CN103482925B - 一种吸水保水材料改性剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸水保水材料改性剂及其应用。所公开的吸水保水材料改性剂是由水泥、海泡石粉、吸水性树脂、硅灰和减水剂组成。该吸水保水材料改性剂可用于提高吸水保水材料的吸水性能和抗折强度，从而有效地改善保水式路面的吸水性和抗折性。

Description

一种吸水保水材料改性剂及其应用

技术领域

本发明涉及一种路面材料，特别涉及一种吸水保水材料改性剂及其应用。

背景技术

城市沥青路面热容小而吸热快，在太阳辐射相同的条件下，升温迅速。例如，在夏季，当树冠或草坪温度达到30℃的时候，水泥路面的温度可以达到57℃，沥青路面的温度则可以达到63℃，有时甚至接近70℃。这些路面铺装在城市中成了巨大热源，烘烤周围大气环境，造成环境气温升高，导致城区温度高于周边地区3℃左右，局部地区的气温有时甚至比郊区高出6℃以上，加剧了城市热岛效应。城市热岛效应带来的不利影响包括增加了居民降温能耗、气体污染物质和温室气体的释放量，劣化了人居环境的舒适度，损坏了居民的身体健康。此外，沥青路面吸收热量后，温度升高，沥青由粘弹性体向粘性体过渡，沥青混合料的抗剪能力下降。在渠化交通的作用下，加速了车辙、拥包、泛油等路面病害的生成和发展。

铺筑保水式路面是缓解城市热岛效应的一种有效方法。文献1（孙高峰.保水性沥青混合料材料组成设计及路用性能研究[D].西安：长安大学硕士学位论文，2009，6.）公开了保水性沥青混合料材料组成设计及路用性能研究，具体公开的一种保水式路面材料，该保水式路面材料是以空隙率为20%的多孔沥青混合料为母体材料，在空隙中灌注吸水保水材料。这种吸水保水材料以乳浆状灌注于多孔沥青混合料中，经养生硬化后具有一定的强度，且具有吸水和保水功能。所公开的吸水保水材料是由矿渣微粉、粉煤灰、消石灰和水为主要原料，具体组分见表1。

表1吸水保水材料组成及原材料性状（文献2，P59,表3.18）

这种吸水保水材料因存在以下问题，限制了其推广使用。

（1）材料吸水能力不足，不利于路面温度的持续降低；

（2）材料的抗折强度偏低，影响了整体路面材料的强度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种吸水保水材料改性剂，用以提高吸水保水材料的吸水能力和抗折强度。

为此，本发明提供的吸水保水材料改性剂是由以下原料配比组成：

水泥：1质量份；

海泡石粉：0.4～0.6质量份；

吸水性树脂：0.1～0.2质量份；

硅灰：0.2～0.3质量份；

减水剂：0.06～0.1质量份。

所述的水泥为普通硅酸盐水泥，且普通硅酸盐水泥强度等级为42.5R或52.5R。

所述的海泡石粉平均粒径为0.075mm～0.1mm。

所述的硅灰平均粒径为0.1～0.3μm。

所述吸水性树脂为丙烯酸树脂，且吸水性树脂吸水倍率大于800倍，75μm标准筛通过率大于85%。

所述的减水剂为聚羧酸系减水剂。

本发明另一目的在于提供利用上述改性剂用以提高吸水保水材料吸水性能和抗折强度的应用。

所述吸水保水材料的组分包括矿渣粉、消石灰和粉煤灰，所述改性剂在吸水保水材料的添加质量为矿渣粉和消石灰质量和的12%。

所述改性剂与吸水保水材料中各组分的混合方法为：首先将矿渣粉、粉煤灰、消石灰、水泥、海泡石粉、硅灰拌和均匀，而后加入吸水性树脂，拌和均匀后加入水，继续拌和均匀后加入减水剂，再拌和均匀得乳浆材料。该掺拌顺序有利于各组分均匀分散，且为拌和所得的乳浆材料提供良好的流动性和施工和易性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）改性剂中适量的的水泥可增强乳浆（经养生硬化后）的强度。

