CN103265247A - 高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，由第一组分和第二组分组成；第一组分由水泥、废弃物、砂、聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂和固化剂组成，第一组分中各物质在第一组分中的质量分数为：水泥22％～45％、废弃物15％～33％、砂20％～33％、水13％～20％、聚合物乳液2％～6％、减水剂0.2％～1.0％、消泡剂0.5％～1.0％、固化剂0.2～0.6％；第二组分为纤维，纤维的加入量为水泥、废弃物和砂三者总质量的0.5％～5％。利用本发明水泥基复合材料具有超高韧性、抗渗性好、耐磨性好、抗冲击性好及具有绿色环保性能。应用本材料制备机场跑道铺装层，满足机场跑道对混凝土材料性能要求，抗折、抗渗性和抗冲击性大幅度提高，应用该材料还可用作桥面及公路路面的修复材料。

Description

高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层
技术领域
本发明涉及机场跑道铺装材料，特别涉及一种高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层。
背景技术
机场跑道的路面多为混凝土铺装层，极少部分为沥青材质。混凝土作为机场跑道耐磨性较差、易收缩开裂、脆性大，飞机降落的冲击力及重载力往往会造成局部开裂甚至断裂，使用寿命短及重复维修费用高，每次的修复都会消耗一定的能源，对环境产生一定的负担。针对以上问题，目前主要采用聚合物混凝土作为修复材料，虽然有一定的成效，但是对于基体的韧性及抗冲击性能改善较小。沥青混凝土虽然具有美观且利于修复等优点，但是水稳定性及高温稳定性差，造价高且不耐久，不利于机场路面的建造及修复。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于开发一种韧性好、耐冲击、耐磨且吸水率低的高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层。
本发明的技术方案是这样实现的：
高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，由第一组分和第二组分组成；第一组分由水泥、废弃物、砂、聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂和固化剂组成，第一组分中各物质在第一组分中的质量分数为：水泥22％～45％、废弃物15％～33％、砂20％～33％、水13％～20％、聚合物乳液2％～6％、减水剂0.2％～1.0％、消泡剂0.5％～1.0％、固化剂0.2～0.6％；第二组分为纤维，纤维的加入量为水泥、废弃物和砂三者总质量的0.5％～5％。
上述高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，所述废弃物为粉煤灰或铁矿渣。
上述高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，所述水泥为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或两种，水泥强度等级≥52.5。
上述高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，所述纤维为聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、改性聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、钢纤维和玻璃纤维中的一种或多种。
上述高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，对所述聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为1％～5％硅烷偶联剂溶液，24～48小时后取出并室温晾干，在润滑油中浸泡12～24小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
上述高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，所述纤维的长度为3mm～35mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为2000MPa～100GPa。
上述高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，所述聚合物乳液为醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、水性环氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸乳液和苯丙乳液中的一种或多种。
上述高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，所述砂的粒径范围为125μm～3000μm。
上述高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为1％～5％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为1％～5％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比(1～5)∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌24小时以上，水冲洗过滤，烘箱内烘干24h以上，然后按照固液质量比为(1～5)∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌1h以上，再放入70℃～100℃烘箱中24～48h，即得改性粉煤灰。
本发明的有益效果是：
1、本发明产品材料具有高的韧性和抗冲击性，废弃物的应用增加了材料的长期耐久性，是一种理想路面铺装及修复材料。
2、本发明利用了纤维的增强增韧性能和抗变形能力，显著的提高了界面抵抗变形性，当负载达到最大时，改材料不会发生脆性断裂，可以像金属一样产生一定的弯曲强度。
3、添加聚合物乳液提高了材料的弯曲强度和抗冲击能量。
4、废弃物替换水泥有效的抑制由于水泥产生的自收缩等现象，且对环境的可持续发展具有重要意义。可以使用粉煤灰和铁矿渣作为原料，不仅能提高水泥基材料的韧性和长期耐久性，而且对环境的可持续发展具有重要意义。
本发明可达到如下技术指标：力学性能：28天抗压强度可达到40～60MPa，抗弯曲强度可达15～30MPa，抗冲击能达到3000N·m～5000N·m，吸水率≤2.23％，磨耗值≤4.0g/m3。应用一年后，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
