活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料，由以下重量份的原料制成，沥青3～7份，纳米复合改性剂0.09～0.21份，其中，纳米二氧化硅0.06～0.14份、纳米氧化铝0.03～0.07份，矿料100份，其中，矿粉14～7份、活化煤矸石粉3.5～10.5份。本发明提供的沥青混合料路用性能优良，选材来源广泛，且具有较大能力的抗破坏荷载，同时，可显著地提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性；本发明还公开了该沥青混合料的制备方法，制备过程清洁无废弃物污染，且制备工艺简单，具有较高的经济和社会价值。

说明书

技术领域

本发明属于道路工程材料技术领域，具体涉及一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料及其制备方法。

背景技术

随着城市化进程的加快和路政设施的配套建设，道路交通事业蓬勃发展，沥青路面也已成为公路路面的主要结构形式。然而，由于高低温极端天气的增多以及使用环境的不确定性，我国许多高速公路沥青路面在建成运营后，容易出现高低温破坏以及水损坏现象，因此，提高沥青路面质量问题亟待解决。

我国是全球煤炭开采量最大的国家，并且，伴随着我国工业化进程的推进，以煤炭为主要类型的能源结构在相当长的一段时间内不会发生改变。有数据资料显示，2015年全国规模以上原煤产量37.49亿吨，占全球煤炭产量的47.7％，而煤矸石是在煤矿建设、煤炭开釆等过程当中产生的固体废弃物，是一种比煤坚硬但是比煤含碳量低的一种灰黑色岩石材料。据不完全统计，截止目前，我国煤矸石累计已达50亿吨之多，规模较大的煤矸石山2000多座，占用土地2万公顷以上，占地量和积存量已成为全国工业废弃物之首。这些废弃的煤矸石一般会堆积在煤矿周围，形成巨大的煤矸石堆积山，不仅占用大量的土地和农田，还会造成环境污染。

因此，将废弃煤矸石应用在沥青路面中，开发一种新型沥青混合料对于改善路面早期破坏以及废弃物资源化利用具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料及其制备方法，旨在拓宽煤矸石利用路径的同时开发一种新的沥青混合料，改善沥青路面早期破坏等技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下，

设计一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料，由以下重量份的原料制成，沥青3～7份、纳米复合改性剂0.09～0.21份、矿料100份，其中，所述纳米复合改性剂含纳米二氧化硅0.06～0.14份、纳米氧化铝0.03～0.07份，所述矿料含矿粉7～14份、活化煤矸石粉3.5～10.5份。

优选的，所述活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料由下列重量份的原料制成：沥青4～6份，纳米复合改性剂0.12～0.18份，矿料100份，其中，所述纳米复合改性剂含纳米二氧化硅0.08～0.12份、纳米氧化铝0.04～0.06份，所述矿料含矿粉8.75～12.25份，活化煤矸石粉5.25～8.75份。

进一步优选的，所述活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料由下列重量份的原料制成：沥青4.5份，纳米复合改性剂0.135份，矿料100份，其中，所述纳米复合改性剂含纳米二氧化硅0.09份、纳米氧化铝0.045份，所述矿料含矿粉10.5份，活化煤矸石粉7份。

优选的，所述纳米二氧化硅细度小于30nm，所述纳米氧化铝细度小于20nm。

优选的，所述矿粉细度小于30目。

优选的，所述活化煤矸石粉细度小于30目。

优选的，所述沥青为道路石油沥青、煤沥青、SBS改性沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青、纤维类改性沥青中的一种或多种。

优选的，所述矿料的级配类型为AC-13型、AC-16型、SMA-13型或OGFC-13型。

优选的，所述矿料由粗集料、细集料、矿粉和活化煤矸石粉组成。

本发明还公开了该活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备纳米复合改性剂：按照沥青、纳米二氧化硅、纳米氧化铝100:2:1的质量比称取纳米二氧化硅、纳米氧化铝混合，制备纳米复合改性剂；

(2)制备纳米复合改性沥青：先将基础沥青在温度为130℃～140℃的条件下加热熔融，再将步骤(1)中所得的纳米复合改性剂加入到熔融后的基础沥青中，搅拌均匀后升温至150℃～160℃；然后采用高速剪切机对升温后的基础沥青进行剪切处理，再经自然冷却后得到纳米复合改性沥青；

(3)将一定量的矿粉和活化煤矸石粉加热至175～180℃，备用；

(4)按照上述原料配比配制矿料，将该矿料和步骤(2)制备的纳米复合改性沥青分别加热至175～180℃和160～175℃后，将二者拌合1～1.5min，然后掺入步骤(3)中加热的矿粉和活化煤矸石粉，搅拌均匀即可。

