一种以脱硫石膏为填料的常温沥青胶浆及混合料

本发明涉及常温沥青混合料，尤其是一种以脱硫石膏为填料的常温沥青胶浆及混合料。

背景技术：

1、目前高等级路面大多数采用沥青混合料，沥青混合料是由作为胶结料的沥青、具有一定级配的矿质集料、填料和外加剂等拌合制成，其中常见的填料的就是石灰石矿粉，它是石灰岩经磨细等加工处理制成，然而天然石材属于短期内不可再生资源，石灰岩的开采造成山体裸露和自然植被的破坏，对当地自然环境和生态系统形成负面影响。与此同时，随着脱硫工艺的推广与应用，火力发电厂固体废弃物—脱硫石膏的产量迅速增加，脱硫石膏的堆积占用了大量的土地资源，其处置问题亟待解决。因此，若能够将脱硫石膏作填料应用于沥青混合料中，则既可减少天然石灰石矿的开采，也可实现脱硫石膏固体废弃物资源的再利用，简直是一举两得。目前脱硫石膏主要用于制备石膏砌块、作路基回填材料、粉刷石膏等方面，但目前尚未见到有关将脱硫石膏作为填料的沥青混合料的相关方案研究及沥青混合的应用性能的报道。

2、与此同时，热拌沥青混合料作为道路行业应用最广泛的建筑材料之一，其在制造与摊铺过程中将会消耗大量的能源，热拌沥青混合料通常需在180℃的高温拌合与摊铺，沥青混合料将释放出大量沥青烟与温室气体等，造成严重的环境污染，且热拌沥青混合料施工时温度需要严格把控、受天气影响较大。基于热拌沥青混合料以上不足，有必要针对性提出一种无需高温加热的常温沥青混合料，将其替代热拌沥青混合料用于路面建设将对降低施工成本、节能减排，环境保护等具有重要意义。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种以脱硫石膏为填料的常温沥青胶浆及混合料，其将脱硫石膏与常温沥青进行混合搅拌，同时掺入选定的固化剂制备常温沥青胶浆，再将胶浆与矿质集料、填料等在常温拌和制得常温沥青混合料；经路用性能测试表明，该混合料能在常温下拌和与摊铺，具有良好的抗水损性能、高温抗剪切能力及低温抗裂性能等路用性能，不仅可减少天然石灰石矿的开采，还可实现脱硫石膏固体废弃物资源的再利用，具有重要的环保意义。

3、(二)技术方案

4、第一方面，本发明提供一种以脱硫石膏为填料的常温沥青胶浆，其含有：填料、固化剂和常温沥青；

5、填料为脱硫石膏和石灰石矿粉的混合物，其中脱硫石膏占填料质量的0.1-99.9％；脱硫石膏经过高温氧化预处理；

6、填料与常温沥青质量比为0.8-1.1:1；所述固化剂为硅酸盐水泥与偏高岭土的混合物，固化剂用量为常温沥青质量的15-25％；

7、所述常温沥青为反应型常温液体沥青，是向呈流动态的基质沥青中添加反应型液化剂和改性剂水性环氧树脂乳液并剪切混合制得；其中，反应型液化剂是以不饱和脂肪酸为液化剂基体材料，加入两性离子表面活性剂和苯酚多聚物搅拌混合制得。

8、根据本发明的较佳实施例，脱硫石膏在填料中质量分数为10-90％，优选是30-70％，更优选为30％或70％。脱硫石膏占填料总量70％时，沥青胶浆具有最优的低温性能(主要是低温抗裂性能)，在该掺量下沥青胶浆的低温性能出现最大峰值。通过水煮法对沥青胶浆粘附性能进行评价，脱硫石膏占填料总量70％时，可显著改善沥青胶浆与集料间的粘附性，提高沥青胶浆材料的强度。此外，针入度及软化点试验结果表明，在同一温度下脱硫石膏掺量的不断增加会使得沥青胶浆变得更对沥青胶浆高温性能改善效果明显；sdr试验结果表明，掺入脱硫石膏可以提高沥青胶浆的抗剪切变形能力，并使得沥青胶浆中的粘性成分增多，抗车辙能力增强。当脱硫石膏在填料中质量分数为30％时，常温沥青混合料的粘聚性最大，冻融劈裂残留强度比达到峰值。

