CN104631259B - 一种纳米层状材料在水泥稳定碎石基层中的应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米层状材料在水泥稳定碎石基层中的应用方法，纳米层状材料可改善水泥稳定碎石基层的性能，有效地提高基层的力学性能和抗收缩性能。本发明的新型纳米层状材料为凹凸棒石、蒙脱石、高岭石等矿物材料，在水泥稳定碎石中的掺量为水泥量的5％～15％。本发明实现了纳米层状材料与水泥在纳米尺度上的均匀混合，改善水泥的流动性、颗粒表面特性和硬化水泥浆体的微观结构，填充水泥稳定碎石基层内部孔隙，以增强水泥稳定碎石基层的密实度、粘结力和整体强度，改善其保水性能，从而整体降低水泥稳定碎石基层裂缝的产生。

Description

一种纳米层状材料在水泥稳定碎石基层中的应用方法

技术领域

本发明是一种减少水泥稳定碎石基层的干缩裂缝，提高水泥稳定碎石基层抵抗干缩开裂能力的方法，旨在发明一种能有效改善水泥稳定碎石基层性能的添加剂，涉及水泥稳定碎石基层性能改善的技术领域。

背景技术

水泥稳定碎石基层具有早期强度高、整体性强、抗冰冻稳定性好、抗冲刷性能好、耐疲劳特性好、施工质量易于控制等优点，能承受更大的车辆荷载作用，可以适应重交通的需求，因此在我国高等级公路基层中广泛应用。

然而水泥稳定碎石基层存在的最突出问题是抗裂性较差，其材料具有一定的脆性，对温度、湿度敏感性较强，实际应用过程中，在温度和湿度的交替变化下容易收缩产生裂缝。在反复的车辆荷载和周期变化的环境因素影响下，水泥稳定碎石基层的裂缝顶端会产生较大的应力集中，进而造成基层裂缝沿面层底部向上反射，形成反射裂缝。反射裂缝的出现为地表水进入路面结构层提供了通道，由于进入的地表水得不到及时排出而滞留在面层与基层之间，在车辆荷载的反复作用下产生的动水压力冲刷基层，致使基层材料脱落松散；同时基层与面层的粘结力下降，路面结构层承载能力降低，最终导致路面结构层整体性损坏。

目前，为了减少水泥稳定碎石基层裂缝的产生，常采取四方面的技术措施：一是对水泥稳定碎石基层进行预制裂缝，包括在施工过程中预制微裂缝和对基层进行切缝或锯缝处理；二是优化水泥稳定碎石的配合比，减少基层自身的干缩变形；三是施工时加强水泥稳定碎石的养护，及时进行保水养生；四是通过掺入添加剂减缓基层的收缩开裂。随着研究的逐步深入，人们把掺入添加剂作为减少水泥稳定碎石基层开裂的重要途径进行深入的研究，如澳大利亚Rawlings经研究得出使用的外加剂主要是膨胀剂或减缩剂等；长安大学戴经梁教授课题组经研究得到膨胀剂和聚丙烯纤维均可提高水泥稳定碎石的抗裂性能；大连理工大学黄承逵、李清富教授的研究表明，聚丙烯纤维体积掺量小于1‰的前提下，其可以明显改善水泥稳定碎石的抗裂性；南京林业大学王元刚教授课题组对掺钢渣的水泥稳定碎石进行了研究，最后得出钢渣对水泥稳定碎石的干燥收缩有显著的影响；扬州大学肖鹏教授课题组研究发现，掺SBR胶乳的水泥稳定碎石材料的抗裂性能明显改善，且随着SBR胶乳掺量的增加抗裂性能不断提高等等。由此可见利用添加剂来补偿半刚性材料的收缩是一个有效的途径。目前，纳米层状材料在道路交通领域的研究才刚刚起步，国内外鲜有相关文献报道，将纳米层状材料用于改善水泥稳定碎石基层性能，也未见任何文献报道。

发明内容

技术问题：本发明解决的技术问题是提供一种纳米层状材料及其在水泥稳定碎石基层中的应用方法，实现纳米层状材料与水泥在纳米尺度上的均匀混合，改善水泥的流动性、颗粒表面特性和硬化水泥浆体的微观结构，填充水泥稳定碎石基层内部孔隙，以增强水泥稳定碎石基层的密实度、粘结力和整体强度，改善其保水性能，从而整体降低水泥稳定碎石基层裂缝的产生。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明的纳米层状材料在水泥稳定碎石基层中的应用方法采用的技术方案是：

步骤1：选用纳米层状材料作为水泥稳定碎石的添加剂，纳米层状材料在水泥稳定碎石中的掺量为水泥质量的5％～15％，水泥的质量占水泥稳定碎石质量的3％～6％；

步骤2：将所述纳米层状材料加入到水泥稳定碎石中，水泥稳定碎石采用悬浮级配，将选用的纳米层状材料、水泥、水、集料按确定的级配进行混合，采用拌和机进行拌和，制成纳米层状材料改良的水泥稳定碎石混合料；

