一种牛粪灰沥青混凝土路面材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种牛粪灰沥青混凝土路面材料及其制备方法，其原材料组成为石灰石集料、道路石油沥青、石灰石矿粉和牛粪灰。其制备方法包括：首先在不同温度下煅烧牛粪灰，冷却至室温，并用方孔筛过筛；然后按照一定的体积百分比将石灰石矿粉与牛粪灰进行混合；将石灰石集料与道路石油沥青在一定温度下搅拌，然后添加牛粪灰与石灰石矿粉混合物，最后搅拌均匀即可。结果表明，添加适量的牛粪灰后，沥青混凝土的肯塔堡飞散损失、马歇尔稳定度、动稳定度、冻融劈裂强度比等路用性能明显提高，并充分利用了低成本的牛粪材料，可满足沥青混凝土路面的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种沥青混凝土路面材料，特别涉及一种牛粪灰沥青混凝土路面材 料及其制备方法。

背景技术

随着沥青混凝土路面在公路工程中的广泛应用，其耐久性和路面结构的早期破 坏现象也日益突显。现场调查结果表明，很多沥青公路工程在投入使用一到两年后， 甚至不到一年的时间内，其沥青面层就产生了大量麻面、松散、掉粒、唧浆、坑洞、 网裂等破坏现象，沥青混凝土内部结构受到严重剥蚀剥，这已经成为我国公路工程 沥青混凝土路面破坏的主要形式。沥青混凝土路面的服务性能受到严重削弱，其使 用寿命也大大缩短，造成了严重的经济损失和不必要的浪费。

主要原因在于，沥青混凝土中的沥青胶浆由沥青和矿粉组成，一定程度上呈酸 性，这会引起其与集料之间的粘聚力不足，而导致沥青混凝土路面发生破坏。因此， 降低沥青胶浆的酸性程度是提高沥青与集料界面的粘附性且改善沥青路面使用性 能的关键。

近几年，随着国家节能环保要求的提高，废弃物在沥青混凝土路面中的应用越 来越受到国内外的重视，特别是能够明显提高混凝土路用性能的废弃物。牛粪的主 要成分是没有被牛消化掉的纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、有机质、尿素以及钾、 钠、钙、镁等无机盐，在我国西北地区数量较多；其主要化学成分为SiO₂、CaO、Al₂O₃和Fe₂O₃，这与普通硅酸盐水泥的化学成分类似，水溶液呈碱性。

因此，本发明针对沥青混凝土路面发生损害现象的特点，采用牛粪灰并按一定 比例代替石灰石矿粉，制备路用性能优异的沥青混凝土路面材料。

发明内容

针对背景技术中沥青混凝土路面损坏的问题，本发明的目的在于，提供一种性能优 异的牛粪灰沥青混凝土路面材料。

为了实现上述任务，本发明采取如下具体的技术解决方案予以实现：

一种牛粪灰沥青混凝土路面材料，其特征在于，所述的牛粪灰沥青混凝土路面材料 由下列原材料及其体积百分比组成：

石灰石集料占89％～89.5％；石灰石矿粉占1.5％～5.4％；牛粪灰占0.6％～4.5％； 道路石油沥青占4.5％～5.0％，其中石灰石矿粉和牛粪灰体积之和占原材料的总体积为 6％；上述原材料的体积百分比之和为100％。

根据一个优选的实施方式，所述的原材料体积百分比组成为：石灰石集料占89.1％～ 89.4％；石灰石矿粉占1.8％～4.2％；牛粪灰占1.8％～4.2％；道路石油沥青占4.6％～ 4.9％，其中石灰石矿粉和牛粪灰体积之和占原材料的总体积为6％；；上述原材料的体 积百分比之和为100％；

根据一个最优选的实施方式，所述的原材料体积百分比组成为：石灰石集料占 89.3％；石灰石矿粉占2.4％；牛粪灰占3.6％；道路石油沥青占4.7％；上述原材料的体 积百分比之和为100％。

本发明一种制备牛粪灰沥青混凝土路面材料的方法，该方法包括如下技术步骤：

首先将牛粪在200℃～800℃温度条件下进行煅烧，冷却至室温，并用0.075mm方孔 筛过筛得到牛粪灰；

然后按照体积比将石灰石矿粉和牛粪灰进行充分混合，其中石灰石矿粉占原材料总 体积1.5％～5.4％，牛粪灰占原材料总体积0.6％～4.5％，石灰石矿粉和牛粪灰体积之 和占原材料的总体积为6％；

在165℃条件下将石灰石集料与道路石油沥青按照体积比搅拌，其中石灰石集料占 原材料总体积89％～89.5％，道路石油沥青占原材料总体积4.5％～5.0％，最后向石灰 石集料与道路石油沥青搅拌的混合物料中添加石灰石矿粉和牛粪灰混合物，搅拌均匀得 到牛粪灰沥青混凝土路面材料。

