CN109797620B

CN109797620B - 一种基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构

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Publication number: CN109797620B
Application number: CN201910019088.4A
Authority: CN
Inventors: 王晓燕; 马士杰; 王林; 安平; 辛星; 赵海生; 刘卓雨; 胡宗文; 庄明
Original assignee: Rizhao Highway Construction Co ltd; Shandong Transportation Institute; China National Chemical Communications Construction Group Coltd
Current assignee: Rizhao Highway Construction Co ltd; Shandong Transportation Institute; China National Chemical Communications Construction Group Coltd
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2039-01-09
Also published as: CN109797620A

Abstract

本发明公开了一种基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，属于道路铺装技术领域。所述铺装结构包括基层，其特点是基层顶面铺筑有单一的复合材料结构层，所述复合材料结构层采用基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料铺设而成，基体高粘性弹性沥青混合料与聚氨酯复合材料的重量配比为75％～85％:15％～25％。与现有技术相比，本发明的路面铺装结构厚度低、抗车辙性能显著，具有很好的推广应用价值。

Description

一种基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体地说是一种基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构。

背景技术

我国高速公路设计寿命为15年，通常10年即出现路面结构性损坏(车辙、疲劳开裂已成为我国高等级公路的主要病害)，需要周期性大修改建，按照10年大修周期计算，每年将产生3亿吨废料，造成巨大的资金和环境压力。近些年伴随着严酷荷载与极端高低温天气频现条件下的特殊道路(如长大纵坡公路、大容量公交专用道与港湾、港区公路与港口专用道、重载桥面铺装及机场跑道等)大量建设，因此对路面的材料提出了更高的要求。

由于沥青混凝土路面在重载或高温条件下易产生辙槽，影响路面的平整度，以及沥青混凝土路面的可燃性、对温度和低频荷载的敏感性不宜用于隧道、加油站和停车场等路段，现有技术中往往是通过以下两种方法解决车辙问题：一、在沥青路面的中面层的沥青混合料中添加抗车辙剂形成抗车辙层；二、直接用水泥混凝土路面。然而，这两种形式的沥青路面结构都存在着各自的缺点。第一种方法中，由于市面上各种抗车辙剂种类繁杂，且相当大部分随着时间会产生老化现象，因此，在冬季低温下，沥青会变硬，表现出脆性。如果采用第二种方式，直接用刚性比较大的水泥混凝土路面，虽然能够提供良好的抗车辙性能，但却存在接缝处理困难、维修费用高、噪音大和易起灰尘等缺点。

为了解决上述现有技术中的不足，本领域技术人员已经开始尝试在沥青路面的中面层采用沥青和水泥路面相结合的一种方式，兼顾刚性和柔性的两种路面的优点，同时摒弃两者的缺点。在沥青路面的中面层抗车辙层采用在大空隙沥青混合料中灌入水泥基的聚合物胶乳。然而，这种传统的单一水泥基材料浆体的流动性差，灌浆的饱满度差，同时需要机械设备的辅助灌浆，施工不方便，费时费力费工，很难保证施工的质量，同时传统的技术需要养生时间在3天到7天之间，开放的交通比较慢，不利于重载车辙路段的快速修复。另外，由于这种材料用于中面层起到抗车辙的作用，它与上面层和下面层的材料之间容易产生层间的滑移和分层，使其抗车辙以及抗疲劳性能大大降低。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构。

本发明所述黄金尾矿指矿石提取黄金精矿后所排出的废渣。

本发明的技术任务是按以下方式实现的：一种基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，包括基层，其特点是基层顶面铺筑有单一的复合材料结构层，所述复合材料结构层采用基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料铺设而成，基体高粘性弹性沥青混合料与聚氨酯复合材料的重量配比为(75～85):(15～25)。

特别是当基体高粘性弹性沥青混合料与聚氨酯复合材料的重量配比为(78～82):(18～28)时，铺装结构能够达到最佳的抗车辙性能。

所述基层优选为水泥稳定碎石基层，以使复合材料结构层与基层具有层间粘结性能。

作为设置于基层上方的唯一结构层，所述复合材料结构层的厚度可以是10-20cm，优选为10～14cm，如10cm、11cm、12cm、13cm或14cm。

基体高粘性弹性沥青混合料的设计空隙率优选为27～36％。以各粒径矿料的通过百分率计，级配范围优选为19mm筛孔通过率为100％，16.0mm筛孔通过率为95％～100％、13.2mm筛孔通过率为72％～95％、9.5mm筛孔通过率为14％～65％、4.75mm筛孔通过率为5％～25％，2.36mm筛孔通过率为5％～15％，0.6mm筛孔通过率为3％～8％，0.3mm筛孔通过率为2％～6％，0.15mm筛孔通过率为2％～4％，0.075mm筛孔通过率为1％～5％。

