一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料及其应用的制作方法

1.本发明涉及一种道路养护材料及方法，具体涉及一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料及其应用。


背景技术：

2.我国当前每年新增道路15万公里，其中高速公路约7000公里。公路建设每年消耗砂石料10亿吨，岩石的过度开采造成环境负荷大，优质天然集料面临供需矛盾。石灰岩、玄武岩等优质石料的储量按照目前的消耗速度，只够维持生产建设至多20年，届时石灰石将是比煤炭更为宝贵的资源。钢渣是钢铁产业的主要固体废弃物，产量约占原钢产量的13％以上。我国的钢产量占全球钢产量的50％，已连续多年位居世界第一，每年排放钢渣超过1亿吨，累计堆存量超过10亿吨，但钢渣综合利用率仅有20％。未回收利用的钢渣被掩埋或者堆积于钢厂、山河农田之中，占用大片土地的同时造成严重的环境污染，也给钢铁企业的可持续发展造成了障碍。将钢渣用作沥青混合料的集料应用到道路工程领域，不仅降低道路建设成本，减少天然石料的开发，还能保护生态环境，推动我国道路工程建设的可持续发展。20世纪70年代美日等发达国家率先研究了钢渣的回收与利用，开发了回炉炼钢、土壤改良、道路建设等多种再利用途径。目前西方发达国家已实现了钢渣的高效利用，道路建设是钢渣利用的一条主要途径，欧洲约有39
‑
62％的钢渣用于道路建设，英国这一比例高达98％。而我国用于道路建设的钢渣不足2％，离发达国家还有很大差距。
3.为了提高钢渣的利用率，目前将钢渣应用到沥青道路工程是一种比较有效的途径之一。工业生产的钢渣具有高碱性，而且表面粗糙多孔，与弱酸性沥青有良好的粘附性，沥青包裹后能在一定程度防止钢渣的水化体积膨胀，在一定程度上也提高沥青混合料的水稳定性。此外钢渣棱角较好，具有强度高、耐磨等特性，将钢渣应用到沥青混合料中，改善沥青混合料的耐磨、抗滑性能，并提升沥青路面的耐久性和安全性。因此，钢渣代替部分或全部集料制备沥青混凝土，在钢渣得到资源化利用的同时，原材料的成本也在一定程度上降低；另一方面，提高钢渣在道路工程中的利用率可避免天然集料的过度开采，从而保护自然生态环境，推动道路工程建设的可持续发展。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料及其应用，该极薄抗滑磨耗层提高了钢渣在道路工程中的利用率，有效利用钢渣资源。
5.为解决现有技术，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料，包括以下按照重量份数计组分：矿料为100份、复合改性沥青为5.8
‑
6.2份、木质素纤维为0.2
‑
0.5份；所述矿料中钢渣a40
‑
42份、玄武岩粗集料51
‑
54份、钢渣b1
‑
3份、石灰岩细集料1
‑
3份、石灰石矿粉2
‑
4份，且钢渣a、钢渣b玄武岩粗集料、石灰岩细集料与石灰石矿粉的质量份之和为100份；所述钢渣a和钢渣b的浸水膨胀率不大于1.5％，游离氧化钙含量不大于3％；所述钢渣a的粒径为2.36
‑
4.75mm，所述
钢渣b的粒径为0.075
‑
2.36mm，所述石灰石矿粉的粒径为<0.075mm，石灰岩细集料的粒径为0.075
‑
2.36mm，玄武岩粗集料的粒径为2.36
‑
4.75mm。
7.作为改进的是，所述复合改性沥青包括以下按照重量份数计组分：基质沥青85
‑
90份，40
‑
60目橡胶粉15
‑
20份，sbs 2
‑
4份。
8.其中，复合改性沥青的制备方法具体如下：称取基质沥青、橡胶粉和sbs；将基质沥青于160
‑
180℃下熔化后与sbs混合，在170
‑
180℃下搅拌15
‑
20min；再加入橡胶颗粒于180
‑
190℃下搅拌40
‑
50min，最后置于烘箱中130
‑
145℃下烘1h，制得复合改性沥青。
9.作为改进的是，所述矿料中玄武岩粗集料、石灰岩细集料与石灰石矿粉的级配范围为：9.5mm筛孔通过率为100％、4.75mm筛孔通过率为90