步骤3：将步骤2拌和的纳米层状材料改良的水泥稳定碎石混合料，采用摊铺机进行摊铺，摊铺机的摊铺速度控制在1.0m/min～3.0m/min，每台摊铺机后面，应紧跟振动压路机和轮胎压路机进行碾压，一次碾压长度一般为50m～80m，碾压应遵循确定的程序与工艺碾压，要求在水泥终凝前及试验确定的延迟时间内完成，并达到要求的压实度，同时没有明显的轮迹；

步骤4：对按步骤3碾压完毕的纳米层状材料改良水泥稳定碎石基层进行养生，先用土工布覆盖基层，覆盖2小时后，再用洒水车洒水，在7天内应保持基层处于湿润状态，28天内正常养护，养生结束后，将覆盖物清除干净。

所述的纳米层状材料是凹凸棒石、蒙脱石、高岭石中的一种或它们的混合物。

所述的凹凸棒石经过化学改性：即将凹凸棒石经750℃～850℃高温煅烧2小时，然后冷却至室温。

有益效果：本发明是提高水泥稳定碎石基层抗裂性的重要手段，发明在以下几方面具有明显优势。

(1)采用外掺法提高水泥稳定碎石的干缩抗裂性，工序简单易于操作，且掺加剂的掺量易于控制。

(2)本项目所选用的纳米层状材料矿产丰富、价格低廉且具有胶体性、粘结性和填充性等优良特性，能够较大程度地降低水泥稳定碎石基层的收缩裂缝，降低道路养护成本，延长道路使用寿命。

(3)添加合适剂量的新型纳米层状材料可以提高水泥稳定碎石基层的抗裂性能，同时能在一定程度上提高水泥稳定碎石基层的抗压强度及劈裂强度。

附图说明

图1为不同掺量不同龄期的高效活性纳米凹凸棒石改良水泥稳定碎石的无侧限抗压强度。

图2为不同掺量下的高效活性纳米凹凸棒石改良水泥稳定碎石的劈裂强度。

图3为不同掺量下的高效活性纳米凹凸棒石改良水泥稳定碎石的时间-干缩系数。

具体实施方式

纳米层状材料可以是凹凸棒石、蒙脱石、高岭石中的一种或它们的混合物，但不局限于凹凸棒石、蒙脱石、高岭石，包括其他纳米层状材料。下面以凹凸棒石为例，说明本发明的具体实施方式。

由于凹凸棒石独特的晶体结构，比表面积大(140～210m²/g)，使其具有许多特殊的物理化学性能，如阳离子可交换性、吸附脱色性、粘性、可塑性、胶质性、高温稳定性、耐酸碱性等；在水中不膨胀或无明显膨胀，以此与蒙脱石区别；干燥后质轻、收缩小、不或很少出现裂纹。在建筑行业广泛应用于水泥砂浆、水泥混凝土中。

国外对凹凸棒石的性能和应用研究较早，1999年Berenguer等申请了专利，报道了凹凸棒石可以改善水泥砂浆保水性能。在此之后，Rydgren等利用凹凸棒石的亲水性、保水性和煅烧改性后的火山灰活性等，将凹凸棒石作为制备水泥砂浆外加剂的主要组分。国内学者也非常关注凹凸棒石在水泥基材料中的应用。韩静云等对掺凹凸棒石水下不分散混凝土性能进行了研究，由于凹凸棒石比表面积大、吸着能力强，能使混凝土拌合中的水、水泥、砂等集料相互吸附，防止离析，同时能改善其流动性、成型性，能提高水下不分散混凝土的强度，配制出符合水下施工要求的混凝土。

鉴于凹凸棒石在水泥基建筑材料中的成功应用，凹凸棒石能够显著改善水泥砂浆的流动性、有保水增稠作用，能够改善水泥颗粒表面特性，改善硬化水泥浆体的微观结构，提高水泥砂浆的抗渗能力，因此本发明提出以矿产丰富、价格低廉且具有胶体性、粘结性和填充性等优良特性的纳米凹凸棒石为添加剂，掺入到水泥稳定碎石基层中，使高效活性纳米凹凸棒石与水泥实现纳米尺度上的均匀混合，起到增稠作用，改善水泥的流动性、颗粒表面特性和硬化水泥浆体的微观结构，填充水泥稳定碎石基层的内部空隙，以增加水泥稳定碎石基层的密实度、粘结力、抗渗性能和整体强度，降低水泥稳定碎石基层裂缝的产生。

2.对凹凸棒石进行化学方法活化处理及其掺量的确定

(1)本发明采用750℃～850℃对原矿凹凸棒石进行高温煅烧处理2h，冷却至室温，制备高效活性纳米凹凸棒石。

(2)本发明从凹凸棒石对水泥稳定碎石基层的无侧限抗压强度、劈裂强度和干缩性能三个方面考虑，考虑凹凸棒石的合理掺量。

a.凹凸棒石掺量对无侧限抗压强度的影响

由于凹凸棒石具有填充孔隙，减少试件内部原始缺陷的作用，而且凹凸棒石具有火山灰活性，促进水泥水化，从而使水泥稳定碎石的强度增加。因此为了比较分析凹凸棒石掺量对水泥稳定碎石基层材料抗压强度的影响，进行不同掺量的抗压强度对比试验。水泥稳定碎石试件采用150mm×150mm静压成型圆柱形试件，试件压实度控制为98％。试件经7d、14d、28d标准养生，最后一天浸水。

