CN111138140A - 一种聚氨酯改性水泥稳定碎石及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种聚氨酯改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：骨料95‑105份；硅酸盐水泥3.0‑4.5份；聚氨酯乳液0.1‑1.0份；水3.5‑4.0份。本发明还提供一种聚氨酯改性水泥稳定碎石的制备方法。本发明通过添加聚氨酯乳液改性水泥稳定碎石，解决了目前半刚性基层存在的耐久性问题，提高其抗收缩开裂能力和抗疲劳开裂能力。

Description

一种聚氨酯改性水泥稳定碎石及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路材料技术领域，具体说是一种聚氨酯改性水泥稳定碎石。
背景技术
经济的快速发展带动了各个行业的快速进步，人们的生活水平日益提高，所以为了保障人们出行的方便，提高人们的出行质量，我国在高速公路方面的建设速度不断在加快，高速公路的建设在为人们出行提供方便的同时，也给我国带来了巨大的经济效益。截止到2017年年底，我国的高速公路总里程已经达到了13.65万公里[1]，但是，经济的发展带动了交通量的增加，导致车辆并且重载，超载的情况十分的突出，这对于高速公路的承载能力提出了更高的要求。半刚性基层路面以其强度高，稳定性好，造价较低等特点，在我国的高速公路中得到了普遍的应用，但随着近年来越来越多的半刚性基层高速公路在实际交通荷载下被检验，其耐久性成为最显著的问题。我国《沥青路面设计规范》[2]中高速公路的设计年限为15年，其路面使用15年后产生结构性破坏，需要翻修或者重建符合规范要求的，但实际上，我国高速公路沥青路面平均实际使用仅6～7年就开始出现路面结构性破坏，其中有交通量、超限超载等多重因素的作用，这给我们的经济造成了巨大的损失,同时也对我们国家现行的路面结构设计、材料以及施工技术提出了更高的挑战。
半刚性基层路面以其特有的强度高、稳定性好、造价低等特点，适用了中国公路建设的历史发展条件，充分发挥了其优势。水泥稳定碎石是我国半刚性路面基层主要采用的材料，其特性致使半刚性基层由于温度和干燥收缩受阻易产生收缩裂缝，在长期耦合荷载作用下易发生疲劳开裂，从而引起反射裂缝病害，累积到一定程度引发结构破坏，成为制约高等级公路使用寿命的主要瓶颈。国内外对水泥稳定碎石半刚性基层的改性材料进行了大量研究，如添加纤维、橡胶、粉煤灰等,对于改善半刚性基层性能具有一定的积极作用，而采用聚合物乳液改性水泥稳定碎石的研究和应用才刚刚起CN201710813726公开的一种水泥稳定碎石，其改性添加剂由VAE乳液和改性聚丙烯酸酯乳液混合而成，将改性添加剂和纤维复合改性水泥稳定碎石，一定程度改善其抗冲、抗裂性能。该公开的水泥稳定碎石的缺陷在于必须跟纤维复合才行。相对于VAE乳液和聚丙烯酸酯，聚氨酯具有更佳的柔韧性和粘接强度，可以大幅提高水泥稳定碎石的抗疲劳开裂能力，但市面上的聚氨酯乳液在水泥基复合材料中容易破乳，其稳定性不良限制了在水泥稳定碎石中的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种聚氨酯改性水泥稳定碎石，目的在于解决目前半刚性基层存在的耐久性问题，通过添加聚氨酯乳液改性水泥稳定碎石，提高其抗收缩开裂能力和抗疲劳开裂能力。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种聚氨酯改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：
Figure BDA0002362232010000021
作为优选，所述组分的重量份为：
Figure BDA0002362232010000022
作为优选，所述聚氨酯乳液为封端型聚氨酯乳液，其固含量优选为35～45％，最优选固含量为40％。
作为优选，所述封端型聚氨酯乳液由以下步骤制备而成：
(A)先将多异氰酸酯、多元醇、亲水性扩链剂在60～100℃的温度下，反应2～4小时制得聚氨酯预聚物，
(B)再加入封端剂，反应温度为50～90℃，反应时间为1～2小时，制得封端型聚氨酯，
(C)最后加入离子化试剂和去离子水，制得封端型聚氨酯乳液。
作为优选，所述多异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、四甲基间苯二亚甲基二异氰酸酯(TMXDI)的任意一种。
作为优选，所述多元醇采用聚酯多元醇或聚醚多元醇，分子量为400～1000。所述亲水性扩链剂为二羟甲基丙酸。
作为优选，所述封端剂选自亚硫酸氢钠、水杨酸甲酯、乙酰乙酸乙酯的任意一种。
作为优选，所述离子化试剂为三乙胺。
作为优选，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，通过百分率为100％；
筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为70.4-73.8％；
筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为46.3-51.7％；
筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.8-35％；
筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为23.2-27.1％；
筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为13.8-17.4％；
筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.2-3.6％；
所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％。
本发明还提供一种所述聚氨酯改性水泥稳定碎石的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取0～1.0份的封端型聚氨酯乳液与3.5～4.0份的水混合稀释；
(2)称取98-105份的骨料、3.0～4.5份的硅酸盐水泥，充分混合；
(3)步骤(1)中的混合稀释物质在搅拌状态下逐渐加入步骤(2)中混合后的物质，搅拌时间为5-10min，迅速装膜，在振动成型压实仪上振实，0.5-1d后拆模，放入养护间进行养护6-9d后，得到水泥稳定碎石，所述养护间养护温度为20-25℃，相对湿度为90-95％。
(4)步骤(3)制备的水泥稳定碎石进一步在45-65℃温度条件下加热30-60min，得到所需改性水泥稳定碎石。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过控制聚氨酯乳液分子量使其与水泥具有较好的相容性，防止在水泥稳定碎石制备过程中破乳现象的发生，并在水泥稳定碎石成型后具有潜在的反应性，在一定温度条件下封端型聚氨酯可发生解封端反应释放出异氰酸酯(NCO)基团，利用NCO基团与水的反应生成交联型聚氨酯，最终形成韧性胶膜，并进一步提高与骨料和水泥之间的粘结强度，最终提高水泥稳定碎石的抗收缩开裂能力和抗疲劳开裂能力；
2、本发明的目的在于提供一种封端型聚氨酯乳液，其分子量小，乳液稳定，无需与纤维复合，不容易在水泥稳定碎石体系中破乳和离析，在一定温度条件下可以在水泥稳定碎石施工成型后发生反应，进一步提高与骨料和水泥之间的粘结强度，并形成韧性胶膜，最终提高水泥稳定碎石的抗收缩开裂能力和抗疲劳开裂能力。
3、本发明所得聚氨酯改性水泥稳定碎石在加热条件下制备而成，抗裂性能更佳，解决现有技术由于没有加热而导致的抗裂性能较差的技术问题。
具体实施方式
下面将详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
下面以四个实施例和一个对照组例对本发明做出解释说明：
在基础原料相同的前提下，作一对照组实验，
对照组：一种聚氨酯改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：
骨料 100份；
硅酸盐水泥 4.5份；
水 4份。
上述材料的制备工艺如下：称取骨料和水泥在拌和机中干拌20-30s，在搅拌状态下将水逐渐加入到骨料和水泥体系中，搅拌时间为5-10min，迅速装膜，在振动成型压实仪上振实，0.5-1d后拆模，放入养护间进行养护6-9d后，得到水泥稳定碎石，所述养护间养护温度为20-25℃，相对湿度为90-95％。
实施例一：
一种聚氨酯改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：
Figure BDA0002362232010000051
所述聚氨酯乳液为封端型聚氨酯乳液，其固含量优选为40％。
所述封端型聚氨酯乳液由以下步骤制备而成：
(A)先将多异氰酸酯、多元醇、亲水性扩链剂在60-100℃的温度下，反应2-4小时制得聚氨酯预聚物，
(B)再加入封端剂，反应温度为50-90℃，反应时间为1-2小时，制得封端型聚氨酯，
(C)最后加入离子化试剂和去离子水，制得封端型聚氨酯乳液。
所述多异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、四甲基间苯二亚甲基二异氰酸酯(TMXDI)的任意一种，本实施例所述多异氰酸酯选用二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
所述多元醇采用聚酯多元醇或聚醚多元醇，分子量为400～1000。所述亲水性扩链剂为二羟甲基丙酸。所述封端剂选自亚硫酸氢钠、水杨酸甲酯、乙酰乙酸乙酯的任意一种。所述离子化试剂为三乙胺。
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，通过百分率为100％；
筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为70.4-73.8％；
筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为46.3-51.7％；
筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.8-35％；
筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为23.2-27.1％；
筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为13.8-17.4％；
筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.2-3.6％；
所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％。
上述聚氨酯改性水泥稳定碎石的制备工艺如下：
(1)称取0.2份的封端型聚氨酯乳液与4.0份的水混合稀释；
(2)称取100份的骨料、4.5份的硅酸盐水泥，充分混合；
(3)步骤(1)中的混合稀释物质在搅拌状态下逐渐加入步骤(2)中混合后的物质，搅拌时间为5-10min，迅速装膜，在振动成型压实仪上振实，0.5-1d后拆模，放入养护间进行养护6-9d后，得到所需聚氨酯改性水泥稳定碎石，所述养护间养护温度为20-25℃，相对湿度为90-95％。
实施例二：
一种聚氨酯改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：
Figure BDA0002362232010000061
所述聚氨酯乳液为封端型聚氨酯乳液，其固含量优选为40％。
所述封端型聚氨酯乳液由以下步骤制备而成：
(A)先将多异氰酸酯、多元醇、亲水性扩链剂在60-100℃的温度下，反应2-4小时制得聚氨酯预聚物，
(B)再加入封端剂，反应温度为50-90℃，反应时间为1-2小时，制得封端型聚氨酯，
(C)最后加入离子化试剂和去离子水，制得封端型聚氨酯乳液。
所述多异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、四甲基间苯二亚甲基二异氰酸酯(TMXDI)的任意一种，本实施例所述多异氰酸酯选用二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
所述多元醇采用聚酯多元醇或聚醚多元醇，分子量为400～1000。所述亲水性扩链剂为二羟甲基丙酸。所述封端剂选自亚硫酸氢钠、水杨酸甲酯、乙酰乙酸乙酯的任意一种。所述离子化试剂为三乙胺。
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，通过百分率为100％；
筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为70.4-73.8％；
筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为46.3-51.7％；
筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.8-35％；
筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为23.2-27.1％；
筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为13.8-17.4％；
筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.2-3.6％；
所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％。
上述聚氨酯改性水泥稳定碎石的制备工艺如下：
(1)称取0.4份的封端型聚氨酯乳液与4.0份的水混合稀释；
(2)称取100份的骨料、4.5份的硅酸盐水泥，充分混合；
(3)步骤(1)中的混合稀释物质在搅拌状态下逐渐加入步骤(2)中混合后的物质，搅拌时间为5-10min，迅速装膜，在振动成型压实仪上振实，0.5-1d后拆模，放入养护间进行养护6-9d后，得到所需聚氨酯改性水泥稳定碎石，所述养护间养护温度为20-25℃，相对湿度为90-95％。
实施例三：
一种聚氨酯改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：
Figure BDA0002362232010000081
所述聚氨酯乳液为封端型聚氨酯乳液，其固含量优选为45％。
所述封端型聚氨酯乳液由以下步骤制备而成：
(A)先将多异氰酸酯、多元醇、亲水性扩链剂在60-100℃的温度下，反应2-4小时制得聚氨酯预聚物，
(B)再加入封端剂，反应温度为50-90℃，反应时间为1-2小时，制得封端型聚氨酯，
(C)最后加入离子化试剂和去离子水，制得封端型聚氨酯乳液。
所述多异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、四甲基间苯二亚甲基二异氰酸酯(TMXDI)的任意一种，本实施例所述多异氰酸酯选用二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