（2）掺加适量的海泡石粉可增强乳浆（经养生硬化后）吸水与保水能力和材料的抵抗变形的能力。

（3）改性剂中的吸水性树脂可增强乳浆（经养生硬化后）吸水与保水能力；乳浆（经7天养生硬化后）的吸水率能够达到50%（体积比），同时，掺加吸水性树脂可改善材料的抗裂性能，为养生期及后期材料强度的形成和增长提供了保障。

（4）适量硅灰能够显著提高乳浆（硬化后）的早期和后期强度。

（5）适量减水剂可提高乳浆的流动性和施工和易性，使得在不增加用水量的前提下，能够将乳浆顺利灌注进多孔沥青混合料的空隙中；在保证乳浆相同的流动性状态时，掺加减水剂相对而言减小了水的用量，因此提高了乳浆（硬化后）的强度。

具体实施方式

本发明中的矿渣微粉来源于高炉炼铁的炉渣经研磨后得到的粉末状物质。其主要成分由氧化钙、氧化镁、氧化硅和氧化铝组成，共占总量的95％以上。

本发明中的硅灰指的是在冶炼硅铁和工业硅时，通过烟道排出的硅蒸汽氧化后，收集得到的主要成分为二氧化硅的灰色或灰白色粉末。

本发明中的海泡石粉是一种富镁粘土矿物经磨细得到的粉末。

利用本发明的改性剂进行保水式沥青路面的施工过程如下：

（1）铺筑多孔沥青混合料路面，空隙率为20%-30%；

（2）于多孔沥青混合料中灌注乳浆材料；

（3）经养生7天后得到具有吸水保水功能的保水式沥青路面。

采用多孔沥青混合料作为路面母体材料，多孔沥青混合料路面铺筑施工完成后，温度降低至30℃-40℃左右时，在路面的空隙中灌注乳浆，由于掺加了减水剂，这种材料施工时具有适宜的流动度，容易实现灌注施工，施工完成后，经过7天养生，乳浆硬化后成具有一定的强度，且具有吸水和保水的功能。填充于多孔沥青混合料中，也提高了母体材料—多孔沥青混合料的整体强度和性能。通过降雨或人工洒水，保水式沥青路面充分吸收水分，当温度较高时，通过路面材料所吸收的水分蒸发来实现降低路面和路表温度的目的。例如，夏季气温为30℃～40℃时，与普通沥青路面材料相比，这种保水式沥青路面能够降低路面温度10～16℃，显著提高道路周围的舒适度。在多孔沥青混合料中填充的乳浆材料，经养生硬化后具有较高抗折强度，除了增加了路面在高温天气时的道路的自动降温功能，还提高了路面材料整体的路用性能，特别是高温抗车辙能力，抗折强度和模量。

以下给出本发明的具体优选实施例，用于进一步说明本发明。这些实施例仅用于本领域技术人员充分的理解本发明，而不是用来限制本发明的范围。凡是在本发明技术方案之上进行的等同变换或者替换均属于本发明要求保护的权利范围之内。

实施例：

该实施例中所用原料为：

矿渣微粉：陕西龙城钢铁厂产矿渣微粉，平均粒径为75μm，比表面积为409m²/kg，其化学成分分析如表2所示：

表2

化学成分	SiO2	Al2O3	CaO	MnO	MgO	TiO2	Na2O
								质量百分比含量%	30.7	16.1	38.7	0.96	6.89	1.32	0.46

粉煤灰：陕西韩城二电厂产粉煤灰，粉煤灰的各项检测参数见表3：

表3

检验项目	标准要求	实测值
			细度（0.045mm方孔筛）（%）	≤45	27
烧失量（%）	≤15	0.4
			SO3（%）	≤3	0.3
SiO2（%）		62.3
			Al2O3（%）		21.3
28天抗压强度比（%）	≥62	79

消石灰：西安蓝翔化工有限公司产消石灰，为I级消石灰，性能指标满足《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）的相关技术要求。主要技术指标如表4所示。

