CN104692719A

CN104692719A - 一种浇筑式冷拌铺装材料

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Publication number: CN104692719A
Application number: CN201510030908.1A
Authority: CN
Inventors: 田耀刚; 石帅锋; 连城; 李炜光
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: CN104692719B

Abstract

本发明提供了一种浇筑式冷拌铺装材料，该铺装材料包括乳化沥青、偶联剂、干料和水，所述的干料包括粗集料、细集料、水泥、纤维、废旧橡胶粉、减水剂、膨胀剂、破乳剂和速凝剂。本发明浇筑式冷拌铺装材料模量适中且可调，高温稳定性、极限变形能力以及抗水损害能力优良；常温条件下即可采用单层结构层一次浇筑成型，厚度可控制在6～8cm，工艺简单，成本低与钢(箱梁)桥面的变形随同性优异，且可在2h后开放交通；铺装层整体受力，避免双层结构层与层之间发生推移、薄层受力产生病害等缺点，具有良好的耐久性。

Description

一种浇筑式冷拌铺装材料

技术领域

本发明属于桥面材料研发技术领域，具体涉及一种浇筑式冷拌铺装材料。

背景技术

随着我国交通建设快速发展，桥梁作为交通枢纽中重要一环得到大规模建设，其中正交异性钢桥结构因重量轻、承载能力强、跨径长和施工工艺简单等优点而在跨海、跨江等大跨径桥梁以及公路、铁路等跨线桥梁中得到广泛采用。钢桥面板柔度大，加之采用桥面直接铺装材料的结构形式，在行车荷载和环境因素如温差、风载、洪水冲击、地震等共同作用下，铺装层受力特点和变形要远比公路路面、机场道面以及其他桥型结构铺装层复杂多变。特别是在我国重载、大流量交通特点日趋突显，钢桥面局部变形更大，且在各加劲肋与钢板焊接处容易产生应力集中现象，局部应变较大，导致铺装层材料长期受到弯拉破坏和层间剪切破坏作用。另外，钢桥面板温差大、防水防锈及层间粘结强度要求高，这些均决定了对桥面铺装材料性能要求远远高于一般路面铺筑材料。

目前应用于正交异性钢桥面铺装材料主要有浇筑式沥青混合料、沥青玛蹄脂混合料和环氧树脂沥青混合料。受钢桥面受力与变形特点影响，三种材料铺装的桥面层极易在短期内出现车辙、推移等病害，特别是在我国中南地区，由于夏季高温多雨潮湿天气持续时间长，桥面更易出现病害，短期内不得不进行二次修复且修复难度极大。另外，浇筑式沥青混合料需要在高温条件下施工，温度达240℃以上，对桥梁结构影响较大，施工需专用设备，施工工艺繁杂，耐高温性能差，易形成车辙、裂缝、推移等病害；沥青玛蹄脂混合料整体性和抗裂性、防水性能不如浇筑式沥青混合料且亦需高温铺装；环氧树脂沥青混合料配制工艺复杂，对施工环境、时间和温度要求十分严格，施工难度大，养护时间长，可达30天以上，后期修复难度大，环氧沥青制备关键技术多被国处控制，价格高，铺装成本高。

可见，目前铺装材料仍然无法有效突破层间粘结失效导致推移变形和面层反复疲劳破坏导致开裂等技术瓶颈，不能适应正交异性钢桥面复杂的受力特点。因此，鉴于钢桥梁应用广泛性、受力复杂性及桥面铺装材料重要性，开发高温稳定性、随同性、抗剪切破坏、抗水损害等性能优良的材料十分必要。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术瓶颈，提供一种浇筑式冷拌铺装材料，该材料能够有效避免桥面铺装层容易出现推移、开裂等问题，适应正交异性钢桥面复杂的结构受力特点。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种浇筑式冷拌铺装材料，该铺装材料包括乳化沥青、偶联剂、干料和水，所述的干料包括粗集料、细集料、水泥、纤维、橡胶粉、减水剂、膨胀剂、破乳剂和速凝剂；