为了提高复合材料的低温抗裂性，所述基体高粘性弹性沥青混合料优选采用PG分级为82-22的高粘弹性复合改性沥青作为沥青胶结料，且其粘度为2.5～4.5Pa.s，软化点大于80℃。

进一步的，为了增加和基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料之间界面的粘结性，可以在基体高粘性弹性沥青混合料拌合时加入适量纤维，纤维的添加量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的0.3-0.6％，优选为0.3-0.4％。所述纤维优选为木质素纤维。

基体高粘性弹性沥青混合料的拌合方式优选为：先将粗集料和高粘弹复合沥青拌合，拌合0.5-1.5min后加矿粉，继续拌合0.5～1.5min，再加入细集料拌合均匀，最后加入纤维拌合0.5～1.5min。

作为优选，所述聚氨酯复合材料包括硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液及水，硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液与水的重量比为(25～35):(10～25):(20～30):(3～5):(15～22)，优选为(28～32):(15～22):(23～27):(3.5～4.5):(18～22)。

细微颗粒改性乳化沥青(固体形态乳化沥青)遇水后产生乳化过程，可以更好地促进基体高粘性弹性沥青混合料和灌注料之间的粘合作用，促进两种不同物质的界面更好地联结，而黄金尾矿的加入，可进一步增加聚氨酯复合材料的流动性，增强复合材料结构层的强度。

所述黄金尾矿的粒径优选为120-150目，最佳粒径为130-140目。

作为优选，所述聚氨酯乳液为异氰酸酯和多元醇的混合液，异氰酸酯和多元醇的重量比为1:(0.9-1.1)。所述异氰酸酯优选为二苯基甲烷二异氰酸酯；多元醇优选为聚醚型多元醇。

进一步的，所述聚氨酯复合材料还可以包括膨胀剂、减水剂、引气剂、消泡剂、碱性矿粉及稳定剂，膨胀剂、减水剂、引气剂、消泡剂、碱性矿粉、稳定剂与硅酸盐水泥的重量比为(3～5):(0.2～0.4):(0.2～0.5):(0.2～1.5):(10～25):(0.003～0.006):(25～35)，优选为(3.5～4.5):(0.25～0.35):(0.25～0.35):(0.5～1.2):(15～22):(0.004～0.006):(28～32)。

所述膨胀剂优选为UEA型膨胀剂；

所述减水剂为固体早强型醚类聚羧酸类减水剂；

所述引气剂优选烷基芳烃磺酸类引气剂；

所述消泡剂优选为固体聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂；

所述碱性矿粉优选为玄武岩粉。

所述稳定剂优选为羟基甲基丙基纤维素醚类稳定剂。

本发明重载交通道路路面铺装结构的铺筑方法包括：

a、在基层铺筑基体高粘性弹性沥青混合料；

b、在无需机械振动条件下，以聚氨酯复合材料对基体高粘性弹性沥青混合料进行灌浆处理。

为了进一步增加基层与复合材料结构层之间的粘结性能，可以在基层顶面与复合材料结构层之间设置乳化沥青粘层油，使上下面层形成良好的联结。

为了进一步提升路面防滑性能，可以通过在复合材料结构层表面设置抗滑表层，形成抗滑性能更好的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，具体方法如下：

以水溶性聚氨酯乳液、炭黑、碱性矿粉搅拌混合形成胶结料，以黄金尾矿为耐磨集料，用喷洒车将胶结料与耐磨材料同步一次性喷洒至复合材料结构层上表面形成抗滑表层。其中，按重量计，胶结料的喷洒量为0.3～0.5kg/m²，优选为0.35～0.45kg/m²，黄金尾矿的配喷洒量为0.3～0.5kg/m²，优选为0.35～0.45kg/m²，喷洒车以5～6km/h的速度行驶。

喷洒完毕后，一般再2-3小时固化，道路即可实现通行。

胶结料中水溶性聚氨酯乳液、炭黑、碱性矿粉的重量比为100:15～25:5～15。其中，水溶性聚氨酯乳液、碱性矿粉与聚氨酯复合材料中的聚氨酯乳液、碱性矿粉选材一致。

与现有技术相比，本发明的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构具有以下突出地有益效果：

(一)聚氨酯复合材料(灌注料)属于自流平，具有良好的渗透性，无需振捣，灌注率即可达到95％以上，灌注深度可达18cm以上，远远大于传统的技术灌注深度，为实现本发明铺装结构提供了有利保障；