表4

水泥：陕西秦岭水泥股份有限公司产普通硅酸盐水泥，安定性合格，强度等级为42.5R，性能指标满足《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）要求；

海泡石粉：产于河北易县，白色，河北易县海泡石厂，NY-C1型，平均粒径为0.075mm，化学成分如表5所示。

表5

成分	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	MnO	H2O+
										含量%	49.64	0.35	0.69	6.48	23.19	0.11	0.05	0.01	8.38

硅灰：西安霖源公司提供的硅灰，密度为2.28g/cm³，硅灰中粒径小于1μm的占80%以上，平均粒径在0.1～0.3μm，其化学组成如表6所示。

表6

吸水性树脂：唐山博亚树脂有限公司产吸水性树脂，型号为BY-V，白色粉末，其技术指标如表7所示。

表7

减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，具体型号为SIKA公司的Viscocrete3010。

该实施例中制备空隙率为20%的多孔沥青混合料母体结构，用到的材料为：

粗集料粒径为5～15mm，为玄武岩集料，技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的技术要求；

细集料粒径为0～3mm，为石灰岩机制砂，技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的技术要求；

矿粉为石灰岩磨细得到的粉末，技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的技术要求；

沥青品牌为SK，沥青标号为70号，具体掺量按照油石比为5%控制，技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的技术要求；

沥青改性剂为日本大有建设产高黏度沥青改性剂TPS，掺量为沥青质量的12%，掺加改性剂后，沥青的黏度值为158322Pa·s。

利用该实施例的保水性沥青混合料制备过程如下：

如以每平米路面计，多孔沥青路面路面厚度为5cm，空隙率为20%，需制备保水乳浆体积为10000cm³，保水乳浆密度约为2.0g/cm³(随配比不同略有差异，施工时应根据实际配得的乳浆检测得到),应制备保水乳浆20000g，其中，矿渣微粉8337g，粉煤灰926g，消石灰1389g，水6947g，水泥1212g，海泡石粉606g，吸水性树脂182g，硅灰303g，减水剂97g。具体为：

（1）首先制备空隙率为20%的多孔沥青混合料。其中，沥青改性剂的掺量为沥青质量的12%。

多孔沥青混合料的级配如表8所示。

表8

多孔沥青混合料的制备方法按照现行行业规范《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011规定的要求进行。

（2）制备吸水保水材料：

按照表9所示质量比，确定矿渣粉、粉煤灰、消石灰和水的比例。按照矿渣粉和消石灰质量的12%掺加本发明的改性剂。改性剂中各组分的质量比为水泥：海泡石粉：吸水性树脂：硅灰：减水剂=1:0.5:0.15:0.25:0.08；所述的水泥是普通硅酸盐水泥42.5R。

表9

首先将矿渣粉、粉煤灰、消石灰、水泥、海泡石粉和硅灰拌和均匀，而后加入吸水性树脂，拌和均匀后加入水，拌和150秒，最后加入减水剂拌和均匀，形成乳浆材料。

（3）将拌和好的乳浆材料灌注进多孔沥青混合料的空隙中，灌注在振动台上进行，可采用边灌注边振动的方式，振动过程中随时补充吸水保水乳浆材料使空隙能充分灌满，至吸水保水乳浆充分灌注。

（4）将灌注了乳浆的多孔沥青混合料采用覆盖塑料薄膜或者在标准养生室中养生7天，形成强度后最终得到保水性沥青混合料。

以下是发明人提供的关于该实施例的吸水保水材料和保水性沥青混合料的性能与功能试验：

试件制备：

（1）按照实施例的粗、细集料，沥青和改性剂原材料，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E-20-2011）中击实法（T0702）成型多孔沥青混合料马歇尔试件，试件为高度63.5mm，直径101.6mm的圆柱体。

（2）按照实施例的粗、细集料、矿粉，沥青和改性剂原材料，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E-20-2011）中轮碾法（T0703）成型多孔沥青混合料车辙板试件，试件为300mm×300mm×50mm的板块。

