用回收风机叶片废料作为填料的沥青玛蹄脂碎石混合料
技术领域
本发明涉及材料科学与工程领域，具体为一种利用回收风机叶片废料制备的沥青玛蹄脂碎石混合料及其制备方法。
背景技术
风能是一种清洁的可再生高效能源。目前，风能发电技术在全球范围内大规模使用。截止至2018年，全球风电装机总量539GW。风机叶片的使用寿命大概是15年，而风电的装机量也在不断提高，由于到达使用寿命、损坏等原因将会退役大量风机叶片。在我国，2018年退役的风机叶片5700吨，到2022年将有5900吨的风机叶片退役，大量退役的风机叶片不仅给环境带来了污染，也导致了资源的浪费。目前退役的风机叶片的主要成分为玻璃纤维增强聚合物复合材料，还有木材、聚氨酯等。然而，由于采用的树脂为交联性热固性树脂，不能被熔化重铸，并且由于风机叶片破碎后的固体废料尺寸不一，成分复杂，导致将其回收利用的难度很大。传统的处理方法是对风机叶片进行掩埋或焚烧处理，但这两种处理方法均会对环境造成大量污染，因此，急需一种能够大规模再利用回收风机叶片进行处理的技术。
沥青玛蹄脂碎石混合料是一种新型的沥青混合料结构，抗高温车辙性能好、温度敏感性低、低温抗裂性能强，大量用于高速公路路面。因为沥青玛蹄脂碎石混合料用于道路工程，对矿粉、碎石、矿物纤维等填料需求量巨大，将回收风机叶片破碎、作为填料用于这种路面材料中，既可以降低沥青马蹄脂碎石混合料的成本，又不会对环境造成污染，并且可以大规模回收利用废料，具有良好的经济、环境、社会效益。
发明内容
本发明的目的在于针对当前技术中存在以填埋和焚烧的方法处理废旧风机叶片带来的环境污染问题，提供一种能利用回收风机叶片废料作为填料制备的沥青玛蹄脂碎石混合料。
本发明的技术方案为：
一种用回收风机叶片废料作为填料的沥青玛蹄脂碎石混合料，以重量份计，包括如下组分：SBS改性沥青6～9份,木质素纤维和风机纤维状废料的总份数为8～12份,碎石料100～150份，风机粉末废料4～6份，风机块状废料1～5份；
上述混合料中，所述风机粉末废料的粒径＜0.075mm；风机纤维废料粒径满足0.075mm≤粒径＜9.5mm，且风机纤维废料的长宽比>10；风机块体废料的粒径≥9.5mm。
沥青玛蹄脂碎石混合料中除沥青外的集料满足国家沥青玛蹄脂碎石混合料的级配要求，
SBS改性沥青采用90号基质沥青。
上述混合料中，集料采用SMA-16骨架空隙结构级配，
级配表为：
回收风机叶片废料总量占所有物料总质量的0.12％～0.15％；SBS改性沥青和所有物料的油石比为5.00％～8.00％。
该混合料的组成为：SBS改性沥青0.7kg,木质素纤维和纤维状废料的总质量为0.8kg,碎石料10kg，风机粉末废料0.4kg,风机块状废料共0.2kg；回收风机叶片废料总量占所有物料总质量的0.14％。
所述风机纤维状废料的替代率为60％。
上述的沥青玛蹄脂碎石混合料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将风机叶片废料通过摇筛机进行筛分，按粒径不同分为风机粉末废料(粒径＜0.075mm)、风机纤维废料(0.075mm≤粒径＜9.5mm，且长度：宽度>10)和风机块体废料(粒径≥9.5mm)；并将筛分后的不同粒径的废料、不同粒径的碎石料和SBS改性沥青装在不同的容器内在烘箱内加热至160～180℃，并保温4h以上，保温备用；
