CN107445560A - 一种水泥稳定碎石 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥稳定碎石，其技术方案要点是，所述水泥稳定碎石由骨料、水、水泥、增强纤维和改性添加剂组成，所述改性添加剂由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液组成，各组分含量的重量份计为：骨料150份，水5.0‑6.5份，水泥 3.5‑5.5份，增强纤维 0.2‑0.5份，改性添加剂 0.5‑1.5份；所述改性添加剂由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成；将骨料和增强纤维混合均匀后，与水、水泥和改性添加剂搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。本发明的水泥稳定碎石具有刚柔相济、抗冲击冲压、抗裂性能好的优势。

Description

一种水泥稳定碎石

技术领域

本发明涉及道路建筑材料领域，更具体地说，它涉及一种水泥稳定碎石。

背景技术

水泥稳定碎石基层具有强度较高、承载力大、抗疲劳性能良好等特点，在我国道路路面建设中大量采用，据统计，我国近二十年来，新建的高等级公路和城市主干道路面基层及底基层采用水泥稳定碎石的比例高达2/3 以上。水泥稳定碎石基层材料的缺点是抗变形能力低、脆性大，易因失水干缩和温度收缩产生裂缝。这种裂缝在路面使用期内会反射到沥青面层，从而造成路面的结构使用性能恶化。如何控制水泥稳定碎石基层材料的开裂，保证其路用性能耐久、稳定，成为当前亟待解决的问题。

近些年，国内为提高水泥稳定碎石基层路用性能开展了大量研究，许多研究着眼于从集料级配、水泥含量、含水量、施工方法等多方面着手来改善其收缩性能；一些学者通过在水泥稳定碎石中添加合适的外掺剂，如：粉煤灰、纤维、丁苯聚合物等以达到降低混合料干缩、温缩量的同时，增加材料柔性和提高其极限抗拉应变量，从而减少基层收缩裂缝的出现和反射至面层的概率。

现有申请公布号为CN101134661A的中国专利公开了一种公路路基用水泥稳定矿渣，是由水泥、高钛重矿渣碎石和高钛重矿渣砂组成，各成分重量百分比为，水泥3.0％-7.0％，高钛重矿渣碎石48.5％-46.5％，高钛重矿渣砂48.5％-46.5％；高钛重矿渣碎石粒径范围为5.0-31.5mm，高钛重矿渣砂粒径范围为0.05-5.0mm。

但是，由于高钛重矿渣含有稳定的结晶体和玻璃体，活性低于普通高炉矿渣，与水泥配合用于路面基层时的抗裂性能不够理想。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种水泥稳定碎石，其具有刚柔相济、抗冲击冲压、抗裂性能好的优势。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述水泥稳定碎石由骨料、水、水泥、增强纤维和改性添加剂组成，各组分含量按重量份计为：

骨料150份，

水5.0-6.5份，

水泥3.5-5.5份，

增强纤维0.2-0.5份，

改性添加剂0.5-1.5份；

所述改性添加由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成；将骨料和增强纤维混合均匀后，与水、水泥和改性添加剂搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

通过采用上述技术方案，增强纤维能在水泥稳定碎石中形成一种均匀的乱向支持体系，产生有效的三维加强效果，从而提高了水泥稳定碎石的整体性。由于纤维以单位体积内少量均匀分布于水泥稳定碎石内部，故微裂缝在发展的过程中必遭遇到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而阻断裂缝达到了抗裂的作用。均匀散布的纤维在水泥稳定碎石中呈现三维网络结构，起到了支撑骨料的作用。可延缓或阻止水泥稳定碎石内部微裂缝及表面宏观裂缝的发生发展，使得水泥稳定碎石的抗冲击、抗劈裂性能得到一定程度的提高。

改性添加剂由VAE乳液（醋酸乙烯-乙烯共聚乳液）和改性聚丙烯酸酯乳液组成，两者之间具有良好的互溶性，可以直接混合使用，且与水泥稳定碎石的其他组分之间无排斥性，使得水泥稳定碎石可以兼具两种材料的优点。VAE乳液具有永久的柔韧性、较好的耐酸碱性、良好粘接性和防水性。在水泥稳定碎石中添加VAE乳液，能与其他组分材料很好的粘结，提升了水泥稳定碎石的耐水性、耐酸碱性和耐候性。且其相对于同类产品，VAE乳液价格低，具有降低生产成本的优势。

聚丙烯酸酯的高分子链具有良好的柔顺性，且与其他材料的粘结性好。改性聚丙烯酸酯乳液克服了普通聚丙烯酸酯抗拉强度稍差的缺点，将其用作水泥稳定碎石的改性添加剂，可以进一步地增强了水泥稳定碎石各组分之间的粘结性，使得水泥稳定碎石具有一定的防水性的同时而具有一定弹性。

