CN108328975A - 一种用于路面快速修补的超早强无机混合料及其制备方法和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于路面快速修补的超早强无机混合料及其制备方法和使用方法，涉及道路材料领域。该超早强无机混合料按照质量百分数计，包括以下组分：偏高岭土2.1％～10.4％；碱性激发剂1.2％～11.1％；水4.2％～8.3％；骨料70.2％～92.5％；该超早强无机混合料养生时间期短，力学性能良好，符合沥青路面快速修补的要求；其制备方法包括在常温条件下将偏高岭土、碱性激发剂、水和骨料拌合均匀，制得超早强无机混合料，其制备方法简单，混合料均匀性更好，强度形成更快；其使用方法包括将超早强无机混合料均匀摊铺在需要修补的路面坑槽内并压实，操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及道路材料领域，特别涉及一种用于路面快速修补的超早强无机混合料及其制备方法和使用方法。
背景技术
目前，路面常用修补材料有水泥乳化沥青混合料和水泥混凝土类修补材料。采用水泥乳化沥青混合料修补路面，施工简单，但由于其中含有大量水分，只有当混合料水分蒸发，沥青破乳后才开始具有强度，因而不仅温度稳定性差且早期强度低、养生期长，不利于缩短道路开放交通的时间。水泥混凝土类修补材料虽能满足快速通车的需求，但回弹模量高、其后期强度和耐久性能较差。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于路面快速修补的超早强无机混合料及其制备方法和使用方法，该超早强无机混合料养生时间期短，力学性能良好，符合沥青路面快速修补的要求；其制备方法简单，混合料均匀性更好，强度形成更快；其使用方法简单，操作简便。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种用于路面快速修补的超早强无机混合料，按照质量百分数计，包括以下组分：偏高岭土2.1％～10.4％；碱性激发剂1.2％～11.1％；水 4.2％～8.3％；骨料70.2％～92.5％。
优选地，碱性激发剂由氢氧化钠、水玻璃和水泥组成，其中，氢氧化钠、水玻璃和水泥分别占所述超早强无机混合料总质量的百分数为：氢氧化钠 0％～2.5％；水玻璃1.2％～6.1％；水泥0％～2.5％。
进一步优选地，按照质量百分数计，包括以下组分：偏高岭土8.33％；氢氧化钠2.5％；水玻璃3.64％；水5％；水泥1.25％。
本发明还公开了一种用于路面快速修补的超早强无机混合料的制备方法，包括在常温条件下将偏高岭土、碱性激发剂、水和骨料拌合均匀，制得超早强无机混合料。
进一步优选地，首先将骨料、碱性激发剂和水拌合均匀后，再加入偏高岭土拌和均匀，制得超早强无机混合料。
进一步优选地，骨料、碱性激发剂和水拌合5～10min后，再加入偏高岭土拌和40～65min。
本发明还公开了一种基于上述用于路面快速修补的超早强无机混合料的使用方法，包括将超早强无机混合料均匀摊铺在需要修补的路面坑槽内并压实。
进一步优选地，所述压实是通过静力压力机施加压力使密实成型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种用于路面快速修补的超早强无机混合料具有以下优势：
1)与水泥乳化沥青混凝土养生时间相比，这种超早强无机混合料养生时间短；与水泥混凝土高抗压回弹模量相比，这种超早强无机混合料的抗压回弹模量与沥青路面面层模量相近，修补后路面平整度更好；
2)采用静压成型，并养生后进行超早强无机混合料试件经过力学性能试验，得到的无侧限抗压强度和抗压回弹模量，模量接近沥青面层材料，强度超过了无机结合料试验规范的要求；
3)养生龄期短，超早强无机混合料的抗压强度会有所提高但提高的程度有限。1天养生龄期的超早强无机混合料的抗压强度已可达7天养生龄期的 80％以上，说明超早强无机混合料符合沥青路面快速修补的要求。
本发明公开的用于路面快速修补的超早强无机混合料的制备方法简单，可用于现场拌和，混合料均匀性更好，强度形成更快。
本发明公开的用于路面快速修补的超早强无机混合料的使用方法，操作简便，养生期短，一天后的强度就能达到路面要求强度，从而实现路面的快速修补。
附图说明
图1为偏高岭土颗粒粒径分布图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