步骤2：将搅拌锅预热至搅拌温度180～220℃，将各粒径碎石料按集料配比加入搅拌锅进行搅拌90-100s，搅拌温度180～220℃，搅拌速度为90-100r/min，随后将木质素纤维和风机纤维状废料按1：9～9：1的质量比加入搅拌锅，搅拌温度180～220℃，搅拌速度为90-100r/min，搅拌时间3～8min；将风机粉末废料按2：8～5：5的质量比分成两份，一份与集料一起搅拌，另一份先加入SBS改性沥青中进行预搅拌，搅拌温度180～220℃，搅拌速度为120～130r/min，搅拌时间5～10min；
步骤3：将进行预搅拌后的SBS改性沥青倒入搅拌锅，搅拌温度180～220℃，搅拌速度为90-100r/min，搅拌时间4～6min，搅拌均匀后得到回收风机叶片废料-SBS改性沥青玛蹄脂碎石混合料。
步骤2中将风机粉末废料较少的一份加入改性沥青中进行预搅拌。
沥青玛蹄脂碎石混合料的低温弯曲应变≥2500με，冻融劈裂强度比大于80％，且动稳定度大于4200次/mm。
本发明具有以下优点：
(1)本发明提供一种用回收风机叶片废料作为填料的沥青玛蹄脂碎石混合料，将尺寸不一、成分复杂的风机叶片废料进行了筛分，并针对沥青玛蹄脂混合料中的不同成分进行了分类替代，实现了对风机叶片废料的全回收，最大量利用了固废材料，有效的解决了退役风机叶片回收率低，处理困难大的问题，比起当前对回收风机叶片废料处理量最大的焚烧热能法，本发明的处理量能高出30％～50％，实现了对风机叶片废料的有效利用，且替代了沥青玛蹄脂碎石混合料中用量巨大的碎石集料和矿物纤维，能够降低沥青路面材料成本，可以将沥青混合料的碎石料部分成本缩减至0，降低10％～20％的材料成本，具有良好的应用前景。
(2)利用多种尺寸的风机纤维废料的尺寸协同效应，使风机叶片废料、木质素纤维、碎石集料在沥青玛蹄脂碎石混合料内部形成更加良好的嵌锁骨架结构和密实充填，提高材料抗裂性能和抗车辙性能，据实例表明，按本发明所制成的沥青玛蹄脂碎石混合料，其抗裂性能和抗车辙性能均高出普通的沥青玛蹄脂碎石混合料，优于性能1.1～1.3倍，说明本申请不仅能将回收的风机叶片大量的用在沥青玛蹄脂碎石混合料中，而且还能显著提高其综合性能，降低成本。
(3)本发明方法中将粉末废料分成两部分，一部分先与沥青混合，粉末废料也是及其细小的纤维，均匀混合在沥青胶浆中后，对低温环境下沥青玛蹄脂碎石混合料的微裂纹起到桥连作用，将沥青玛蹄脂碎石混合料的低温抗裂性能提高至普通沥青玛蹄脂碎石混合料的1.2～1.3倍。
(4)本发明混合料制备方法按照特定的配方组成，将全类型的废料进行回收利用，风机叶片废料的筛选分类，然后分开加热，再对原本碎石料中相应粒径石子的替代，达到对回收风机叶片废料充分利用的目的，获得了性能优越的混合料。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明用回收风机叶片废料作为填料的沥青玛蹄脂碎石混合料，以重量份计，包括如下组分：SBS改性沥青6～9份,木质素纤维和纤维状废料的总份数为8～12份,碎石料100～150份，粉末废料4～6份，块状废料1～5份。
风机粉末废料替代粒径≤0.075mm的碎石；在粒径＞0.075mm且粒径≤9.5mm的纤维废料中，选择风机纤维废料替代作为稳定剂的木质素纤维；采用风机块状废料来替代粒径＞9.5mm以上的碎石。
沥青玛蹄脂碎石混合料中除沥青外的集料满足国家沥青玛蹄脂碎石混合料的级配要求(参考于《JTGD50-2017公路沥青路面设计规范》)。
考虑到我国北方道路车辆载货载人量大，通过量大的路况和相对寒冷的气候条件，优选采用SMA-16骨架空隙结构级配。
沥青马蹄脂混合料中集料的级配如下表：
所述SBS改性沥青的制备过程是：将沥青加热至120～150℃时,加入SBS改性剂进行搅拌,后持续加热至180～200℃，得到SBS改性沥青，采用90号沥青，所述SBS改性剂的添加量为所述沥青质量的5～9％。
