改善其表面特性和内部结构，故不对此档钢渣进行研磨。
[0009]选取待研磨材料的步骤。因为钢渣的结构特殊，若是研磨对象或者研磨介质任意一种选得不对或不匹配，势必造成研磨过程难以控制、钢渣的研磨效果难以保证的后果。本发明，为保证钢渣表面的粉尘、杂质和软弱颗粒都被剥离，内部存在微裂纹的钢渣颗粒被剔除，同时结构正常的钢渣不被破坏，经过反复分析和试验，提出了如下的技术方案:选择相邻等级的两种钢渣混合作为研磨对象，质量份数均为40~60份，钢球作为研磨介质，单个钢球质量为300~600g，所有钢球总的质量份数为50~70份，即占钢渣总质量的50%~ 70%。如上的技术方案，具体是通过如下的分析或试验而得来的:
[0010]1.当选择了单一粒径的钢渣作为研磨对象时，发现在研磨过程中很多结构正常的钢渣因受到钢球的冲击造成了严重的结构破坏，使得研磨浪费很高，效率低下，为解决这个问题，经进一步试验，发现采取选择相邻等级的两档钢渣混合作为研磨对象时，大粒径的钢渣与小一个粒径等级的钢渣在一起能形成较好的嵌挤结构，使钢球对钢渣的冲击破坏作用大大降低，能保护在钢球的冲击下钢渣颗粒的主体结构不容易遭受破坏，同时使得钢渣表面的粉尘、杂质等更容易脱落，节约研磨处理时间；另外，在研磨过程中会有大量钢渣由于表面软弱颗粒和杂质的剥离导致钢渣粒径的略微减小使得相当数量的钢渣粒径等级降低， 同时也会有少量的钢渣由于结构遭到破坏或者内部微裂纹增殖使得钢渣破碎，钢渣粒径减小幅度较大，故本发明采用的用相邻等级的钢渣混合作为研磨对象的方法，还有可有效控制研磨后钢渣粒径主要分布在研磨前的两个等级和下一个粒径等级中的好处，对在制备钢渣浙青混合料前对所需研磨钢渣的量的预算有较好的参考作用。
[0011]2.因为钢球硬度大，研磨钢渣时具有足够的耐磨性，在现代研磨工艺中技术成熟，钢球成本低，来源广泛，并且研磨过程中钢球因球耗产生的杂质进入到钢渣中对钢渣集料的性能影响可以忽略不计，故本发明选择钢球作为研磨介质。因为钢渣的大小有限，结构特殊，若是随意选择钢球的规格，势必造成在研磨 过程中对钢渣的冲击强度太小或太大，容易使得其对钢渣的冲击不足以剥离钢渣表面的软弱颗粒或者钢渣的正常结构遭受破坏，同时考虑到在研磨过程中钢球会有质量损耗，钢球质量和直径均会减小，因此需要对钢球的质量要求确定一个上下限的范围，本发明人通过多次试验，发现当单个钢球质量为300~ 600g时，在适当的研磨条件下，钢渣表面的粉尘、杂质和软弱颗粒都能被有效剥离，内部含有微裂纹的钢渣容易被剔除，正常结构的钢渣能得到最大限度的保留，且研磨后钢渣粒径主要分布在未研磨钢渣的两个粒径等级和下一个粒径等级中，故本发明选择单个钢球质量为 300 ~600g。[0012]3.在钢球规格一定的前提下，若是钢球数量太多，就会改变研磨过程中钢渣与钢球的分布状态，使得钢渣正常结构更容易遭受破坏，钢球与钢球间的碰撞几率增加使得研磨效率降低，造成不必要的设备磨损和能耗；若钢球数量太少，则研磨过程中钢球对钢渣冲击密度少，不能在较短的研磨过程中剥离钢渣表面的杂质和软弱颗粒，虽然增加研磨次数可以解决这个问题，但也会增加能耗和研磨设备的磨损，在本发明中，为解决这个问题，确保研磨强度均匀，经过大量试验，我们得出通过确定钢球质量和钢球的总质量加以控制是最优的方法，并且，当所有钢球总的质量份数为50~70份，即占钢渣总质量的50%~70% 时，在这个钢球分散状态下的研磨效果最为理想，故本发明选择所有钢球总的质量份数为 50~70份，占钢渣总质量的50%~70%。考虑到两种粒径等级的钢渣质量分数比为1:1时， 两种钢渣混合形成的嵌挤效果最好，能最有效地保护正常结构的钢渣，因此可优先将这个比例确定为两种粒径等级的钢渣混合的质量比。
