CN111960772A - 改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料及其制备方法。旨在解决在兼顾高掺量RMAP水稳再生基层材料抗裂效果的同时，显著提升基层材料力学强度和耐久性能的技术问题。本发明混合料由如下原料制成：混合集料、水泥、纳米氧化镁，氧化石墨烯纳米片，碳纳米管，减水剂，助分散剂。本发明混合料将三种纳米材料协同分散处理后掺入再生基层材料中，在保证其良好的抗裂效果的同时大幅提高其力学性能和抗冻能力，使再生基层材料的整体路用性能得到显著改善；使用高掺量废旧路面材料，原材料来源广泛，就地再生利用，节约施工成本，环境友好，具有良好的经济和生态效益。

Description

改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料及其制备方法。
背景技术
我国公路建设已从高速建设期进入养护维修期，截止2019年我国公路养护里程已达通车里程的98%，这其中较高等级的公路大多为沥青路面。随着路面再生技术的不断发展，近几十年来在旧沥青路面大修及改扩建工程中产生的大量旧沥青路面回收料（reclaimed meterials from asphalt pavement）RMAP已得到有效回收，经破碎筛分等处理后作为筑路材料重新再生为路面结构层。然而，由于半刚性基层容易发生开裂破坏而影响路面使用寿命，水稳再生基层的强度较低、收缩开裂问题严重、RMAP旧料利用率较低等原因路用性能表现不佳，进而限制了高RMAP掺量的再生基层在较高等级公路中的应用。
因此，亟待开发出一种新型水泥稳定再生基层材料以增加RMAP旧料利用率，在提高其力学性能的同时兼具良好抗裂效果，以能够大幅提升再生基层承载能力和使用寿命，以提升其环保效益和社会经济价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料及其制备方法，以期解决在兼顾高掺量RMAP水稳再生基层材料抗裂效果的同时，显著提升基层材料力学强度和耐久性能的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料，由如下重量份数的原料制成：
混合集料100份、水泥3～5份、纳米氧化镁0.05～0.1份，氧化石墨烯纳米片0.2～0.3份，碳纳米管0.07～0.18份，减水剂0.02～0.04份，助分散剂0.05～0.15份。
优选的，所述混合集料由如下重量份数的原料制成：再生集料55～65份，天然集料45～35份。
优选的，所述水泥的型号为P.O42.5、P.F32.5、P.F42.5、P.C32.5、P.C42.5、P.S.A32.5、P.S.A42.5、P.P32.5、P.P42.5中的任意一种。
优选的，所述氧化石墨烯纳米片与碳纳米管的质量比为1：0.35～0.6。
优选的，所述减水剂为聚羧酸类减水剂。
优选的，所述的助分散剂为非离子型高分子分散剂和/或阴离子型表面活性剂。
上述改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取所述减水剂和助分散剂混合，搅拌均匀，得复合高性能分散剂；
（2）取所述氧化石墨烯纳米片和碳纳米管混合，加入水中，搅拌至均匀分散状；加入制得的所述复合高性能分散剂搅拌均匀；加入所述纳米氧化镁搅拌均匀，得混合液；将所得混合液超声处理，得到复合改性纳米分散液；
（3）配取所述再生集料和天然集料，拌和，得混合集料；
（4）将所得复合改性纳米分散液加入所述混合集料中，充分拌和，闷料处理；
（5）取所述水泥，加入所述闷料处理的混合集料中，加水，充分拌和，即成。
优选的，在所述步骤（2）中，纳米氧化镁、氧化石墨烯纳米片、碳纳米管预烘干处理。
优选的，在所述步骤（4）中，复合改性纳米分散液均分2～3次加入所述混合集料中。
优选的，在所述步骤（5）中，水泥分2～3次加入所述闷料处理的混合集料中。
与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：
1. 本发明混合料通过优化级配、添加纳米改性材料，增强再生基层混合料的承载能力，减少缩裂问题，增强抗冻性能；混合料为高RMAP掺量的再生基层，在提高了基层材料力学性能的同时，兼顾了基层材料良好的抗裂效果，对大幅提升面基一体铣刨再生混合料的路用性能具有重要意义。
2. 本发明混合料综合采用了多种方式来改善纳米材料在混合料中的分散效果；如：①通过将少量减水剂（PC）与高性能助分散剂（PVP或SDBS）混合搅拌制备成复合高性能分散剂，来显著提升三种纳米材料在水溶液和水泥浆体碱性环境中的分散效果；②利用聚羧酸类减水剂（PC）在降低混合料标准稠度用水量、增加其流动性的同时能够通过其自身所携带的大量活性基团形成聚合物分子吸附层，产生空间位阻效应，进而对水泥颗粒和纳米粒子产生双重分散效果；③利用聚羧酸类减水剂（PC）通过减少界面区CH晶体含量、促进AFt晶体生长提升再生混合料的力学性能，能够有效解决纳米材料在水溶液及水泥浆体中极易发生聚沉的分散性问题；④本发明在制备过程中采用机械搅拌、超声分散、试剂助分散、闷料吸附预处理等多种方式促进纳米粒子在混合料中均匀分散，进一步提高了纳米材料在混合料中的分散效果。
3. 本发明混合料所用原料无毒害，且能够大量再生利用废旧路面材料（减少垃圾填埋，保护环境）；可大幅降低施工成本，减少砂石等不可再生资源的使用量，具有良好的经济效益和生态效益。