‑
100％、2.36mm筛孔通过率为15
‑
30％、1.18mm筛孔通过率为5
‑
20％、0.6mm筛孔通过率为5
‑
12％、0.3mm筛孔通过率为5
‑
8％、0.15mm筛孔通过率为4
‑
6％、0.075mm筛孔通过率为0
‑
5％。
10.上述一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料在新、旧沥青路面或沥青桥面上应用。
11.作为改进的是，上述应用具体步骤如下：
12.步骤1，将钢渣a、钢渣b、玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰石矿粉充分混合搅拌得矿料；
13.步骤2，向矿料中加入复合改性沥青，在170
‑
180℃下搅拌5
‑
10min得拌合后的浆料；
14.步骤3，将拌合后的浆料迅速摊铺到路面上，摊铺温度不低于160℃；待混合料养生完成，在路面形成一层3
‑
5mm厚、空隙率为18
‑
21％的抗滑磨耗层，即基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗层。
15.进一步改进的是，步骤2中拌和的速度为60r/min。
16.对于上述极薄抗滑磨耗层进行检测，肯塔堡飞散损失≤10％，动稳定度≥4000次/mm，体积膨胀率≤0.8％，冻融劈裂残留强度比≥80％，摆式摩擦系数bpn20≥60，构造深度≥0.5mm，渗水系数≤60ml/min。
17.有益效果：
18.与现有技术相比，本发明一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料及其应用，具有如下优势：
19.钢渣作为炼钢生产地固体废渣，不仅耐磨、颗粒形状好，而且与沥青有良好的粘附性。以钢渣替代部分集料与复合改性沥青等物料共同来制备成一种极薄抗滑磨耗层用于沥青路面的预防性养护工程中，相比其他类型的薄层罩面具有一定的经济成本优势和适于大规模推广应用；另外不同粒径的钢渣大量应用，能减少玄武岩粗集料和石灰岩细集料过分开采的问题；
20.本发明极薄抗滑磨耗材料不仅适用于沥青路面的养护，可用于废旧路面的快速修复，防止路面病害严重，也可以用于桥面沥青铺装的局部破损修复和预防性养护，改善表面功能，延长路面使用寿命；极薄抗滑磨耗层是将3
‑
5mm厚的沥青混合料摊铺在新建或旧沥青路面上，形成表面抗滑磨耗层，这种罩面结构具有抗滑、降噪、减少水雾、抗车辙和抗磨耗等优良性能，作为一种养护措施，能极大改善路面功能，提高路面抗滑性能和平整度，减少路面积水，增强行驶安全性。利用钢渣抗滑耐磨的优点提升极薄磨耗层的抗滑性能，同时，采
用钢渣与玄武岩、石灰岩集料复配，改善钢渣沥青混合料的水稳定性。
附图说明
21.图1为实施例1制备的极薄磨耗层沥青混合料的实物图。
具体实施方式
22.为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达到目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
23.一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料，包括以下按照重量份数计组分：矿料为100份、复合改性沥青为5.8
‑
6.2份、木质素纤维为0.2
‑
0.5份；所述矿料中钢渣a40
‑
42份、玄武岩粗集料51
‑
54份、钢渣b1
‑
3份、石灰岩细集料1
‑
3份、石灰石矿粉2
‑
4份，且钢渣a、钢渣b玄武岩粗集料、石灰岩细集料与石灰石矿粉的质量份之和为100份；所述钢渣a和钢渣b的浸水膨胀率不大于1.5％，游离氧化钙含量不大于3％；所述钢渣a的粒径为2.36
‑
4.75mm，所述钢渣b的粒径为0.075
‑
2.36mm，所述石灰石矿粉的粒径为<0.075mm，石灰岩细集料的粒径为0.075
‑
2.36mm，玄武岩粗集料的粒径为2.36