所用水和水泥均符合相关要求，使得水泥稳定碎石有足够的终凝时间，易于铺设施工。

进一步地，所述改性添加剂中各组分含量按重量份计为：

VAE乳液0.3-1.0份，

改性聚丙烯酸酯乳液0.2-0.5份。

通过采用上述技术方案，VAE乳液的含量（重量份）为改性聚丙烯酸酯两倍，可以凸出VAE乳液具有良好的柔韧性、较好的耐酸碱性、良好粘接性和防水性的特点，通过两者的混用可以获得刚柔相济、耐酸碱性、防水性好的水泥稳定碎石。

进一步地，所述改性聚丙烯酸酯乳液为聚氨酯改性聚丙烯酸酯乳液，其制备时丙烯酸和水性聚氨酯的质量比为3:40，乳化时搅拌速度为200r/min。

通过采用上述技术方案，聚氨酯具有耐低温、柔韧性好及粘接强度高等优点。将水性丙烯酸酯和聚氨酯复合,能够克服各自的缺点,使胶膜性能得到明显地改善,且成本较低。改性后的聚丙烯酸酯乳液具有聚丙烯酸酯和聚氨酯的复合结构，使得聚丙烯酸酯的力学性能得以提升。在搅拌速度为200r/min，引发剂、丙烯酸和水性聚氨酯的质量分别占反应体系的0.8%、0.3%和40%的条件下得到的乳液的稳定性、外观较好，漆膜柔韧性好，附着力为一级。

进一步地，所述增强纤维为聚丙烯纤维和/或者聚乙烯醇纤维。

通过采用上述技术方案，聚丙烯纤维是以丙烯为原料聚合得到的合成纤维，俗称丙纶。聚丙烯纤维具有强度高、韧性好、耐化学品、抗微生物性好及价格低等优点。将其用作水泥稳定碎石的增强纤维，能增加各组分之间的抱合力、分担水泥稳定碎石所受到的压力，减少裂缝的产生，提高混凝土的抗冲击性、防水隔热性。聚乙烯醇纤维是以聚乙烯醇为原料纺丝制得的合成纤维。聚乙烯醇纤维分散性好，易于搅拌均匀，抗拉伸性能好，能满足施工要求。添加了聚乙烯醇纤维的水泥稳定碎石，其抗收缩开裂的性能大大提高。

进一步地，所述聚丙烯纤维的直径为20-40μm，长度为5-25mm，拉伸强度为5cN/dtex。

通过采用上述技术方案，聚丙烯纤维的直径为20-40μm使得其易于被纺制，且机械强度好，长度为5-25mm，拉伸强度为5cN/dtex使得搅拌混合各物料时，纤维能均匀分散，且不易因搅拌造成纤维的断裂，保证混合后聚丙烯纤维能达到足够的增强、改性效果。

进一步地，所述聚乙烯醇纤维的直径为12-14μm，长度为9-15mm，拉伸强度为12cN/dtex。

通过采用上述技术方案，直径为12-14μm，长度为9-15mm，拉伸强度为12cN/dtex的聚乙烯醇纤维容易纺制、分散性好，可以在混料时，被充分搅拌均与、提升水泥稳定碎石的抗收缩开裂性能。

进一步地，所述骨料为最大粒径不超过31.5mm的碎石，其颗粒组成级配范围为：

所述骨料中有机质含量≤2%，硫酸盐含量≤0.25%。

通过采用上述技术方案，骨料的级配是直接影响水泥稳定碎石的强度和最大干缩应变重要因素之一。在一定的含水量下，0.075mm的通过率越小，最大干缩应变越小，则混合料抗干缩能力越强。采用上述级配表所示级配的骨料的水泥稳定碎石抗干缩性能佳。有机质含量≤2%，利于抑制微生物滋生、提高水泥稳定碎石的抗生物腐蚀性。硫酸镁等硫酸盐会与水泥发生反应，导致水泥石中产生钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O），而该反应过程是一个体积变大的反应,会导致水泥石膨胀开裂。控制硫酸盐含量≤0.25%，可以减少生成钙矾石、减少裂缝的产生。

进一步地，所述水泥稳定碎石：

压实度≥98%，

7天龄期抗压强度≥3.5MPa。

通过采用上述技术方案，压实度≥98%，7天龄期抗压强度≥3.5MPa，水泥稳定碎石的强度好、抗冲击冲压性能好，不易产生裂缝，符合一般道路水泥稳定碎石基层施工要求。

