CN101343162B - 高韧性聚合物-橡胶粉-多孔水泥混凝土道路罩面材料和施工工艺 - Google Patents

Abstract

一种具有高韧性的聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料和施工工艺，每立方米该混凝土中聚合物用量20～75kg，水泥用量200～400kg，水灰比在0.25～0.40之间，集料中细集料量不大于20％，粗集料量不小于80％，添加0～5kg增塑剂和/或消泡剂，用不超过50％的体积率的橡胶粉取代天然集料，水泥或者由不超过40％的矿物掺和料取代。本罩面材料用小型机具、三辊轴和沥青摊铺机进行施工。本聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料的主要技术参数为：抗压强度≥15MPa、抗折强度≥5MPa；抗滑构造深度≥2.0mm；空隙率18～22％、透水系数≥1.5mm/s；吸声系数≥0.30和降噪效果≥5dB。本发明的罩面材料能综合利用废弃橡胶、具有高韧性、抗滑和吸声降噪等功能，适应于公路、市政道路和场坪的罩面。

Description

高韧性聚合物-橡胶粉-多孔水泥混凝土道路罩面材料和施工工艺

技术领域

本发明属于建筑材料，具体涉及一种高韧性聚合物-橡胶粉-多孔水泥混凝土道路罩面材料和施工工艺。

背景技术

目前高级公路的罩面层材料主要有水泥混凝土和沥青混凝土两种。水泥混凝土罩面层具有取材方便、施工简单、路面强度高、稳定性好、耐久性好等优点，但行车舒适性较差、罩面层与下层结构变形协调能力差、有接缝、容易破坏、噪音大等缺点。沥青混凝土罩面层具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪声低、养护维修简便等优点，但路面强度和刚度较低，容易产生车辙、松散剥落、反射裂缝等破坏。

国内外开始进行了聚合物改性多孔水泥混凝土罩面材料的研究，研究表明：这类材料有很好的吸声降噪和透水抗滑等功能，但是由于多孔混凝土的强度主要依靠集料接触处浆体的粘结作用而形成，表现出很强的脆性、在动荷载作用下容易松散剥落，通过聚合物改性后其韧性和动稳定性明显增强，但是其脆度系数(抗压比抗折强度)仍然保持在0.3左右，进一步增加聚合物虽然能降低脆度系数，但是也会降低抗压和抗折强度，也大幅度增加了材料的造价。

聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料，是在传统的聚合物改性多孔水泥混凝土罩面材料中，引入一定体积率的橡胶粉来代替矿物集料。在多孔水泥混凝土中掺入聚合物与橡胶粉后，充分利用橡胶颗粒的柔性来改善混凝土韧性，使聚合物改性多孔水泥混凝土罩面材料具有沥青混凝土路面的高韧性，同时也具水泥混凝土的高抗压强度的特点，还有耐水性好、抗老化、耐腐蚀、温度稳定性好，还有降噪、排水、减振、防滑等特点。随着我国汽车拥有量的增加，作为“黑色污染”的废橡胶轮胎已成为我国目前十分严重的环境问题。利用橡胶粉制备道路罩面材料也为大量利用废弃橡胶提供了一条新的途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效消纳废橡胶粉、且具有强度高、变形性能好、耐久性能好、抗裂性能优的高韧性聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土。这种混凝土能够用于旧水泥混凝土路面和沥青碎石或混凝土路面的罩面材料，也可以做新建路面的上面层，也适宜于其他场坪的罩面。进一步提高聚合物改性多孔水泥混凝土罩面材料的性能特别是韧性。

本发明的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料的配比是：每立方米材料中水泥的用量为200～400kg，聚合物用量按它的固相量计为水泥质量的2～20％，通常每方用量控制在20～75kg，水灰比控制在0.25～0.40之间，集料中粒度2.36mm以下细集料百分率≤20％，粒度4.75mm以上粗集料的百分率≥80％，或者由不超过50％体积率的橡胶粉取代矿物集料，添加0～5kg的其它助剂如增塑剂和/或消泡剂，添加0～100kg填料如粉煤灰、硅灰等。

