一种全固废复合型填料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及道路工程材料技术领域，尤其涉及一种全固废复合型填料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.填料在沥青混合料中的作用非常重要，沥青混合料主要依靠沥青与填料的交互作用形成较高黏结力的沥青胶浆，将粗细集料结合成一个整体，进而获得良好的使用性能。目前国内使用的填料主要采用石灰石、白云石和玄武岩等天然岩石资源制得，随着公路交通事业的发展，作为主要路面建筑材料的沥青混合料用量巨大，石灰石等沥青填料也大量消耗，造成资源不足。
3.若将建筑垃圾和工业废渣等固废材料改造成道路中可用的填料，将会大大减少天然填料的用量，节约成本。然而现有的建筑垃圾和工业废渣等固废材料资源化利用途径较少，主要是将其加工成再生骨料应用于工程建设中，而部分固废材料如再生微粉、钢渣和炉渣等尚不存在有效的利用方法，且在研究的过程中未能将固废材料的再生利用和沥青混合料性能的加强充分结合起来，导致制得的沥青混合料存在低温抗裂性能、水稳定性和高温稳定性能较差等问题。因此如何通过建筑垃圾和工业废渣等固废材料制得能够提高沥青混合料各项使用性能的填料，成为亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为克服现有技术中采用建筑垃圾和工业废渣等固废材料作为填料制得的沥青混合料使用性能较差的问题，本发明提供一种全固废复合型填料，各组分相辅相成，相互促进，形成稳定的多级吸附体系，有效改善与沥青接触界面的强度，能够与沥青通过交互作用形成高黏结力的沥青胶浆，显著提高沥青混合料的低温抗裂性、水稳定性和高温稳定性等。
5.以及，本发明还提供上述全固废复合型填料的制备方法。
6.以及，本发明还提供上述全固废复合型填料在沥青混合料中的应用。
7.为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种全固废复合型填料，包括如下重量份数的原料组分：再生微粉30～50份，钢渣粉5～50份，回收粉5～25份，炉渣粉5～20份和电石渣1～10份。
9.相对于现有技术，本发明所提供的全固废复合型填料通过加入再生微粉、钢渣粉和炉渣粉，其颗粒表面构造存在大量的褶皱和突起，颗粒之间也存在有大量的间隙孔，能够通过选择性吸附作用将更多沥青吸入孔结构中，使颗粒间互相嵌锁形成致密结构，增大沥青混合料的内摩阻力，有利于增强沥青混合料的高温稳定性；同时，本发明引入了具有较大比表面积的回收粉和电石渣，既能增加与沥青的浸润面积，又能够与再生微粉、钢渣粉、炉渣粉等比表面积相对较小的粉体形成良好的粉体颗粒级配，相辅相成，相互促进，从而将沥青充分裹覆和浸润，使填料对沥青具有更好的物理和化学吸附作用，增大了沥青胶浆的稠度，达到提高沥青混合料的强度、水稳定性以及高温稳定性能的目的；其次，再生微粉、钢渣
粉、炉渣粉和电石渣含有大量的过渡性金属阳离子(fe
3+
、mn
4+
、ti
4+
等)，能够与沥青形成稳定的配位络合物，进一步增强沥青与填料接触界面的联接作用，有利于提高沥青混合料的强度和抗剥离性能。
10.本发明中全固废复合型填料与沥青之间除了发生界面吸附作用外，还存在作用效果更强的化学反应。沥青材料中胶质和沥青质的主要成分是沥青酸和沥青酸酐等极性物质，沥青酸属于高分子羧基酸，其可以与填料中存在的大量的高价金属阳离子(ca
2+
、mg
2+
、fe
3+
等)发生化学反应，形成不溶于水而能够溶于碳氢化合物及油分的高价羟基酸盐，使得沥青与填料之间形成强度较高的化学键，显著提高沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性。
