本發(fā)明屬于道路工程材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著城市化進(jìn)程的加快和路政設(shè)施的配套建設(shè)，道路交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，瀝青路面也已成為公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式。然而，由于高低溫極端天氣的增多以及使用環(huán)境的不確定性，我國許多高速公路瀝青路面在建成運(yùn)營后，容易出現(xiàn)高低溫破壞以及水損壞現(xiàn)象，因此，提高瀝青路面質(zhì)量問題亟待解決。
我國是全球煤炭開采量最大的國家，并且，伴隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，以煤炭為主要類型的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變。有數(shù)據(jù)資料顯示，2015年全國規(guī)模以上原煤產(chǎn)量37.49億噸，占全球煤炭產(chǎn)量的47.7％，而煤矸石是在煤礦建設(shè)、煤炭開釆等過程當(dāng)中產(chǎn)生的固體廢棄物，是一種比煤堅(jiān)硬但是比煤含碳量低的一種灰黑色巖石材料。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止目前，我國煤矸石累計(jì)已達(dá)50億噸之多，規(guī)模較大的煤矸石山2000多座，占用土地2萬公頃以上，占地量和積存量已成為全國工業(yè)廢棄物之首。這些廢棄的煤矸石一般會(huì)堆積在煤礦周圍，形成巨大的煤矸石堆積山，不僅占用大量的土地和農(nóng)田，還會(huì)造成環(huán)境污染。
因此，將廢棄煤矸石應(yīng)用在瀝青路面中，開發(fā)一種新型瀝青混合料對(duì)于改善路面早期破壞以及廢棄物資源化利用具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料及其制備方法，旨在拓寬煤矸石利用路徑的同時(shí)開發(fā)一種新的瀝青混合料，改善瀝青路面早期破壞等技術(shù)問題。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下，
設(shè)計(jì)一種活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料，由以下重量份的原料制成，瀝青3～7份、納米復(fù)合改性劑0.09～0.21份、礦料100份，其中，所述納米復(fù)合改性劑含納米二氧化硅0.06～0.14份、納米氧化鋁0.03～0.07份，所述礦料含礦粉7～14份、活化煤矸石粉3.5～10.5份。
優(yōu)選的，所述活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料由下列重量份的原料制成：瀝青4～6份，納米復(fù)合改性劑0.12～0.18份，礦料100份，其中，所述納米復(fù)合改性劑含納米二氧化硅0.08～0.12份、納米氧化鋁0.04～0.06份，所述礦料含礦粉8.75～12.25份，活化煤矸石粉5.25～8.75份。
進(jìn)一步優(yōu)選的，所述活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料由下列重量份的原料制成：瀝青4.5份，納米復(fù)合改性劑0.135份，礦料100份，其中，所述納米復(fù)合改性劑含納米二氧化硅0.09份、納米氧化鋁0.045份，所述礦料含礦粉10.5份，活化煤矸石粉7份。
優(yōu)選的，所述納米二氧化硅細(xì)度小于30nm，所述納米氧化鋁細(xì)度小于20nm。
優(yōu)選的，所述礦粉細(xì)度小于30目。
優(yōu)選的，所述活化煤矸石粉細(xì)度小于30目。
優(yōu)選的，所述瀝青為道路石油瀝青、煤瀝青、sbs改性瀝青、pe改性瀝青、sbr改性瀝青、纖維類改性瀝青中的一種或多種。
優(yōu)選的，所述礦料的級(jí)配類型為ac-13型、ac-16型、sma-13型或ogfc-13型。
優(yōu)選的，所述礦料由粗集料、細(xì)集料、礦粉和活化煤矸石粉組成。
本發(fā)明還公開了該活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料的制備方法，包括如下步驟：