本发明的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料中，所用水泥为硅酸盐类水泥、铝酸盐水泥或硫铝酸盐类水泥，水泥或者由不超过40％的矿物掺和料等量或超量取代，用于取代水泥的矿物掺和料是矿渣粉、粉煤灰、石灰石粉、烧粘土或烧煤矸石。

为实现增加罩面材料韧性的目的：本发明在传统的聚合物改性多孔水泥混凝土罩面材料引入了橡胶粉。其中的橡胶粉为工业通用的丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶中一种或几种混合，或者由废弃橡胶粉代替，其粒径在0.075～9.5mm之间，或者由几种不同的粒径通过级配合成后使用。

其中的聚合物是：热固性树脂、焦油类树脂、乙烯类树脂中的一种或多种共混；或者选用丁苯橡胶乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(VAE)乳液中的一种或多种共混聚合物乳液；或者为所述的多种树脂或乳液的共混，或者使用上述聚合物制备的乳胶粉。

这种罩面材料的施工工艺是将聚合物与水泥、碎石、橡胶粉、砂、填料等放入搅拌机拌合均匀，在搅拌过程中或者加入适量的水、助剂拌合，将得到的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料混合料，运抵至现场后采用机械或者人工摊铺的方法均匀地铺在旧水泥混凝土路面或基层等下部结构之上，再采用振动设备将混合料振实；采用沥青摊铺机摊铺时，则在摊铺过程中利用摊铺机的熨平板将其振捣成型或用压路机碾压成型；成型后的罩面材料采用薄膜封闭养生，养生期1～7d，在开放交通之前或者暴露干燥1～2天，在封闭养生期间不需要补充水分。

本发明的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料的性能与优势：

(1)聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料能够大量消纳废橡胶粉，从而减少废轮胎对环境的不利影响。

废旧橡胶是一种在自然条件下难以分解的高分子弹性材料。它不溶于水，难溶于有机溶剂，且不易腐烂，大量的堆积极易引起火灾，按传统的方法进行处理，费用昂贵，因此对废旧橡胶的处理己关系到全球环境保护及资源利用等问题。据中国橡胶协会2005年公布的数据显示，我国2004年废旧轮胎橡胶的产量己达272万吨，其中约有40％的轮胎没有得到回收利用，对环境造成了巨大的威胁，同时也是一种严重的资源浪费。由此可见，聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料具有良好的应用前景。

(2)聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料的变形性能强。

加入橡胶粉后，由于橡胶粉具有保水作用。混凝土的泌水作用得到有效改善，粘聚性得到增强。橡胶粉颗粒可当作非常粗糙，重量轻且容易变形的细砂集料，其作为分布在混凝土内部微小的可伸缩颗粒群，会截住混凝土的微观裂缝，从而阻止或减慢微观裂纹合成宏观裂缝而导致混凝土快速断裂破坏的现象，并且橡胶粉容易变形的特性可以帮助减低由湿度或温度等变化而在混凝土内部产生的应力。

加入聚合物后，在水泥浆与骨料之间形成具有较高粘结力的膜，从而使水泥石结构形态发生改变，经过聚合物改性后水泥混凝土可以在大幅度提高混凝土抗折强度的同时降低其抗压强度，混凝土的脆性降低而柔韧性增加，逐渐向一种柔韧性材料转化。并且聚合物的掺入改变了混凝土内部的孔结构，改善了水泥浆体与骨料的粘结，减少了硬化水泥浆体中的微裂纹，从而改善了水泥混凝土的物理力学性能

(3)聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料，具备了沥青混凝土罩面层材料的优点，并克服了沥青混凝土罩面层材料的缺点。