所述多元醇采用聚酯多元醇或聚醚多元醇，分子量为400～1000。所述亲水性扩链剂为二羟甲基丙酸。所述封端剂选自亚硫酸氢钠、水杨酸甲酯、乙酰乙酸乙酯的任意一种。所述离子化试剂为三乙胺。
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，通过百分率为100％；
筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为70.4-73.8％；
筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为46.3-51.7％；
筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.8-35％；
筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为23.2-27.1％；
筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为13.8-17.4％；
筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.2-3.6％；
所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％。
上述聚氨酯改性水泥稳定碎石的制备工艺如下：
(1)称取0.2份的封端型聚氨酯乳液与4.0份的水混合稀释；
(2)称取100份的骨料、4.5份的硅酸盐水泥，充分混合；
(3)步骤(1)中的混合稀释物质在搅拌状态下逐渐加入步骤(2)中混合后的物质，搅拌时间为5-10min，迅速装膜，在振动成型压实仪上振实，0.5-1d后拆模，放入养护间进行养护6-9d后，得到水泥稳定碎石，所述养护间养护温度为20-25℃，相对湿度为90-95％。
(4)步骤(3)制备的水泥稳定碎石进一步在45-65℃温度条件下加热30--60min，得到所需改性水泥稳定碎石。
实施例四：
一种聚氨酯改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：
Figure BDA0002362232010000091
所述聚氨酯乳液为封端型聚氨酯乳液，其固含量优选为35％。所述水泥为普通硅酸盐水泥，其强度等级为42.5级。
所述封端型聚氨酯乳液由以下步骤制备而成：
(A)先将多异氰酸酯、多元醇、亲水性扩链剂在60-100℃的温度下，反应2-4小时制得聚氨酯预聚物，
(B)再加入封端剂，反应温度为50-90℃，反应时间为1-2小时，制得封端型聚氨酯，
(C)最后加入离子化试剂和去离子水，制得封端型聚氨酯乳液。
所述多异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、四甲基间苯二亚甲基二异氰酸酯(TMXDI)的任意一种，本实施例所述多异氰酸酯选用二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
所述多元醇采用聚酯多元醇或聚醚多元醇，分子量为400～1000。所述亲水性扩链剂为二羟甲基丙酸。所述封端剂选自亚硫酸氢钠、水杨酸甲酯、乙酰乙酸乙酯的任意一种。所述离子化试剂为三乙胺。
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，通过百分率为100％；
筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为70.4-73.8％；
筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为46.3-51.7％；
筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.8-35％；
筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为23.2-27.1％；
筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为13.8-17.4％；
筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.2-3.6％；
所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％。
上述聚氨酯改性水泥稳定碎石的制备工艺如下：
(1)称取0.4份的封端型聚氨酯乳液与4份的水混合稀释；
(2)称取100份的骨料、4.5份的硅酸盐水泥，充分混合；
(3)步骤(1)中的混合稀释物质在搅拌状态下逐渐加入步骤(2)中混合后的物质，搅拌时间为5-10min，迅速装膜，在振动成型压实仪上振实，0.5-1d后拆模，放入养护间进行养护6-9d后，得到水泥稳定碎石，所述养护间养护温度为20-25℃，相对湿度为90-95％。
(4)步骤(3)制备的水泥稳定碎石进一步在45-65℃温度条件下加热30-60min，得到所需改性水泥稳定碎石。