(1)制備納米復(fù)合改性劑：按照瀝青、納米二氧化硅、納米氧化鋁100:2:1的質(zhì)量比稱取納米二氧化硅、納米氧化鋁混合，制備納米復(fù)合改性劑；
(2)制備納米復(fù)合改性瀝青：先將基礎(chǔ)瀝青在溫度為130℃～140℃的條件下加熱熔融，再將步驟(1)中所得的納米復(fù)合改性劑加入到熔融后的基礎(chǔ)瀝青中，攪拌均勻后升溫至150℃～160℃；然后采用高速剪切機(jī)對(duì)升溫后的基礎(chǔ)瀝青進(jìn)行剪切處理，再經(jīng)自然冷卻后得到納米復(fù)合改性瀝青；
(3)將一定量的礦粉和活化煤矸石粉加熱至175～180℃，備用；
(4)按照上述原料配比配制礦料，將該礦料和步驟(2)制備的納米復(fù)合改性瀝青分別加熱至175～180℃和160～175℃后，將二者拌合1～1.5min，然后摻入步驟(3)中加熱的礦粉和活化煤矸石粉，攪拌均勻即可。
優(yōu)選的，所述活化煤矸石粉通過以下方法制得：將破碎的煤矸石投置于900℃左右的沸騰爐中煅燒，保溫2小時(shí)后置于空氣中冷卻，然后粉磨成細(xì)度小于30目的活化煤矸石粉。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
(1)采用復(fù)合納米材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性處理，無機(jī)納米粒子處于納米級(jí)，具有表面能缺陷少、非配對(duì)原子多、表面吸附力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠較好的與基礎(chǔ)瀝青發(fā)生結(jié)合，能夠抵抗較大的破壞荷載。
(2)本發(fā)明以廢棄煤矸石為原料，選材來源廣泛；活化煤矸石粉制備過程環(huán)保清潔無廢棄污染物產(chǎn)生，活化煤矸石粉成品無毒無害且價(jià)格低廉；本發(fā)明制備工藝簡單，成本低，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
(3)本發(fā)明活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料，通過加入活化煤矸石粉來提高瀝青混合料路用性能。煤矸石粉在經(jīng)人工破碎、高溫煅燒和球磨機(jī)研磨的過程中使煤矸石微觀結(jié)構(gòu)中各微粒發(fā)生劇烈的運(yùn)動(dòng)，致使硅氧四面體和鋁氧三角體不可能充分地聚合成長鏈，形成大量的針片狀和玻璃相結(jié)構(gòu)，彼此之間有一定的通透結(jié)構(gòu)，棱角較多，表面呈一定的層間結(jié)構(gòu)。將煤矸石粉加入到瀝青混合料后，可以顯著地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。需要說明的是，本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施例，凡在本申請(qǐng)技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。在以下實(shí)施例中所涉及的儀器設(shè)備如無特別說明，均為常規(guī)儀器設(shè)備；所涉及的工業(yè)原料如無特別說明，均為市售常規(guī)工業(yè)原料。
實(shí)施例1：一種活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料，以重量份數(shù)計(jì)，由以下原料制成：瀝青3份，納米復(fù)合改性劑0.09份，礦料100份，其中，所述納米復(fù)合改性劑含納米二氧化硅0.06份、納米氧化鋁0.03份，所述礦料含礦粉14份、活化煤矸石粉3.5份；本實(shí)施例所采用的礦料為ac-16型礦料，所采用的瀝青為道路石油瀝青。
實(shí)施例2：一種活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料，以重量份數(shù)計(jì)，由以下原料制成：瀝青4份，納米復(fù)合改性劑0.12份，礦料100份，其中，所述納米復(fù)合改性劑含納米二氧化硅0.08份、納米氧化鋁0.04份，所述礦料含礦粉12.25份、活化煤矸石粉5.25份；本實(shí)施例所采用的礦料為ac-16型礦料，所采用的瀝青為煤瀝青。
實(shí)施例3：一種活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料，以重量份數(shù)計(jì)，由以下原料制成：瀝青4.5份，納米復(fù)合改性劑0.135份，礦料100份，其中，所述納米復(fù)合改性劑含納米二氧化硅0.09份、納米氧化鋁0.045份，所述礦料含礦粉10.5份、活化煤矸石粉7份；本實(shí)施例所采用的礦料為ac-16型礦料，所采用的瀝青為道路石油瀝青。