‑
4.75mm。
24.浸水膨胀率评定钢渣的体积稳定性，是限制钢渣应用的最重要的指标。钢渣的浸水膨胀率不大于1.5％，满足《道路用钢渣》中对钢渣膨胀率的要求。
25.游离氧化钙遇水发生水化反应，体积增长97％，使得钢渣应用于工程后存在一定的膨胀隐患。本发明使用钢渣的游离氧化钙含量在3％以下，满足《公路沥青路面施工技术规范》中对钢渣的技术要求。
26.作为改进的是，所述复合改性沥青包括以下按照重量份数计组分：基质沥青85
‑
90份，40
‑
60目橡胶粉15
‑
20份，sbs 2
‑
4份。复合改性沥青增加基质沥青的粘性和弹性，改善沥青的高温稳定性、低温柔韧性、抗老化性、抗疲劳性、抗水损坏性。采用该种沥青作为极薄抗滑磨耗层原材料之一，极大的提升极薄磨耗层的高温稳定性和低温抗裂性，延长沥青磨耗层的使用寿命。
27.其中，复合改性沥青的制备方法具体如下：称取基质沥青、橡胶粉和sbs；将基质沥青于160
‑
180℃下熔化后与sbs混合，在170
‑
180℃下搅拌15
‑
20min；再加入橡胶颗粒于180
‑
190℃下搅拌40
‑
50min，最后置于烘箱中130
‑
145℃下烘1h，制得复合改性沥青。
28.上述所述矿料中玄武岩粗集料、石灰岩细集料与石灰石矿粉的级配范围为：9.5mm筛孔通过率为100％、4.75mm筛孔通过率为90
‑
100％、2.36mm筛孔通过率为15
‑
30％、1.18mm筛孔通过率为5
‑
20％、0.6mm筛孔通过率为5
‑
12％、0.3mm筛孔通过率为5
‑
8％、0.15mm筛孔通过率为4
‑
6％、0.075mm筛孔通过率为0
‑
5％。
29.一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料在新、旧沥青路面或沥青桥面上应用。
30.作为应用，具体步骤如下：
31.步骤1，将钢渣a、钢渣b、玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰石矿粉充分混合搅拌得矿料；
32.步骤2，向矿料中加入复合改性沥青，在170
‑
180℃下搅拌5
‑
10min得拌合后的浆料；
33.步骤3，将拌合后的浆料迅速摊铺到路面上，摊铺温度不低于160℃；待混合料养生
完成，在路面形成一层3
‑
5mm厚、空隙率为18
‑
21％的抗滑磨耗层，即基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗层。
34.其中，步骤2中拌和的速度为60r/min。
35.实施例1
36.一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料，包括以下按照重量份数计组分：矿料为100份、复合改性沥青为6.0份、木质素纤维为0.3份；所述矿料中钢渣a(2.36
‑
4.75mm)40份、玄武岩粗集料(2.36
‑
4.75mm)52份、钢渣b(0.075
‑
2.36mm)3份、石灰岩细集料(0.075
‑
2.36mm)3份、石灰石矿粉2份，且钢渣a、钢渣b玄武岩粗集料、石灰岩细集料与石灰石矿粉的质量份之和为100份；所述钢渣a和钢渣b的浸水膨胀率不大于1.5％，游离氧化钙含量不大于3％。
37.其中，所述复合改性沥青包括以下按照重量份数计组分：基质沥青85份，40
‑
60目橡胶粉15份，sbs 2份；制备方法具体如下：称取基质沥青、橡胶粉和sbs；将基质沥青于160
‑
180℃下熔化后与sbs混合，在170
‑
180℃下搅拌15
‑
20min；再加入橡胶颗粒于180
‑
190℃下搅拌40
‑
50min，最后置于烘箱中130
‑
145℃下烘1h，制得复合改性沥青。
38.表1玄武岩粗集料、石灰岩细集料与石灰石矿粉的级配
39.筛孔尺寸(mm)9.54.752.361.180.60.30.150.075通过百分率(％)10093.720.814.09.06.95.33.8
