一种道路用钢渣改性剂及其制备方法和使用方法与流程

本发明属于道路铺装材料的，具体的涉及一种道路用钢渣改性剂及其制备方法和使用方法。

背景技术：

1、相较于目前常规的石灰岩、玄武岩等道路建材石料，钢渣在物理特性上有着较高的强度，压碎值普遍在20％以下，并且棱角丰富，与沥青的黏附性较好，可以作为石料的替代品。然而在钢渣表面含有较多游离氧化钙、游离氧化镁等不稳定成分，使得钢渣遇水极易导致其体积膨胀，严重影响钢渣沥青混合料的水稳定性，大大制约了钢渣替代石料的使用程度。

2、为减小钢渣膨胀带来的不良影响，现有技术通常会对钢渣进行改性处理。当前钢渣改性技术主要分为冷态钢渣改性技术和热态钢渣改性技术，其中冷态钢渣改性技术中常采用的钢渣改性剂主要包括sio2、凝灰岩等物理改性剂；磷酸、硫酸、醋酸等化学改性剂；铁氧化菌等微生物改性剂。热态钢渣改性技术中常采用单体粉煤灰、铁尾矿、水库底泥、电渣石等高温改性剂，通过调整钢渣的矿物组成实现钢渣的改性。

3、而现有技术中无论是冷态还是热态改性技术所用的改性剂均存在诸多问题。首先，如sio2、单体粉煤灰等粉状改性剂，其化学性质是决定其性能稳定性的关键因素。而粉状改性剂在温度、湿度、光照等因素影响下极易发生性能变化，比如受潮结块等。进一步地，还可能与空气中的水分、氧气或微生物等成分发生化学反应，其性能则将会在存储过程中逐渐降低。

4、其次，铁尾矿、水库底泥、电渣石等改性剂中含有易氧化的成分，这些成分在与氧气接触会发生氧化反应，进而导致改性剂失效。再如磷酸、硫酸、醋酸等化学酸性改性剂，虽然能够在常温或较低温度条件下对钢渣的力学性能、安定性等性能进行改善，但化学改性所带来的废水、废液的后处理较为困难，比如需要选择适当的包装材料和容器，确保容器的密封性和耐腐蚀性，整体改性成本大幅度增加。此外，该类化学改性剂还需要注意存储温度和湿度的控制，以及避免阳光直射等，且化学类酸性改性剂的安全性较低。另外还有一些采用液体凝胶型改性剂，此类凝胶型改性剂在其存储过程中易泄漏和溢出，造成环境和设备的损害。同时，液体改性剂存在低温冻结和高温挥散的存储问题，致使改性剂的存储成本较高。

5、由此可见，无论是现有的粉状钢渣改性剂还是液态的钢渣改性剂，在实际生产使用时，均需在拌合站配置一套单独存储的罐体，对传统拌合站需要花费巨资进行改造，造成建设成本提高和资源的浪费。

6、cn107487999a公开了一种钢渣改性剂，由活性剂、增强剂、助磨剂、分散剂和水复配混合而成。所述增活性剂为硫代硫酸钠、醋酸钠、改性三乙醇胺中的一种或者几种混合。所述增强剂为白糖、醋酸铵、甲酸钠中的一种或者几种混合。所述助磨剂为甘油、糖蜜、改性三乙醇胺中的一种或者几种混合。所述分散剂为聚羧酸盐、聚乙二醇、十二烷基硫酸钠中的一种或者几种混合。按照配方比例，将活性剂、增强剂、助磨剂、分散剂和水分散混合均匀，即得上述的钢渣改性剂。

7、可见，该专利所给出的钢渣改性剂为液体改性剂。如前述，对于液体改性剂，其存储过程中易发生泄漏和溢出，造成环境和设备的损害。同时，液体改性剂易低温冻结和高温挥散，存储成本较高。且该专利中钢渣改性剂的合成原料聚乙二醇、醋酸铵、改性三乙醇胺均为活性较强的物质，在合成过程中对合成环境和设备均具有较高要求，再者，合成后的液态改性剂在与钢渣掺拌后，改性钢渣后续还需要处于180℃以上的拌合状态中，而醋酸铵、甲酸钠等物质均存在失效的可能性，因此前续改性处理后的改性钢渣在后续的实际拌合投入使用过程中极易失效，该改性剂的改性效果较差。