优选的，所述活化煤矸石粉通过以下方法制得：将破碎的煤矸石投置于900℃左右的沸腾炉中煅烧，保温2小时后置于空气中冷却，然后粉磨成细度小于30目的活化煤矸石粉。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)采用复合纳米材料对沥青进行改性处理，无机纳米粒子处于纳米级，具有表面能缺陷少、非配对原子多、表面吸附力强等特点，能够较好的与基础沥青发生结合，能够抵抗较大的破坏荷载。

(2)本发明以废弃煤矸石为原料，选材来源广泛；活化煤矸石粉制备过程环保清洁无废弃污染物产生，活化煤矸石粉成品无毒无害且价格低廉；本发明制备工艺简单，成本低，具有良好的社会经济效益。

(3)本发明活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料，通过加入活化煤矸石粉来提高沥青混合料路用性能。煤矸石粉在经人工破碎、高温煅烧和球磨机研磨的过程中使煤矸石微观结构中各微粒发生剧烈的运动，致使硅氧四面体和铝氧三角体不可能充分地聚合成长链，形成大量的针片状和玻璃相结构，彼此之间有一定的通透结构，棱角较多，表面呈一定的层间结构。将煤矸石粉加入到沥青混合料后，可以显著地提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的具体内容作进一步的详细说明。需要说明的是，本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。

实施例1：一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：沥青3份，纳米复合改性剂0.09份，矿料100份，其中，所述纳米复合改性剂含纳米二氧化硅0.06份、纳米氧化铝0.03份，所述矿料含矿粉14份、活化煤矸石粉3.5份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为道路石油沥青。

实施例2：一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：沥青4份，纳米复合改性剂0.12份，矿料100份，其中，所述纳米复合改性剂含纳米二氧化硅0.08份、纳米氧化铝0.04份，所述矿料含矿粉12.25份、活化煤矸石粉5.25份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为煤沥青。

实施例3：一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：沥青4.5份，纳米复合改性剂0.135份，矿料100份，其中，所述纳米复合改性剂含纳米二氧化硅0.09份、纳米氧化铝0.045份，所述矿料含矿粉10.5份、活化煤矸石粉7份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为道路石油沥青。

实施例4：一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：沥青6份，纳米复合改性剂0.18份，矿料100份，其中，所述纳米复合改性剂含纳米二氧化硅0.12份、纳米氧化铝0.06份，所述矿料含矿粉8.75份、活化煤矸石粉8.75份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为SBS改性沥青。

实施例5：一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：沥青7份，纳米复合改性剂0.21份，矿料100份，其中，所述纳米复合改性剂含纳米二氧化硅0.14份、纳米氧化铝0.07份，所述矿料含矿粉7份、活化煤矸石粉10.5份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为PE改性沥青。

实施例6：一种活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：沥青5份，纳米复合改性剂0.15份，矿料100份，其中，所述纳米复合改性剂含纳米二氧化硅0.10份、纳米氧化铝0.05份，所述矿料含矿粉7份、活化煤矸石粉10.5份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为SBR改性沥青。

上述实施例1-6中，活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料的制备方法包括下列步骤：

分别按照上述实施例1-6中所述的重量份数选取原料，

(1)制备纳米复合改性剂：按照沥青、纳米二氧化硅、纳米氧化铝100:2:1的质量比称取纳米二氧化硅、纳米氧化铝混合，制备纳米复合改性剂；

(2)制备纳米复合改性沥青

先将基础沥青在温度为130℃～140℃的条件下加热熔融，再将步骤(1)所得的纳米复合改性剂加入到熔融后的基础沥青中，搅拌均匀后升温至150℃～160℃；然后采用高速剪切机对升温后的基础沥青进行剪切处理，再经自然冷却后得到纳米复合改性沥青；

(3)将一定量的矿粉和活化煤矸石粉加热至175～180℃，备用；

(4)按照实施例1-6中所述原料的配比配制矿料，将该矿料和步骤(2)制备的纳米复合改性沥青分别加热至175～180℃和160～175℃后，将二者拌合1～1.5min，然后掺入步骤(3)中加热的矿粉和活化煤矸石粉，搅拌均匀即可。

其中，所述活化煤矸石粉通过以下方法制得：将已经人工破碎的煤矸石投置于沸腾炉中煅烧，温度控制在900℃左右，保温2小时后置于空气中冷却，然后粉磨成细度小于30目的活化煤矸石粉。

对实施例1至6中的活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料进行路用性能试验，实验项目包括车辙试验、低温小梁弯曲试验(-10℃)、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，用以测试本发明提供的活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料的路用性能，并与不添加活化煤矸石粉的普通沥青混合料进行对比分析，试验结果见下表1。

表1实施例1至6中活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料路用性能试验数据

从表1可知，本发明活化煤矸石粉纳米复合改性沥青混合料满足交通部部颁标准JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的相关要求，其高温性能、低温性能及水稳定性能等指标明显高于普通沥青混合料，表明本发明沥青混合料的路用性能优越。