所述的乳化沥青与干料质量比为15～25：100，偶联剂与干料质量比为0.05～0.1：100，水与干料的质量比为6～10:100，所述干料中各组分的配比为：粗集料50～55份，细集料30～45份，水泥14～25份，纤维0.1～0.5份，橡胶粉0.5～1份，减水剂0.01～0.05，膨胀剂0.2～0.6份，破乳剂0.05～0.2份，速凝剂0.2～0.4份。

具体的，所述的偶联剂为复合硅烷偶联剂，复合硅烷偶联剂包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷，γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷的质量比为2：1，所述的纤维为聚丙烯纤维。

更具体的，所述的粗集料为石灰岩碎石，所述的石灰岩碎石的压碎值为10％～20％，石灰岩碎石的洛杉矶磨耗率为20％～25％。

还有，所述的细集料为细度模数范围在2.3～3.0的河砂。

另外，所述的乳化沥青为阴离子乳化沥青，所述的水泥为复合快硬硫铝酸盐水泥，所述的橡胶粉为45～70目细度的以汽车废轮胎胎面橡胶为原料生产的A级硫化橡胶粉，所述的减水剂为萘系RY型减水剂，所述的膨胀剂为HEA膨胀剂，所述的破乳剂为AR型破乳剂，所述的速凝剂为有机物类速凝剂。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过偶联剂在浆体外围形成第一梯度结构联接层；纤维、偶联剂把浆体内碎片化的空间互穿网络结构联接成一体形成第二梯度结构联接层，第一、二梯度结构联接层使浆体以整体结构与周围集料牢固的粘结起来，形成直接承受外部荷载作用的第三梯度整体结构层，三梯度结构层充分发挥原材料各自优势，最终使水泥乳化沥青铺装材料整体上表现出更为优异的性能，同时解决由于水泥加入导致混合料极限变形能力差、乳化沥青掺入降低混合料强度两个近乎不可调和的问题，获得强度高、高温稳定性好和极限变形能力强的新型铺装材料；

(2)本发明在材料中加入一定量的复合硅烷偶联剂和聚丙烯纤维。复合硅烷偶联剂可在材料中发挥“偶联”作用，它可将浆体内的水化产物和沥青颗粒相联接，提高聚丙烯纤维与空间互穿网络结构的结合力，解决浆体内形成的空间互穿网络结构碎片化问题，并能将集料与浆体相联接；聚丙烯纤维则在碎片化的空间互穿网络结构之间发挥“桥接”作用，通过聚丙烯纤维自身物理缠绕作用，将碎片化的空间互穿网络结构相互联接，加之复合硅烷偶联剂的强化作用，使空间互穿网络结构之间的联接更为牢固；

(3)本发明的铺装材料采用单层结构层一次浇筑成型，铺装材料与桥面的粘结性好，变形随同性优异，抗剪切破坏能力、抗水损害能力强，厚度可控制在6～8cm，铺装层整体受力，避免双层结构层与层之间发生剪切破坏，产生推移、拥包等病害，耐久性良好；可在常温条件下采用一次浇筑成型方式铺装该材料，施工工艺简单，工期短，2小时后即可开放交通；成本低，受环境因素影响小，不污染环境。

具体实施方式

本发明基于各种原材料优点、材料间相容性、材料优势性能发挥最大化和对钢桥面结构适应性等因素的考虑，优化原材料的种类和配比，创造性设计出具有梯度结构特点的水泥乳化沥青铺装材料，材料的整体性能得到大幅改善；水泥乳化沥青铺装材料中乳化沥青提供水泥水化反应所需水分，而水泥水化反应又促进乳化沥青的破乳，水泥不断水化反应生成水化产物，乳化沥青逐渐破乳释放出沥青颗粒，同时沥青颗粒裹挟着水化产物逐渐聚拢成膜，最终形成空间互穿网络结构并填充于集料空隙中，此种结构能够提高材料的韧性，但也存在着空间互穿网络结构碎片化的问题，所形成的空间互穿网络结构零散分布在材料中，不能完全联接成一整体，无法形成整体受力结构以大幅提高铺装材料性能。另外，加入乳化沥青能够提高材料变形能力，但由于破乳后沥青与集料的粘附性较差，往往过多乳化沥青加入会大大降低铺装材料强度，陷入材料强度和韧性无法有效调和的困境。