11.可选的，所述再生微粉的比表面积为450m2/kg～550m2/kg，烧失量≤10％。
12.优选的再生微粉能够充分填充到沥青混合料的孔隙中，有效改善填料与沥青间的界面性能，从而提高沥青混合料的力学性能、抗开裂性能和抗疲劳性能。
13.可选的，所述再生微粉的制备方法为：将砖混类建筑垃圾依次经分选、剥离、破碎和整形处理后得到再生骨料，然后将粒度为5mm～10mm的所述再生骨料依次进行水洗、烘干和研磨，得到比表面积为450m2/kg～550m2/kg的所述再生微粉。
14.进一步的，所述再生微粉的制备方法为：先通过人工分选或机械分选(风选和水浮选等)的方式去除砖混类建筑垃圾中的废木块和废轻型墙体材料等轻质杂质，然后采用磁性除铁器以磁选的方式将建筑垃圾中的钢筋剥离出来，接着采用移动式破碎设备或固定式破碎设备将经分选和剥离处理后的建筑垃圾逐级破碎为所需粒径的建筑垃圾骨料，最后采用冲击式破碎方式对所述建筑垃圾骨料进行整形得到再生骨料，取粒度为5mm～10mm的所述再生骨料依次进行水洗、烘干和研磨，得到比表面积为450m2/kg～550m2/kg的所述再生微粉。
15.进一步的，所述砖混类建筑垃圾为废混凝土类建筑垃圾与废砖瓦类建筑垃圾的混合物，所述废混凝土类建筑垃圾质量占所述砖混类建筑垃圾总质量的60％以上。
16.进一步的，所述粒度为5mm～10mm的再生骨料的含泥量≤1％，含水率≤1％。
17.优选的特定含泥量和含水量的再生骨料，能够避免制得的再生微粉的塑性指数偏高，吸水性和吸油性较大，易发生膨润使沥青混合料的强度降低，或者在水的作用下发生剥离导致沥青路面损坏的情况出现。
18.可选的，所述钢渣粉的比表面积为350m2/kg～450m2/kg，浸水膨胀率≤1.8％，游离氧化钙含量≤3％，金属铁含量≤2％，碱度为1.8～3.5。
19.优选的钢渣粉能够有效阻止水分浸入钢渣内部，增强钢渣与沥青间的黏附性，从而大大降低钢渣被沥青包裹后的体积膨胀性，避免因钢渣体积膨胀造成沥青混合料水稳定性和抗冻性能等路用性能下降。
20.可选的，所述钢渣粉的制备方法为：将经过热闷工艺处理的转炉钢渣依次进行破碎筛分和除铁处理后，得到钢渣骨料，然后将粒度＜5mm的所述钢渣骨料与助磨剂以660～1000：1的质量比混合，并研磨至比表面积为350m2/kg～450m2/kg，得到所述钢渣粉。
21.可选的，所述热闷工艺的步骤为：将转炉出来的钢渣倒在渣坑中，待钢渣冷却到600～800℃后转移至密闭容器中，在密闭容器内利用钢渣余热对热态钢渣进行打水产生过饱和水蒸气，促进钢渣中游离氧化钙和水蒸气快速反应消解。
22.可选的，所述助磨剂包括三乙醇胺。
23.优选的钢渣和助磨剂混合研磨的方式，可以显著降低钢渣粉末的表面能，克服粉末间的吸引力，减小粉碎阻力，使钢渣微粉流动性增加，显著提高钢渣粉磨效率。
24.可选的，所述回收粉的比表面积为500m2/kg～600m2/kg。
25.回收粉是沥青混合料在生产过程中因集料运输、传送、混合、加热等多个环节产生的由除尘装置收集的粉尘，主要成分为cao、sio2和mgo。优选的回收粉比表面积大，对沥青吸附能力强，起到硬化沥青胶浆的效果，能够提升沥青混合料的高温稳定性能，且在特比配比下将回收粉与再生微粉、钢渣粉、炉渣粉和电石渣复掺，可以有效改善级配稳定性，避免对沥青混合料低温抗裂性能产生不利影响。
26.可选的，所述炉渣粉的比表面积为350m2/kg～450m2/kg，烧失量≤5％。