本发明复合材料具有超高韧性和抗冲击性能，聚合物乳液的添加大大提高材料的耐磨性能，粉煤灰及矿渣的应用不仅提高了冲击性、耐磨性能，而且可以降低粉尘对环境造成的污染，具有绿色环保性能。该材料还可用于桥面、道路的铺设，它的应用大大提高了使用年限。
具体实施方式
在下列实施例中，根据GB17671-1999进行抗折抗压性能测定，根据GBT21120-2007对抗冲击性能进行测定，根据JTGE30-2005对耐磨性能进行测定，根据GB/T11970-1997对吸水率进行测定。
实施例1
本实施例高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，由第一组分和第二组分组成；第一组分由水泥、废弃物、聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂和固化剂组成，本实施例中的废弃物为粉煤灰、聚合物乳液为水性环氧乳液，第一组分中各物质在第一组分中的质量分数为：40％普通硅酸盐水泥，15％粉煤灰，20％砂，20％水，4％水性环氧乳液，0.3％固化剂，0.2％减水剂，0.5％消泡剂；第二组分为聚乙烯醇纤维，聚乙烯醇纤维的加入量为水泥、粉煤灰和砂三者总质量的5％，充分搅拌混合均匀，摊铺在机场跑道上。
聚乙烯醇纤维的长度为3mm～18mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为20GPa～40GPa；所述砂的粒径范围为300μm～2000μm。
性能测试结果：28天抗压强度可达到45MPa，抗弯曲强度可达24MPa，抗冲击能量达到3292N·m，吸水率为2.00％，磨耗值为3.4g/m3。应用一年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例2
本实施例高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，由第一组分和第二组分组成；第一组分由水泥、废弃物、砂、聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂和固化剂组成，本实施例中废弃物为铁矿渣、聚合物乳液为丙烯酸乳液，第一组分中各物质在第一组分中的质量分数为：34.8％硫铝酸盐水泥，22.7％铁矿渣，23％砂，15％水，3％丙烯酸乳液，0.4％减水剂，0.6％消泡剂，0.5％固化剂；第二组分为芳纶纤维，芳纶纤维的加入量为水泥、铁矿渣和砂三者总质量的1.5％，充分搅拌混合均匀，摊铺在机场跑道上。
芳纶纤维的长度为10mm～20mm，直径为10μm～20μm，弹性模量为10GPa～40GPa；所述砂的粒径范围为200μm～800μm。
性能测试结果：28天抗压强度可达到46MPa，抗弯曲强度可达25MPa，抗冲击能量达到3920N·m，吸水率为2.23％，磨耗值为3.0g/m3。应用一年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例3
本实施例高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，由第一组分和第二组分组成；第一组分由水泥、废弃物、砂、聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂和固化剂组成，本实施例中废弃物为粉煤灰和铁矿渣的混合物、聚合物乳液为醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，第一组分中各物质在第一组分中的质量分数为：33％水泥，12.8％粉煤灰，10％铁矿渣，25.6％砂，12％水，5％醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，0.5％减水剂，0.5％消泡剂，0.6％固化剂；第二组分为聚酯纤维，聚酯纤维的加入量为水泥、粉煤灰、铁矿渣和砂四者总质量的3.5％，充分搅拌混合均匀，摊铺在机场跑道上。
聚酯纤维的长度为5mm～15mm，直径为10μm～20μm，弹性模量为5GPa～20GPa；所述砂的粒径范围为900μm～2000μm。
性能测试结果：28天抗压强度可达到50MPa，抗弯曲强度可达24MPa，抗冲击能量达到3528N·m，吸水率为1.9％，磨耗值为3.2g/m3。应用一年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例4
本实施例高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，由第一组分和第二组分组成；第一组分由水泥、废弃物、砂、聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂和固化剂组成，本实施例中废弃物为铁矿渣、聚合物乳液为丁苯乳液，第一组分中各物质在第一组分中的质量分数为：39.8％普通硅酸盐水泥，13％铁矿渣，19％砂，20％水，6％丁苯乳液，1.0％减水剂，1.0％消泡剂，0.2％固化剂；第二组分为聚丙烯纤维和钢纤维(质量比为1∶1)，纤维的加入量为水泥、铁矿渣和砂三者总质量的1.6％，充分搅拌混合均匀，摊铺在机场跑道上。
聚丙烯纤维的长度为3mm～18mm，直径为10μm～20μm，弹性模量为2000MPa～1GPa；钢纤维的长度为20mm～35mm，直径为300μm～800μm，弹性模量为150GPa～200Gpa；所述砂的粒径范围为1000μm～3000μm。
性能测试结果：28天抗压强度可达到50MPa，抗弯曲强度可达23MPa，抗冲击能量达到4116N·m，吸水率为2.1％，磨耗值为3.8g/m3。应用一年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例5
本实施例高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，由第一组分和第二组分组成；第一组分由水泥、废弃物、砂、聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂和固化剂组成，本实施例中废弃物为、聚合物乳液为苯丙乳液，第一组分中各物质在第一组分中的质量分数为：28.3％普通硅酸盐水泥，20.4％铁矿渣，21％砂，22％水，6％苯丙乳液，1.0％减水剂，1.0％消泡剂，0.3％固化剂；第二组分为改性聚乙烯醇纤维，改性聚乙烯醇纤维的加入量为水泥、铁矿渣和砂三者总质量的2％，充分搅拌混合均匀，摊铺在机场跑道上。
对聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为4.5％硅烷偶联剂溶液，48小时后取出并室温晾干，在10W/30润滑油中浸泡24小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