9、脱硫石膏又称排烟脱硫石膏、fgd石膏、硫石膏，其主要成分与天然石膏相同，均为caso4·2h2o，其是工业so2烟气治理中所得到工业副产物；由于企业在脱硫过程中对温度把控不准确还含有少量的副产物，如caco3、caso3、caso4·1/2h2o等。为了提高脱硫石膏的稳定性，避免在拌和温度下不稳定、分解释放出二氧化硫造成二次污染；此外，亚硫酸钙与空气中氧气反应还会发生体积膨胀，半水石膏与水接触时发生水化反应释放出热量，也容易使脱硫石膏体积膨胀，因此不能直接将留石膏应用于沥青胶浆和混合料中，否则易导致路面开裂。

10、根据本发明的较佳实施例中，为了保证沥青胶浆及沥青混合料的应用强度，在使用脱硫石膏作为常温沥青胶浆填料组分时，应当脱硫石膏进行预处理，以确保脱硫石膏在制备沥青胶浆中性质稳定不发生分解等问题。脱硫石膏的预处理方法为：将脱硫石膏放置在115-124℃的空气气氛中加热，充分反应2h以上。

11、根据本发明的较佳实施例，所述填料制备方法为：将经过预处理的脱硫石膏和石灰石矿粉通过0.075mm筛孔并取筛下部分，在120-124℃烘箱处理3h以上，以脱去脱硫石膏和石灰石矿粉中的自由水和结合水(可以去除部分结合水)。

12、根据本发明的较佳实施例，所述填料与常温沥青质量比为1:1。

13、根据本发明的较佳实施例，所述固化剂中硅酸盐水泥与偏高岭土的质量比为2:1。

14、常温液体沥青的反应型液化剂为不饱和脂肪酸，改性剂为水性环氧树脂乳液，硅酸盐水泥为碱性物质，其一方面能够与不饱和脂肪酸发生化学反应，使反应型液化剂在常温下失去液化能力，另一方面硅酸盐水泥还具有超强的吸水能力，可吸收水性环氧树脂乳液中的水分致使环氧树脂连接形成致密的网络结构。偏高岭土为一种无机活性粉末，其与硅酸盐水泥在潮湿有水环境下会形成火山灰效应，将会在自身表面同沥青膜发生化学钳制作用，可以表现为润湿现象、吸附现象、化学反应三种，这三种作用可使无机活性粉末更易吸附在沥青层表面并增加残留沥青的黏度，还在一定程度上改善常温液体沥青混合料的路用性能。由于偏高岭土为细小球状的活性无机粉末，因此还具有非常优良的填充性能，能够填充于混合料的细小空隙之中起到填料作用。

15、根据本发明的较佳实施例，固化剂掺量为常温沥青质量的19-21％，优选为20％。通过对针入度、软化点和延度等三项指标综合比较，随着固化剂掺量增加，针入度不断减小且减小速率变慢；软化点随固化剂掺量增加而增加，且增加速率逐渐变慢；但延度与掺量既不是正相关也不是负相关，具体地，随着固化剂掺量增加，延度是先增大后减小，在固化剂掺量为常温沥青质量的20％时延度达到峰值，该处对应的5℃延度值是7.84cm。固化剂中的硅酸盐水泥为水硬性凝胶材料，使固化后残留沥青高温流变性能提升，具体可表现为软化点增高，针入度增高，但过量的固化剂加入会对残留沥青的低温性能造成负面影响，表现为延度出现先增加后减小的现象。因此，优选地将固化剂掺量确定为常温沥青的19-21wt.％，优选为20wt.％。

16、根据本发明的较佳实施例，所述反应型常温液体沥青，是在50-60质量份的经高温加热后呈流动态的基质沥青中添加20-30质量份反应型液化剂和10-20质量份水性环氧树脂乳液改性剂，经剪切搅拌混合制得；反应型液化剂是以不饱和脂肪酸为液化剂基体材料，加入烷基二甲基甜菜碱和苯酚多聚物搅拌混合制得；其中，不饱和脂肪酸：烷基二甲基甜菜碱：苯酚多聚物质量比为15-25:5-10:1-5；所述不饱和脂肪酸为肉豆蔻油酸、反式油酸、油酸、亚油酸、芥酸、棕榈油酸、蓖麻油酸中的至少一种；所述烷基二甲基甜菜碱为c10-20烷基二甲基甜菜碱；所述苯酚多聚物三-(二甲胺甲基)苯酚多聚物。反应型常温液体沥青相关技术为发明人团队在先研发并已申请专利保护的技术。

