CN108929076A - 一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料，包括以下组分：水泥稳定碎石，胶粉和聚丙烯纤维材料，其中水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成，骨料中的部分细集料被等质量胶粉替代。本发明在显著改善高水泥剂量水泥稳定碎石基层材料的抗裂性能的同时，增强其力学性能，从根本上减缓或者阻止半刚性材料的开裂，显著提高水泥稳定碎石结构层的使用性能和寿命。相比普通水泥稳定碎石，本发明干缩抗裂系数明显提高，同时提高基层材料的抗压强度，胶粉的吸能效果明显，降低裂缝的产生，在产生裂缝后纤维能继续抵抗外力拉拔作用，对其起到约束作用。两方面作用使得材料的韧性增强，冲击能力提高，有助于减少反射裂缝，有效延长沥青路面使用寿命。

Description

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料

技术领域

本发明属于工程材料技术领域，涉及一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料。

背景技术

水泥稳定碎石基层材料具有承载能力高、刚性大、整体性能优良、水稳定性和冰冻稳定性较好等优点，是目前我国高等级公路路面结构的主要形式。然而此种材料存在收缩开裂的致命缺陷，不仅严重影响道路的服务功能，而且破坏沥青路面结构的连续性；同时，大量水分可以通过裂缝进入路面乃至土基，诱发各种病害，对道路的使用寿命产生严重的不良影响。对于高速公路和一级公路，相对于《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)，新规范《公路路面基层细则》(JTG/TF20-2015)对基层的抗压强度进行了细化和提升。当设计强度很高时(如6MPa)，增加水泥剂量的情况不可避免，当水泥剂量达到一定水平时，混合料抗裂性变差，基层易出现裂缝，进而影响沥青面层使用性能。

为延长道路使用寿命，需要针对水泥稳定碎石基层材料采取合理改善措施。我国道路科技工作者希望通过采取一定的措施，在保证水泥稳定碎石原有技术优点的基础上，适当地降低材料刚度，提高材料柔性，以增加其抗变形能力，更好地适应环境温度和湿度的变化，减少或阻止其产生开裂，从而提高路面使用性能并延长寿命。

发明内容

为解决上述问题，本发明在保留传统水泥稳定碎石混合料技术优势的前提下，通过掺加适量的胶粉和聚丙烯纤维，提供一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料，能克服高水泥剂量水泥稳定碎石基层材料脆性强、易产生收缩开裂等缺陷，有效提高路面基层材料的力学性能和抗收缩开裂能力。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料，包括以下组分：水泥稳定碎石，胶粉和聚丙烯纤维材料，其中水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；

其中各组分按质量份数配比如下：

骨料及胶粉共：2100～2300份，其中胶粉：11～20份；

水泥：115～126份；

聚丙烯纤维：1.9～2.5份；

饮用水：100.6～111.6份。

进一步的，水泥剂量较高，水泥：骨料及胶粉＝5.5：100。此为质量份数比例。

进一步的，所述路用胶粉颗粒符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

进一步的，所述路用胶粉由废旧轮胎制得，胶粉粒径为420μm～840μm，即20目～40目。

进一步的，所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18～20μm；纤维单丝的长度为6～19mm；纤维的平均线密度为0.83～0.98g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

本发明还提供了一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料的制备方法，包括如下步骤：先将骨料和胶粉、聚丙烯纤维混合，搅拌25～30s，再添加水和水泥搅拌均匀，即得抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料。

进一步的，所述胶粉由废旧轮胎破碎制得。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.显著改善抗裂性能的同时增强力学性能，从根本上减缓或者阻止半刚性材料的开裂，将显著提高水泥稳定碎石结构层的使用性能和寿命，具有明显的经济、社会及环境效益，应用前景广阔。

2.与普通水泥稳定碎石相比，本发明干缩抗裂系数明显提高，同时提高了基层材料的抗压强度，胶粉的吸能效果明显，降低了裂缝的产生，在产生裂缝后纤维能继续抵抗外力的拉拔作用，对其起到约束作用。两方面作用使得材料的韧性增强，冲击能力提高，有助于减少反射裂缝，有效延长沥青路面使用寿命，具有很强的工程应用价值。

3.由于采用废旧轮胎作为路用胶粉的来源，能有效的消化日益增长的废旧轮胎，达到变废为宝、减少黑色污染、保护环境、发展循环经济的目的。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明的胶粉纤维水泥稳定碎石路面基层材料，是在传统的水泥稳定碎石路面基层材料中加入11～20份的胶粉和1.9～2.5份的聚丙烯纤维实现。其中胶粉符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％；聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18～20μm；纤维单丝的长度为6～19mm；纤维的平均线密度为0.83～0.98g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％；水泥稳定碎石由胶凝材料、骨料和水组成；其中胶凝材料为强度等级不高于32.5MPa的水泥，配比为97～112份，通常含量为80～120kg/m3；骨料为石屑，本发明中胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，因此骨料和胶粉总的质量配比为2100～2300份，通常用量为2100～2300kg/m³。