从变形性能方面看，水泥混凝土罩面层与沥青混凝土罩面层是两种力学性能截然不同的罩面层结构。对于聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料，由于聚合物、橡胶粉和助剂的品种、含量可以调节，合理配制的聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料可以得到非常高的变形性能，因此，变形性能适度的聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料，具有类似沥青混凝土罩面层的优良变形性能，显著提高传统刚性罩面层的韧性，从而使水泥混凝土罩面层柔性化，路面力学性能显著提高。

由于沥青混凝土罩面层材料的稳定性和抗老化能力差，因此，沥青混凝土罩面层水稳定性差、温度稳定性差、耐化学老化性能差、容易产生车辙、松散剥落、反射裂缝等病害。而合理配制的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料，在保持了水泥混凝土高强度的同时，还克服了沥青混凝土稳定性、耐久性差的缺点，因此聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料，具有沥青混凝土罩面层所无法达到的优良的水稳定性、温度稳定性及耐化学老化性的力学性能。

(4)聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料具有透水、降噪、防滑等表面功能。

作为多孔混凝土，聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料具有较大的空隙率及构造深度，从而使其具有普通水泥混凝土罩面材料所不能比拟的透水、降噪、防滑等表面功能，大幅度提高了罩面层的路用性能。

(5)聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料经济性能好。

采用聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料，可以大量消纳废橡胶粉，从而大幅度节约集料成本，并且采用上述工艺施工成型的多孔水泥混凝土罩面层，能够在显著减少聚合物掺量的情况下，使路面保持现行聚合物水泥混凝土优良的力学性能。从而显著减少了单位体积混凝土中的聚合物加入量，大幅度减小了聚合物混凝土的成本。

另一方面：尽管沥青混凝土罩面层材料强度显著低于水泥混凝土罩面层，但由于沥青罩面层韧性好，沥青混凝土罩面层的厚度却比强度更高的水泥混凝土罩面层更薄。对于聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料，材料在保持较高强度的同时，还具有类似于沥青混凝土罩面层的高变形性能，因此同等情况下，其路面厚度可以比通常的沥青路面更薄，罩面层单位面积的材料成本不高，呈现出了较强的经济性能优势。

(6)聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料改善了传统罩面层的施工工艺

传统水泥混凝土罩面层由于材料收缩量大、路面厚度大、且需要振捣成型，因此施工速度慢、必须锯伸缩缝、且表面平整度难以保证，致使路面不连续、行车舒适性差。沥青混凝土罩面层工艺复杂，且施工温度高。而聚合物改性橡胶粉多孔混凝土罩面材料厚度较小，材料收缩小，采用摊铺机碾压工艺后，可以大幅度加快施工速度，路面连续性好，平整容易得到保证。

本发明的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料中的水泥浆，通过聚合物、橡胶粉改性，增强混凝土的韧性，其多孔的内部结构保证了其吸声降噪和透水能力、也减少混凝土收缩。它能够同时具有水泥混凝土罩面层与沥青混凝土罩面层的优点并克服其缺点。这种罩面材料可以象水泥混凝土一样成型，也可以象沥青混凝土一样摊铺成型，并且不需要碾压，是一种利用废品，经济而且使用方便的罩面材料。

具体实施方式

(一)聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料的配制及性能

本发明中的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料，由混合后的聚合物与水泥形成的浆体作为胶结料，与橡胶粉、集料等均匀混合后形成。

胶结料由聚合物材料(聚合物或聚合物乳液或它们的共混体)、水泥、助剂、混凝土外加剂、填料等组成。聚合物材料是热固性树脂、焦油类树脂、乙烯类树脂等中的一种或多种共混，或者为聚合物乳液，如丁苯橡胶乳液、氯丁橡胶乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、VAE乳液等的一种或多种共混，或者为多种树脂或乳液的共混；橡胶粉是丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等工业通用橡胶中的任一种，其粒径在0.075～9.5mm之间。水泥是硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥等硅酸盐类水泥，或者是铝酸盐和硫铝酸盐水泥；助剂为适宜于聚合物树脂材料、聚合物乳液或乳胶粉的消泡剂、增粘剂或分散剂；混凝土外加剂为混凝土早强剂、减水剂等；填料为粉煤灰、硅灰等。聚合物或聚合物乳液的品种和剂量，应根据最终聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料所使用的场合和要求进行试配确定，通过水灰比的调节控制混合料的工作性。