27.炉渣是火力发电厂、工业和民用锅炉及其他设备燃煤排出的废渣，也称底灰、炉底渣或煤渣，具有表面粗糙、比表面积大、微孔隙发达且碱性强等特性。优选的炉渣粉可有效增加其与沥青的接触面积，使得更多沥青被吸附于微孔隙内，而且能够与填料中的其他组分复配形成稳定的多级吸附体系，大大增强与沥青间的黏结作用，显著提高沥青混合料的路用性能；同时还能够发挥毛细管作用，弱化水分对油石界面作用，有利于改善沥青混合料的水稳定性。
28.可选的，所述电石渣的比表面积为500m2/kg～600m2/kg，含水率≤1％。
29.电石渣是电石水解获取乙炔气后的废渣，呈强碱性。优选的电石渣比表面积较大，其与沥青的接触面积大，发生物理吸附的分子数量多，与沥青间的物理吸附作用强。电石渣中大量的ca
2+
与沥青中极性较强的高分子羧基酸能够发生化学反应，形成不溶于水的高价羟基酸盐，羟基酸盐能够融于碳氢化合物及油分中，使得沥青与填料之间形成强度较高的化学键，进而提高沥青胶浆和沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性。
30.第二方面，本发明提供了上述全固废复合型填料的制备方法，包括如下步骤：按重量配比，将所述再生微粉、钢渣粉、回收粉、炉渣粉和电石渣混合后研磨10min～15min，得到所述全固废复合型填料。
31.可选的，所述研磨转速为45r/min～50r/min。
32.可选的，整个制备过程采用水泥试验磨进行研磨，所述水泥试验磨研磨体级配为钢球总重60kg、钢锻总重70kg，其中钢球40个、钢球33个、钢球22个、钢球8个、钢锻40kg、钢锻30kg。
33.优选的研磨方式使得粉料在混磨过程中发生机械力化学活化，产生“微磨球效应”，能够将粉料颗粒磨得更细且混合均匀，同时可以避免表面静电引力导致的团聚现象，有利于填料在沥青中的均匀分散，提升填料与沥青的吸附和化学作用效果，进而提高沥青胶浆的性能。
34.第三方面，本发明提供了上述全固废复合型填料在作为沥青混合料中的填料中的应用。
35.综上所述，本发明提供的一种全固废复合型填料及其制备方法和应用，具有以下有益效果：
36.(1)本发明提供的全固废复合型填料颗粒级配良好，各组分相辅相成形成稳定的多级吸附体系，从物理吸附、化学吸附和选择性吸附三个方面有效改善沥青与填料接触界
面的强度，同时填料与沥青之间还能通过化学反应形成强度较高的化学键，形成高黏结力的沥青胶浆，显著提高沥青混合料的的低温抗裂性、水稳定性和高温稳定性等。
37.(2)本发明提出了建筑垃圾和工业废渣等固废材料再生利用的新途径，成功以再生微粉、钢渣粉、回收粉和炉渣粉等固废材料为原料制得全固废复合型填料，制备工艺简单，易于实施，不仅促进建筑垃圾和工业废渣等固废材料的全面再生利用，提高资源化利用率，大大减少石灰石、白云石和玄武岩等天然石材的用量，节约工程成本，而且采用这种全固废复合型填料形成的沥青混合料性能优异，满足高等路面的使用要求，具有显著的经济效益、社会效益和环保效益。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.实施例1
40.本实施例提供一种全固废复合型填料，包括如下重量份数的原料组分：再生微粉30份，钢渣粉5份，回收粉5份，炉渣粉5份和电石渣1份。
41.其中，再生微粉的比表面积为450m2/kg，烧失量≤10％；钢渣粉的比表面积为350m2/kg，浸水膨胀率≤1.8％，游离氧化钙含量≤3％，金属铁含量≤2％，碱度为1.8；回收粉的比表面积为500m2/kg；炉渣粉的比表面积为350m2/kg，烧失量≤5％；电石渣的比表面积为500m2/kg，含水率≤1％。
42.本实施例还提供一种上述全固废复合型填料的制备方法，该制备方法包括以下工艺步骤：