(二)聚氨酯复合材料(灌注料)的高渗透性配合特定的级配设计，使本发明复合材料结构层可以直接铺筑在基层上，形成一种整体性的路面结构，避免在高温、低温和重载作用下的传统技术的层间的滑移、分层，保证了路面结构的整体性，同时比传统的抗车辙路面结构的厚度减薄了13cm，节约了大量的石料，经济和社会效益显著；

(三)复合材料结构层3h强度可达到20Mpa以上，施工方便，施工结束后1—3h就可以直接开放交通。同时这种复合型的材料的路面后期基本无收缩，避免了水泥混凝土路面的温缩和干缩的产生。

(四)所述黄金尾矿为矿石提取黄金精矿后所排出的废渣，一方面增强了混合料的强度，另外一方面可以替代细砂，解决工业废料的问题。

(五)所述聚氨酯乳液，可以有效的解决沥青材料和水泥基材料界面之间的粘合，使其整体的高温抗车辙性以及低温抗裂性增强。同时可以使石料的类型不仅仅局限于石灰岩，花岗岩和大理岩也可以用于公路建设中，解决了现阶段石料紧张的问题。

附图说明

附图1是实施例一基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构示意图；

附图2是实施例复合材料结构层养护时间-强度关系图；

附图3是实施例二基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构示意。

具体实施方式

参照说明书附图以具体实施例对本发明的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构作以下详细地说明。

实施例一：

如附图1所示，本实施例的重载交通道路路面铺装结构由基层1、复合材料结构层2构成。单一的复合材料结构层2铺筑在基层1顶面。

基层1采用水泥稳定碎石基层。

复合材料结构层2的厚度为14cm，采用基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料铺设而成，基体高粘性弹性沥青混合料与聚氨酯复合材料的重量配比为80％:20％。

【基体高粘性弹性沥青混合料】

混合料设计空隙率为31％。

合成级配以各粒径矿料通过标准尺寸筛孔百分率计，19mm筛孔通过率为100％，16.0mm筛孔通过率为97.4％、13.2mm筛孔通过率为76.7％、9.5mm筛孔通过率为38.8％、4.75mm筛孔通过率为10.6％，2.36mm筛孔通过率为8.7％，0.6mm筛孔通过率为5.4％，0.3mm筛孔通过率为4.2％，0.15mm筛孔通过率为3.9％，0.075mm筛孔通过率为3.3％。

沥青胶结料采用PG分级为82-22的高粘弹性复合改性沥青，其粘度为3.5Pa.s，软化点为88℃，其用量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的4.2％，纤维的添加量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的0.35％。

基体高粘性弹性沥青混合料的拌合方法：

先将粒度为10-15mm和5-10mm的粗集料玄武岩颗粒与沥青胶结料拌合1min，然后再加矿粉拌合0.5min，再加入粒度为0-3mm的细集料玄武岩拌合1.5min至拌合均匀，最后加入纤维拌合1min，总拌合4min。

其中，10-15mm粗集料、5-10mm粗集料、0-3mm细集料与矿粉的重量比为75:15:8:2；纤维其用量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的0.35％。

【聚氨酯复合材料】

聚氨酯复合材料由普通硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿(140目)、聚氨酯乳液、UEA型膨胀剂、早强型醚类聚羧酸类减水剂、烷基芳烃磺酸类引气剂、固体聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂、玄武岩矿粉、羟基甲基丙基纤维素醚类稳定剂和水拌合而成，各物质的重量配比为30:20:25:4:4:0.3:0.3:1:20:0.005:20。

聚氨酯乳液为异氰酸酯和多元醇的混合液，异氰酸酯和多元醇的重量比为1:1。

【铺筑方法】

A、清扫基层表面干净，撒一层乳化沥青粘层油，使上下面层形成良好的联结。

B、在基层上铺筑基体高粘性弹性沥青混合料。

C、当确认铺设的基体沥青混合料已冷却至40℃以下后进行灌注施工，在无需机械振动条件下，将高渗透性聚氨酯复合材料灌浆料进行灌浆处理。

D、灌注完毕后，将残余在表面的水泥胶浆清除干净，以露出基体沥青混合料表面凹凸不平为宜，固化2-3小时，道路可实现通行。

【性能测试】

测试对象为实施例一所述复合材料路面。

对照对象采用目前水泥基灌浆料形成的路面结构(由实施例一所述基体高粘性弹性沥青混合料和普通水泥灌装料铺设而成)。

I.以标准方法(公路工程水泥及水泥混凝土试验规程T0553-2005)进行养生时间和强度测定，得到养生时间与强度关系(如附图2所示)。

由图2可以看出，在20℃、40℃条件下，复合材料结构层养生3小时后强度可达到15MPa和25MPa。在施工效率、强度等方面，显著优于水泥灌浆料结构层的施工效率和强度。