按照一定的配合比，将一定数量的聚合物或聚合物乳液或聚合物与乳液复配物、水泥、水、外加剂、偶联剂等首先搅拌均匀，然后再将其和橡胶粉、集料放入拌合机中搅拌，搅拌均匀后，形成的产物即为聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料混合料。

(二)、聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料的摊铺

将聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料混合料运至施工现场，采用机械或者人工摊铺的方法，将其摊铺在下承层上。下承层是适宜于在其上修筑现行水泥混凝土路面或沥青混凝土路面的基层，或者是旧道路：如水泥混凝土路面，或者是沥青混凝土路面。罩面材料直接铺设在经过湿水的下承层上，或者铺设在设置有沥青或者聚合物粘层的下承层上，或者铺设在顶面铺设土工隔栅的基础或旧路面上。

如果是用沥青摊铺机摊铺，混合料可以利用摊铺机的熨平板进行振捣密实。如果采用人工摊铺，可以使用三辊轴或一些混凝土路面的振捣设备和整平设备来施工。或者采用碾压成型，但通常不推荐使用碾压成型。成型后的罩面材料采用薄膜封闭养生，养生期1～7d，在开放交通之前应酌情暴露干燥1～2天，即可开放交通，在封闭养生期间不需要补充水分。

实施例1

材料组成：每立方水泥用量300kg，4.75～9.5mm粗集料1586.6kg，丁苯胶乳为水泥重量的8％，水灰比0.33，废弃橡胶粉取代集料的体积率为15％，制备的罩面材料3天抗折强度2.60MPa，抗压强度7.75MPa，折压比为0.335；制备的罩面材料7天抗折强度3.60MPa，抗压强度10.89MPa，折压比为0.331；制备的罩面材料28天抗折强度5.05MPa，抗压强度14.82MPa，折压比为0.341。

实施例2

材料组成：每立方水泥用量360kg，4.75～9.5mm粗集料1557.2kg，丁苯胶乳为水泥重量的8％，水灰比0.33，废弃橡胶粉取代集料的体积率为15％，制备的罩面材料3天抗折强度3.43MPa，抗压强度10.2MPa，折压比为0.336；制备的罩面材料7天抗折强度4.91MPa，抗压强度14.7MPa，折压比为0.334；制备的罩面材料28天抗折强度6.25MPa，抗压强度17.9MPa，折压比为0.349。

实施例3

材料组成：每立方水泥用量300kg，4.75～9.5mm粗集料1586.7kg，苯丙乳液为水泥重量的8％，水灰比0.32，废弃橡胶粉取代集料的体积率为18％，制备的罩面材料3天抗折强度1.43MPa，抗压强度3.59MPa，折压比为0.398；制备的罩面材料7天抗折强度2.47MPa，抗压强度6.86MPa，折压比为0.360；制备的罩面材料28天抗折强度5.43MPa，抗压强度15.12MPa，折压比为0.359。

实施例4

材料组成：每立方水泥用量360kg，4.75～9.5mm粗集料1557.2kg，苯丙乳液为水泥重量的8％，水灰比0.32，废弃橡胶粉取代集料的体积率为18％，制备的罩面材料3天抗折强度2.27MPa，抗压强度6.21MPa，折压比为0.365；制备的罩面材料7天抗折强度4.75MPa，抗压强度12.7MPa，折压比为0.374；制备的罩面材料28天抗折强度6.08MPa，抗压强度15.9MPa，折压比为0.382。

实施例5

材料组成：每立方水泥用量400kg，4.75～9.5mm粗集料1109.2kg，苯丙乳液为水泥重量的8％，水灰比0.32，废弃橡胶粉取代集料的体积率为50％，制备的罩面材料3天抗折强度3.43MPa，抗压强度18.81MPa，折压比为0.268；制备的罩面材料7天抗折强度4.02MPa，抗压强度14.9MPa，折压比为0.270；制备的罩面材料28天抗折强度6.16MPa，抗压强度22.9MPa，折压比为0.269。