[0013]将待研磨的钢渣和钢球放进研磨筒内对钢渣进行研磨的步骤。
[0014]这个步骤中，研磨筒结构的选择和研磨方式的选择直接决定研磨的强度和研磨的程度，对研磨的效果将会造成直接的影响。为达到研磨的最优效果，作为优选，本发明人通过研究，提出了如下技术方案:研磨筒是平行于地面置于支架之上的圆柱形上下底面封口的研磨筒，由电机带动其绕其轴向转动进而完成对钢渣的研磨，研磨筒的材料优选为钢，所述圆柱形研磨筒内垂直于两底面和筒壁并连接在筒壁设置有档板，用于在旋转过程中将钢渣及钢球抛起；研磨筒侧面设有投料口，所述投料口由弧形研磨筒同质板密封并用橡胶垫和紧固螺栓固定；研磨筒的内径为650~750mm，加入的待研磨钢渣和钢球的总体积为研磨筒内部体积的2%~10% ;所述研磨筒绕其轴向转动的转速为20~49r/min，更优地可选择 30~35r/min,研磨筒旋转一周为研磨一次,整个研磨过程的研磨次数为0~200次,更优地可选择30~100次。如上的技术方案，具体是通过如下的分析或试验而得来的:
[0015]1.研磨筒是平行于地面置于支架之上的圆柱形研磨筒，由电机带动绕其轴向转动进而完成对钢渣的研磨，研磨筒的材料优选为钢，所述圆柱形研磨筒内垂直于两底面和筒壁并连接在筒壁设置有档板，用于在旋转过程中将钢渣及钢球抛起；研磨筒侧面设有投料口，所述投料口由弧形研磨筒同质板密封并用橡胶垫和紧固螺栓固定。另外，因为研磨筒的内径和研磨筒的转速共同决定了钢渣在筒内被抛起的高度，内径越大，转速越高，钢渣和钢球落下的速度就越大，对钢渣的冲击强度越大，则钢渣正常结构越容易被破坏，故内径不宜过大；而且，考虑到钢渣在筒内的分布密度对研磨效果造成的影响，即钢渣在筒内的分布密度越小，则钢渣颗粒之间的研磨作用越低，对剥离钢渣表面的杂质和粉尘越不利，故需控制加入的待研磨钢渣和钢球的总体积，本发明经过试验，发现当研磨筒的内径为650~ 750mm、控制加入的待研磨钢渣和钢球的总体积为研磨筒内部体积的2%~10%时，研磨的效果较好，若是超过10%，有研磨难以进行的问题。
[0016]2.规格相同的前提下，研磨筒转动的速度越快，则钢渣和钢球在研磨筒内被抛起的高度越高，落下时重力势能转化而成的动能越大，钢球对钢渣、钢渣对钢渣和钢渣对研磨筒壁的冲击就越强；研磨筒的转动也给了钢渣、钢球一个初始速度，即研磨筒切线方向的线速度，这个初始速度决定了其初始动能，钢渣、钢球的重力势能与初始动能共同决定了研磨筒这次旋转过程中对钢渣的研磨强度，研磨强度太大，则正常颗粒被破坏的可能性增大，研磨强度太小，则表面的软弱颗粒和内部微裂纹不能被有效消除，适宜的钢渣的研磨强度范围决定了研磨筒转动的速度范围，研磨筒转速的确定直接关系到研磨效果。本发明人通过大量试验研究，发现当将上述的研磨筒的转速控制为30~35r/min时，既能够剥离钢渣表面的杂质与粉尘，又不会破坏钢渣的正常结构；若转速高过35r/min，钢渣的正常结构会随着转速的增加而破坏加重，当高过49r/min时,钢洛和钢球的离心力足以抵消其重力而贴在研磨筒壁上，在能量大量消耗和设备严重磨损的条件下难有研磨效果；若转速低过30r/ min时，研磨效果会变差，当低过20r/min时，钢渣表面的软弱颗粒和内部的微裂纹无法得到有效的消除，难达到研磨效果。故对于该研磨筒，可优选将该研磨筒绕其轴转动的转速控制为20~49r/min,更优地可选30~35r/min。
