一种利用蚝壳提升沥青及混合料路用性能的方法与流程

[0001]
本发明涉及材料领域，具体涉及一种利用蚝壳提升沥青及混合料路用性能的方法。


背景技术：

[0002]
生蚝作为一种市场常见的食材，被大众所喜爱，随着人们健康意识的提高，生蚝养殖规模和被需求量逐年迅速提高。然而，生蚝被食用后，其壳的大量废弃如果不进行及时处理将造成资源浪费、堆放占地，相关研究表明废弃的生蚝壳中含有56.8％的碳酸钙和42.9％的莫来石，并且拥有0.3％左右的有机成分例如甘氨酸、胱氨酸、蛋氨酸等17种氨基酸，富含多种矿物微量元素例如铜、铁、锌、锰、锶等，现已将其主要用于医疗保健行业和饲料领域，其它领域应用较少。
[0003]
蚝壳粉不仅含有传统石灰岩矿粉—碳酸钙，经过xrd射线衍射试验发现蚝壳粉还含约42.9％的莫来石，莫来石作为一种优质的耐火材料，具有耐高温、高温蠕变值小、硬度大等特点。因此，将蚝壳粉替代传统矿粉，以此作为矿物掺加剂加入在沥青中可以增加沥青高温抗车辙能力的同时提高沥青混合料的整体承载能力。
[0004]
蚝壳从技术层面上可完全磨碎成0.075mm以下的细小粉末，作为矿粉掺加在沥青之中以提升沥青的路用性能，相应相关研究未见报道，本领域人员还不知如何将蚝壳矿物作为掺加剂应用于沥青及混合料中，以提升其路用性能。据此，探索利用生蚝壳粉作为筑路材料以提升沥青胶结料的路用性能具有广阔的研究意义和推广价值，此技术问题亟待解决。


技术实现要素：

[0005]
本发明为了解决上述问题，提供了基于蚝壳矿物掺加剂的沥青及混合料路用性能提升方法，总体思路是先将蚝壳磨成粉然后直接将其作为掺加剂按一定的粉胶比添加到热沥的基质沥青中，通过搅拌、剪切、或其他措施让蚝壳粉在沥青中均匀分散，制成沥青组合物。具体技术路线为：将生蚝壳磨成小于0.075mm的粉末加入到沥青中作为填料，通过控制不同的粉胶比制成不同的沥青组合物以及按照蚝壳粉占填料的不同比率制备不同的沥青混合料，通过沥青与沥青混合料路用性能对比试验来确定最佳粉胶比和确定蚝壳粉占填料不同比率对沥青混合料路用的影响，最后使用最佳粉胶比和100％的蚝壳粉占填料比例来分别设计沥青组合物及混合料，旨在提高沥青组合物的高温抗车辙性能和低温抗裂性能和混合料的高温稳定性、低温抗裂性和抗水损害性能。
[0006]
本发明目的之一在于提供一种沥青组合物，具体技术方案为如下：
[0007]
一种沥青组合物，所述沥青组合物由基质沥青和蚝壳粉组成，所述蚝壳粉的粒径小于0.075mm，所述蚝壳粉与基质沥青的粉胶比x为：0＜x＜1.4。
[0008]
进一步地，所述蚝壳粉与基质沥青的粉胶比为0.8。
[0009]
本发明目的之二在于提供一种沥青混合料，具体技术方案为如下：
[0010]
一种沥青混合料，所述沥青混合料中用蚝壳粉占填料的不同比率来代替矿粉，所述蚝壳粉的粒径小于0.075mm，所述蚝壳粉占填料不同比率y为0＜y≤1，并研究了蚝壳粉占填料不同比率对沥青混合料性能的影响，当y＝1时沥青混合料的路用性能最佳。
[0011]
进一步地，所述蚝壳粉与基质沥青的粉胶比为0.8。
[0012]
生蚝壳粉末含有42.9％左右的莫来石，莫来石作为一种优质的耐火材料，具有耐高温、高温蠕变值小、硬度大等特点，莫来石作为矿物掺加剂加入在沥青中可以降低路面温度，增加沥青高温抗车辙能力，其各性能均优于普通矿粉和贝壳粉。
[0013]
本发明目的之三在于提供上述沥青组合物和沥青混合料在制备提升路用性能的改良沥青中的应用。
[0014]
本发明目的之四在于提供一种提升沥青路用性能的方法，具体技术方案如下：
[0015]
一种提升沥青路用性能的方法，具体步骤包括：
[0016]
(1)烘干并称量上述方案中所述的沥青组合物,拌合得到不同胶粉比的沥青组合物；
[0017]
(2)将所述不同胶粉比的沥青组合物进行动态剪切流变试验、测力延度试验和旋转粘度试验，得到车辙因子、延度、拉伸柔度和粘度；
[0018]
(3)分别将胶粉比和车辙因子、延度，拉伸柔度和粘度进行曲线拟合，得到各回归公式，确定能提升路用性能的粉胶比。
[0019]
进一步地，根据步骤(3)中粉胶比和粘度曲线，取沥青表观黏度为(0.28
±
0.03)pa
·
s时的温度为沥青组合物的压实温度，将粉胶比-压实温度曲线中的施工温度进行回归，得到回归公式。