本发明通过系统的实验研究得到了一种浇筑式冷拌铺装材料，该铺装材料包括乳化沥青、干料、偶联剂剂和水，所述的干料包括粗集料、细集料、水泥、纤维、减水剂、橡胶粉、膨胀剂、破乳剂和速凝剂，通过对上述材料混合后制备成的铺装材料与钢性桥面的粘结性好，且掺入水泥使其高温稳定性优异，对使用环境不敏感，具有广泛适应性；

复合硅烷偶联剂引入水泥乳化沥青混合料中，其作用是自身所带的化学基团能够与集料表面羟基发生脱水缩合反应，集料和复合硅烷偶联剂以强固的共价键相联接，同时该复合硅烷偶联剂也能够与空间互穿网络结构中水化产物和沥青膜发生化学反应，形成化学健而相互联接，从而将集料和空间互穿网络结构通过“偶联”作用牢固的结合成一体，在材料中形成第一梯度结构层，起到均匀传递应力作用，大大降低了乳化沥青掺入对强度影响，并在一定程度上能够提高材料的韧性；

复合硅烷偶联剂能提高浆体内聚丙烯纤维与空间互穿网络结构的结合力，加之聚丙烯纤维自身物理缠绕作用，使聚丙烯纤维起“桥接”作用将碎片化的空间互穿网络结构相互联接为一体，以整体结构承受外部荷载对其产生的作用力，聚丙烯纤维在材料中也同时发挥耗能、阻裂和增韧作用，在复合硅烷偶联剂和聚丙烯纤维两者一定的协同作用下形成第二梯度结构联接层；

复合偶联剂、纤维依靠自身特性将浆体内碎片化空间互穿网络结构联接为一体，复合偶联剂再将填充于空隙内的浆体与周围集料牢固的粘结起来，从而形成直接承受外部荷载作用的第三梯度整体结构层，大大提高材料强度和极限变形能力。

本发明的粗集料可选为石灰岩碎石，石灰岩碎石的压碎值为10％～20％，石灰岩碎石的洛杉矶磨耗率为20％～25％，石灰岩为碱性集料，表面所带的羟基能够同偶联剂发生脱水缩合反应形成共价键，使偶联剂能够牢固粘结在其表面。

本发明的细集料可选为细度模数范围在2.3～3.0的河砂，填充空隙，提高铺装材料的密实性，同时增大材料的流动性和易性。

本发明的乳化沥青可选用慢裂型阴离子乳化沥青，破乳后沥青颗粒裹挟这部分水化产物逐渐聚拢成膜，形成空间互穿网络结构，提高材料的变形能力。本发明的水泥为复合快硬硫铝酸盐水泥，纤维可选为聚丙烯纤维，橡胶粉可选为细度45～70目、以汽车废轮胎胎面橡胶为原料生产的A级硫化橡胶粉，减水剂可选为萘系减水剂，膨胀剂可选为HEA膨胀剂，破乳剂可选为AR型破乳剂，速凝剂可选为有机物类速凝剂。采用复合快硬硫铝酸盐水泥水化反应速率快，极大促进乳化沥青的破乳，加快形成空间互穿网络结构，提高铺装材料早期强度，凝结硬化时间短，短期内即达到一定强度以开放交通，大大减弱施工对道路运输影响；适当用量橡胶粉能够提高铺装材料韧性，降低材料弹性模量，极限变形能力得以提高；萘系RY型减水剂与其他材料相容性好，能够提高水泥乳化沥青混合料流动性，降低水用量；HEA膨胀剂与复合快硬硫铝酸盐水泥相适应，能够持续降低水泥水化产生的干缩变形；AR型破乳剂可使乳化沥青充分破乳，以避免乳化沥青早期破乳不充分导致硬化后混合料出现过多孔隙；选用有机物类速凝剂能够有效提高水泥水化速率，提高早期强度且不影响后期强度的发展。