本申请选择粒径不同的风机废料分类替代沥青玛蹄脂碎石混合料中的集料：风机粉末废料替代粒径≤0.075mm的碎石；在粒径＞0.075mm且粒径≤9.5mm的纤维废料中，选择风机纤维废料替代作为稳定剂的木质素纤维；采用风机块体废料来替代粒径＞9.5mm以上的碎石，。
回收风机叶片废料总量占所有物料总质量的0.12％～0.15％。
SBS改性沥青和所有物料的油石比为5.00％～8.00％。
本申请还保护一种上述混合料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将风机叶片废料通过摇筛机进行筛分，按粒径不同分为风机粉末废料(粒径＜0.075mm)、风机纤维废料(0.075mm≤粒径＜9.5mm，且长度：宽度>10)和风机块体废料(粒径≥9.5mm)；并将筛分后的不同粒径的废料、不同粒径的碎石料和SBS改性沥青装在不同的容器内在烘箱内加热至160～180℃，并保温4h以上，保温备用；
步骤2：将搅拌锅预热至搅拌温度180～220℃，将各粒径碎石料按集料配比加入搅拌锅进行搅拌90s，搅拌温度180～220℃，搅拌速度为100r/min，随后将木质素纤维和风机纤维状废料按1：9～9：1的质量比加入搅拌锅，搅拌温度180～220℃，搅拌速度为100r/min，搅拌时间3～8min。为了保证风机粉末废料在集料间的粘合性，将风机粉末废料按2：8～5：5的质量比分成两份，一份与集料一起搅拌，另一份先加入SBS改性沥青中进行预搅拌，搅拌温度180～220℃，搅拌速度为120r/min，搅拌时间5～10min。
步骤3：将进行预拌后的SBS改性沥青倒入搅拌锅，搅拌温度180～220℃，搅拌速度为100r/min，搅拌时间4～6min，搅拌均匀后得到回收风机叶片废料-SBS改性沥青玛蹄脂碎石混合料。
实施例1
本实施例用回收风机叶片废料作为填料的沥青玛蹄脂碎石混合料，以重量份计，包括如下组分：SBS改性沥青0.7kg,木质素纤维和纤维状废料的总质量为0.8kg,碎石料10kg，风机粉末废料0.4kg,风机块状废料共0.2kg；
风机粉末废料替代粒径≤0.075mm的碎石；在粒径＞0.075mm且粒径≤9.5mm的纤维废料中，选择风机纤维废料替代作为稳定剂的木质素纤维；采用风机块状废料来替代粒径＞9.5mm以上的碎石。
回收风机叶片废料总量占所有物料总质量的0.14％。
沥青玛蹄脂碎石混合料采用SMA-16骨架空隙结构级配，
沥青马蹄脂混合料的级配如下表：
本实施例所用的SBS改性沥青均采用90号基质沥青，将沥青加热,当加热至150℃时,加入SBS改性剂进行搅拌,后持续加热至200℃，得到SBS改性沥青，沥青的型号采用90号沥青，SBS改性剂的添加量为所述沥青质量的6.00％。
按下列步骤制备沥青玛蹄脂碎石混合料
步骤1：将回收风机叶片废料进行筛分，按粒径不同分为风机粉末废料(粒径＜0.075mm)、风机纤维废料(0.075mm≤粒径＜9.5mm，且长度：宽度>10)和风机块体废料(粒径≥9.5mm)；并将筛分后的废料、集料和SBS改性沥青分别放在不同的容器中一起在烘箱内加热至180℃，并保温4h备用；
步骤2：按重量份将风机块体废料、碎石料、部分风机粉末废料、纤维废料和木质素纤维搅拌均匀，其中木质素纤维和玻璃钢风机纤维废料的质量比为9：1，加入的部分风机粉末废料占粒径0.075mm以下的碎石料的15％，搅拌温度为200℃，搅拌试件5min，搅拌速度为100r/min,充分混合后得到集料；剩余风机粉末废料加入SBS改性沥青进行预拌，搅拌温度200℃，搅拌时间5min,搅拌速度为120r/min。集料中的粉末废料与预拌在沥青中的粉末废料的质量比为1：1；