水泥稳定碎石是一种以粗骨料石屑为骨架，以水泥为胶凝材料的脆性材料，由于它本身的抗拉强度差，延性很小，并且存在天然的裂纹缺陷，在收缩应力作用下易于开裂，所以通过一定的手段来提高材料的抗拉性能和韧性，使材料的延性增强变得非常重要。而且胶粉属于一种弹性材料，模量低，变形量大，掺在水泥基材料中会起到明显的增韧作用。纤维可以对水泥基材料起到交联和固定作用，形成网状结构，约束裂纹的引发。

实施例1

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料包括，水泥稳定碎石，水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；还包括胶粉，聚丙烯纤维材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2159份；

水泥：120份；

胶粉：11份；

聚丙烯纤维：1.9份；

饮用水：108份。

胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，本例中胶粉优选采用胶粉颗粒形式，根据需要也可以采用其他性状的胶粉。

更为具体的说，本例中，胶粉粒径为840μm，即20目，并符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

其中聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18μm；纤维单丝的长度为6mm；纤维的平均线密度为0.87g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

上述材料的制备工艺如下：先将骨料和胶粉、聚丙烯纤维混合，搅拌25～30s，再添加水和水泥搅拌均匀，即得一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料。其中胶粉采用由废旧轮胎制得的路用胶粉颗粒。

实施例2

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料包括，水泥稳定碎石，水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；还包括胶粉，聚丙烯纤维材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2155份；

水泥：120份；

胶粉：15份；

聚丙烯纤维：2.5份；

饮用水：108份。

胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，本例中胶粉优选采用胶粉颗粒形式，根据需要也可以采用其他性状的胶粉。

更为具体的说，本例中，胶粉粒径为840μm，即20目，并符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18μm；纤维单丝的长度为12mm；纤维的平均线密度为0.87g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

本实施例制备工艺同实施例一。

实施例3

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料包括，水泥稳定碎石，水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；还包括胶粉，聚丙烯纤维材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2151份；

水泥：120份；

胶粉：19份；

聚丙烯纤维：2.5份；

饮用水：108份。

胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，本例中胶粉优选采用胶粉颗粒形式，根据需要也可以采用其他性状的胶粉。

更为具体的说，本例中，胶粉粒径为840μm，即20目，并符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18μm；纤维单丝的长度为19mm；纤维的平均线密度为0.87g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

本实施例制备工艺同实施例一。

实施例4

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料包括，水泥稳定碎石，水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；还包括胶粉，聚丙烯纤维材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2159份；

水泥：120份；

胶粉：11份；

聚丙烯纤维：2.5份；

饮用水：108份。

胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，本例中胶粉优选采用胶粉颗粒形式，根据需要也可以采用其他性状的胶粉。

更为具体的说，本例中，胶粉粒径为840μm，即20目，并符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18μm；纤维单丝的长度为12mm；纤维的平均线密度为0.87g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

本实施例制备工艺同实施例一。

实施例5

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料包括，水泥稳定碎石，水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；还包括胶粉，聚丙烯纤维材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2155份；

水泥：120份；

胶粉：15份；

聚丙烯纤维：1.9份；

饮用水：108份。

胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，本例中胶粉优选采用胶粉颗粒形式，根据需要也可以采用其他性状的胶粉。

更为具体的说，本例中，胶粉粒径为840μm，即20目，并符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18μm；纤维单丝的长度为19mm；纤维的平均线密度为0.87g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

本实施例制备工艺同实施例一。

实施例6

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料包括，水泥稳定碎石，水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；还包括胶粉，聚丙烯纤维材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2151份；

水泥：120份；

胶粉：19份；

聚丙烯纤维：2.3份；

饮用水：108份。

胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，本例中胶粉优选采用胶粉颗粒形式，根据需要也可以采用其他性状的胶粉。

更为具体的说，本例中，胶粉粒径为840μm，即20目，并符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18μm；纤维单丝的长度为6mm；纤维的平均线密度为0.87g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

本实施例制备工艺同实施例一。

实施例7

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料包括，水泥稳定碎石，水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；还包括胶粉，聚丙烯纤维材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2159份；

