一种基于陶瓷固废的路表磨耗层材料及其制备方法和应用

本发明涉及一种基于陶瓷固废的路表磨耗层材料及其制备方法和应用，属于道路工程中路面面层材料。

背景技术：

1、现有基础设施建设发展迅速，高速公路里程逐年增加，道路工程对砂石等原材料资源需求日盛，且传统路面的耐磨耗性能、抗滑性能较低，存在较大的安全隐患，尤其是年久失修的沥青路面会有各种缺陷，而重新铺筑需要花费大量人力和物力，成本较高。因此，通常使用路面构造再生处理技术对旧沥青路面进行修复。

2、陶瓷主要由黏土等矿物经高温烧制而成，具有硬度高、耐磨性好、导热系数较小等优点，且陶瓷固废是现有大宗固废的主要组成部分，其经破碎得到的粗细集料可作为道路工程的原材料，为道路工程的砂石替代材料提供新的材料选择。与传统沥青混合料相比，陶瓷沥青混合料减少了砂石材料的消耗，提高了沥青路面的导热系数，减少了车辙等高温病害的发生，延长了沥青路面的使用寿命，体现出显著的功能优势。但在实际应用中存在结合料与陶瓷集料粘附效果不良、混合料水稳定性不足等问题，尤其是混合料水稳定性的显著下降，成为混合料中陶瓷固废替代比例受到限制的关键因素。

3、现有技术通过在混合料中以消石灰替代部分矿粉、加入水泥净浆等方法能够一定程度上改善沥青胶浆与陶瓷集料的粘附性、提高混合料的水稳性能，但无法从本质上解决混合料路用性能衰减的问题。因此，针对陶瓷固废掺量提高时混合料路用性能下降显著的问题，从原材料优化角度出发，选择树脂类热固性结合料，采用粒料压入式施工工艺，研发一种基于陶瓷固废的沥青路面路表磨耗层材料及其制备方法，解决材料性能与固废掺量之间的矛盾是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种基于陶瓷固废的路表磨耗层材料，解决传统混合料工艺中陶瓷固废颗粒与基质沥青粘结效果差、混合料水稳定性衰减显著等缺陷，并利用陶瓷固废在充分发挥材料热阻特性和抗滑特性优势的同时，减少因路用性能下降带来的问题。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于陶瓷固废的路表磨耗层材料，包括以下重量份的原料：180-260份陶瓷固废破碎集料和90-200份的热固性环氧树脂改性沥青，其中热固性环氧树脂改性沥青由以下组分按重量份组成：20份双酚a型环氧树脂，6-8份稀释剂，20份胺类固化剂，4-5份增韧剂，3-4份促进剂，6-8份增溶剂，20份基质沥青。