超早强无机混合料是一种模量比水泥混凝土低，接近沥青面层材料模量的超早强无机稳定材料。本发明采用骨料、碱性激发剂、水拌合均匀后组成凝胶材料与偏高岭土直接混合配制，形成一种新型的无机混合料。这种新型的沥青路面修补材料在路面的使用过程中与沥青混凝土一样，都将承受路面荷载及其他因素引起的综合作用，其状态和性质都将跟随时间的推移而变化，以致影响修补路面的使用寿命。本发明研究了超早强无机混合料合理的成型方法、养生方法及其力学性能，并验证了这种新型无机混合料可以作为沥青路面快速修补材料。
1、所需原材料
本发明的混合料的主要成分有偏高岭土、碱性激发剂、水、以及骨料。
1.1偏高岭土
主要是由高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O，AS2H2)为原料，经过低温(600℃～900℃)煅烧脱水处理形成的(6Al2O3·2SiO2，AS2)，这种硅酸铝盐在碱性环境中将产生一种高强度水化物。经过研究表明，偏高岭土具有良好的火山灰活性，通过水泥的加入或碱性激发剂的作用，可制备致密高强、耐久性和耐腐蚀性能优异的无机复合凝胶材料，现已成为材料界研究的热点。
本发明选用上海亮江钛白化工制品有限公司所生产的偏高岭土，其主要成分见表1，其中SiO2及Al2O3的总含量超过93％。
表1偏高岭土的化学成分
图1为本发明所用的偏高岭土颗粒的粒径分布，其中图1中横坐标 Size(Microns)表示尺寸(微米)，纵坐标％Passing表示通过率，％Channel表示通道，由图1可知粒径的大小主要分布于0.8～10μm范围内，平均粒径大小为 5.97μm，比表面积为1284m2/g。
1.2碱性激发剂
(1)水泥
本发明所用水泥为丰润永通水泥制品厂提供的P.O42.5型水泥，其化学成分及含量如表2所示。
表2水泥化学组成(％)
(2)氢氧化钠
本发明采用的NaOH为滨化集团股份有限公司提供的工业片状氢氧化钠，纯度≥99％，熔点318.4℃，沸点1390℃，相对密度2.130。
(3)水玻璃
水玻璃，一种水溶性化合物，主要部分是碱金属硅酸盐。其颜色为灰色或者浅绿色或介于这两种颜色之间的各种色泽。水玻璃不但具有溶液特征及凝胶性特征，还拥有较强的吸附特性。其化学分子式为R2O·nSiO2。水玻璃不仅为地质聚合反应提供碱性环境，还能够提供缩聚反应阶段所需的硅酸根离子(团硅氧四面体基团)。
本发明选用工业(钠)水玻璃，其模数值为2.7，化学成分含量及主要性能指标如表3所示。
表3水玻璃的主要性能指标
1.3水
本发明选择用水为自来水。
1.4骨料
本发明所用的骨料是石灰岩，骨料表观相对密度如表4所示。
表4骨料表观相对密度
2、混合料成型方法
目前，对超早强无机混合料配合比设计的试验方法尚未形成较为完整的理论体系。本发明采用JTGE20-2011试验规范进行试验设计。超早强无机混合料为新型无机材料，其力学特性及强度机理与普通路面修补材料相比有较大的差别，因此需要根据其独有的特性进行试验设计。
不同类型路面材料其室内成型工艺有着不同的要求，最佳的成型工艺必须能够反映材料的特性，以及材料实际工作状态(例如：受力状态、所处的层位、气候条件等等)，以便对其实际使用性能进行评价。就目前而言，材料的成型方法主要有击实法、轮碾法、静压法等，
经过综合对比最适合本发明的是静压成型法，静压成型法是通过精力压力机缓慢施加压力将超早强无机混合料密实成型，经养生后形成试验试件。
(1)仪器设备
压力机、电动脱模机、各种试模、抗压试验圆柱体试模、三轴试验圆柱体试模、烘箱、电子秤及温度计等设备。
(2)混合料拌和顺序
如果混合料的组成材料添加顺序不当，偏高岭土、水泥及骨料有可能出现团聚现象，不能在混合料中均匀分散，将会对混合料的力学特性和路用性能产生严重影响。其中，混合料加料顺序主要由偏高岭土以什么方式加入混合料中来决定。经过大量试验发现，将骨料、碱性激发剂、水拌合均匀，然后加入偏高岭土进行拌和，混合料均匀性更好，强度形成更快。
(3)混合料静压成型法
常用的成型方式主要有轮碾法、击实法以及静压法。成型方式的选择以及成型方式中不同参数的组合方式对于混合料最佳沥青用量、混合料性能都有很大影响。由于对此种无机材料的成型方式国内外尚无成熟的理论依据，所以通过大量试验之后，超早强无机混合料采用静压成型法。
参考试验规程JTG E20-2011的规定，静压法成型方法的标准步骤如下：