[0017]3.本发明的目的是对钢渣颗粒进行处理，剥离钢渣颗粒表面的粉尘、杂质和软弱颗粒，并剔除有结构缺陷的钢渣颗粒，最终得到各种粒径的钢渣用于浙青混凝土。研磨筒旋转一周的过程就是给钢渣、钢球一个初始动能和一定的重力势能，并利用这两个能量完成一次研磨过程，研磨筒的旋转次数即这个过程重复了多少次，故研磨筒旋转次数决定了研磨程度，理论上讲，旋转次数越多则钢渣的处理效果越好。钢渣的研磨过程开始后，随着软弱颗粒的剥离、微裂纹增殖导致的钢渣颗粒的破碎和少量正常钢渣颗粒的破碎，处于研磨状态的钢渣理论上是含有最大粒径以下各种粒径的钢渣的，但随着研磨过程的进行，大粒径的钢渣颗粒越来越少，小粒径的钢渣颗粒越来越多，因此通过控制钢渣研磨次数可以大大提高研磨效率，降低研磨成本。本发明人经过大量的实验研究，发现该研磨筒基于上述转速，旋转次数从0增加到200次时，研磨的效果越来越好，即经过研磨后钢渣的毛体积密度增大，且研磨程度越大，增大的幅度也越大；与之对应，研磨后钢渣的吸水率降低，且研磨程度越大吸水率降低的幅度也越大，而且该效果在前30次研磨中改善趋势明显，经过100次左右的研磨后改善趋势逐渐减缓，到200次时改善效果已不明显，同时，随着研磨次数的增加，大粒径的钢渣颗粒越来越少，小粒径(0~2.36mm)的钢渣颗粒越来越多，当次数为200 次时，小粒径钢渣占总钢渣比例为24%，而当研磨次数为100次时，小粒径钢渣所占总钢渣比例为15%,在30次研磨时为10%,因此在保证有研磨效果的情况下,较少的研磨次数能有效减少小粒径钢渣的产生，降低能耗和设备的磨损，故基于上述研磨筒和研磨速度，可优选控制研磨次数为0~200次，更优选为30~100次。
[0018]最后，是对研磨后的钢渣采用《公路工程集料实验规程》(JTG E42-2005)中T0302 的相关步骤重新筛分为4~5档的步骤，以AC-13浙青混合料配合比设计为例，将钢渣分为
4档:0 ~2.36mm、2.36mm ~4.75mm、4.75mm ~9.5mm、9.5mm ~13.2mm,或以 AC-19 浙青混合料配合比设计为例，将钢禮:分为5档:0~2.36mm、2.36mm~4.75mm、4.75mm~9.5mm、 9.5mm ~13.2mm> 13.2mm ~1 Qmnin`[0019]本发明的有益效果是:
[0020]经过本发明的研磨处理后，除了减少钢渣表面杂质和粉尘从而降低钢渣集料对浙青胶结料的吸收之外，还能够通过大幅减少集料内部的微裂纹和表面软弱颗粒来提高钢渣集料的物理性能，使得经过处理的钢渣浙青混合料表现出更好的抗荷载能力和抗剥离能力，大幅增加钢渣浙青混凝土路面的服役性能。
[0021]1.研磨处理能减少钢渣集料表面的软弱颗粒和内部的微裂纹，从而从本质上提高钢渣集料的性能。钢渣在生产过程中内部产生应力集中和出现微裂纹等缺陷，同时钢渣表面会有软弱颗粒和其它杂质的存在，在运输、拌和、摊铺和服役过程中这些缺陷不稳定，应力集中和微裂纹的存在会破坏钢渣结构，例如微裂纹会扩展增殖形成宏观裂缝使钢渣破碎，从而破坏混凝土级配，软弱颗粒也会在这些过程中从钢渣表面脱落造成钢渣表面浙青膜的破坏，在混凝土服役过程中外界水分进入钢渣集料并与钢渣内部高活性物质反应生成新的物质导致钢渣集料体积膨大，最终破坏混凝土结构导致路面服役性能降低。钢渣研磨处理能够在钢球对钢渣的冲击、钢渣颗粒与研磨筒的撞击、钢渣与钢渣颗粒的撞击等作用下，使微裂纹的扩展增殖和软弱颗粒的脱落过程提前发生，大大降低钢渣浙青混凝土在服役过程中各种病害的发生几率。