43.(1)将砖混类建筑垃圾先通过机械分选的方式去除砖混类建筑垃圾中的废木块和废轻型墙体材料等轻质杂质，然后采用磁性除铁器以磁选的方式将建筑垃圾中的钢筋剥离出来，接着采用破碎设备将经分选和剥离处理后的建筑垃圾逐级破碎为所需粒径的建筑垃圾骨料，最后采用冲击式破碎方式对所述建筑垃圾骨料进行整形得到再生骨料，然后取粒度为5mm～10mm的再生骨料依次进行水洗和烘干，最后采用水泥试验磨研磨至比表面积为450m2/kg，得到再生微粉，备用；
44.(2)将转炉出来的钢渣倒在渣坑中，待钢渣冷却到700℃后转移至密闭容器中，在密闭容器内利用钢渣余热对热态钢渣进行打水产生过饱和水蒸气消解钢渣中的游离氧化钙，将上述经过热闷工艺处理的转炉钢渣依次进行破碎筛分和除铁处理后，得到钢渣骨料，取粒度＜5mm的钢渣骨料与助磨剂以660：1的质量比混合，然后采用水泥试验磨研磨至比表面积为350m2/kg，得到钢渣粉，备用；
45.(3)将炉渣烘干，取其中粒度＜30mm炉渣，采用水泥试验磨研磨至比表面积为350m2/kg，得到炉渣粉，备用；
46.(4)将电石渣烘干，备用；
47.(5)按重量配比，将上述再生微粉、钢渣粉、回收粉、炉渣粉和电石渣混合后采用水泥试验磨以45r/min的转速研磨10min，得到全固废复合型填料。
48.实施例2
49.本实施例提供一种全固废复合型填料，包括如下重量份数的原料组分：再生微粉50份，钢渣粉50份，回收粉25份，炉渣粉20份和电石渣10份。
50.其中，再生微粉的比表面积为550m2/kg，烧失量≤10％；钢渣粉的比表面积为450m2/kg，浸水膨胀率≤1.8％，游离氧化钙含量≤3％，金属铁含量≤2％，碱度为3.5；回收粉的比表面积为600m2/kg；炉渣粉的比表面积为450m2/kg，烧失量≤5％；电石渣的比表面积为600m2/kg，含水率≤1％。
51.本实施例还提供一种上述全固废复合型填料的制备方法，该制备方法包括以下工艺步骤：
52.(1)将砖混类建筑垃圾依次经分选、剥离、破碎和整形处理(分选、剥离、破碎和整形处理的方法同实施例1)后得到再生骨料，然后取粒度为5mm～10mm的再生骨料依次进行水洗和烘干，最后采用水泥试验磨研磨至比表面积为550m2/kg，得到再生微粉，备用；
53.(2)将经过热闷工艺处理(热闷工艺处理同实施例1)的转炉钢渣依次进行破碎筛分和除铁处理后，得到钢渣骨料，取粒度＜5mm的钢渣骨料与助磨剂以1000：1的质量比混合，然后采用水泥试验磨研磨至比表面积为450m2/kg，得到钢渣粉，备用；
54.(3)将炉渣烘干，取其中粒度＜30mm炉渣，采用水泥试验磨研磨至比表面积为450m2/kg，得到炉渣粉，备用；
55.(4)将电石渣烘干，备用；
56.(5)按重量配比，将上述再生微粉、钢渣粉、回收粉、炉渣粉和电石渣混合后采用水泥试验磨以50r/min的转速研磨15min，得到全固废复合型填料。
57.实施例3
58.本实施例提供一种全固废复合型填料，包括如下重量份数的原料组分：再生微粉40份，钢渣粉25份，回收粉15份，炉渣粉12份和电石渣6份。
59.其中，再生微粉的比表面积为500m2/kg，烧失量≤10％；钢渣粉的比表面积为400m2/kg，浸水膨胀率≤1.8％，游离氧化钙含量≤3％，金属铁含量≤2％，碱度为2.6；回收粉的比表面积为550m2/kg；炉渣粉的比表面积为400m2/kg，烧失量≤5％；电石渣的比表面积为450m2/kg，含水率≤1％。
60.本实施例还提供一种上述全固废复合型填料的制备方法，该制备方法包括以下工艺步骤：
61.(1)将砖混类建筑垃圾依次经分选、剥离、破碎和整形处理(分选、剥离、破碎和整形处理的方法同实施例1)后得到再生骨料，然后取粒度为5mm～10mm的再生骨料依次进行水洗和烘干，最后采用水泥试验磨研磨至比表面积为500m2/kg，得到再生微粉，备用；