40.基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料在新、旧沥青路面或沥青桥面上应用。
41.具体步骤为：
42.步骤1，将钢渣a、钢渣b、玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰石矿粉充分混合搅拌得矿料；
43.步骤2，向矿料中加入复合改性沥青，在60r/min、170
‑
180℃下搅拌5
‑
10min得拌合后的浆料；
44.步骤3，将拌合后的浆料迅速摊铺到路面上，摊铺温度不低于160℃；待混合料养生完成，在路面形成一层3
‑
5mm厚、空隙率为18
‑
21％的抗滑磨耗层，即基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗层。
45.用于极薄磨耗层的ogfc
‑
5沥青混合料和摊铺碾压后的主要路用性能测试结果如表2所示，其中：空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、冻融劈裂残留强度比、肯塔堡飞散试验混合料损失、谢伦堡沥青析漏试验结合料损失和动稳定度的测试方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(jtg20
‑
2011)；渗水系数、摆式摩擦系数和构造深度的测试方法参照《公路路基路面现场测试规程》(jtg 3450
‑
2019)。
46.表2基于钢渣集料的极薄磨耗层设计和主要路用性能
[0047][0048]
实施例2
[0049]
一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料，包括以下按照重量份数计组分：矿料为100份、复合改性沥青为5.8份、木质素纤维为0.2份；所述矿料中钢渣(2.36
‑
4.75mm)42份、玄武岩粗集料(2.36
‑
4.75mm)54份、钢渣(0.075
‑
2.36mm)2份、石灰岩细集料(0.075
‑
2.36mm)2份、石灰石矿粉3份，且钢渣a、钢渣b玄武岩粗集料、石灰岩细集料与石灰石矿粉的质量份之和为100份；所述钢渣a和钢渣b的浸水膨胀率不大于1.5％，游离氧化钙含量不大于3％。其他步骤同实施例1。
[0050]
表3基于钢渣集料的极薄磨耗层设计和主要路用性能
[0051]
[0052][0053]
实施例3
[0054]
一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料，包括以下按照重量份数计组分：矿料为100份、复合改性沥青为6.2份、木质素纤维为0.5份；所述矿料中钢渣(2.36
‑
4.75mm)42份、玄武岩粗集料(2.36
‑
4.75mm)54份、钢渣(0.075
‑
2.36mm)3份、石灰岩细集料(0.075
‑
2.36mm)1份、石灰石矿粉4份，且钢渣a、钢渣b玄武岩粗集料、石灰岩细集料与石灰石矿粉的质量份之和为100份；所述钢渣a和钢渣b的浸水膨胀率不大于1.5％，游离氧化钙含量不大于3％。其他步骤同实施例1。
[0055]
表4基于钢渣集料的极薄磨耗层设计和主要路用性能
[0056]
[0057][0058]
综上所述，本发明一种基于钢渣集料的极薄抗滑磨耗材料不仅适用于沥青路面的养护，可用于废旧路面的快速修复，防止路面病害严重，也可以用于桥面沥青铺装的局部破损修复和预防性养护，改善表面功能，延长路面使用寿命；极薄抗滑磨耗层是将3
‑
5mm厚的沥青混合料摊铺在新建或旧沥青路面上，形成表面抗滑磨耗层，这种罩面结构具有抗滑、降噪、减少水雾、抗车辙和抗磨耗等优良性能，作为一种养护措施，能极大改善路面功能，提高路面抗滑性能和平整度，减少路面积水，增强行驶安全性。利用钢渣抗滑耐磨的优点提升极薄磨耗层的抗滑性能，同时，采用钢渣与玄武岩、石灰岩集料复配，改善钢渣沥青混合料的水稳定性。
[0059]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。