一种储热型大空隙沥青混合料、制备方法及低温环境施工方法与流程

1.本发明涉及道路工程技术领域，具体而言，涉及一种储热型大空隙沥青混合料、制备方法及低温环境施工方法。


背景技术：

2.施工温度对沥青混合料铺筑的成品路面质量影响显著，沥青混合料运输到施工现场后，混合料的温度一般在160℃～180℃之间，温度尚可。但是需经历候工、摊铺、碾压等环节，每个环节都会发生热量的损失，导致沥青混合料的温度降低。除了在施工各环节做好保温措施之外，下承层的温度对铺设于其上方的混合料散热效率具有明显的影响。在低温环境下施工时，尤其是冬季山区公路，风速高，沥青混合料散热快，同时下承层的温度较低，以上种种因素对沥青混合料的施工质量提出了严峻的考验。大空隙沥青混合料的空隙率相比常规混合料更大，散热更快，对施工温度要求更高。由于施工温度不足、施工质量不达标，导致大空隙沥青路面返工的情况时常发生。
3.目前一般采用温拌技术进行低温环境下的混合料施工，可以将混合料的生产温度降低15℃～30℃，一定程度上缓解了温度偏低对沥青路面施工质量的影响。此外在进行就地热再生作业时，需要采用加热机对旧路面进行加热，但是加热温度最高达到200℃以上，目的是软化原路面材料，达到耙松、拌和、再摊铺的效果。在常规沥青路面施工过程中，尚无对下承层进行加热以提高施工质量的做法。
4.温拌技术虽然一定程度上改善了较低温度混合料的施工质量，但是无法解决混合料散热快和低温环境下下承层温度较低的问题。现有的加热机加热工艺以路表温度为控制指标，加热温度高，以使路面材料充分软化。但是正常施工时无需将路面加热至很高的温度，只需要达到夏季正常的路表温度，即约60℃即可。此外，大多数温拌剂都对沥青混合料的路用性能和耐久性产生不利的影响。而且在冬季低温环境下，当气温低于5℃时，要求不可进行沥青混合料的施工作业，即便温拌沥青混合料也不可以施工。因此需要开发一种高储热、慢散热的沥青混合料，以满足低温施工的需求。
5.申请内容
6.本发明的目的在于提供一种储热型大空隙沥青混合料、制备方法及低温环境施工方法，其相比大空隙沥青混合料添加了高比热容的钢渣粉，以及自动储热放热的植物基相变材料，在混合料制备过程中储存了大量的热量，在后续摊铺过程中热量逐渐释放。同时结合加热机预热和篷布覆盖保温，显著提高了混合料的施工温度，保障了施工质量。
7.本发明的实施例通过以下技术方案实现：储热型大空隙沥青混合料，包括大空隙沥青混合料100份、钢渣粉3-7份以及植物基相变材料。
8.本发明还提供了上述储热型大空隙沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
9.(1)将各档集料加热至180～210℃，按照设定比例投入搅拌缸中，拌和10～15s，然后投入温度为150～170℃的高粘沥青，搅拌5～10s，即得到大空隙沥青混合料；
10.(2)将钢渣粉加热至180～210℃，按照设定比例投入搅拌缸中，搅拌35～40s；
11.(3)将植物基相变材料加热至70～90℃，按照设定比例投入搅拌缸中，搅拌5～10s，即得到储热型大空隙沥青混合料。
12.进一步地，钢渣粉由钢渣研磨而成，粒径小于0.15mm，比热容为1200～1500j/(kg
×
℃)。
13.进一步地，植物基相变材料是由打碎的植物废料萃取而成的蜡状或油状物料，主要成分为高碳脂肪烷醇。
14.进一步地，植物基相变材料的熔融峰值温度为70～90℃，潜热为200～250kj/kg，比热容为1500～2000j/(kg
×
℃)。
15.进一步地，植物基相变材料用量的确定包括以下几个步骤：
16.(1)计算集料和钢渣粉混合物比表面积(m2/kg)＝(0.41a+0.41b+0.82c+1.64d+2.87e+6.14f+12.29g+32.77h)/10217.式中：a、b、c、d、e、f、g、h分别表示集料和钢渣粉混合物通过19mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm筛孔的质量百分率。
18.(2)在12～16μm范围内选择植物基相变材料膜厚，优选膜厚为14μm；
19.(3)计算植物基相变材料用量(％)＝植物基相变材料膜厚
×
集料和钢渣粉混合物比表面积
×
植物基相变材料密度(g/cm3)/10。
20.本发明还提供了储热型大空隙沥青混合料在低温环境的施工方法，包括以下几个步骤：