下面结合具体实施方案对本发明浇筑式冷拌铺装材料进行详细说明，以下实施例中的废旧橡胶粉为45～70目细度的以汽车废轮胎胎面橡胶为原料生产的A级硫化橡胶粉。

实施例一：

本实施例的浇筑式冷拌铺装材料包括：

其中，干料由以下材料混合搅拌制成：

石灰岩碎石的压碎值为10％，石灰岩碎石的洛杉矶磨耗率为20％，河砂的细度模数为2.3；复合硅烷偶联剂为质量比为2：1的γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷；

制备及铺装过程：依据上述配比准确称量各组分质量，常温条件下将干料混合均匀后加入水、乳化沥青和偶联剂，搅拌均匀后，倒入已喷洒一层界面剂且安装好侧模的路槽内，人工找平并对铺装层进行养护，待2小时后即可开放交通。

实施例二：

本实施例的浇筑式冷拌铺装材料包括：

其中，干料由以下质量比的材料混合搅拌制成：

石灰岩碎石的压碎值为15％，石灰岩碎石的洛杉矶磨耗率为23％，细度模数范围在2.7的河砂；复合硅烷偶联剂为质量比为2：1的γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷；

实施例三：

本实施例的浇筑式冷拌铺装材料包括：

其中，干粉由以下质量比的材料混合搅拌制成：

石灰岩碎石的压碎值为20％，石灰岩碎石的洛杉矶磨耗率为25％，河砂的细度模数为3.0；复合硅烷偶联剂为质量比为2：1的γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷；

实施例四：

本实施例的浇筑式冷拌铺装材料包括：

慢裂型阴离子乳化沥青 20份

干料 100份

水 8份

其中，干料由以下质量比的材料混合搅拌制成：

石灰岩碎石的压碎值为15％，石灰岩碎石的洛杉矶磨耗率为23％，细度模数范围在2.7的河砂；

实施例五：

本实施例的浇筑式冷拌铺装材料包括：

其中，干料由以下质量比的材料混合搅拌制成：

实施例六：

本实施例的浇筑式冷拌铺装材料包括：

慢裂型阴离子乳化沥青 20份

干料 100份

水 8份

其中，干料由以下质量比的材料混合搅拌制成：

对实施案例制备的铺装材料进行性能检测，检测结果如下表1所求。

表1 浇筑式冷拌水泥乳化沥青铺装材料不同方案性能测试结果

由表1检测结果可知，实施例一、二和三均能满足技术要求，三种方案中马歇尔稳定度、动稳定度均较大，且动稳定度次数远超技术指标要求，而流值均较小，表明所述铺装材料的高温稳定性优异；马歇尔模数越大，铺装材料的抗车辙性能越好，由表1知实施例二的铺装材料马歇尔模数最大。因此，综合马歇尔稳定度、动稳定度、流值和马歇尔模数四个指标可知，实施例二的高温稳定性最优。空隙率越小，冻融劈裂试验残留强度比越大，则材料的抗水损害能力就越强，三种方案所测空隙率、冻融劈裂试验残留强度比均满足技术指标要求，因此，所述铺装材料具有良好的抗水损害能力，且实施例二抗水损害能力最优。低温弯曲极限应变反应铺装材料的极限变形能力，值越大，则极限变形能力越强，由所测低温弯曲极限应变值可知，所述铺装材料的极限变形能力优异，且实施例二最优。由所测弹性模量值可知，该铺装材料弹性模量介于水泥混凝土与沥青混合料之间，且可通过调节水泥用量以改变该材料的弹性模量，从而能够抵抗不同环境条件下正交异性钢桥面对铺装材料产生的弯拉破坏和层间剪切破坏。另外，2小时浇筑式冷拌水泥乳化沥青铺装材料强度均满足开放交通的要求，大大缩短施工工期。