[0020]
进一步地，步骤(1)中沥青组合物的烘干温度为140℃
±
10℃，烘干为时间为6-8小时。
[0021]
具体的，蚝壳粉烘干温度为150℃
±
20℃，烘干时间6小时，基质沥青加热温度为150℃，加热时间为0.5-1小时。
[0022]
进一步地，步骤(2)中所述测力延度试验温度为20℃，所述旋转粘度试验温度为135℃和175℃。
[0023]
本发明目的之五在于提供一种提升沥青混合料路用性能的方法，具体技术方案如下：
[0024]
一种提升沥青混合料路用性能的方法，包括如下步骤：
[0025]
(1)如上述方案所述的沥青混合物，推荐级配范围设计级配，用蚝壳粉代替矿粉作为填料，并按照不同的蚝壳粉占填料的比率，得到蚝壳粉占填料不同比率的沥青混合料；
[0026]
(2)将蚝壳粉占填料不同比率的沥青混合料分别进行车辙试验，浸水马歇尔试验和小梁弯曲试验测得沥青混合料的动稳定度，残留稳定度和抗弯拉强度；
[0027]
(3)根据步骤(2)所得数据绘制蚝壳粉占填料比率-动稳定度折线图，蚝壳粉占填料比率-残留稳定度折线图，蚝壳粉占填料比率-抗弯拉强度折线图；
[0028]
(4)根据所得折线图确定蚝壳粉占填料不同比率对沥青混合料的性能影响，并选定100％蚝壳粉占填料比率制成提升路用性能的沥青混合料。
[0029]
进一步地，步骤(1)中所述级配采用jtg+f40-2004推荐s型级配。
[0030]
具体的，根据马歇尔试验确定所述沥青混合料的最佳油石比。
[0031]
具体的，步骤(4)中具体考量沥青混合料的高温稳定性，抗水损害性能，低温抗裂性，选择100％蚝壳粉占填料比例制成沥青混合料。
[0032]
本发明的有益之处在于：本发明的有效提高沥青混合料抗车辙能力和抗水损害稳定性，低温稳定性也能显著提高。有效节约建设成本和减少废弃耗壳堆放用地，又能显著提升沥青路面的稳定性和耐久性，符合绿色环保技术要求，具有广阔的推广空间和应用价值。
附图说明
[0033]
图1为本发明的蚝壳粉的xrd射线衍射图。
[0034]
图2为本发明的具体实施例中不同温度下不同蚝壳矿物掺加剂的粉胶比-抗车辙因子曲线。
[0035]
图3为本发明的具体实施例中不同蚝壳矿物掺加剂的粉胶比-拉伸柔度曲线图。
[0036]
图4为本发明具体实施例中不同蚝壳矿物掺加剂的粉胶比-延度曲线图。
[0037]
图5为本发明具体实施例中蚝壳粉占填料不同比率-压实温度曲线图。
[0038]
图6为本发明具体实施例中不同蚝壳矿物掺加剂的代替比例-动稳定度折线图。
[0039]
图7为本发明具体实施例中不同蚝壳矿物掺加剂的代替比例-抗弯拉强度折线图。
[0040]
图8为本发明具体实施例中不同蚝壳矿物掺加剂的代替比例-残留稳定度折线图。
具体实施方式
[0041]
下面通过实施例和附图，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用以解释本发明，并不用于限定本发明，本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的结构思路、使用范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
[0042]
一种基于蚝壳矿物掺加剂的沥青及沥青混合料路用性能提升方法，主要包括通过掺加蚝壳粉作为掺加剂获得沥青组合物及混合料以及测定最佳粉胶比并利用最佳粉胶比制定沥青及混合料以达到提高路用性能两个部分。如图1可知，生蚝壳中含有56.8％的碳酸钙和42.9％的莫来石，莫来石作为一种优质的耐火材料，具有耐高温、高温蠕变值小、硬度大等特点，莫来石作为矿物掺加剂加入在沥青中可以降低路面温度，增加沥青高温抗车辙能力，其各性能均优于普通矿粉和贝壳粉。
[0043]
实施例1
[0044]
以90号沥青为例，说明在实际施工过程中，通过蚝壳粉提高沥青及沥青混合料路用性能的详细步骤。
[0045]
一、确定最佳粉胶比：
[0046]
1.将90号沥青制备为蚝壳沥青组合物，
[0047]
1)先将90号沥青在150℃恒温烘箱保温0.5-1小时，蚝壳矿粉在150℃条件下烘干6个小时。
[0048]