图1为不同掺量不同龄期的高效活性纳米凹凸棒石改良水泥稳定碎石的无侧限抗压强度。由图1可以看出，在水泥稳定碎石混合料中添加适量的凹凸棒石可以提高试件的无侧限抗压强度。这是因为凹凸棒石具有火山灰活性，与水泥水化反应产生的钙矾石通常填充在试件内部的孔隙中，对孔隙起到了一定的填充加固作用；同时钙矾石的微膨胀又提高了试件的密实度，因此预期掺入5％～10％的凹凸棒石，可增大水泥稳定碎石的抗压强度。

b.凹凸棒石掺量对劈裂强度的影响

试件成型与养生同无侧限抗压强度试验。图2为不同掺量下的高效活性纳米凹凸棒石改良水泥稳定碎石试件的劈裂强度。由图2可以看出，在水泥稳定碎石混合料中添加适量的凹凸棒石可以提高试件的劈裂强度。预期掺入5％～10％的凹凸棒石，填充孔隙且与水泥水化反应生成钙矾石，而钙矾石产生的微膨胀又提高了试件的密实度，提高试件的承载能力，使试件的劈裂强度提高的同时又增强了抵抗干缩开裂的能力。

需要说明的是，由于钙矾石的后期膨胀比较明显，钙矾石的大量生成将造成试件内部的微观胀裂，从而使劈裂强度降低，因此必须严格控制凹凸棒石的掺量。

c.凹凸棒石掺量对干缩性能的影响

为了比较分析凹凸棒石的掺量对水泥稳定碎石基层干缩性能的影响，试验对不同掺量的干缩试验作对比。水泥稳定碎石试件采用150mm×150mm×550mm静压成型大梁试件，试件压实度控制为98％。试件首先经7d标准养生，然后在恒温恒湿的干燥室内进行50d的干缩，观察膨胀情况，试验结果如图3所示。

由图3可以看出，在养生初期，掺加不同掺量的凹凸棒石的各试件都出现了一定程度的收缩变形。在各条曲线中，没有掺加凹凸棒石的试件的收缩曲线，其干缩系数较大。而掺加凹凸棒石的试件，掺量5％时，由凹凸棒石的微填充补偿收缩变形，较没有掺凹凸棒石的试件变形有所降低；随着掺量的增加，收缩变形逐渐降低，在10％时干缩系数最小，比没有掺凹凸棒石的干缩系数降低了20.4％；但是15％的掺量与没有掺凹凸棒石试件的干缩系数基本相当，说明掺量过多反而增加了收缩变形。综合整个变形过程可以看出，对于此种水泥稳定碎石掺加5％～10％的凹凸棒石，可以使试件在整个干缩期处于相对稳定状态，起到补偿收缩的作用。

从实验结果可以看出：掺加凹凸棒石后，水泥稳定碎石材料在改善力学性能的基础上，抗裂性能得到明显的提高。

Claims (3)

1.一种纳米层状材料在水泥稳定碎石基层中的应用方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1：选用纳米层状材料作为水泥稳定碎石的添加剂，纳米层状材料在水泥稳定碎石中的掺量为水泥质量的5％～15％，水泥的质量占水泥稳定碎石质量的3％～6％；

步骤2：将所述纳米层状材料加入到水泥稳定碎石中，水泥稳定碎石采用悬浮级配，将选用的纳米层状材料、水泥、水、集料按确定的级配进行混合，采用拌和机进行拌和，制成纳米层状材料改良的水泥稳定碎石混合料；

步骤3：将步骤2拌和的纳米层状材料改良的水泥稳定碎石混合料，采用摊铺机进行摊铺，摊铺机的摊铺速度控制在1.0m/min～3.0m/min，每台摊铺机后面，应紧跟振动压路机和轮胎压路机进行碾压，一次碾压长度为50m～80m，碾压应遵循确定的程序与工艺碾压，要求在水泥终凝前及试验确定的延迟时间内完成，并达到要求的压实度，同时没有明显的轮迹；

步骤4：对按步骤3碾压完毕的纳米层状材料改良水泥稳定碎石基层进行养生，先用土工布覆盖基层，覆盖2小时后，再用洒水车洒水，在7天内应保持基层处于湿润状态，28天内正常养护，养生结束后，将覆盖物清除干净。

2.根据权利要求1所述的一种纳米层状材料在水泥稳定碎石基层中的应用方法，其特征在于所述的纳米层状材料是凹凸棒石、蒙脱石、高岭石中的一种或它们的混合物。

3.根据权利要求2所述的一种纳米层状材料在水泥稳定碎石基层中的应用方法，其特征在于所述的凹凸棒石经过化学改性：即将凹凸棒石经750℃～850℃高温煅烧2小时，然后冷却至室温。