将实施例四与例五、六对比可知，加入偶联剂或纤维可提高铺装材料的性能，特别是马歇尔稳定度、冻融劈裂试验残留强度比和低温弯曲极限应变得到提高。将实施例二与例四、五和六对比可知，按照一定配比同时加入偶联剂和聚丙烯纤维，可显著提高铺装材料的性能，表明偶联剂与聚丙烯纤维在一定程度上存在协同作用，形成协同作用的机理可能为铺装材料中原材料能够充分发挥各自优势，相互协调，形成三梯度结构层以承受环境、车辆荷载等对铺装材料的影响，解决由于水泥加入导致混合料极限变形能力差、乳化沥青掺入降低混合料强度两个近乎不可调和的问题，获得强度高、高温稳定性好和极限变形能力强的新型铺装材料。

将实施例二中的浇筑式冷拌水泥乳化沥青铺装材料与浇筑式沥青混合料、沥青玛蹄脂混合料和环氧树脂沥青混合料的性能指标测试结果进行对比，结果如表2所示。

表2 不同铺装材料性能指标测试结果

由表2可知，实施例二的浇筑式冷拌水泥乳化沥青铺装材料的动稳定度值均高于其它三种材料，表明实施例二浇筑式冷拌水泥乳化沥青铺装材料的高温稳定性能要优于其它三种材料；实施例二浇筑式冷拌水泥乳化沥青铺装材料的空隙率要低于其它三种材料，冻融劈裂试验残留强度比、低温弯曲极限应变值要高于其它三种材料，从而使实施例二浇筑式冷拌水泥乳化沥青铺装材料具有更好的极限变形能力和抗水损害能力，加之采用单层结构一次浇筑成型，提高材料与钢桥面的粘结力。

基于以上材料、结构和施工一体化设计的理念，使该铺装材料能够有效解决层间粘结失效导致推移变形和面层反复疲劳破坏导致开裂等技术瓶颈，获得强度高、高温稳定性好、极限变形能力强和粘结力高的新型铺装材料。

Claims

1.一种浇筑式冷拌铺装材料，其特征在于，该铺装材料包括乳化沥青、偶联剂、干料和水，所述的干料包括粗集料、细集料、水泥、纤维、橡胶粉、减水剂、膨胀剂、破乳剂和速凝剂；

2.如权利要求1所述的浇筑式冷拌铺装材料，其特征在于，所述的偶联剂为复合硅烷偶联剂，复合硅烷偶联剂包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷，γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷的质量比为2：1，所述的纤维为聚丙烯纤维。

3.根据权利要求1或2所述的浇筑式冷拌铺装材料，其特征在于，所述的粗集料为石灰岩碎石，所述的石灰岩碎石的压碎值为10％～20％，石灰岩碎石的洛杉矶磨耗率为20％～25％。

4.根据权利要求1或2所述的浇筑式冷拌铺装材料，其特征在于，所述的细集料为细度模数范围在2.3～3.0的河砂。

5.根据权利要求1或2所述的浇筑式冷拌铺装材料，其特征在于，所述的乳化沥青为阴离子乳化沥青，所述的水泥为复合快硬硫铝酸盐水泥，所述的橡胶粉为45～70目细度的以汽车废轮胎胎面橡胶为原料生产的A级硫化橡胶粉，所述的减水剂为萘系RY型减水剂，所述的膨胀剂为HEA膨胀剂，所述的破乳剂为AR型破乳剂，所述的速凝剂为有机物类速凝剂。