4、进一步限定，陶瓷固废破碎集料为陶瓷固废破碎整形后产物，其中陶瓷固废包括卫生陶瓷、建筑陶瓷、工业陶瓷固体废弃物中一种或两种以上以任意比例混合。

5、进一步限定，陶瓷固废破碎集料的压碎值≤26％，洛杉矶磨耗损失≤28％，坚固性≤12％。

6、更进一步限定，陶瓷固废破碎集料的性能试验方法参照标准《公路工程集料试验规程》(jtg e42-2005)进行。

7、进一步限定，陶瓷固废破碎集料的粒径为1-3mm。

8、进一步限定，陶瓷固废破碎集料的密度为1800-2300kg/m3。

9、进一步限定，热固性环氧树脂改性沥青拉伸强度≥2.0mpa，断裂延伸率≥100。

10、更进一步限定，热固性环氧树脂改性沥青的性能试验方法参照标准《塑料拉伸性能标准测试方法》(astm d638-2010)进行。

11、进一步限定，双酚a型环氧树脂包括但不限于e51、e44、e42中一种或两种以上以任意比例混合。

12、进一步限定，稀释剂包括但不限于甲基丙烯酸酯类或苯乙烯。

13、进一步限定，胺类固化剂包括但不限于聚酰胺651，酚醛胺t31。

14、进一步限定，增韧剂为聚硫醇。

15、进一步限定，促进剂为dmp-30。

16、进一步限定，增溶剂为环氧大豆油或环氧硬脂酸。

17、进一步限定，基质沥青为70#道路石油沥青或90#道路石油沥青。

18、本发明的目的之二是提供一种基于陶瓷固废的路表磨耗层材料应用，具体的是用于路面路表磨耗层的铺装。

19、本发明的目的之三是提供一种应用基于陶瓷固废的路表磨耗层材料制备路表磨耗层的方法，包括如下步骤：

20、s1，将陶瓷固废清洗烘干，经机器破碎整形，对破碎后的陶瓷进行筛分，得到陶瓷固废破碎集料；

21、s2，将基质沥青加入至135℃后，将胺类固化剂、增韧剂、增溶剂和促进剂依次加入共混并搅拌均匀，得到a组分；

22、s3，将双酚a型环氧树脂和稀释剂共混搅拌5-20min，得到b组分；

23、s4，将a组分和b组分混合搅拌5-10min，得到热固性环氧树脂改性沥青。

24、s5，将热固性环氧树脂改性沥青均匀涂布于沥青路面表面，使沥青路面表面层上完全覆盖一层热固性环氧沥青粘结层，然后将陶瓷固废集料均匀撒布在固性环氧沥青粘结层上，采用钢轮压路机进行压实，压实后经养生成型制得沥青路面路表磨耗层。

25、本发明以热固性环氧沥青作为结合料，以陶瓷固废破碎集料替代矿质集料，采用粒料压入式施工工艺，使制备的路表磨耗层材料具有良好的导热性能，并相应提高了磨耗层材料的疲劳强度，具有优异的抗滑性能和耐磨性能。与现有技术相比还具有以下有益效果：

26、(1)本发明利用陶瓷固废破碎集料内部存在的较多空隙，以及具有的轻质高强的特点(密度为1800-2300kg/m3)，制备得到密度控制在1.7-2.3kg/m3的磨耗层材料，相比普通沥青混合料路表磨耗层密度降低10％-30％，减轻了路面磨耗层结构自重。

27、(2)本发明利用陶瓷固废破碎集料的导热系数较低的特点，使制备的路表磨耗层材料导温系数达到0.00065-0.00098m2/h，导热系数为1.487-1.609kj/m·h·℃，为普通沥青混合料的11.2％，在沥青路面铺筑后可使中面层温度降低8.0-13.6℃，有效解决了传统沥青混合料在工程应用中高温稳定性不足、车辙病害频发等问题。

28、(3)本发明采用热固性环氧树脂改性沥青作为陶瓷固废破碎集料的结合料有效提高磨耗层材料的疲劳强度，与普通沥青混合料相比提高了2.5-3倍，使路表在受到车辆轮胎的反复荷载作用后，材料表面微裂纹的产生和发展得到控制，延缓了路表磨耗层的疲劳破坏。

29、(4)本发明提供的热固性环氧树脂改性沥青固化后为三维网状结构，这使获得的路面磨耗层位于上层的陶瓷固废破碎集料固结嵌入其中难以产生颗粒剥落等现象，且还可以加强路面磨耗层下表面与沥青路面的结合，使得两者抗剪强度达到1.50-2.39mpa，能够良好的抵抗路表车辆荷载产生的水平剪切作用，避免层间滑移和集料掉粒等结构性损坏，提高磨耗层材料抗粘附磨损能力。采用水煮法评价固化后环氧沥青与陶瓷固废破碎集料粘附等级，结果为5级，基于表面能理论可知，环氧沥青与陶瓷固废破碎集料的环氧沥青与陶瓷固废破碎集料粘附功为74mj/m2，较普通沥青混合料提高12％，且60min面积剥落率1.2％，较普通沥青混合料改善12.5％。

30、(5)本发明采用卫生陶瓷、建筑陶瓷、工业陶瓷等固体废弃物作为路表磨耗层材料的矿质集料，由于在烧制过程中通过上釉等工序在陶瓷表面形成玻璃态结构，提高了集料表面的耐磨特性，因此磨耗层材料中松散陶瓷集料颗粒与轮胎摩擦接触面的磨损较小，洛杉矶磨耗损失值仅为10.6％，抗磨粒磨耗性能优异。

31、对路表磨耗层材料耐磨特性评价，湿轮磨耗试验浸水1h磨耗值1.9-2.3g/m2，浸水6d磨耗值12.7-15.5g/m2。加速磨耗试验采用4个接地面积250mm×80mm、接地压强0.7mpa的轮胎对路表材料加速磨耗，试验结果表明利用陶瓷固废的路表磨耗层材料磨耗圈数达到10000时，质量损失在1.5％以内，潮湿状态下摆值为80-85bpn，磨耗前后摆值下降3.25，比普通沥青磨耗层材料提高8％-13％。同时，采用陶瓷固废作为路表磨耗层材料的矿质集料还可以解决大宗固废陶瓷的处理问题。