21.(1)制备储热型大空隙沥青混合料，混合料温度应保持在170～185℃之间，当施工气温低于0℃时，采用温拌技术制备大空隙沥青混合料；
22.(2)将储热型大空隙沥青混合料运输至施工现场，到场温度按照160℃～180℃之间控制；
23.(3)在储热型大空隙沥青混合料摊铺前，采用加热机对下承层进行预热至60℃；
24.(4)加热机后跟随一台保温篷布自动收卷装置，将加热机经过路段采用保温篷布进行全覆盖，待摊铺机行至该路段时，再将保温篷布卷起；
25.(5)将混合料均匀摊铺在下承层上，摊铺机速度与加热机速度保持一致，控制为1～3m/min，以使整个作业面施工协调；
26.(6)采用压路机将混合料碾压密实，压路机应紧跟摊铺，执行紧跟慢压，水量以不粘轮为标准尽量减少，以免水分引起的温度散失。
27.进一步地，预热工艺中将下承层表面温度提高至60℃所需的热量q＝c
×
ρ
×v×
(60-t0)；
28.式中：热量q单位为j，比热容c单位为j/(kg
×
℃)，毛体积密度ρ单位为103×
kg/m3，体积v单位为m3，下承层表面温度t0单位为℃。
29.进一步地，加热机的速度设定为v，功率为p，二者需满足的关系：p/v＝q/l；
30.式中：功率p单位为j/s，速度v单位为m/s，施工路段长度l单位为m。
31.进一步地，储热型大空隙沥青混合料的比热容为1100～1300j/(kg
×
℃)，毛体积密度ρ为2.1
×
103kg/m3。
32.本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
33.(1)大空隙沥青混合料由集料、矿粉、沥青按照一定比例混合组成，制备过程中矿粉不加热，混合料的比热容一般为750～1150j/(kg
×
℃)。本发明不使用矿粉，将其替换为高比热容的钢渣粉，并且混合料制备过程中钢渣粉需要加热。钢渣粉的比热容为1200～1500j/(kg
×
℃)，比一般岩石的比热容800～1000j/(kg
×
℃)大50％以上。再加上高比热容的植物基相变材料的使用，储热型大空隙沥青混合料的比热容达到1100～1300j/(kg
×
℃)，在加热过程中吸收大量的热量，使制备得到的混合料储存的热量更大。
34.(2)相比正常的沥青混合料拌制工艺，本发明增加了一道工序，即将流动状的植物基相变材料加入混合料中拌和，植物基相变材料裹覆在混合料颗粒的表面，吸收热量使自身性状发生变化，减少了混合料散失的热量，进一步减缓了混合料热量散失速率。而且在混合料摊铺碾压过程中，当周围环境温度较低时，植物基相变材料吸收的热量会自动释放，起到了加热混合料的效果，进一步保证了混合料的施工温度。
35.(3)将下承层的表面温度增大至稳定的60℃，达到了夏季施工时路表温度水平，保证了施工各环节的温度达到控制标准，提高了大空隙沥青混合料的施工质量，并提出了加热机功率和速度的控制标准。
36.(4)结合保温篷布、温拌技术的使用，进一步保证了低温环境下大空隙沥青混合料的摊铺碾压效果。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
38.实施例1
39.一种储热型大空隙沥青混合料，由大空隙沥青混合料、钢渣粉、植物基相变材料组成，组成比例为大空隙沥青混合料100份，钢渣粉5份，植物基相变材料5份，储热型大空隙沥青混合料的制备工艺包括以下几个步骤：
40.(1)将各档集料加热至200℃，按照设定比例投入搅拌缸中，拌和12s，然后投入温度为160℃的高粘沥青，搅拌10s，即得到大空隙沥青混合料；
41.大空隙沥青混合料使用的各档原材料的比例为5～10mm粗集料：10～15mm粗集料：0～3mm细集料：高粘沥青＝45:40:10:5。(其中粗集料指碎石、破碎砾石、筛选砾石和矿渣等，细集料指天然砂、人工砂(包括机制砂)及石屑等，下同)。
42.(2)将钢渣粉加热至200℃，按照设定比例投入搅拌缸中，搅拌40s；
43.(3)将植物基相变材料加热至74℃，按照设定比例投入搅拌缸中，搅拌10s，即得到储热型大空隙沥青混合料。
44.大空隙沥青混合料：钢渣粉：植物基相变材料＝100:5:5。
45.其中钢渣粉由钢渣研磨而成，粒径小于0.15mm，比热容为1400j/(kg
×
℃)。
46.植物基相变材料是由打碎的植物废料萃取而成的蜡状或油状物料，主要成分为二十八碳脂肪烷醇。
47.植物基相变材料的熔融峰值温度为74℃，潜热为234kj/kg，比热容为1800j/(kg
×
℃)。
48.实施例2