水泥：120份；

胶粉：11份；

聚丙烯纤维：2.3份；

饮用水：108份。

胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，本例中胶粉优选采用胶粉颗粒形式，根据需要也可以采用其他性状的胶粉。

更为具体的说，本例中，胶粉粒径为840μm，即20目，并符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18μm；纤维单丝的长度为19mm；纤维的平均线密度为0.87g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

本实施例制备工艺同实施例一。

实施例8

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料包括，水泥稳定碎石，水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；还包括胶粉，聚丙烯纤维材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2155份；

水泥：120份；

胶粉：15份；

聚丙烯纤维：2.5份；

饮用水：108份。

胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，本例中胶粉优选采用胶粉颗粒形式，根据需要也可以采用其他性状的胶粉。

更为具体的说，本例中，胶粉粒径为840μm，即20目，并符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18μm；纤维单丝的长度为6mm；纤维的平均线密度为0.87g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

本实施例制备工艺同实施例一。

实施例9

一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料包括，水泥稳定碎石，水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；还包括胶粉，聚丙烯纤维材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2150份；

水泥：120份；

胶粉：20份；

聚丙烯纤维：1.9份；

饮用水：108份。

胶粉等质量替代骨料中的部分细集料，本例中胶粉优选采用胶粉颗粒形式，根据需要也可以采用其他性状的胶粉。

更为具体的说，本例中，胶粉粒径为840μm，即20目，并符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；灰分≤10％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18μm；纤维单丝的长度为12mm；纤维的平均线密度为0.87g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

本实施例制备工艺同实施例一。

对照实施例10

本实施例为未掺加胶粉和聚丙烯纤维的水泥稳定碎石基层材料，其中各组分按质量分数配比为：

骨料：2170份；

水泥：120份；

饮用水：108份。

对于以上十个实施例，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE-51-2009)中的无机结合料稳定土的击实方法(T0804-1994)进行击实试验确定出最大干密度和最佳含水量，将每立方米水泥稳定碎石按配合比称量备料，拌合过程中，先将胶粉、纤维、石屑干拌25～30s至均匀，然后加水和水泥拌合均匀形成混合料，试件经成型养护后，通过检测试件，得到以下试验数据：

从上述试验结果可以看出：掺加胶粉和聚丙烯纤维后，有些实施例中水泥稳定碎石基层材料的抗压强度虽有所降低，主要是因为胶粉属于一种弹性材料，模量低，变形量大，掺在水泥稳定碎石基层材料中会形成一种空洞效应，对强度产生了负面效果，但聚丙烯纤维的加筋强化作用，又对材料起到交联和固定的作用，力学性能降低幅度不大。总体上，掺加胶粉和聚丙烯纤维后，水泥稳定碎石的力学性能和抗裂性能均得到明显改善。上面9个实施例的7d干缩抗裂系数分别较未掺加胶粉和纤维时增加了6.0％、40.5％、75.1％、20.7％、31.9％、66.4％、12.9％、48.9％、57.6％。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料，其特征在于，包括以下组分：水泥稳定碎石，胶粉和聚丙烯纤维材料，其中水泥稳定碎石由水泥、骨料和水组成；

其中各组分按质量份数配比如下：

骨料及胶粉共：2100～2300份，其中胶粉：11～20份；

水泥：115～126份；

聚丙烯纤维：1.9～2.5份；

饮用水：100.6～111.6份。

2.根据权利要求1所述的抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料，其特征在于，水泥：骨料及胶粉＝5.5：100。

3.根据权利要求1所述的抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料，其特征在于，所述胶粉符合以下条件：灰分≤8％；橡胶烃含量≥42％；炭黑含量≥26％；丙酮抽出物≤8％；纤维含量≤0.1％；铁含量≤0.1％；拉伸强度≥6.7MPa；拉断伸长率≥220％。

4.根据权利要求1所述的抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料，其特征在于：所述胶粉为胶粉颗粒，由废旧轮胎制得，胶粉粒径为420μm～840μm，即20目～40目。

5.根据权利要求1所述的抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料，其特征在于：所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝直径为18～20μm；纤维单丝的长度为6～19mm；纤维的平均线密度为0.83～0.98g/m³；纤维断裂强度≥339MPa；纤维弹性模量≥3.4GPa；断裂伸长率≥15％。

6.一种抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料的制备方法，其特征在于：用于制备权利要求1-4所述的抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料，包括如下步骤：先将骨料和胶粉、聚丙烯纤维混合，搅拌25～30s，再添加水和水泥搅拌均匀，即得抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料。

7.根据权利要求5所述的抗裂型胶粉纤维水泥稳定碎石基层材料的制备方法，其特征在于：所述胶粉由废旧轮胎破碎制得。