8、cn113563692a公开了一种提高钢渣集料稳定性的改性剂，包括以下制备原料：乙醇、树脂、硅烷偶联剂、固化剂、固化促进剂、增韧剂、稳定剂、氮化硼、2羟基4甲氧基二苯甲酮。其中，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh550；固化剂为n氨乙基哌嗪；固化促进剂为gr928促进剂；增韧剂为丙烯酸酯类树脂；稳定剂为聚氯乙烯复合铅盐稳定剂；树脂为环氧树脂。

9、将上述制得的改性剂用于钢渣表面改性，制得改性钢渣，具体包含以下制备步骤：步骤1，对钢渣过筛取310mm粗钢渣在300℃烘6小时，得到粗钢渣，备用；步骤2，将配置好的500ml改性剂倒入5kg粗钢渣中，用毛刷在25℃下进行拌合30min，直到所有改性剂全部附着于钢渣表面，得到拌合物；步骤3，将拌合物置于通风干燥处晾置24h，即可得到改性钢渣。

10、该专利所述的钢渣改性剂在应用时，需要先对310mm粗钢渣在300℃烘6小时，而后再采用钢渣改性剂对烘烤过后的钢渣进行改性。在实际生产中，大批量钢渣存储于料棚中，若等待钢渣在300℃下烘6小时后再进行改性，最后还需要晾晒24h，无论是时间因素还是处理成本均不可观，且其改性后的钢渣投入使用还需要再重新进行筛分、级配，过程冗杂，经济成本和时间成本均较高。

11、cn116354637a公开了一种用于抑制路面基层粗集料用钢渣不均匀膨胀的方法，包括如下步骤：1)将钢渣进行筛分，然后加入液态有机物中进行浸泡处理，形成有机物包裹体，得有机改性钢渣；2)采用地聚合物混合料对所得有机改性钢渣进行包覆改性，得到处理完毕的改性钢渣。所述液态有机物为聚丙烯酸钠、丙胺、丙苯乳液、环氧树脂中的一种或几种。所述地聚合物混合料主要由碱性激发剂和硅铝质原料混合得到。

12、该专利中的改性方式需要对筛分后的钢渣集料进行浸泡处理改性，此种方式在面对庞大的路面工程时存在着较大弊端，一是改性所需耗费的时间周期过长；二是液体改性剂的存储稳定性难以保障，存储成本过高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对目前钢渣改性剂的缺陷而提供一种道路用钢渣改性剂及其制备方法和使用方法，该钢渣改性剂不仅能够将钢渣表面活性物质尽可能完全裹覆，在源头上阻隔钢渣表面与水接触的可能性，而且化学稳定性高，运输方便，存储安全、稳定。使用简单方便，只需要将确定级配的钢渣集料和本发明所述的钢渣改性剂同时投入至拌合锅中进行干拌即可，本发明所述的钢渣改性剂在拌合温度的作用，熔融起效，对钢渣实现裹腹改性。

2、具体技术方案如下：

3、一种道路用钢渣改性剂，其为固体料粒，该固体料粒由基体和均匀分散于基体中的助剂构成。固体料粒的熔体质量流动速率(190℃，21.6n)为8.0～8.5g/10min，密度为1.13～1.20g/cm3，纵向和横向的收缩率均为0％，b50法测得的维卡软化温度在80～85℃。

4、所述基体的材料选自橡胶或熔体流动指数≥9.0g/10min，密度≥1.032g/cm3，数均分子量在3000-8000的聚烯烃中的至少一种。

5、所述助剂包括存储稳定剂、增粘剂、抗老化剂和偶联剂；其中，存储稳定剂由组分a和组分b按照重量份比1:0.5-0.8组成，组分a选自二氧化硅晶须、改性炭黑、短碳纤维或碳化硅晶须中的至少一种，组分b为珊瑚粉。