与现有的相同配合比条件下的普通沥青混凝土性能相比，本发明制得的牛粪灰 沥青混凝土的肯塔堡飞散损失、马歇尔稳定度、动稳定度、冻融劈裂强度比等性能 指标明显提高，且满足《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》(JTJ052-2000)密 级配沥青混凝土相关技术标准。因此，该沥青混凝土完全可以在道路面层中使用， 并且具有充分利用废料、节省成本以及提高沥青混凝土性能等优点。

具体实施方式

以下给出本发明的具体优选实施例，用于进一步说明本发明。这些实施例仅用于本 领域技术人员充分的理解本发明，而不是用来限制本发明的范围。凡是在本发明技术方 案之上进行的等同变换或者替换均属于本发明要求保护的权利范围之内。

各原材料具体选择：

集料：石灰石集料，密度为2.553g/cm³，对沥青粘附等级为4级，压碎值为8.5 ％，粒径为0.075mm～13.2mm，连续级配；

矿粉：石灰石矿粉，密度为2.724g/cm³；

道路石油沥青：克拉玛依90#沥青，密度为1.102g/cm³；

牛粪灰：干燥的牛粪灰，密度为1.139g/cm³；

水泥：复合硅酸盐水泥，安定性合格，密度为2.550g/cm³，强度等级为32.5R， 性能指标满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)要求。

集料级配如表1所示。

表1集料级配表(体积比％)

实施例1：

该实施例原材料按照如下体积比进行组合，石灰石集料占89.3％；石灰石矿粉占2.4 ％；牛粪灰占3.6％；道路石油沥青占4.7％；上述原材料的体积百分比之和为100％。

该实施例中的牛粪灰沥青混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：首先在500℃温 度条件下煅烧牛粪，冷却至室温，并用0.075mm方孔筛过筛得到牛粪灰；然后将牛粪 灰替代石灰石矿粉，并将牛粪灰与石灰石矿粉混合均匀；将石灰石集料与道路石油沥青 在165℃条件下搅拌，然后添加牛粪灰与石灰石矿粉混合物，最后搅拌均匀。

实施例2～13：

按照实施例1中描述的方法制备实施例2～13的沥青混凝土，原材料及其体积 配合比如表2所示。

表2沥青混凝土体积配合比

试验实施例：

对实施例1～13中成型好的沥青混凝土试件竖立在平台上，并在室温下冷却 24小时，然后按照《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》(JTJ052-2000)进行混 凝土的肯塔堡飞散损失等路用性能试验，试验结果见表3。

试验实施例1：肯塔堡飞散损失的测定

将马歇尔试件放入20℃恒温水槽中养生20h，取出后，逐个称取试件质量m₀，将 一个试件放入洛杉矶试验机中，以30r/min的速度旋转300转，打开试验机盖子，取出 试件及碎块，称取试件的残留质量m₁。按照公式①计算混凝土的肯塔堡飞散损失。

式中：m₀-试验前试件的质量，g；m₁-试验后试件的残留质量，g。

试验实施例2：马歇尔稳定度的测定

采用马歇尔击实仪，击锤重量4536g，自由下落高度457.2mm，在试件两面各连续 击实75次。试件为101.6mm×h63.5mm圆柱体试件。用马歇尔稳定度测定仪测试其稳 定度。

试验实施例3：动稳定度的测定

车辙板尺寸为300mm×300mm×50mm。试验轮碾仪和车辙仪采用HLR-3型沥青混 凝土轮碾成型机和HLR-3型沥青混凝土水路两用车辙试验机。试验轮往返碾压速度为 42次/min，试验温度为60℃。

试验实施例4：冻融劈裂强度比的测定

试验采用马歇尔击实法成型的标准圆柱体试件。试验温度为25℃，加载速率为 50mm/min。试验仪器为路面强度仪和两块宽度为12.7mm，内侧曲率半径为75mm的金 属压条。按照公式②和③计算混凝土的劈裂抗拉强度。

${\mathrm{RT}}_1=\frac{0.006287P{T}_1}{h_1}$②

${\mathrm{RT}}_2=\frac{0.006287P{T}_2}{h_2}$③

式中：RT₁-未进行冻融循环的第1组试件的劈裂强度，MPa；RT₂-经受冻融循环 的第2组试件的劈裂强度，MPa；PT_l-第1组试件的试验荷载最大值，N；PT₂-第2 组试件的试验荷载最大值，N；h₁-第1组试件的平均高度，mm；h₂-第2组试件的平 均高度，mm。最后，按照公式④计算混凝土的冻融劈裂强度比。

④

式中：RT₂-经受冻融循环的第2组试件的劈裂抗拉强度，MPa；RT₁-未进行冻 融循环的第1组试件的劈裂抗拉强度，MPa。

表3沥青混凝土路用性能试验结果

随着牛粪灰煅烧温度的升高，沥青混凝土的路用性能呈现先升高后降低的现 象；添加适量的牛粪灰后，沥青混凝土的路用性能明显高于实施例12未掺加牛粪 灰混凝土的，且部分混凝土的路用性能与实施例13掺加水泥的沥青混凝土的相当； 说明适量的牛粪灰能够明显提高沥青混凝土的肯塔堡飞散损失、马歇尔稳定度、动 稳定度和冻融劈裂强度比等路用性能，从而可进一步改善混凝土的使用性能。