II.以路用性能评价的通用方法进行性能参数测定，测定数据见表1。

表1灌注完路面材料的路用性能指标：

实施例二：

如附图3所示，本实施例的重载交通道路路面铺装结构由基层1、复合材料结构层2及抗滑表层3构成。

以实施例一所述铺装材料及铺装方法铺设完毕，露出表面凹凸不平的基体沥青混合料后，采用以下方法进行抗滑表层3的铺设：

将重量比为100:20:10的水溶性聚氨酯乳液、炭黑、玄武岩矿粉搅拌混合形成胶结料，以黄金尾矿为耐磨集料，用喷洒车将胶结料与耐磨材料同步一次性喷洒至路面形成抗滑表层。其中，按重量计，胶结料的喷洒量为0.4kg/m²，黄金尾矿的配喷洒量为0.4kg/m²，喷洒车以5.5km/h的速度行驶。喷洒完毕后，固化2-3小时，道路可实现通行。

【性能测试】

测试对象：实施例二所述复合材料路面。

对照对象：复合材料结构层采用目前水泥基灌浆料形成的路面结构(由实施例一所述基体高粘性弹性沥青混合料和普通水泥灌装料铺设而成)，抗滑表层的铺装方法与实施例二相同。

以通用方法对表面抗滑指标进行测定，测定结果如表2所示。

表2表面抗滑指标：

由表2可以看出，与本发明复合材料结构层结合，抗滑表层在构造深度、摩擦系数等方面均有明显提升。

Claims

1.一种基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，包括基层，其特征在于：基层顶面铺筑有单一的复合材料结构层，所述复合材料结构层采用基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料铺设而成，基体高粘性弹性沥青混合料与聚氨酯复合材料的重量配比为75～85:15～25，所述聚氨酯复合材料包括硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液及水，硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液与水的重量比为(25～35):(10～25):(20～30):(3～5):(15～22)。

2.根据权利要求1所述的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，其特征在于：复合材料结构层的厚度为10～14cm。

3.根据权利要求1所述的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，其特征在于：基体高粘性弹性沥青混合料的设计空隙率为27～36％。

4.根据权利要求3所述的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，其特征在于：基体高粘性弹性沥青混合料的级配范围为19mm筛孔通过率为100％，16.0mm筛孔通过率为95％～100％、13.2mm筛孔通过率为72％～95％、9.5mm筛孔通过率为14％～65％、4.75mm筛孔通过率为5％～25％，2.36mm筛孔通过率为5％～15％，0.6mm筛孔通过率为3％～8％，0.3mm筛孔通过率为2％～6％，0.15mm筛孔通过率为2％～4％，0.075mm筛孔通过率为1％～5％。

5.根据权利要求3或4所述的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，其特征在于：基体高粘性弹性沥青混合料采用PG分级为82-22的高粘弹性复合改性沥青作为沥青胶结料，高粘弹性复合改性沥青的粘度为2.5～4.5Pa.s，软化点大于80℃。

6.根据权利要求5所述的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，其特征在于：基体高粘性弹性沥青混合料在拌合时加入适量纤维，纤维的添加量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的0.3-0.6％。

7.根据权利要求1所述的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，其特征在于：聚氨酯乳液为异氰酸酯和多元醇的混合液，异氰酸酯和多元醇的重量比为1:(0.9-1.1)。

8.根据权利要求1所述的基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，其特征在于：聚氨酯复合材料还包括膨胀剂、减水剂、引气剂、消泡剂、碱性矿粉及稳定剂，膨胀剂、减水剂、引气剂、消泡剂、碱性矿粉、稳定剂与硅酸盐水泥的重量比为(3～5):(0.2～0.4):(0.2～0.5):(0.2～1.5):(10～25):(0.003～0.006):(25～35)。

9.基于复合材料的重载交通整体性抗车辙路面铺装结构，包括基层，其特征在于：基层之上铺筑有复合材料结构层和抗滑表层，

所述复合材料结构层采用基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料铺设而成，基体高粘性弹性沥青混合料与聚氨酯复合材料的重量配比为75～85:15～25，所述聚氨酯复合材料包括硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液及水，硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液与水的重量比为(25～35):(10～25):(20～30):(3～5):(15～22)；

所述抗滑表层由胶结料和耐磨集料铺设而成：以水溶性聚氨酯乳液、炭黑、碱性矿粉搅拌混合形成胶结料，以黄金尾矿为耐磨集料，将胶结料与耐磨材料同步一次性喷洒至复合材料结构层上表面形成抗滑表层。