上述成型的多孔沥青混合料马歇尔试件和车辙板试件的空隙率按照体积法测得为20.0%。

（3）按照表9所示质量比，确定矿渣粉、粉煤灰、消石灰和水的比例。按照矿渣粉和消石灰质量的12%掺加本发明的改性剂。改性剂中各组分的质量比为水泥：海泡石粉：吸水性树脂：硅灰：减水剂=1:0.5:0.15:0.25:0.08；所述的水泥是普通硅酸盐水泥42.5R。制备得添加有改性剂的吸水保水乳浆，记为改性乳浆。

（4）按照表9所示质量比，确定矿渣粉、粉煤灰、消石灰和水的比例。制备得未添加有改性剂的吸水保水乳浆，记为原乳浆。

（5）分别将一部分拌和好的改性乳浆和原乳浆倒入4cm×4cm×16cm的长方体金属试模中，倒入前在试模内部涂覆甘油滑石粉隔离剂（甘油与滑石粉的质量比为2:1）；将剩余拌和好的乳浆灌注进多孔沥青混合料马歇尔试件和多孔沥青混合料车辙板试件，灌注在振动台上进行，采用边灌注边振动的方式，使得乳浆充分灌注。

（6）将灌注了乳浆的马歇尔试件、车辙板试件和倒入试模的乳浆材料在标准养生室（温度20℃，湿度95%）中养生7天，形成强度后最终得到填充有改性乳浆的沥青混合料马歇尔试件、填充有原乳浆的沥青混合料马歇尔试件、填充有改性乳浆的沥青混合料车辙板试件和填充有原乳浆的沥青混合料车辙板试件以及硬化后的改性乳浆试件和原乳浆试件。

分别按照相同的测定方法进行改性乳浆和原乳浆以及灌注这两种乳浆的沥青混合料试验。

一、保水材料吸水率的试验

采用改性乳浆和原乳浆制备的4cm×4cm×16cm试件，按如下方法测定其吸水率。

①用卡尺量取各试件的长度、高度和宽度（精确至0.1mm），测量时各长度选取3个位置，取其平均值计算试件的体积（V）。

②将试件置于20℃的水中24h，从水中取出试件，用洁净柔软的拧干湿毛巾轻轻擦去试件表面的水，称取试件的饱水质量（m₁）。

③将试件置于60℃的烘箱中48h，称取试件的干重（m₂）。

保水性材料的吸水率k应按下列公式（1）进行计算：

$k=\frac{m_1-m_2}{{\mathrm{\γ}}_w\×V}---\left(1\right)$

式中：m₁—试件浸水24h后的表干质量（g）；

m₂—试件的干重（g）；

V—试件的体积（cm³）；

γ_w—20℃时水的密度（0.99822g/cm³）。

试验结果应取3个试件吸水率的平均值，测得改性乳浆养生7天后吸水率为50.3%，原乳浆养生7天后吸水率为31.7%。由试验结果可知，改性乳浆养生7天的吸水率显著高于原乳浆。

二、保水材料抗压抗折强度

采用改性乳浆和原乳浆制备的4cm×4cm×16cm试件，按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）中的测试方法，测试其在养护7天后的力学性能，其中抗压强度测试加载速率为2400N/s±200N/s，抗折强度测试加载速率为50N/s±10N/s，并按照公式（2）和公式（3）计算抗压强度和抗折强度值，结果见表10。

抗压强度 $R_c=\frac{F_c}{A}---\left(2\right)$

式中：F_c—施加于试件上的荷载，N；

A—试件受压面积，mm²。

抗折强度 $R_f=\frac{1.5F_{f}L}{b^3}---\left(3\right)$

式中：F_f—施加于试件中部的荷载，N；

L—支撑的距离，mm；

b—试件截面的边长，mm。

表10

乳浆类别	抗压强度（MPa）	抗折强度（MPa）
			改性乳浆	8.6	2.8
原乳浆	1.9	0.6

试验结果表明，改性乳浆的抗折强度和抗压强度显著提高。

三、马歇尔稳定度试验

分别对灌注改性乳浆、原乳浆以及未填充乳浆的多孔沥青混合料马歇尔试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的沥青混合料马歇尔稳定度试验（T0709），测试其在养护7天后的马歇尔稳定度。其中测试加载速率为50mm/min，结果见表11。

