CN108033746A - 二灰碎石基层材料及其制备方法和应用 - Google Patents

二灰碎石基层材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二灰碎石基层材料，以质量份数计，其原料包括：石灰5～9份、粉煤灰7～12份、季铵树脂0.03～0.05份、水1～2份、集料80～90份。本发明还提供了上述二灰碎石基层材料的制备方法及其在路面基层中的应用。采用本发明提供的二灰碎石基层材料可以减轻二灰碎石收缩特性以及提高抗弯拉强度，从而避免沥青路面的反射裂缝，提高沥青路面的使用寿命，满足高速行驶的舒适性、安全性和经济性。

Description

二灰碎石基层材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及路面半刚性基层材料改善技术领域，更具体的说，它涉及一种二灰碎石基层材料及其制备方法和应用。
背景技术
为了适应公路建设的需要,半刚性路面基层材料以其优良的工作性能和显著的经济效益在我国公路建设中得到了广泛应用。我国已建成高速公路的路面,95％左右是半刚性基层沥青混凝土路面简称半刚性路面。半刚性材料是指凡是用无机结合料稳定的各种土当其强度符合规定的要求时,统称半刚性材料,它包括水泥稳定土、石灰稳定土、石灰稳定工业废渣和综合稳定土。
石灰粉煤灰稳定碎石也称二灰碎石是一种广泛使用的路面半刚性基层材料。二灰碎石可以看作是由基体相石灰、粉煤灰和分散相集料组成的两相复合材料。粉煤灰是一种火力发电厂的副产物,是一种火山灰材料,其主要成分是氧化硅和氧化铝,次要成分是碳和铁、钙、镁及硫的氧化物。在有石灰和水的条件下,粉煤灰与氢氧化钙反应并能生成有胶凝性的物质,继而把碎石胶结成整体,使其具有较高的强度及稳定性,二灰碎石基层具有明显的水硬性、缓凝性、板体性,但耐磨性较差。其强度形成除了受材料性能和组成比例的影响外,还跟温度和湿度有关。由于粉煤灰颗粒为空心玻璃球体,所以其干缩系数和温度收缩系数比其它半刚性材料小,对减少温缩裂缝和干缩裂缝具有重要意义。二灰碎石成型后,强度较高,水稳性好,用在公路工程建设中,其具有以下优势：a.强度及各方面性能都能保证沥青混凝上面层或水泥混凝土面层的质量要求；b.二灰中粉煤灰的质量容易满足要求；c.施工比较方便,质量较易控制；d.耐久性好、水稳性好、变形小；e.价格相对低廉。由于二灰碎石具有这些优点,所以其应用前景十分广阔。
虽然二灰碎石半刚性基层具有良好的路用性能,但是由于石灰、粉煤灰、碎石和水经拌和、压实后,因蒸发和混合料内部发生水化作用,混合料的水分会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力作用,会引起体积收缩,即干缩。另外组成二灰碎石半刚性材料的三个相,即固相、液相水和气相在降温过程中相互作用的结果,也会产生体积收缩,即温度收缩。由于二灰碎石的强度发展比较慢,在其硬化的初期,当干缩或温缩很大时,铺筑好的半刚性基层很容易产生裂缝,更为严重的是这种裂缝还会促成沥青路面的面层形成反射裂缝,从而导致半刚性基层沥青路面使用性能的降低。另外,二灰碎石混合料的抗弯拉强度明显低于其抗压强度,根据半刚性材料的力学特性和对车轮荷载在路面中的应力分析,当半刚性基层下的底基层强度较小时,半刚性基层的底面往往可能遭受较大的车轮荷载而引起较大的拉应力,从而引起弯拉疲劳破坏,使二灰碎石半刚性基层产生裂缝,进而降低其使用寿命。
目前有不少半刚性路面仅使用1至2年即出现早期路面损害,造成了较大的直接或间接经济损失,其主要原因就在于二灰碎石基层大量裂缝的出现。
所以为了减轻由于二灰碎石半刚性基层的干缩、温缩以及弯拉疲劳破坏造成的沥青路面的反射裂缝,提高沥青路面的使用寿命,满足高速行驶的舒适性、安全性和经济性,就必须改善和减轻二灰碎石的收缩特性以及提高抗弯拉强度,从而提高二灰碎石半刚性基层的使用性能。
发明内容
本发明的目的一在于提供一种二灰碎石基层材料，其减轻二灰碎石收缩特性以及提高抗弯拉强度，从而避免沥青路面的反射裂缝，提高沥青路面的使用寿命，满足高速行驶的舒适性、安全性和经济性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
二灰碎石基层材料，以质量份数计，其原料包括：石灰5～9份、粉煤灰7～12份、季铵树脂0.03～0.05份、水1～2份、集料80～90份。
本发明较优选地，所述季铵树脂的结构式为：其中，a、b为重复单元的链节数，所述季铵树脂的平均分子量为2000万～3000万。
本发明较优选地，a和b数值之比为1:2～1:3。
本发明较优选地，所述集料包括粒径为19～31.5mm的天然级配卵石、粒径为9.5～19mm的玄武石和粒径为0～9.5mm的石灰岩石屑，所述天然级配卵石、玄武石和石灰岩石屑的重量比为3～4：3～4：1～2。
本发明较优选地，所述石灰为生石灰。
本发明的目的二在于提供一种二灰碎石基层材料的制备方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
二灰碎石基层材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石灰和粉煤灰混合均匀；
(2)将季铵树脂和水混合均匀；
(3)将步骤(1)所得的混合料和步骤(2)所得的混合料混合均匀；
(4)将步骤(3)所得的混合料和集料混合均匀，得二灰碎石基层材料。
本发明较优选地，所述季铵树脂的结构式为：其中，a、b为重复单元的链节数，所述季铵树脂的平均分子量为2000万～3000万。
本发明较优选地，a和b数值之比为1:2～1:3。本发明较优选地，以质量份数计，步骤(1)中石灰的用量为5～9份、步骤(1)中粉煤灰的用量为7～12份、步骤(2)中季铵树脂的用量为0.03～0.05份、步骤(2)中水的用量为1～2份、步骤(3)中集料的用量为80～90份。