6、在所述的道路用钢渣改性剂中，基体中均匀分散的助剂各司其职，缺一不可，各自发挥的具体作用如下：

7、存储稳定剂：本领域技术人员公知，钢渣骨料的表观相对密度在3.3～3.4g/cm3，毛体积相对密度在3.05～3.15g/cm3，吸水率在1.7～2.2％。而本发明所述钢渣改性剂，其作为固体料粒的密度为1.13～1.20g/cm3，该密度范围主要由基体所决定的。如此大的密度差，易造成钢渣骨料在与固体料粒的钢渣改性剂拌合时，存在较大的界面张力，不利于裹附的完全性和密实性。

8、此外，裹附在钢渣骨料表面的钢渣改性剂和后续拌合添加的沥青无论是化学结构、分子量、粘度以及密度方面均不同，在后续拌合和使用过程中，钢渣改性剂与沥青之间易发生相分离，进而无法保障在沥青混合料制作完成后，其在运输、摊铺过程中的稳定性。

9、因此，发明人在研究过程中结合钢渣骨料和沥青的特点，发现在按一定比例熔融制造基体时，加入所述的存储稳定剂一方面可以改善钢渣骨料与所述改性剂基体材料之间的密度差，分散于基体中的存储稳定剂随着基体的熔融开裂，粘附作用于钢渣的表面，组分a和组分b的双向靶向结合，改善了钢渣改性剂与钢渣骨料间的密实度，增加了二者界面粘结强度。另一方面可以引发改性钢渣和沥青发生接枝反应，在改性钢渣相和沥青的相界面间生成接枝物，降低二者间的表面张力和体系的吉布斯自由能，能够促使改性钢渣在后续沥青拌合过程中溶胀的更充分，分散的更均匀，从而抑制二者的相分离，提高了经所述改性剂改性的钢渣在沥青混合料中的存储稳定性。

10、另外，所述存储稳定剂中的组分b珊瑚粉可以有效减少水化产物ca(oh)2的生成，组分a则可以将已经生成的ca(oh)2转化为硅酸钙凝胶，使得钢渣表面高碱度的液相oh﹣减少，从而减少因碱损害而引发的胀裂。存储稳定剂随着基体的熔融开裂而附着在钢渣表面后，散布为结晶度低的云状无定型硅化凝胶或c-s-h凝胶，同时水化产物ca(oh)2极少，大幅度降低了钢渣的脆化程度，有利于界面增强作用，因此存储稳定剂中组分a与组分b之间的协同组合可以有效抑制钢渣表面游离氧化物水化反应并能降低老化。

11、其中，组分a和组分b的重量份比为1:0.5-0.8，若组分b珊瑚粉用量过低，会导致最终所得的改性钢渣沥青混合料的性能下降，从而导致路面出现裂缝、坑槽等病害，使用寿命短。若组分b珊瑚粉的用量过高，则会影响钢渣骨料、钢渣改性剂和沥青三者之间的黏附性，容易产生离析等问题，其二过量的珊瑚粉掺入会导致混合料孔隙过于密实，造成后续抗车辙性能、低温抗裂性、水稳定性等均不佳的问题。

12、增粘剂：用来稳定基体与钢渣骨料、改性后钢渣与沥青间的界面作用，提高改性剂与钢渣骨料、改性后钢渣骨料与沥青之间的粘附效果。增粘剂加入钢渣改性剂中，通过表面扩散或内部扩散湿润粘接表面，使沥青与改性钢渣骨料之间粘接强度提高，大幅提升初粘力和持粘力。

13、抗老化剂：用以提高改性后钢渣骨料表面的抗氧化、长期老化能力。抗老化剂可以改善和提高整体的抗老化性和抗裂性能。其作用机理主要是通过抗氧化剂的自由基捕获和淬灭作用，抑制氧化反应的进行，从而延长钢渣改性剂的使用寿命。

14、偶联剂：用以提高上述各组分之间的和易性。偶联剂能够改善改性后的钢渣与沥青的粘附性和稳定性。其作用机理主要是通过偶联剂中的活性基团与沥青表面的极性基团发生化学反应，形成牢固的化学键，将原本断开的表面连接成连续表面，进而可以改善改性沥青与改性钢渣骨料之间的界面作用，提高其粘附性和稳定性。