[0022]2.研磨过程能剥离钢渣表面的软弱颗粒、粉尘和其它杂质，使得钢渣集料的吸水率和有效浙青吸收率大幅降低。钢渣生产过程中会在钢渣颗粒表面裹覆一层粉尘和其它杂质，这些物质在与浙青胶结料拌和过程中会大量吸收浙青，使得钢渣浙青混凝土的油石比增加；此外这些物质的存在会在短暂的搅拌过程中阻止浙青进入钢渣表面孔隙，导致浙青胶结料与钢渣的粘附性降低，最终造成混凝土性能降低。研磨处理能使钢渣表面粉尘、杂质和其它物质剥离，钢渣表面的孔隙也得以暴露出来，使得浙青混凝土的浙青用量降低、浙青混凝土的服役性能提高。
【专利附图】

【附图说明】
[0023]图1为研磨工艺流程及混合料制备流程图；
[0024]图2为研磨筒立体图；
[0025]图3为研磨筒横截面图；
[0026]如图2和3所不，其中1-研磨筒体、2_投料口、3_投料口盖、4_挡板。
【具体实施方式】
[0027]本说明书中公开 的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0028]本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0029]为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容不局限于下面的实例。
[0030]实施例1
[0031]实例1-4:
[0032]按照如图1所示的研磨工艺流程，对钢渣进行严格筛分，分别筛选出粒径为 9.5mm~13.2mm的A组钢渣和粒径为4.75mm~9.5mm的B组钢渣，分别称取质量份数40~ 60份的A组钢渣和质量份数40~60份的B组钢渣，连同单个钢球质量为300~600g、钢球总质量份数为50~70份即占钢渣总质量的50%~70%的钢球一起均匀放入如图2和图 3所示的研磨钢筒内，钢筒的内径为650~750mm,待研磨钢洛和钢球的总体积为所述研磨筒内部体积的2~10%，研磨钢筒绕其轴向转动的转速为20~49r/min，研磨一次为研磨筒旋转一周，实例2、实例3和实例4分别对放入筒内的钢渣进行30次、100次和200次研磨， 实例I为对比组，不对钢洛做任何研磨处理。[0033]考虑到钢渣的粒径对钢渣的物理性能影响较大，对经过不同次数研磨的钢渣做筛分分档处理，按照《公路工程集料实验规程》(JTG E42-2005)的相关规定分别测出每组钢渣每种粒径的毛体积密度和吸水率两个指标，所得结果如表1.1所示。
[0034]表1.1研磨程度对钢渣性能的影响
【权利要求】
1.一种研磨处理改善钢渣浙青混合料性能的方法，其特征在于，包括如下步骤:根据《公路工程集料实验规程》(JTG E42-2005)中T0302的相关步骤依据浙青混凝土施工要求按照钢渣粒径的大小将钢渣分为4~5档的步骤；选取待研磨材料的步骤，每次研磨选用两个相邻粒径等级的钢渣作为研磨对象，质量份数均为40~60份；钢球作为研磨介质，单个钢球的质量为300~600g ;所有钢球总的质量份数为50~70份，占钢渣总质量的50%~70% ；将待研磨的钢渣和钢球放进研磨筒内对钢渣进行研磨的步骤；对研磨后的钢渣采用《公路工程集料实验规程》(JTG E42-2005)中T0302的相关步骤重新筛分为4~5档的步骤。
2.根据权利要求1 所述的研磨处理改善钢渣浙青混合料性能的方法，其特征在于，所述两个相邻粒径等级的钢渣的质量份数比例为1:1。
【文档编号】C04B18/14GK103553393SQ201310497027
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】韩君, 吴述祥, 李福建, 陶红 申请人:江苏宝利沥青股份有限公司