實(shí)施例4：一種活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料，以重量份數(shù)計(jì)，由以下原料制成：瀝青6份，納米復(fù)合改性劑0.18份，礦料100份，其中，所述納米復(fù)合改性劑含納米二氧化硅0.12份、納米氧化鋁0.06份，所述礦料含礦粉8.75份、活化煤矸石粉8.75份；本實(shí)施例所采用的礦料為ac-16型礦料，所采用的瀝青為sbs改性瀝青。
實(shí)施例5：一種活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料，以重量份數(shù)計(jì)，由以下原料制成：瀝青7份，納米復(fù)合改性劑0.21份，礦料100份，其中，所述納米復(fù)合改性劑含納米二氧化硅0.14份、納米氧化鋁0.07份，所述礦料含礦粉7份、活化煤矸石粉10.5份；本實(shí)施例所采用的礦料為ac-16型礦料，所采用的瀝青為pe改性瀝青。
實(shí)施例6：一種活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料，以重量份數(shù)計(jì)，由以下原料制成：瀝青5份，納米復(fù)合改性劑0.15份，礦料100份，其中，所述納米復(fù)合改性劑含納米二氧化硅0.10份、納米氧化鋁0.05份，所述礦料含礦粉7份、活化煤矸石粉10.5份；本實(shí)施例所采用的礦料為ac-16型礦料，所采用的瀝青為sbr改性瀝青。
上述實(shí)施例1-6中，活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料的制備方法包括下列步驟：
分別按照上述實(shí)施例1-6中所述的重量份數(shù)選取原料，
(1)制備納米復(fù)合改性劑：按照瀝青、納米二氧化硅、納米氧化鋁100:2:1的質(zhì)量比稱取納米二氧化硅、納米氧化鋁混合，制備納米復(fù)合改性劑；
(2)制備納米復(fù)合改性瀝青
先將基礎(chǔ)瀝青在溫度為130℃～140℃的條件下加熱熔融，再將步驟(1)所得的納米復(fù)合改性劑加入到熔融后的基礎(chǔ)瀝青中，攪拌均勻后升溫至150℃～160℃；然后采用高速剪切機(jī)對(duì)升溫后的基礎(chǔ)瀝青進(jìn)行剪切處理，再經(jīng)自然冷卻后得到納米復(fù)合改性瀝青；
(3)將一定量的礦粉和活化煤矸石粉加熱至175～180℃，備用；
(4)按照實(shí)施例1-6中所述原料的配比配制礦料，將該礦料和步驟(2)制備的納米復(fù)合改性瀝青分別加熱至175～180℃和160～175℃后，將二者拌合1～1.5min，然后摻入步驟(3)中加熱的礦粉和活化煤矸石粉，攪拌均勻即可。
其中，所述活化煤矸石粉通過以下方法制得：將已經(jīng)人工破碎的煤矸石投置于沸騰爐中煅燒，溫度控制在900℃左右，保溫2小時(shí)后置于空氣中冷卻，然后粉磨成細(xì)度小于30目的活化煤矸石粉。
對(duì)實(shí)施例1至6中的活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)(-10℃)、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，用以測試本發(fā)明提供的活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能，并與不添加活化煤矸石粉的普通瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果見下表1。
表1實(shí)施例1至6中活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)
從表1可知，本發(fā)明活化煤矸石粉納米復(fù)合改性瀝青混合料滿足交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)jtgf40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，其高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性能等指標(biāo)明顯高于普通瀝青混合料，表明本發(fā)明瀝青混合料的路用性能優(yōu)越。