2)选取不同粉胶比的蚝壳矿物掺加剂与基质沥青混合搅拌均匀，在150℃烘箱中恒温保持2h,制成蚝壳矿物的沥青组合物。
[0049]
取90号沥青1kg，加热至150℃，掺入0.2粉胶比的矿物掺加剂，即200g，用玻璃棒搅拌均匀后放入165℃烘箱中恒温2小时，制成沥青组合物1
#
。
[0050]
取90号沥青1kg，加热至150℃，掺入0.4粉胶比的矿物掺加剂，即400g，用玻璃棒搅拌均匀后放入150℃烘箱中恒温2小时，制成沥青组合物2
#
。
[0051]
取90号沥青1kg，加热至150℃，掺入0.6粉胶比的矿物掺加剂，即600g，用玻璃棒搅拌均匀后放入150℃烘箱中恒温2小时，制成沥青组合物3
#
。
[0052]
取90号沥青1kg，加热至150℃，掺入0.8粉胶比的矿物掺加剂，即800g，用玻璃棒搅拌均匀后放入150℃烘箱中恒温2小时，制成沥青组合物4
#
。
[0053]
取90号沥青1kg，加热至150℃，掺入1.0粉胶比的矿物掺加剂，即1000g，用玻璃棒搅拌均匀后放入150℃烘箱中恒温2小时，制成沥青组合物5
#
。
[0054]
取90号沥青1kg，加热至150℃，掺入1.2粉胶比的矿物掺加剂，即1200g，用玻璃棒搅拌均匀后放入150℃烘箱中恒温2小时，制成沥青组合物6
#
。
[0055]
取90号沥青1kg，加热至150℃，掺入1.4粉胶比的矿物掺加剂，即1400g，用玻璃棒搅拌均匀后放入150℃烘箱中恒温2小时，制成沥青组合物7
#
。
[0056]
2.根据已经制成的蚝壳沥青组合物进行不同的试验，确定其路用性能的提高，并根据不同粉胶比的沥青组合物确定最佳的粉胶比并制成沥青组合物，以达到路用性能地提升。
[0057]
1)取沥青组合物1
#
至沥青组合物7
#
分别进行动态剪切流变试验，根据试验结果绘制粉胶比-车辙因子曲线。
[0058]
2)取沥青组合物1
#
至沥青组合物7
#
分别进行20℃测力延度试验，根据试验结果绘制粉胶比-拉伸柔度曲线以及粉胶比-屈服应变能曲线。
[0059]
3)取沥青组合物1
#
至沥青组合物7
#
分别进行135℃和175℃粘度试验，根据试验结果绘制粘度-温度曲线。
[0060]
4)从动态剪切流变试验中获得沥青组合物1
#
至沥青组合物7
#
的车辙因子在58℃试验时分别为23.6、28.5、35.8、43.4、54.6、68.6、74.3kpa，在64℃试验时分别为9.7、12.1、18.3、23.5、31.9、43.8、58.6kpa，在70℃试验时分别为4.1、5.2、6.4、8.7、10.9、14.5、19.9kpa，在82℃试验时分别为1.3、1.6、2、2.5、3.1、3.7、4.5kpa.绘制的粉胶比-车辙因子曲线如图2所示，图中斜正方形为58℃粉胶比-车辙因子曲线，正方形为64℃粉胶比-车辙因子曲线，三角形为70℃粉胶比-车辙因子曲线，叉为82℃粉胶比-车辙因子曲线，此时将粉胶比-车辙因子曲线中的车辙因子在不同温度下进行回归，结果为：
[0061]
g/sinδ＝19.454e
1.0035f/a t＝58℃
ꢀꢀ
(1)
[0062]
g/sinδ＝6.9964e
1.5222f/a t＝64℃
ꢀꢀ
(2)
[0063]
g/sinδ＝3.0091e
1.3208f/a t＝70℃
ꢀꢀ
(3)
[0064]
g/sinδ＝1.0657e
1.0429f/a t＝82℃
ꢀꢀ
(4)
[0065]
式中：g/sinδ为车辙因子,kpa；f/a为粉胶比,％；t为温度,℃。
[0066]
5)从不同粉胶比的延度-力曲线中获得90号沥青及沥青组合物1
#
至沥青组合物7
#
的延度分别为107、75.5、45.8、34.3、24.1、19、13.9、7.4mm，拉伸柔度分别为7.7、8.7、12.9、15、21.1、29.4、42.7、52.5mm/n，如图3，据此进行回归，结果为：
[0067]
d＝104.14
×
e-1.795f/a
ꢀꢀ
(5)
[0068]
式中：d为延度,mm,其余符号同前。
[0069]
根据数据绘制的粉胶比-延度曲线如图4所示，绘制的粉胶比-拉伸柔度曲线如图3
所示。根据回归公式的相关系数确定粉胶比对低温性能的影响是显著的，根据规范对沥青延度的要求，选择延度大于30mm时的粉胶比作为可接受的粉胶比范围。