改性聚乙烯醇纤维的长度为10mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为20GPa～40GPa；所述砂的粒径范围为125μm～400μm。
性能测试结果：28天抗压强度可达到52MPa，抗弯曲强度可达26MPa，抗冲击能量达到4312N·m，吸水率为1.8％，磨耗值为3.1g/m3。应用一年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例6
本实施例高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，由第一组分和第二组分组成；第一组分由水泥、废弃物、砂、聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂和固化剂组成，本实施例中废弃物为粉煤灰、聚合物乳液为醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，第一组分中各物质在第一组分中的质量分数为：17％硫铝酸盐水泥，20％普通硅酸盐水泥，13％粉煤灰，15％砂，26.4％水，6％醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，1.0％减水剂，1.0％消泡剂，0.6％固化剂；第二组分为改性聚乙烯醇纤维，改性聚乙烯醇纤维的加入量为水泥、粉煤灰和砂三者总质量的1.5％，充分搅拌混合均匀，摊铺在机场跑道上。
对所述聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为1.2％硅烷偶联剂溶液，24小时后取出并室温晾干，在20W/20润滑油中浸泡12小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
改性聚乙烯醇纤维的长度为10mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为20GPa～40GPa；所述砂的粒径范围为125μm～400μm。
性能测试结果：28天抗压强度可达到52MPa，抗弯曲强度可达26MPa，抗冲击能量达到3822N·m，吸水率为2.2％，磨耗值为3.4g/m3。应用一年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例7
本实施例与实施例6的区别在于：所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为1.8％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为3.2％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比1.5∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌28小时，水冲洗过滤，烘箱内烘干25h，然后按照固液质量比为4.5∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌1h以上，再放入70℃烘箱中24h，即得改性粉煤灰。
性能测试结果：28天抗压强度可达到55MPa，抗弯曲强度可达30MPa，抗冲击能量达到4508N·m，吸水率为1.8％，磨耗值为3.0g/m3。应用两年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于：所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为3.8％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为1.5％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比4.6∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌30小时，水冲洗过滤，烘箱内烘干32h，然后按照固液质量比为3.5∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌1h以上，再放入100℃烘箱中28h，即得改性粉煤灰。
性能测试结果：28天抗压强度可达到51MPa，抗弯曲强度可达27MPa，抗冲击能达到4312N·m，吸水率为1.70％，磨耗值为3.0g/m3。应用一年半，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例9
本实施例与实施例3的区别在于：所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为1.3％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为1.7％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比1.4∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌29小时，水冲洗过滤，烘箱内烘干26h，然后按照固液质量比为1.2∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌1h以上，再放入80℃烘箱中36h，即得改性粉煤灰。
性能测试结果：28天抗压强度可达到55MPa，抗弯曲强度可达26MPa，抗冲击能达到4174N·m，吸水率为1.6％，磨耗值为2.8g/m3。应用一年半，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例10
本实施例与实施例1的区别在于：聚乙烯醇纤维为改性聚乙烯醇纤维，对聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为5％硅烷偶联剂溶液，48小时后取出并室温晾干，在润滑油5W/50中浸泡24小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
改性聚乙烯醇纤维的长度为10mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为20GPa～40GPa；所述砂的粒径范围为125μm～400μm。
性能测试结果：28天抗压强度可达到48MPa，抗弯曲强度可达26MPa，抗冲击能达到3920N·m，吸水率为1.90％，磨耗值为3.0g/m3。应用一年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例11