进一步地，所述水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥，其强度等级为42.5级。

通过采用上述技术方案，强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥均属于缓凝水泥，初凝时间4小时以上，终凝时间不超过6小时，各龄期强度、安定性等均符合水泥稳定碎石用水泥的相应指标要求。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、通过添加由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成的改性添加剂，可以有效提高的水泥稳定碎石的抗压抗冲击性能；

2、增强纤维的添加使得水泥稳定碎石的力学性能和抗裂性能得到明显提高。

具体实施方式

本发明的水泥稳定碎石，是通过骨料、水泥、改性添加剂、增强纤维以及水混合而成。所用水均为人畜用水，所用骨料为最大粒径不超过31.5mm的碎石，其颗粒组成级配范围为：

所用骨料中有机质含量≤2%，硫酸盐含量≤0.25%。所用水泥均为符合国标GB175-2007《通用硅酸盐水泥》的要求的强度等级为42.5级硅酸盐水泥。水泥选用普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥均可，以下各实施例均选用普通硅酸盐水泥。

所用聚丙烯纤维为直径20-40μm，长度5-25mm的短纤维，其拉伸强度为5cN/dtex。所用聚乙烯醇纤维为直径为12-14μm，长度为9-15mm的短纤维，其拉伸强度为12cN/dtex。

实施例中所用改性聚丙烯酸酯乳液均为聚氨酯改性聚丙烯酸酯乳液，聚氨酯改性聚丙烯酸酯乳液的制备方法如下：

A.预乳化液的制备

将30份的水与1/2用量的乳化剂混合，用玻璃棒搅拌或微热溶解，再与全部单体混合，搅拌30min，搅拌速率为500-600r/min，制得预乳化液。聚合单体中丙烯酸和水性聚氨酯的含量分别占反应体系的0.3%和40%，乳化剂的用量占反应体系的5%

B.乳液聚合工艺

在搅拌速率为200 r/min条件下，将20份的水、剩余的1/2量乳化剂加入三口瓶中，然后加1/10预乳化液，水浴升温到50℃时，加入1/2量的引发剂，升温到65-70℃，待有蓝相出现后将温度恒温在75℃，滴加预乳化液，约2.5-3.5h滴加完，然后升温到80℃，保温1h即得聚氨酯改性聚丙烯酸酯乳液。引发剂的用量占反应体系的0.8%。

实施例1

水泥稳定碎石中各组分的配比（按重量份计）为：骨料150份，水泥3.5份，水5.0份，聚丙烯纤维0.2份，VAE乳液0.3份，改性聚丙烯酸酯乳液0.15份。先将骨料、水泥和聚丙烯纤维充分混合均匀后，加入由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成的改性添加剂，加水充分搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

实施例2

水泥稳定碎石中各组分的配比（按重量份计）为：骨料150份，水泥4.5份，水6.0份，聚丙烯纤维0.35份，VAE乳液0.65份，改性聚丙烯酸酯乳液0.33份。先将骨料、水泥和聚丙烯纤维充分混合均匀后，加入由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成的改性添加剂，加水充分搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

实施例3

水泥稳定碎石中各组分的配比（按重量份计）为：骨料150份，水泥5.5份，水6.5份，聚丙烯纤维0.5份，VAE乳液1.0份，改性聚丙烯酸酯乳液0.5份。先将骨料、水泥和聚丙烯纤维充分混合均匀后，加入由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成的改性添加剂，加水充分搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

实施例4

水泥稳定碎石中各组分的配比（按重量份计）为：骨料150份，水泥3.5份，水5.0份，聚乙烯醇纤维0.2份，VAE乳液0.3份，改性聚丙烯酸酯乳液0.15份。先将骨料、水泥和聚乙烯醇纤维充分混合均匀后，加入由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成的改性添加剂，加水充分搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

实施例5

水泥稳定碎石中各组分的配比（按重量份计）为：骨料150份，水泥4.5份，水6.0份，聚乙烯醇纤维0.35份，VAE乳液0.65份，改性聚丙烯酸酯乳液0.33份。先将骨料、水泥和聚乙烯醇纤维充分混合均匀后，加入由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成的改性添加剂，加水充分搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

实施例6

水泥稳定碎石中各组分的配比（按重量份计）为：骨料150份，水泥5.5份，水6.0份，聚乙烯醇纤维0.5份，VAE乳液1.0份，改性聚丙烯酸酯乳液0.5份。先将骨料、水泥和聚乙烯醇纤维充分混合均匀后，加入由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成的改性添加剂，加水充分搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

实施例7

水泥稳定碎石中各组分的配比（按重量份计）为：骨料150份，水泥5.5份，水6.0份，聚丙烯纤维0.3份，聚乙烯醇纤维0.15份，VAE乳液1.0份，改性聚丙烯酸酯乳液0.5份。先将骨料、水泥和聚乙烯醇纤维充分混合均匀后，加入由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成的改性添加剂，加水充分搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