15、本发明中，所述的道路用钢渣改性剂，由以下重量份的原料制备而成：基体材料80-90份、存储稳定剂10-14份，增粘剂2-4份，抗老化剂0.5-1.5份，偶联剂0.04-0.06份。

16、本发明中，所述的道路用钢渣改性剂，其为长3-5mm，宽2-3mm，厚度1-1.5mm的矩形块状固体料粒。此形状、尺寸的固体料粒一是为运输、存储带来极大的便利，二是为后续与钢渣骨料的混合充分、均匀提供了先决条件。

17、本发明中，所述道路用钢渣改性剂中的基体材料所选的聚烯烃为聚丙烯、聚乙烯或高密度聚乙烯(hdpe)中的至少一种。

18、其中，所述的聚烯烃来源于回收的医疗废弃物、废弃餐盒或废弃饮料瓶；

19、所述橡胶来源于回收的废弃橡胶，比如废弃的橡胶轮胎。

20、由此可见，本发明所述钢渣改性剂的基体材料均来源于废弃材料的回收，一是大大降低了钢渣改性剂的制作成本，更为重要的是对废弃资源的回收循环利用，为废弃垃圾的处理提供了一个新的经济化处理途径，避免资源的浪费和环境污染，具有重要的经济效益和社会效益。

21、本发明中，所述的道路用钢渣改性剂，当其基体材料所选的橡胶来源于回收的废弃橡胶时，因为废弃橡胶中含有一定量的杂质，因此在废弃橡胶中掺加粒径为40-48目的胶粉进行适度填补。其中废弃橡胶：胶粉的重量份比为1-4:1。

22、所述胶粉的灰分含量≤8.5％，表观密度为0.27～0.39g/cm3，水分≤2％，筛分：25#筛≤2％，50#筛在55％-80％，筛余为18％-45％。

23、若所掺加胶粉的灰分含量过高，则会导致最终所得的沥青混合料硬度增加；反之则会降低混合料的硬度。表观密度大的胶粉具有更好的填充性，可以改善混合料的物理性能；反之则可能使混合料的可压缩性增加，对物理性能的影响较小。筛分控制中，细胶粉可以使混合料更加均匀，提高其物理性能，但过细的橡胶粉会和回收矿粉一样无法保障混合料的水稳定性，而粗胶粉可以提高最终沥青混合料的耐磨性和耐久性，但过粗的胶粉则可能会降低最终沥青混合料的物理性能。

24、本发明中，所述的道路用钢渣改性剂中，存储稳定剂的组分a所选改性炭黑的平均粒径为50-60nm。

25、本发明中，所述的道路用钢渣改性剂中存储稳定剂的组分b珊瑚粉的粒径d50为43-46μm，体积密度为1048-1062kg/m3，表观密度为1850-1900kg/m3，吸水率为12％-18％，筒压强度为3-4mpa。

26、若珊瑚粉的粒径过大，将导致钢渣改性剂难以在钢渣集料表面裹附，并会造成最终沥青混合料变得不够均匀；反之粒径过小，则会使珊瑚粉用量增多，从而导致钢渣骨料、存储稳定剂以及沥青三者之间的黏附性变差。体积密度和表观密度反映了珊瑚粉的致密程度，密度较大的珊瑚粉具有更好的填充性，后续混合料的耐磨性、耐久性会有所提升，而密度较小的珊瑚粉可能会使混合料的可压缩性增加，对物理性能改善效果不佳。吸水率过高的珊瑚粉则可能会降低混合料的稳定性，易导致沥青混合料出现离析、松散等问题。筒压强度较高的珊瑚粉可以提供更好的支撑作用，从而提高钢渣沥青混合料的抗车辙能力和耐久性。

27、本发明中，所述的道路用钢渣改性剂中存储稳定剂的组分b珊瑚粉通过以下方法制备所得：首先，将初代珊瑚的表面冲洗干净，置入62-68℃的烘箱中烘干；然后，待烘干后取出，冷却至常温，使用球磨机预磨5-7h；最后，使用筛网进行筛选，得到平均粒径d50为43-46μm的珊瑚粉。