本发明的目的三在于提供一种二灰碎石基层材料在路面基层中的应用。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
第一、季铵树脂的掺加，增加了二灰碎石基层材料的劈裂强度，提高了二灰碎石基层材料的抗冻性能，降低了二灰碎石基层材料的抗压回弹模量和抗弯拉回弹模量，增加了抗弯拉强度，显著提高了水稳定系数，降低了冲刷率和压折比，明显降低了干缩系数。
第二、本发明减轻二灰碎石收缩特性以及提高抗弯拉强度，从而避免沥青路面的反射裂缝，提高沥青路面的使用寿命，满足高速行驶的舒适性、安全性和经济性。
附图说明
图1是季铵树脂的制备流程图；
图2是苯乙烯-二乙烯基苯共聚物的红外谱图；
图3是伯胺化树脂的红外谱图；
图4是苯乙烯-二乙烯基苯共聚物的1HNMR谱图；
图5是伯胺化树脂的1HNMR谱图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。应该理解的是，本发明实施例所述制备方法仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
季铵树脂的制备流程，如图1所示。
季铵树脂的具体制备过程包括如下步骤：
伯胺化树脂的制备：在装有搅拌器、冷凝管和温度计的250mL四口烧瓶中，在氮气保护下，在12.2g盐酸三乙胺和23.8g无水三氯化铝所形成的季铵型离子液体存在的条件下，加入3g苯乙烯-二乙烯基苯共聚物和40mL硝基苯，升温至130℃，逐步加入12g的1,3-噁嗪-2-酮，并在1305℃下反应24小时，冷却降温，取出树脂，乙醇洗涤、干燥，得伯胺化树脂。
叔胺化树脂的制备：在装有搅拌器、冷凝管和温度计的250mL四口烧瓶中，加入3g伯胺化树脂和50mL乙醇混合，之后逐渐滴加10mL质量百分比浓度为37％的甲醛水溶液和10mL质量百分比浓度为50％的甲酸水溶液的混合液，回流反应5小时后，取出树脂，乙醇洗涤、干燥，即得到叔胺化树脂。
季铵树脂的制备：取3g叔胺化树脂和15mL溴乙烷加入内衬聚四氟乙烯的压力反应罐中，密闭后，在800℃的空气浴中保温24小时，取出树脂，乙醇洗涤、干燥，即得季铵树脂。
结合图2和图3可知，与苯乙烯-二乙烯基苯共聚物相比，伯胺化树脂的红外光谱图在3422cm-1处有强吸收峰，为N-H的伸缩振动峰。另外，伯胺化树脂的红外光谱图在2924cm-1和1417cm-1处吸收峰明显增强，为C-H伸缩振动。说明伯胺化树脂结构中含有多种-CH3和-CH2-基团，即苯环和氮原子之间的长碳链结构，红外光谱表征结果表明，合成的伯胺化树脂与目标结构相符。
如图4所示，δ0.7～2.2的峰归属于苯乙烯-二乙烯基苯共聚物中乙烯基上的氢，δ6.3～7.3的峰归属于苯乙烯-二乙烯基苯共聚物中苯环上的氢。对比图4，由图5可知，新出现的δ2.8的峰归属于伯胺树脂中的H2峰，δ3.2峰归属于伯胺树脂中的H1峰。同时生成的伯胺树脂的各种氢信号峰面积与其数量之间的关系也与目标结构基本一致。
表1实施例1至3二灰碎石基层材料的组分(单位：Kg)
实施例1至3的二灰碎石基层材料采用如下步骤制备而得：(1)将石灰和粉煤灰混合均匀；(2)将季铵树脂和水混合均匀；(3)将步骤(1)所得的混合料和步骤(2)所得的混合料混合均匀；(4)将步骤(3)所得的混合料和集料混合均匀，得二灰碎石基层材料。
对比例1
对比例1和实施例1的区别在于未加入季铵树脂。
对比例2
对比例2和实施例1的区别在于，对比例2将季铵树脂替换成等质量的聚丙烯纤维。
对比例3
现有授权公告号CN101386484B的专利文件公开的一种聚丙烯纤维二灰碎石基层材料，其将0.15Kg的聚丙烯纤维平均分成五份，并分五批次预分散在28.6Kg石灰和71.4Kg粉煤灰中，每掺假一次进行机械搅拌；然后石灰、粉煤灰和聚丙烯纤维的混合料与471.4Kg集料和45.8Kg水进行普通机械拌和，制备得聚丙烯纤维二灰碎石基层材料。
根据《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》(JTJ057-1984)的标准规定，对实施例1至3和对比例1至3进行路用性能试验，试验结果见表2。
表2
试验项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3
无侧痕抗压强度(28d)/MPa 3.02 3.16 3.08 1.91 1.93 1.92
劈裂强度(28d)/MPa 0.67 0.63 0.66 0.35 0.39 0.38
抗冻系数(30d)/％ 96.5 97.0 96.8 93.36 94.89 94.80
抗压回弹模量(28d)/MPa 199 202 205 555 402 396
抗弯拉强度(30d)/MPa 0.678 0.695 0.685 0.355 0.401 0.435
抗弯拉回弹模量(40d)/MPa 1235 1229 1230 1729 1598 1468
失水率(40d)/％ 2.52 2.35 2.47 86.2 10.21 5.45
水稳定系数/％ 97.6 96.2 97.0 80.1 85.67 93.1
冲刷率(28d)/g/min 4.587 4.550 4.576 6.212 5.857 5.232
压折比(30d)/％ 3.53 3.69 3.55 6.99 6.48 5.18
平均干缩系数/10-6/％ 96 95 95 233 198 143
从表2可以看出，季铵树脂的掺加，增加了二灰碎石基层材料的劈裂强度，提高了二灰碎石基层材料的抗冻性能，降低了二灰碎石基层材料的抗压回弹模量和抗弯拉回弹模量，增加了抗弯拉强度，显著提高了水稳定系数，降低了冲刷率和压折比，明显降低了干缩系数。由此可见，本发明减轻二灰碎石收缩特性以及提高抗弯拉强度，从而避免沥青路面的反射裂缝，提高沥青路面的使用寿命，满足高速行驶的舒适性、安全性和经济性。