49.将实施例1制备的储热型大空隙沥青混合料，按照以下几个步骤，完成其在低温环境下的施工：
50.(1)制备储热型大空隙沥青混合料，混合料温度应保持在170～185℃之间；
51.(2)将混合料运输至施工现场，到场温度按照160℃～180℃之间控制；
52.(3)在混合料摊铺前，采用加热机对下承层进行预热至60℃；
53.(4)加热机后跟随一台保温篷布自动收卷装置，将加热机经过路段采用保温篷布进行全覆盖，待摊铺机行至该路段时，再将保温篷布卷起；
54.(5)将混合料均匀摊铺在下承层上，摊铺机速度与加热机速度保持一致，控制为1～3m/min，以使整个作业面施工协调；
55.(6)采用压路机将混合料碾压密实，压路机应紧跟摊铺，执行紧跟慢压，水量以不粘轮为标准尽量减少，以免水分引起的温度散失。
56.制备的储热型大空隙沥青混合料在低温环境下的施工方法，预热工艺中将下承层表面温度提高至60℃所需的热量q＝c
×
ρ
×v×
(60-t0)＝1200
×
2100
×
75
×
(60-15)＝8.505
×
109j。
57.式中：热量q单位为j；比热容c单位为j/(kg
×
℃)，取值1200j/(kg
×
℃)；毛体积密度ρ单位为103×
kg/m3，取值2100kg/m3；体积v单位为m3，取值75m3；下承层表面温度t0单位为℃，取值15℃。
58.制备的储热型大空隙沥青混合料在低温环境下的施工方法，加热机的速度设定为v，功率为p，二者需满足下式的关系：
59.p/v＝q/l，即1.06
×
107/v＝8.505
×
109/2000，即v＝2.5m/s。
60.式中：功率p单位为j/s，取值1.06
×
107j/s；速度v单位为m/s；施工路段长度l单位为m，取值2000m。
61.制备的储热型大空隙沥青混合料在低温环境下的施工方法，混合料的比热容c为1200j/(kg
×
℃)，毛体积密度ρ为2.1
×
103kg/m3。
62.对比例1
63.一种大空隙沥青混合料，按照5～10mm粗集料：10～15mm粗集料：0～3mm细集料：矿粉：高粘沥青＝45:40:10:5:5，所采用的粗集料、细集料、高粘沥青与实施例1相同。
64.对比例2
65.将对比例1制备的大空隙沥青混合料，按照以下几个步骤，完成其在低温环境下的施工：
66.(1)制备大空隙沥青混合料，混合料温度应保持在170～185℃之间；
67.(2)将混合料运输至施工现场，到场温度按照160℃～180℃之间控制；
68.(3)将混合料均匀摊铺在下承层上，摊铺速度控制为1～3m/min；
69.(4)采用压路机将混合料碾压密实，压路机应紧跟摊铺，执行紧跟慢压，水量以不粘轮为标准尽量减少，以免水分引起的温度散失。
70.实验例1
71.分别测试实施例2和对比例2施工各环节大空隙沥青混合料的温度，具体如表1所
示。由表1可知，在两种混合料出料温度相同的情况下，储热型大空隙混合料到场温度比常规混合料高10℃以上。由于储热型混合料施工时，下承层通过预热由15℃提高至60℃，所以混合料的摊铺碾压温度比常规混合料高出约20℃。
72.表1实施例2和对比例2施工温度对比
[0073][0074]
实验例1
[0075]
按照jtg 3450-2019《公路路基路面现场测试规程》t0924-2008钻芯测试路面压实度方法，分别测试实施例2和对比例2铺筑路面的压实度，具体如表2所示。由表2可知，采用储热型大空隙沥青混合料铺筑的路面，施工压实效果明显由于常规混合料铺筑的路面，压实度提高了2～3个百分点，均满足规范要求。而常规混合料铺筑的路面，由于施工温度低，基本上均不能满足规范要求。
[0076]
表2实施例2和对比例2压实度对比
[0077][0078]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种储热型大空隙沥青混合料，其特征在于，包括大空隙沥青混合料100份、钢渣粉3-7份以及植物基相变材料4-6份。2.根据权利要求1所述的储热型大空隙沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述钢渣粉由钢渣研磨而成，粒径小于0.15mm，比热容为1200～1500j/(kg
×