实施例6

材料组成：每立方水泥用量300kg，粉煤灰用量100kg，4.75～9.5mm粗集料1109.2kg，苯丙乳液为水泥重量的10％，水灰比0.31，废弃橡胶粉取代集料的体积率为50％，制备的罩面材料3天抗折强度2.42MPa，抗压强度9.02MPa，折压比为0.268；制备的罩面材料7天抗折强度3.07MPa，抗压强度11.7MPa，折压比为0.263；制备的罩面材料28天抗折强度5.21MPa，抗压强度19.3MPa，折压比为0.270。

实施例7

材料组成：每立方水泥用量200kg，硅灰20kg，4.75～9.5mm粗集料1326.9kg，丁苯胶乳为水泥重量的15％，水灰比0.35，废弃橡胶粉取代集料的体积率为25％，制备的罩面材料3天抗折强度3.62MPa，抗压强度9.13MPa，折压比为0.396；制备的罩面材料7天抗折强度5.57MPa，抗压强度14.6MPa，折压比为0.381；制备的罩面材料28天抗折强度5.78MPa，抗压强度14.9MPa，折压比为0.388。抗冲击韧性达到13.96kN.m。

Claims (7)

1.一种聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土路面罩面材料，其特征是所述的罩面材料的组成为：每立方米材料中水泥的用量为200～400kg，聚合物乳液用量按它的固相量计为水泥质量的2～20％，水灰比0.25～0.40，集料中2.36mm以下细集料百分率不大于20％，4.75mm以上粗集料的百分率不小于80％，由不超过50％体积率的橡胶粉取代矿物集料，添加0～5kg增塑剂和/或消泡剂，水泥或者由不超过40％的矿物掺和料取代，该罩面材料的主要技术参数为：抗压强度≥15MPa、抗折强度≥5MPa；抗滑构造深度≥1mm；空隙率18～22％、透水系数≥1.5mm/s；吸声系数≥0.30和降噪效果≥5dB。

2.根据权利要求1所述的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料，其特征是，所用水泥为硅酸盐类、铝酸盐或硫铝酸盐类水泥。

3.根据权利要求1所述的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料，其特征是，用于取代水泥的矿物掺和料是矿渣粉、粉煤灰、石灰石粉、烧粘土或烧煤矸石。

4.根据权利要求1所述的的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料，其特征在于，所述的聚合物是：热固性树脂、焦油类树脂、乙烯类树脂中的一种或多种共混；或者为选自丁苯橡胶乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中的一种或多种共混聚合物乳液；或者为所述的多种树脂或乳液的共混，或者为使用上述聚合物制备的乳胶粉。

5.根据权利要求1所述的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料，其特征在于，所述的橡胶粉为工业通用的丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶中一种或几种混合，或者由废弃橡胶粉代替，其粒径在0.075～9.5mm之间，或者由几种不同的粒径通过级配合成后使用。

6.权利要求1所述的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料的施工工艺，其特征是，用小型机具、三辊轴和沥青摊铺机进行施工。

7.权利要求1所述的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土罩面材料的施工工艺，其特征是，将聚合物与橡胶粉、水泥、碎石、砂、填料放入搅拌机拌合均匀，在搅拌过程中加入水、或者加入助剂拌合，将得到的聚合物改性橡胶粉多孔水泥混凝土混合料运至工地，采用机械或者人工摊铺的方法，均匀的铺在旧水泥混凝土路面或基层下部结构上，再采用振动设备将混合料振实；采用沥青摊铺机摊铺时，则在摊铺过程中利用熨平板将其振捣成型，或用压路机碾压成型；成型后的灶面材料采用薄膜封闭养生，养生期1～7d，或者再暴露干燥1～2天，再开放交通，在封闭养生期间不需要补充水分。