步骤3：将进行预拌后的SBS改性沥青倒入搅拌锅，搅拌温度220℃，搅拌时间5min，搅拌速度为100r/min,搅拌均匀后得到回收风机叶片废料制备的SBS沥青玛蹄脂碎石混合料。
实施例2
本实施例混合料的原料选择及制备方法同实施例1，不同之处在于加入的木质素纤维和风机纤维废料的质量比为1：9。
实施例3
本实施例混合料的原料选择及制备方法同实施例1，不同之处在于加入的木质素纤维和风机纤维废料的质量比为3：2。
对比例1
本对比例混合料的原料选择及制备方法同实施例1，不同之处在于加入的木质素纤维和风机纤维废料的质量比为9.5：0.5。
对比例2
本对比例混合料的原料选择及制备方法同实施例1，不同之处在于加入的木质素纤维和风机纤维废料的质量比为0.5：9.5。
对比例3
本对比例混合料的原料选择及制备方法其他步骤同实施例1，不同之处在于只加入了纤维废料不加入粉末废料。
表1：沥青玛蹄脂碎石混合料(不同木质素纤维和风机纤维废料质量比)性能试验结果
从表1可以看出，通过比较不同纤维废料掺加量的SBS沥青玛蹄脂碎石混合料的车辙性能，水稳定性能和低温抗裂性能，木质素纤维和纤维状废料的质量比为9.5：0.5时，其沥青玛蹄脂碎石混合料的冻融劈裂强度比不能满足规范要求(规范要求为≥80％)，木质素纤维和纤维状废料的质量比为0.5：9.5时，其沥青玛蹄脂碎石混合料的低温弯曲应变不能满足规范要求(规范要求为≥2500με)，故木质素纤维和玻璃钢纤维废料的质量比范围应为1:9～9:1，而最优的纤维状废料掺加量为实施例4中加入的木质素纤维和风机纤维废料的质量比为3：2的混合料。不加入粉末废料时，冻融劈裂强度比和低温弯曲应变均不符合规范要求，说明必须将纤维状废料和粉末废料结合加入混合料来保证混合料的力学性能。
实施例4
本实施例混合料的原料选择及制备方法同实施例1，不同在于为了改变粉末废料的掺入方式优化回收风机叶片废料沥青玛蹄脂碎石混合料的性能，将粉末废料分别按2：8的比例分成两份，比例为20％的粉末废料先加入沥青进行预拌，比例为80％的粉末废料与其他集料一起拌合，纤维状废料替代率为60％。
实施例5
本实施例混合料的原料选择及制备方法同实施例1，不同在于将粉末废料分别按3：7的比例分成两份，比例为30％的粉末废料先加入沥青进行预拌，比例为70％的粉末废料与其他集料一起拌合，纤维状废料替代率为60％。
实施例6
本实施例混合料的原料选择及制备方法同实施例1，不同在于将粉末废料分别按4：6的比例分成两份，比例为40％的粉末废料先加入沥青进行预拌，比例为60％的粉末废料与其他集料一起拌合，纤维状废料替代率为60％。
表2：沥青玛蹄脂碎石混合料(不同比例的粉末废料进行预拌)性能试验结果
从表2可以看出，上述实施例1-6制备的混合料动稳定度、冻融劈裂强度比、低温弯曲应变的综合性能均能满足规范要求，通过实施例4～6的沥青玛蹄脂碎石混合料的车辙性能，水稳定性能和低温抗裂性能，最优的添加粉末废料的掺入方式为实施例6中先按4：6的比例，先进行和SBS改性沥青的预拌，再与集料一起搅拌，所得沥青玛蹄脂碎石混合料的力学性能最佳。
对比例4
本对比例混合料的原料选择及制备方法同实施例1，不同在于，使用的基质沥青为70#沥青，其性能测试数据见下表。
由对比例4可知，使用70#基质沥青时，冻融劈裂强度比和低温弯曲应变均不符合规范要求，说明必须使用90#基质沥青。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未尽事宜为公知技术。