℃)。3.根据权利要求1所述的储热型大空隙沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述植物基相变材料是由打碎的植物废料萃取而成的蜡状或油状物料，主要成分为高碳脂肪烷醇。4.根据权利要求1所述的储热型大空隙沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述植物基相变材料的熔融峰值温度为70～90℃，潜热为200～250kj/kg，比热容为1500～2000j/(kg
×
℃)。5.根据权利要求1所述的储热型大空隙沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述植物基相变材料用量的确定包括以下几个步骤：(1)计算集料和钢渣粉混合物比表面积(m2/kg)＝(0.41a+0.41b+0.82c+1.64d+2.87e+6.14f+12.29g+32.77h)/102式中：a、b、c、d、e、f、g、h分别表示集料和钢渣粉混合物通过19mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm筛孔的质量百分率。(2)在12～16μm范围内选择植物基相变材料膜厚；(3)计算植物基相变材料用量(％)＝植物基相变材料膜厚
×
集料和钢渣粉混合物比表面积
×
植物基相变材料密度(g/cm3)/10。6.如权利要求1-5任一所述的储热型大空隙沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将各档集料加热至180～210℃，按照设定比例投入搅拌缸中，拌和10～15s，然后投入温度为150～170℃的高粘沥青，搅拌5～10s，即得到大空隙沥青混合料；(2)将钢渣粉加热至180～210℃，按照设定比例投入搅拌缸中，搅拌35～40s；(3)将植物基相变材料加热至70～90℃，按照设定比例投入搅拌缸中，搅拌5～10s，即得到储热型大空隙沥青混合料。7.如权利要求1-6任一所述的储热型大空隙沥青混合料在低温环境的施工方法，其特征在于，包括以下几个步骤：(1)制备储热型大空隙沥青混合料，混合料温度应保持在170～185℃之间，当施工气温低于0℃时，采用温拌技术制备大空隙沥青混合料；(2)将储热型大空隙沥青混合料运输至施工现场，到场温度按照160℃～180℃之间控制；(3)在储热型大空隙沥青混合料摊铺前，采用加热机对下承层进行预热至60℃；(4)加热机后跟随一台保温篷布自动收卷装置，将加热机经过路段采用保温篷布进行全覆盖，待摊铺机行至该路段时，再将保温篷布卷起；(5)将混合料均匀摊铺在下承层上，摊铺机速度与加热机速度保持一致，控制为1～3m/min，以使整个作业面施工协调；(6)采用压路机将混合料碾压密实，压路机应紧跟摊铺，执行紧跟慢压，水量以不粘轮为标准尽量减少，以免水分引起的温度散失。8.根据权利要求7所述的储热型大空隙沥青混合料在低温环境的施工方法，其特征在
于，所述预热工艺中将下承层表面温度提高至60℃所需的热量q＝c
×
ρ
×
v
×
(60-t0)；式中：热量q单位为j，比热容c单位为j/(kg
×
℃)，毛体积密度ρ单位为103×
kg/m3，体积v单位为m3，下承层表面温度t0单位为℃。9.根据权利要求8所述的储热型大空隙沥青混合料在低温环境的施工方法，其特征在于，所述加热机的速度设定为v，功率为p，二者需满足的关系：p/v＝q/l；式中：功率p单位为j/s，速度v单位为m/s，施工路段长度l单位为m。10.根据权利要求7所述的储热型大空隙沥青混合料在低温环境的施工方法，其特征在于，所述储热型大空隙沥青混合料的比热容为1100～1300j/(kg
×
℃)，毛体积密度ρ为2.1
×
103kg/m3。

技术总结
本发明涉及道路工程技术，提供了一种储热型大空隙沥青混合料，包括大空隙沥青混合料100份、钢渣粉3-7份以及植物基相变材料4-6份。本发明还提供了上述储热型大空隙沥青混合料的制备方法，以及其在低温环境下的施工方法。本发明的储热型大空隙沥青混合料、制备方法及低温环境施工方法，其相比常规大空隙沥青混合料添加了高比热容的钢渣粉，以及自动储热放热的植物基相变材料，在混合料制备过程中储存了大量的热量，在后续摊铺过程中热量逐渐释放。同时结合加热机预热和篷布覆盖保温，显著提高了混合料的施工温度，保障了施工质量。保障了施工质量。


技术研发人员：李明亮 刘江 李学友 李俊 武昊 肖平
受保护的技术使用者：交通运输部公路科学研究所
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/28