28、本发明中，所述道路用钢渣改性剂中的增粘剂为有机蒙脱土、高岭土中的一种。

29、所述抗老化剂为2,6-二叔丁基对甲酚或者由十二烷基磺酸钠和石墨烯复配而成的组合剂；其中，组合剂中十二烷基磺酸钠：石墨烯的质量比为0.07-0.08:1。

30、所述的石墨烯为黑色粉状，层数为8-12，厚度为4-8.5nm，比表面积为100-350m2/g，片层直径为10-50μm，氧含量为0.5％，硫含量为0.5％。

31、所述的十二烷基硫酸钠为白色粉状，纯度≥98％，氯化钠含量≤0.4％，不皂化物含量≤1.5％，水含量≤1％。

32、所述偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂或钛酸酯偶联剂中的至少一种。

33、上述道路用钢渣改性剂的制备方法，首先将基体材料进行处理再加工成破碎料熔融；然后加入存储稳定剂、增粘剂、抗老化剂、偶联剂，与熔融的基体材料进行热熔共混；最后热压切割制粒为所述的钢渣改性剂。

34、具体技术方案如下：

35、一种道路用钢渣改性剂的制备方法，包括以下步骤：

36、(1)将双辊开炼机设为180-220℃并保持不变，随后将基体材料加入至开炼机中熔融5-7分钟；

37、(2)将存储稳定剂加入至熔融的基体材料中热熔共混10-12分钟，得到熔融混合物；

38、(3)先将增粘剂、抗老化剂、偶联剂在高速旋转机中混合均匀后，加入至步骤(2)所得的熔融混合物中，继续热熔共混2-3分钟；

39、(4)待热熔共混结束后，将所得物料置于平板硫化机上，热压成薄片；并冷却、吹干，得到复合材料薄片；

40、(5)采用剪切机将复合材料薄片进行剪切，得到固体粒料。

41、上述道路用钢渣改性剂的使用方法，具体如下：

42、首先，在钢渣骨料中加入上述的钢渣改性剂进行拌合，拌合时间为90-100s，拌合温度为180℃-220℃；

43、然后，待钢渣骨料与钢渣改性剂拌合完成后，加入温度在160℃-200℃呈流动状态的沥青进行拌合，拌合时间为60-90s；

44、最后，湿料拌合结束后，再加入矿粉拌合60-70s；加入矿粉的拌合温度为185℃-225℃。

45、本发明的有益效果为：本发明所述的道路用钢渣改性剂为由基体和均匀分散于基体中助剂构成的固体料粒，基体的材质为橡胶或聚烯烃，如此使得所述钢渣改性剂具有稳定的化学性质，无需担心改性剂在运输以及存储过程中其物化性能受湿度、光照、氧气以及微生物等外界环境因素的影响；而且固体料粒的剂型大大方便了改性剂的运输和存储。

46、本发明所述的钢渣改性剂在运输、存储过程的温度条件下为性能稳定的固体料粒，而当投入使用时，在拌合温度作用下，钢渣改性剂则会熔融开裂，从而具有一定的流动性和黏性，不仅可以充分、紧密地裹覆在钢渣骨料的外部，而且还可以渗透至钢渣骨料表面的开口以及孔隙中进行充分填充，在源头上全方位阻隔钢渣骨料表面与水的接触，最大程度得降低了水分侵入的风险。

47、此外，本发明所述的钢渣改性剂起到类似中间媒介的作用，不仅可以充分紧密地裹覆在钢渣骨料的外部阻断水与钢渣骨料接触的可能性，而且在其作用下，沥青与改性后的钢渣骨料之间产生交联反应，形成稳定的空间网络结构，从而会使沥青更为紧密的包裹在整个网络中，阻止改性后的钢渣骨料和沥青分离，大大提高了钢渣经过改性后与沥青拌合而不易剥落的能力、降低了制造成本，效果可观，从而降低钢渣沥青混合料的浸水膨胀率。

48、本发明所述的钢渣改性剂的基体材料来源于回收的废弃塑料或废弃橡胶，为目前大量废弃物的回收再利用提供一条有效途径，在减少了废物污染，保护环境的同时，创造了更多的经济效益和社会效益。