62.(2)将经过热闷工艺处理(热闷工艺处理同实施例1)的转炉钢渣依次进行破碎筛分和除铁处理后，得到钢渣骨料，取粒度＜5mm的钢渣骨料与助磨剂以820：1的质量比混合，然后采用水泥试验磨研磨至比表面积为400m2/kg，得到钢渣粉，备用；
63.(3)将炉渣烘干，取其中粒度＜30mm炉渣，采用水泥试验磨研磨至比表面积为400m2/kg，得到炉渣粉，备用；
64.(4)将电石渣烘干，备用；
65.(5)按重量配比，将上述再生微粉、钢渣粉、回收粉、炉渣粉和电石渣混合后采用水泥试验磨以48r/min的转速研磨12min，得到全固废复合型填料。
66.对比例1
67.本对比例提供一种全固废复合型填料，其原料的组成以及制备方法均与实施例1相同，区别在于：将回收粉替换为s95级矿渣粉。
68.对比例2
69.本对比例提供一种全固废复合型填料，其原料的组成以及制备方法均与实施例1相同，区别在于：回收粉的重量份数为30份。
70.对比例3
71.本对比例提供一种全固废复合型填料，其原料的组成以及制备方法均与实施例1相同，区别在于：再生微粉的重量份数为60份。
72.性能测试：
73.对本技术实施例1所提供的全固废复合型填料中的各组分、s95级矿渣粉和传统石灰石矿粉进行化学成分测试，测试结果如表1所示。
74.表1全固废复合型填料中各组分、s95级矿渣粉和矿粉化学成分测试结果
[0075][0076][0077]
按照表2所示配合比将实施例1～3和对比例1～3所提供的全固废复合型填料采用70号道路石油沥青制成沥青混合料，其中沥青混合料的级配为ac-20c，油石比为3.9％(油石比指沥青混合料中沥青与矿料质量比的百分数)，并参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtg e20 2011)的试验流程对制得的沥青混合料进行高温性能、低温性能和水稳定性测试，并与只加入石灰石矿粉的常规ac-20c沥青混合料进行对比，制得的ac-20c沥青混合料各项性能测试结果如表3所示。
[0078]
表2 ac-20c型沥青混合料矿料配比
[0079]
矿料10～20mm碎石5～10mm碎石3～5mm碎石0～3mm机制砂填料掺配比例(％)302910292
[0080]
表3 ac-20c型沥青混合料性能检测结果
[0081][0082]
按照表4所示配合比将实施例1～3和对比例1～3所提供的全固废复合型填料采用sbs类i-d型改性沥青制成沥青混合料，其中沥青混合料的级配为sma-13，油石比为5.8％，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtg e20 2011)的试验流程对制得的沥青混合料进行高温性能、低温性能和水稳定性测试，并与只加入石灰石矿粉的常规sma-13沥青混合料进行对比，制得的sma-13沥青混合料各项性能测试结果如表5所示。
[0083]
表4 sma-13型沥青混合料矿料配比
[0084]
矿料10～15mm碎石5～10mm碎石0～3mm机制砂填料木质素纤维掺配比例(％)29491480.3
[0085]
表5 sma-13型沥青混合料性能检测结果
[0086][0087]
由上表可知，应用实验例1～3提供的填料制备的沥青混合料的冻融劈裂强度比、浸水残留稳定度、低温弯曲破坏应变、马歇尔稳定度和动稳定度相对于对比例1～3及传统矿粉具有显著优势，说明本发明制备的全固废复合型填料能够有效提高沥青混合料的低温抗裂性、水稳定性和高温稳定性等。
[0088]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。