17、根据本发明的较佳实施例，所述反应型常温液体沥青中还加入了10-20重量份的偶联剂，所述偶联剂为硅烷偶联剂，优选为c10-20烷基三乙氧基硅烷。

18、第三方面，本发明还提供一种以脱硫石膏为填料的常温沥青混合料，其包括上述任一实施例的常温沥青胶浆和集料。

19、优选地，所述集料为ac、sma级配的集料，如ac-13、ac-16、sma-13、sma-16，更优选是ac-16。

20、优选地，常温沥青为矿质集料质量的4.6-6.6％，优选为5-6％，更优选为5.6％。

21、第四方面，本发明还涉及以脱硫石膏为填料的常温沥青混合料在作为道路铺建和坑槽修补中的应用。

22、实验表明，该常温沥青混合料具有良好的施工和易性，具有很高的初始强度(5kn左右)和成型稳定度(大于12kn)，完全满足坑槽修补材料稳定度的技术指标，由于掺入更多脱硫石膏使得混合料中沥青胶浆/砂浆体积比增大，能更多地填充到混合料的空隙之中，因此随着脱硫石膏的掺量增大，成型稳定性也逐步增加，与市面上坑槽修补常用的热拌沥青混合料的成型稳定度相当，而本发明常温沥青混合料具有施工简便、易于控制、具有大量减少有毒气体的排放、延长施工季节、对天气要求不苛刻，可长距离运输、施工简便等特点。

23、(三)有益效果

24、本发明以脱硫石膏取代或部分取代石灰石矿粉作为沥青胶浆的填料制成常温沥青胶浆，一方面可减少对石灰岩的依赖，减少因石灰岩开采对自然环境和生态系统的负面影响，另一方面可对火力发电厂大量固体废弃物脱硫石膏的减量化处理，减少堆放，节约土地资源，实现对脱硫石膏固体废弃物的资源化再利用。

25、脱硫石膏的粒径小，比表面积大，以脱硫石膏取代或部分取代石灰石矿料，以剪切作用将其拌和到常温沥青中，脱硫石膏与常温反应型沥青可结合形成粘度较大的沥青胶浆，本发明进一步通过优化脱硫石膏的掺量和固化剂的组成与掺量等参数，使该沥青胶浆具有更好的高温性能和低温性能(高温硬度大、低温抗裂)、抗剪切变形能力、与矿质集料之间具有更优的粘附性，增强的抗车辙能力。

26、进一步地，将该常温沥青胶浆与一定级配的矿质集料拌和后制得常温沥青混合料，其成型后具有很高的早期强度和成型稳定度，与市面上坑槽修补常用的热拌沥青混合料的成型稳定度相当。此外，常温沥青是在基质沥青中加入特定的溶剂所制得，由于溶剂的挥发常温沥青混合料在固化早期有一定的收缩，而使用脱硫石膏为填料，脱硫石膏所具备的微膨胀效应还能降低常温沥青固化体系的早期收缩问题。

27、通过优化所述矿质集料的级配和常温沥青在混合料中含量等参数，使混合料的初始稳定度及成型稳定度均符合技术指标，并随脱硫石膏的掺量增大而增大，当脱硫石膏与石灰石粉比为7:3时动稳定度达到4615次/min；经马歇尔试验和冻融劈裂试验表明，当脱硫石膏与石灰石粉比为3:7时沥青混合料具有最优的水稳定性和粘聚性、粘接性能最佳。此外，试验还证明脱硫石膏对施工和易性和抗滑性的负面影响较小。所述沥青混合料可在常温下可进行拌和与摊铺，能源消耗少，无大量沥青烟气与室温气体释放，对施工条件无严格要求，具有易于控制，无需高温加热，环境友好等优点。

28、综上所述，采用脱硫石膏替代石灰石矿粉作填料应用于常温沥青混合料，一方面可以减少天然石料的开采，温室气体的排放，保护生态环境，降低沥青路面修筑成本，另一方面也为脱硫石膏的处置提供一种新思路，可解决脱硫石膏的堆积占地问题，具有重要的经济意义和广阔的市场前景。