本实施例与实施例1的区别在于：聚合物乳液为醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、水性环氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸乳液和苯丙乳液的混合物，醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、水性环氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸乳液和苯丙乳液的质量之比为1∶1∶1∶1∶1。第二组分为聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维的混合物，聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维的质量之比为1∶1∶1∶1∶1。
聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、改性聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维的长度均为3mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量均为2000MPa～8000MPa。对聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为4.2％硅烷偶联剂溶液，42小时后取出并室温晾干，在润滑油5W/50中浸泡27小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
性能测试结果：28天抗压强度可达到48MPa，抗弯曲强度可达26MPa，抗冲击能达到4194N·m，吸水率为1.90％，磨耗值为2.9g/m3。应用一年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
实施例12
本实施例与实施例1的区别在于：第一组分中普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的总质量分数为40％，普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的质量之比为1∶2。
性能测试结果：28天抗压强度可达到59MPa，抗弯曲强度可达30MPa，抗冲击能达到4704N·m，吸水率为2.00％，磨耗值为3.0g/m3。应用一年，无大裂缝产生，表面无大的破损现象。可以达到提高路面抗磨损，抗冲击及抗弯曲要求。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (9)

1.高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，其特征在于，由第一组分和第二组分组成；第一组分由水泥、废弃物、砂、聚合物乳液、水、减水剂、消泡剂和固化剂组成，第一组分中各物质在第一组分中的质量分数为：水泥22％～45％、废弃物15％～33％、砂20％～33％、水13％～20％、聚合物乳液2％～6％、减水剂0.2％～1.0％、消泡剂0.5％～1.0％、固化剂0.2～0.6％；第二组分为纤维，纤维的加入量为水泥、废弃物和砂三者总质量的0.5％～5％。 
2.根据权利要求1所述的高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，其特征在于，所述废弃物为粉煤灰或铁矿渣。 
3.根据权利要求1所述的高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或两种，水泥强度等级≥52.5。 
4.根据权利要求1所述的高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，其特征在于，所述纤维为聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、改性聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、钢纤维和玻璃纤维中的一种或多种。 
5.根据权利要求4所述的高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，其特征在于，对所述聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为1％～5％硅烷偶联剂溶液，24～48小时后取出并室温晾干，在润滑油中浸泡12～24小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。 
6.根据权利要求1所述的高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层， 其特征在于，所述纤维的长度为3mm～35mm，直径为10μm～800μm，弹性模量为2000MPa～100GPa。 
7.根据权利要求1所述的高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，其特征在于，所述聚合物乳液为醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、水性环氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸乳液和苯丙乳液中的一种或多种。 
8.根据权利要求1所述的高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，其特征在于，所述砂的粒径范围为125μm～3000μm。 
9.根据权利要求2所述的高韧性耐冲击性水泥基复合材料机场跑道铺装层，其特征在于，所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为1％～5％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为1％～5％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比(1～5)∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌24小时以上，水冲洗过滤，烘箱内烘干24h以上，然后按照固液质量比为(1～5)∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌1h以上，再放入70℃～100℃烘箱中24～48h，即得改性粉煤灰。 
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