Claims (10)

1.二灰碎石基层材料，其特征在于，以质量份数计，其原料包括：石灰5～9份、粉煤灰7～12份、季铵树脂0.03～0.05份、水1～2份、集料80～90份。
2.根据权利要求1所述的二灰碎石基层材料，其特征在于，所述季铵树脂的结构式为：其中，a、b为重复单元的链节数，所述季铵树脂的平均分子量为2000万～3000万。
3.根据权利要求2所述的二灰碎石基层材料，其特征在于，a和b数值之比为1:2～1:3。
4.根据权利要求1所述的二灰碎石基层材料，其特征在于，所述集料包括粒径为19～31.5mm的天然级配卵石、粒径为9.5～19mm的玄武石和粒径为0～9.5mm的石灰岩石屑，所述天然级配卵石、玄武石和石灰岩石屑的重量比为3～4：3～4：1～2。
5.根据权利要求1所述的二灰碎石基层材料，其特征在于，所述石灰为生石灰。
6.二灰碎石基层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将石灰和粉煤灰混合均匀；
(2)将季铵树脂和水混合均匀；
(3)将步骤(1)所得的混合料和步骤(2)所得的混合料混合均匀；
(4)将步骤(3)所得的混合料和集料混合均匀，得二灰碎石基层材料。
7.根据权利要求6所述的二灰碎石基层材料的制备方法，其特征在于，所述季铵树脂的结构式为：其中，a、b为重复单元的链节数，所述季铵树脂的平均分子量为2000万～3000万。
8.根据权利要求7所述的二灰碎石基层材料的制备方法，其特征在于，a和b数值之比为1:2～1:3。
9.根据权利要求6所述的二灰碎石基层材料的制备方法，其特征在于，以质量份数计，步骤(1)中石灰的用量为5～9份、步骤(1)中粉煤灰的用量为7～12份、步骤(2)中季铵树脂的用量为0.03～0.05份、步骤(2)中水的用量为1～2份、步骤(3)中集料的用量为80～90份。
10.如权利要求1至5中任意一项所述的二灰碎石基层材料在路面基层中的应用。
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