[0070]
6)根据粘度-温度曲线，取沥青表观黏度为(0.28
±
0.03)pa
·
s时的温度为沥青组合物的压实温度，并绘制不同蚝壳矿物掺加粉胶比状态下的压实温度曲线。本实例中，从粘度-温度曲线后的沥青组合物1
#
至沥青组合物7
#
的压实温度范围分别为：145～155℃、151～160℃、155～164℃、157～166℃、159～169℃、161～171℃、163～173℃。据此绘制的粉胶比-压实温度曲线如图5所示，图中正方形代表温度上限，斜正方形代表温度下限。根据粉胶比-压实温度曲线中的压实温度进行回归，结果为：
[0071]
t
max
＝9.213ln(f/a)+169.04
ꢀꢀ
(6)
[0072]
t
min
＝9.044ln(f/a)+159.4
ꢀꢀ
(7)
[0073]
式中：tmax为压实温度上限，tmin为压实温度下限，f/a为粉胶比，回归曲线的相关系数均大于0.99。
[0074]
可以根据回归曲线的相关系数确定粉胶比对压实温度的影响是显著的，并且随着粉胶比的增加压实温度逐渐增加，为了尽量减少沥青搅拌时产生的沥青短期老化，选择拌合温度在160℃以下的粉胶比。
[0075]
7)车辙因子随着粉胶比的增大而增大，考虑到延度需要大于30mm，沥青需要在160
°
以下防止老化，压实温度需要在135℃-160℃范围内，这里采用0.8的粉胶比作为沥青组合物的最佳粉胶比。
[0076]
二、确定蚝壳粉占填料比率对沥青混合料路用性能的影响
[0077]
根据规范推荐级配设计沥青混合料级配，蚝壳粉代替级配中的矿粉作为填料的比率分别为0％，20％，40％,60％，80％,100％，并分别根据马歇尔试验得到最佳油石比，从而制成不同的沥青混合料1
#
至6
#
，对沥青混合料1
#
至6
#
分别进行车辙试验，浸水马歇尔试验，小梁弯曲试验，根据得到的折线图选取最佳的代替比例并制成沥青混合料，从而达到沥青混合料路用性能的提高。
[0078]
1.按照面层ac-20c型确定级配范围，结合同类工程实践经验进行多组室内马歇尔试验，通过对试验结果的比较，选取规范技术要求的合成级配，蚝壳粉代替矿粉作为填料的比例分别为0％，20％,40％,60％,80％,100％，制成6组级配；
[0079]
2.将6组级配进行马歇尔试验得到最佳油石比，并分别按照最佳油石比制成沥青混合料1
#
至6
#
；
[0080]
3.对沥青混合料1
#
至6
#
进行车辙试验，根据试验结果制成代替比例-动稳定度折线图，本实例中混合料1
#
至6
#
动稳定度分别为821，853，877，889，901，935(次/mm)。根据折线图6取100％的蚝壳粉占填料比率时沥青混合料的动稳定度最大，并确定蚝壳粉占填料比率对动稳定度的影响。
[0081]
4.对沥青混合料1
#
至6
#
进行小梁弯曲变形试验，根据试验结果制成代替比例-抗弯拉强度折线图，本实例中混合料1
#
至6
#
的抗弯拉强度分别为11.13，11.45,11.72，12.13，12.45，12.67。根据折线图7取100％的蚝壳粉占填料比率时沥青混合料的抗弯拉强度最大，并确定蚝壳粉占填料比率对抗弯拉强度的影响。
[0082]
5.对沥青混合料1
#
至6
#
进行浸水马歇尔试验，根据试验结果制成代替比例-残留稳定度折线图，本实例中混合料1
#
至6
#
的残留稳定度分别为91.4％，91.72％，92.13％，
92.42％，92.66％，92.89％.根据折线图8取100％的蚝壳粉占填料比率时沥青混合料的残留稳定度最大，并确定蚝壳粉占填料比率对残留稳定度的影响。
[0083]
综上所述，选取100％的蚝壳粉占填料比率制成沥青混合料，可以达到路用性能的提高，沥青混合料的性能随着蚝壳粉占填料比率的提高而提高。
[0084]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、等同代替、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

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