①根据试件的尺寸，确定所需混合料的质量，应为1个试件的体积与马歇尔标准击实密度的乘积。
②从温度为150℃的保温箱中取出试模钢筒及承压头，当即在钢筒内衬和承压头下表面涂上适量的机油，然后将下承压头放入钢筒中。承压头应能够凸出钢筒底部2～3cm，故应对下承压头上加装垫块或垫圈，同时，在下承压头上铺设圆形薄纸。
③用小铲分两次将混合料小心的装入钢筒中，立即用插刀在钢筒周围插捣 15次，中间10次，然后，用热铲平整混合料表面。
④再铺上一片薄纸，并盖上上承压头，其中两个承压头伸入试模的深度基本一致。
⑤将制备好的试模和垫圈一起放在压力机的工作台面上。先加载1MPa，然后将垫圈取下，再对试模进行均匀的加载直至满足试验要求(20～30MPa)，保持三分钟后进行卸载，记录试验数据。
⑥完成碾压以后将试模从压力机上取下并取下上下承压头，将试模在常温状态下静止放置4h，然后利用脱模机对试件进行脱模；对试件进行测量，如果测量高度与标准高度误差超过2mm，该试件予以废弃。
⑦室温条件下将试件竖立于平台上静置24小时，然后对试件的密度及空隙率进行测定，对于不能满足试验要求的予以废弃。
3、超早强无机混合料养生方法
由于超早强无机混合料是一种新型的无机材料，它和热拌沥青混合料 (HMA)的成型过程不同，与水泥乳化沥青混凝土和水泥混凝土在某种层面上强度的成型是类似的，它们都需要一定程度的养生。具体实施方法如下：
(1)试件从试模取出测量高度称量质量后，将其放入塑料袋中，然后放入养护室，其中塑料袋中不能有空气，并进行密封。
(2)标准养生的温度为20℃±2℃，标准养生的湿度为≧95％。将试件放置在铁架上，试件间保持10～20mm的距离。一定要保证试件的表面有一定的湿度。
(3)试件进行抗压强度(7天抗压强度)或抗压模量试验前，试件要进行 7天的养生龄期，并且最后一天要浸水24h处理。
(4)完成整个养生期后，取出试件，认真对试件进行观察，保证没有损伤，再次测量高称质量。
4、试验
实施例1
在总的质量为1200g混合料中，结合料(偏高岭土、氢氧化钠、水玻璃、水、水泥)的质量分数为19.06％，其中各物质质量分数为偏高岭土(75g)、氢氧化钠(15g)、水玻璃(30ml)、水(80g)、水泥(15g)占总质量分数为6.25％、1.25％、3.64％、6.67％、1.25％；在常温条件下将骨料与碱性激发剂和水按比例拌合均匀(5min)后，加入偏高岭土拌和40min，通过静力压力机缓慢施加压力使试件密实成型，在标准养生温度及标准养生湿度下进行7天养生并且最后一天需要浸水24h处理。将养生完的试件在加载速度为1mm/min的压力机条件下进行连续均匀的加载，记录试件在受到破坏时的最大压力P(N)。
为研究影响超早强无机混合料的力学性能及影响因素，本发明通过依次改变不同原料在混合料中所占比例来分析其力学性能。
1)改变偏高岭土含量(25g、50g、75g、100g、125g)得到偏高领土含量对整个混合料的抗压强度影响幅度变化巨大，且在100g时混合料最大抗压力最大。
2)改变氢氧化钠含量(0、5g、10g、15g、20g、25g、30g)得到氢氧化钠含量对整个混合料的抗压强度影响幅度变化不大，且在30g时混合料最大抗压力最大。
3)改变水玻璃含量(10ml(14.56g)、20ml(29.12g)、30ml(43.68g)、 40ml(58.24g)、50ml(72.8g))得到水玻璃含量对整个混合料的抗压强度影响幅度变化不大，且在30ml(43.68g)时混合料最大抗压力最大。
4)改变水含量(50g、60g、70g、80g、90g、100g)得到水含量对整个混合料的抗压强度影响幅度变化不大，且在60g时混合料最大抗压力最大。
5)改变水泥含量(0、5g、10g、15g、20g、25g、30g)得到水泥含量对整个混合料的抗压强度影响幅度变化不大，且在15g时混合料最大抗压力最大。
综上所述在总的质量为1200g混合料中，结合料(偏高岭土、氢氧化钠、水玻璃、水和水泥)的质量分数为20.72％时整个混合料的力学性能最佳。其中各物质质量分数为偏高岭土(100g)、氢氧化钠(30g)、水玻璃30ml(43.68g)、水(60g)、水泥(15g)占总质量分数为8.33％、2.5％、3.64％、5％、1.25％。
实施例2