实施例8

水泥稳定碎石中各组分的配比（按重量份计）为：骨料150份，水泥5.5份，水6.0份，聚丙烯纤维0.5份，聚乙烯醇纤维0.25份，VAE乳液1.0份，改性聚丙烯酸酯乳液0.5份。先将骨料、水泥和聚乙烯醇纤维充分混合均匀后，加入由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成的改性添加剂，加水充分搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

对照实施例

本实施例为未掺加改性添加剂和增强纤维的水泥稳定碎石，其组分配比（按重量份计）为骨料150份，水泥4.5份，水6.0份。

将上述实施例的水泥稳定碎石的试件经成型养护后测得的试验数据如下：

表1 水泥稳定碎石的抗压强度及平均干缩系数表试验结果

从上述试验结果可以看出：掺加改性添加剂，聚乙烯醇纤维或者聚丙烯纤维后，7d无侧限抗压强度（MPa）均有所上升，并超过3.5MPa，符合一般道路施工要求。水泥稳定碎石材料的力学性能和抗裂性能均得到明显提高，且掺加聚乙烯醇纤维对水泥稳定碎石的力学性能和抗裂性能的提升效果更好。上述8个实施例的14d 干缩系数分别较参照实施例下降：17.2%，19.0%，20.1%，17.4%，19.8%，20.5%，23.1%，25.0%。

测得的强度试验结果如下表所示：

表2 水泥稳定碎石的抗压强度和劈裂强度试验结果

在早期,增强纤维与骨料之间的连接弱，阻隔了水泥网状晶体的形成。改性添加剂的高分子链的相对位置未固定，表现为强度低;随着龄期增长,增强纤维与骨料之间连接逐渐增强,改性添加剂的高分子链段的位置逐渐固定，使得水泥稳定碎石抗压强度和劈裂强度均有所增大。由上表数据可知，上述八个实施例的水泥稳定碎石的90d抗压强度分别较参照实施例提升15.7%，16.3%，14.0%，16.2%，14.1%，14.4%，16.2%，17.6%；劈裂强度分别较参照实施例提升15.0%，17.5%，26.2%，21.2%，27.5%，32.5%，36.2%，40.0%。其中实施例8的水泥稳定碎石的抗压强度和劈裂强度提升最为明显，为最佳实施例。

上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述水泥稳定碎石由骨料、水、水泥、增强纤维和改性添加剂组成，各组分含量按重量份计为：

骨料150份，

水5.0-6.5份，

水泥3.5-5.5份，

增强纤维0.2-0.5份，

改性添加剂0.5-1.5份；

所述改性添加剂由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成；将骨料和增强纤维混合均匀后，与水、水泥和改性添加剂搅拌混合均匀制成水泥稳定碎石。

2.根据权利要求1所述的一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述改性添加剂中各组分含量按重量份计为：

VAE乳液0.3-1.0份，

改性聚丙烯酸酯乳液0.2-0.5份。

3.根据权利要求2所述的一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述改性聚丙烯酸酯乳液为聚氨酯改性聚丙烯酸酯乳液，其制备时丙烯酸和水性聚氨酯的质量比为3:40，乳化时搅拌速度为200r/min。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述增强纤维为聚丙烯纤维和/或者聚乙烯醇纤维。

5.根据权利要求4所述的一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述聚丙烯纤维的直径为20-40μm，长度为5-25mm，拉伸强度为5cN/dtex。

6.根据权利要求4所述的一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述聚乙烯醇纤维的直径为12-14μm，长度为9-15mm，拉伸强度为12cN/dtex。

7.根据权利要求1所述的一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述骨料为最大粒径不超过31.5mm的碎石，其颗粒组成级配范围为：

筛孔尺寸为31.5mm时，透过质量百分比为100%；

筛孔尺寸为19.00mm时，透过质量百分比为68-86%；

筛孔尺寸为9.50mm时，透过质量百分比为38-58%；

筛孔尺寸为4.75mm时，透过质量百分比为22-32%；

筛孔尺寸为2.36mm时，透过质量百分比为16-28%；

筛孔尺寸为0.60mm时，透过质量百分比为8-15%；

筛孔尺寸为0.075mm时，透过质量百分比为0-3%；

所述骨料中有机质含量≤2%，硫酸盐含量≤0.25%。

8.根据权利要求1所述的一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述水泥稳定碎石：

压实度≥98%，

7天龄期抗压强度≥3.5MPa。

9.根据权利要求1所述的一种水泥稳定碎石，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥，其强度等级为42.5级。