表11

序号	马歇尔稳定度（kN）
		灌注改性乳浆的多孔沥青混合料	11.3
灌注原乳浆的多孔沥青混合料	7.2
		未灌注乳浆的多孔沥青混合料	5.6

试验结果表明，灌注改性乳浆的多孔沥青混合料马歇尔稳定度值显著高于灌注原乳浆和未灌注乳浆的多孔沥青混合料。

四、车辙动稳定度试验

分别对灌注改性乳浆、原乳浆以及未填充乳浆的多孔沥青混合料车辙板试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的沥青混合料车辙试验（T0719），测试养护7天后的车辙动稳定度。结果见表12。

表12

序号	动稳定度（次/）
		灌注改性乳浆的多孔沥青混合料	13866
灌注原乳浆的多孔沥青混合料	10132
		未灌注乳浆的多孔沥青混合料	4831

试验结果表明，灌注吸水保水乳浆后，大幅度提高了多孔沥青混合料的车辙动稳定度，且灌注改性乳浆的多孔沥青混合料动稳定度指标显著高于灌注原乳浆的多孔沥青混合料。

五、降温效果测试

分别对灌注改性乳浆、原乳浆以及未填充乳浆的多孔沥青混合料车辙板试件，采用文献2中所述的辐射热交换测试仪进行测定（文献2，P62-64）。

采用上述降温评价测试装置分别对灌注改性乳浆、原乳浆以及未填充乳浆的多孔沥青混合料车辙板试件进行降温效果时间，试验前将三种种材料试件均放置在20℃的水中浸泡2小时。测试仪器每隔5s时间记录一次数据试件表面温度。

表13

由表13可以看出，灌注改性乳浆的多孔沥青混合料在测试时间达到60min时，降温效果达到17.2℃，灌注原乳浆的多孔沥青混合料降低14.3℃，表明改性乳浆灌注后，降温效果更显著。

综上，掺加了本发明改性剂后的吸水保水材料在吸水能力和抗折强度方面显著提高。

Claims (9)

1.一种吸水保水材料改性剂，其特征在于，该吸水保水材料改性剂是由以下原料配比组成：

水泥：1质量份；

海泡石粉：0.4～0.6质量份；

吸水性树脂：0.1～0.2质量份；

硅灰：0.2～0.3质量份；

减水剂：0.06～0.1质量份。

2.如权利要求1所述的吸水保水材料改性剂，其特征在于，所述的水泥为普通硅酸盐水泥，且普通硅酸盐水泥强度等级为42.5R或52.5R。

3.如权利要求1所述的吸水保水材料改性剂，其特征在于，所述的海泡石粉平均粒径为0.075mm～0.1mm。

4.如权利要求1所述的吸水保水材料改性剂，其特征在于，所述的硅灰平均粒径为0.1～0.3μm。

5.如权利要求1所述的吸水保水材料改性剂，其特征在于，所述吸水性树脂为丙烯酸树脂，且吸水性树脂吸水倍率大于800倍，75μm标准筛通过率大于85%。

6.如权利要求1所述的吸水保水材料改性剂，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸系减水剂。

7.利用权利要求1至6任一权利要求所述的吸水保水材料改性剂用以提高吸水保水材料吸水性能和抗折强度的应用。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述吸水保水材料的组分包括矿渣粉、消石灰和粉煤灰，所述吸水保水材料改性剂在吸水保水材料的添加量为矿渣粉与消石灰质量和的12%。

9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述改性剂与吸水保水材料中各组分的混和方法为：首先将矿渣粉、粉煤灰、消石灰、水泥、海泡石粉、硅灰拌和均匀，而后加入吸水性树脂，拌和均匀后加入水，继续拌和均匀后加入减水剂，再拌和均匀得乳浆材料。