由于除偏高岭土外的其余原料对超早强无机混合料的力学性能影响不大可忽略不计，因此利用上述结论中各原料所占比例，通过仅改偏高岭土所占比例来分析混合料养生1天与7天的抗压强度和混合料的回弹模量。在总的质量为1200g混合料中，偏高岭土(24g～96g)、氢氧化钠(30g)、水玻璃(30ml)、水(60g)、水泥(15g)占总质量分数为2％～8％、2.5％、3.64％、5％、1.25％。在常温条件下将骨料与碱性激发剂和水按比例拌合均匀(10min)后，加入偏高岭土拌和均匀65min，通过静力压力机缓慢施加压力使试件密实成型。
超早强无机混合料不同期龄抗压强度试验：
在标准养生温度及标准养生湿度下分别进行1天养生和7天养生，并且7 天养生最后一天需要浸水24h处理。根据试验规范JTG E51-2009中T0805-1994 规定，对超早强无机混合料进行抗压强度试验，将尺寸为Φ100×100mm3圆柱体试件在加载速度为1mm/min的压力机条件下进行连续均匀的加载，记录试件在受到破坏时的最大压力P(N)。
试验结果分析：
①偏高岭土的含量对超早强无机混合料抗压强度的影响
表5中所示的是超早强无机混合料试件在1天和7天不同龄期的抗压强度。
表5偏高岭土含量对抗压强度的影响
增加养生龄期超早强无机混合料的抗压强度会有所提高但提高的程度有限。1天养生龄期的超早强无机混合料的抗压强度已可达7天养生龄期的80％以上，说明超早强无机混合料符合沥青路面快速修补的要求。
②超早强无机混合料抗压回弹模量试验
根据规程JTG E51-2009的规定，对超早强无机混合料进行抗压回弹模量试验，选用将尺寸为Φ100×100mm3圆柱体试件进行试验。
试验结果分析：偏高岭土含量对超早强无机混合料抗压回弹模量影响，表 6所示的超早强无机混合料试件在养生龄期为7天时的抗压回弹模量。
表6偏高岭土含量对抗压回弹模量的影响
在其他材料不变的条件下，偏高岭土含量的增加会使超早强无机混合料抗压回弹模量增强，这与抗压强度的变化相同。
本发明的用于路面快速修补的超早强无机混合料拌和时间短可用于现场拌和，并且凝固快，一天后的强度就能达到路面要求强度，从而实现路面的快速修补。与水泥乳化沥青混凝土养生时间(水泥乳化沥青混凝土十天以上受温度影响)相比，这种超早强无机混合料养生期短；与水泥混凝土高抗压回弹模量(水泥混凝土抗压回弹模量在2000MPa以上)相比，这种超早强无机混合料的抗压回弹模量与沥青路面面层模量(普通沥青路面抗压回弹模量约 900～1400MPa)相近，修补后路面的受力情况良好，符合路面快速修补的要求，车辆在经过修补区域的时候颠簸感约低，高的回弹模量的修补区域不仅行驶的舒适感低，而且影响使用寿命。
Claims (8)
1.一种用于路面快速修补的超早强无机混合料，其特征在于，按照质量百分数计，包括以下组分：
偏高岭土2.1％～10.4％；
碱性激发剂1.2％～11.1％；
水4.2％～8.3％；
骨料70.2％～92.5％。
2.根据权利要求1所述的用于路面快速修补的超早强无机混合料，其特征在于，碱性激发剂由氢氧化钠、水玻璃和水泥组成，其中，氢氧化钠、水玻璃和水泥分别占所述超早强无机混合料总质量的百分数为：
氢氧化钠0％～2.5％；
水玻璃1.2％～6.1％；
水泥0％～2.5％。
3.根据权利要求2所述的用于路面快速修补的超早强无机混合料，其特征在于，按照质量百分数计，包括以下组分：
偏高岭土8.33％；氢氧化钠2.5％；水玻璃3.64％；水5％；水泥1.25％；余量为骨料。
4.权利要求1～3中任意一项所述的用于路面快速修补的超早强无机混合料的制备方法，其特征在于，包括在常温条件下将偏高岭土、碱性激发剂、水和骨料拌合均匀，制得超早强无机混合料。
5.根据权利要求4所述的用于路面快速修补的超早强无机混合料的制备方法，其特征在于，首先将骨料、碱性激发剂和水拌合均匀后，再加入偏高岭土拌和均匀，制得超早强无机混合料。
6.根据权利要求5所述的用于路面快速修补的超早强无机混合料的制备方法，其特征在于，骨料、碱性激发剂和水拌合5～10min后，再加入偏高岭土拌和40～65min。
7.基于权利要求1～3中任意一项所述的用于路面快速修补的超早强无机混合料的使用方法，其特征在于，包括将超早强无机混合料均匀摊铺在需要修补的路面坑槽内并压实。
8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，所述压实是通过静力压力机施加压力使密实成型。
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