对于以上四个实施例，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，先将骨料干拌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：(表中对照组表示未添加聚氨酯乳液的水泥稳定碎石的各项数据)
Figure BDA0002362232010000111
从上述试验结果可以看出：聚合物乳液改性水泥稳定碎石材料在改善力学性能的基础上，干缩系数明显减小，抗裂性能也得到了明显的提高，而且按照本发明的组分和比例配制，进一步达到更好的抗裂性能。
而且，从实验结果可看出，实施例三与实施例一相比，组分相同、比例相同，然而，由于反应条件设为加热后，其劈裂抗拉强度明显增大，干缩系数明显减小，其抗裂性能得到明显提升。同理：实施例四与实施例二相比，组分相同、比例相同，然而，由于反应条件设为加热后，其劈裂抗拉强度明显增大，干缩系数明显减小，其抗裂性能得到明显提升，提高了其抗收缩开裂能力和抗疲劳开裂能力。
因而可知，在同等组分、比例下，加热条件后的聚氨酯改性水泥稳定碎石可具备更佳的抗裂性能、抗收缩开裂能力和抗疲劳开裂能力。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种聚氨酯改性水泥稳定碎石，其特征在于：包括如下重量份的组分：
Figure FDA0002362230000000011
2.根据权利要求1所述聚氨酯改性水泥稳定碎石，其特征在于：所述组分的重量份为：
Figure FDA0002362230000000012
3.根据权利要求2所述聚氨酯改性水泥稳定碎石，其特征在于：所述聚氨酯乳液为封端型聚氨酯乳液，其固含量优选为35～45％，最优选固含量为40％。
4.根据权利要求3所述聚氨酯改性水泥稳定碎石，其特征在于：所述封端型聚氨酯乳液由以下步骤制备而成：
(A)先将多异氰酸酯、多元醇、亲水性扩链剂在60～100℃的温度下，反应2～4小时制得聚氨酯预聚物，
(B)再加入封端剂，反应温度为50～90℃，反应时间为1～2小时，制得封端型聚氨酯，
(C)最后加入离子化试剂和去离子水，制得封端型聚氨酯乳液。
5.根据权利要求1所述聚氨酯改性水泥稳定碎石，其特征在于：所述多异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、四甲基间苯二亚甲基二异氰酸酯(TMXDI)的任意一种。
6.根据权利要求4所述聚氨酯改性水泥稳定碎石，其特征在于：所述多元醇采用聚酯多元醇或聚醚多元醇，分子量为400～1000。所述亲水性扩链剂为二羟甲基丙酸。
7.根据权利要求4所述聚氨酯改性水泥稳定碎石，其特征在于：所述封端剂选自亚硫酸氢钠、水杨酸甲酯、乙酰乙酸乙酯的任意一种。
8.根据权利要求4所述聚氨酯改性水泥稳定碎石，其特征在于：所述离子化试剂为三乙胺。
9.根据权利要求1所述聚氨酯改性水泥稳定碎石，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，通过百分率为100％；
筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为70.4-73.8％；
筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为46.3-51.7％；
筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.8-35％；
筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为23.2-27.1％；
筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为13.8-17.4％；
筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.2-3.6％；
所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％。
10.一种如权利3-9任意一权利要求所述的聚氨酯改性水泥稳定碎石的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取0～1.0份的封端型聚氨酯乳液与3.5～4.0份的水混合稀释；
(2)称取98-105份的骨料、3.0～4.5份的硅酸盐水泥，充分混合；
(3)步骤(1)中的混合稀释物质在搅拌状态下逐渐加入步骤(2)中混合后的物质，搅拌时间为5-10min，迅速装膜，在振动成型压实仪上振实，0.5-1d后拆模，放入养护间进行养护6-9d后，得到水泥稳定碎石，所述养护间养护温度为20-25℃，相对湿度为90-95％。
(4)步骤(3)制备的水泥稳定碎石进一步在45-65℃温度条件下加热30-60min，得到所需改性水泥稳定碎石。
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