4. 本发明混合料中三种纳米材料在本发明混合料中均起到提高早中期再生基层混合料力学强度和抗冻能力的作用，而其中GO组分能够大幅提升混合料的强度和抗冻能力，MWNTs的纤维形态能够发挥小尺度加筋增韧效果，nano-MgO组分具有的微膨胀特性，能够减少再生基层易出现的收缩、开裂问题；对高掺RMAP的冷再生基层混合料进行协同改性，能够提升混合料的整体路用性能（力学强度、韧性、抗冻性能、抗收缩性能、耐酸碱能力、抗疲劳能力等），有效解决目前再生基层承载能力低、开裂问题严重、使用寿命较短的实际工程问题。
5. 发明混合料中纳米材料对水泥基复合材料力学性能和耐久性有大幅提高，通过增强增韧组分（GO、MWNTs）提高混合料的强度和韧性，在具备较高承载能力的同时减少再生基层材料的受拉破坏；通过收缩补偿组分（nano-MgO）减少基层材料的收缩开裂，进而减少反射裂缝，提高路面整体的使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的试剂、原料如无特别说明，均为市售常规试剂、原料；所涉及的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1：改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料
（1）该混合料由如下重量份数的原料制成：
再生集料60份，天然集料40份，水泥4份，氧化石墨烯纳米片（GO）粉体0.24份，多壁碳纳米管（MWNTs）粉体0.12份，纳米氧化镁（nano-MgO）粉体0.06份，聚羧酸类减水剂（PC）0.03份，高性能助分散剂0.1份，水6.3份；
所采用的再生集料来源于旧沥青路面铣刨后的废料，面层材料在整个废料中的掺比≤30%，小于0.075mm的细料含量≤10%，大于4.75mm的集料含量≥40%。
所采用的天然集料为天然岩石或卵石经人工破碎筛分而成的碎石和石屑，应添加至少3档天然集料。天然集料最大粒径≤31.5mm，其中粗集料压碎值≤26%。
再生集料和天然集料制成的混合集料，混合集料为骨架密实型结构，其级配应满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521-2019）表 6.5.1 中Ⅰ型或《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）表4.5.2中C-A-1型的级配范围要求。
本实施例所采用的混合集料级配见表1。
表1 混合集料合成级配通过百分率
筛孔尺寸（mm） 31.5 26.5 19 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.075
通过百分率（%） 100.0 96.8 78.9 52.6 35.6 25.3 19.9 17.5 4.8
所采用的水泥型号为P.O42.5；所采用的GO为一种小片径的少层氧化石墨烯纳米片，其片层数量为1～4层，厚度＜5nm，片层直径为4～6um，比表面积＞400 m2/g；所采用的MWNTs是一种长径比较大的多壁碳纳米管，其管径为10～20nm，长度为15～50um，比表面积＞300 m2/g，纯度＞95wt%；所采用的nano-MgO，其粒径为 40～60 nm，纯度＞99wt%，比表面积＞ 200 m2/g；所采用的高性能助分散剂为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。
（2）该混合料的制备方法
1）制备复合高性能分散剂
将PVP助分散剂、PC减水剂混合，使用高速搅拌机先低速（转速为500～600rpm）搅拌3min，静置1min，再高速（转速为2000～2300rpm）搅拌5min至均匀状，得复合高性能分散剂；
2）制备复合改性纳米材料
选取GO粉体，MWNTs粉体、nano-MgO粉体，在烘箱中105℃烘干备用；
取增强增韧组分的GO、MWNTs混合，加入称量好的拌合用水中，先用高速搅拌机中速（转速为1500～1800rpm）搅拌10min至均匀分散状；加入步骤1）中制得的复合高性能分散剂在高速搅拌机中再高速（转速为2500～2800rpm）搅拌5min，然后按照增强增韧组分：收缩补偿组分=6：1的比例加入nano-MgO材料再高速（转速为2000～2300rpm）搅拌5min，将混合液置于探针式超声分散器下超声（工作频率20KHz，超声功率800～900W）处理10min，静置2min后继续超声（工作频率20KHz，超声功率400～500W）处理5min，得到复合改性纳米分散液；
3）制备纳米协同改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料
a. 配取再生集料和天然集料，置于拌和盘中人工拌和5～7min，充分拌匀备用，得混合集料；
b. 将步骤2）得到的复合改性纳米分散液均分三次加入混合集料中，第一次加入后搅拌3～5min，第二次加入后搅拌7～10min，第三次加入后搅拌15～20min，用预留的清水清洗残留的纳米分散液，加入后再搅拌3～5min，经多次拌匀后倒入浅盘覆膜闷料8～10h进行闷料处理，闷料宜置于20±2℃的环境中进行，并保证覆膜的密闭性良好；充分浸润使得集料间的孔裂隙被纳米颗粒填充进而得到经纳米分散液预处理的混合集料；
c.取干燥后的水泥，分两次，每次称取1/2，将水泥均匀加入闷料处理后的混合集料中，喷洒预留拌和用水，并置于搅拌机中每次充分拌和10～15min，即得到经纳米协同改性的抗裂型水泥稳定再生基层混合料。
实施例2：改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料
（1）该混合料由如下重量份数的原料制成：
再生集料60份，天然集料40份，水泥4份，GO粉体0.24份，MWNTs粉体0.12份，nano-MgO粉体0.09份，PC减水剂0.03份，高性能助分散剂0.1份，水6.5份；
本实施例所采用的混合集料级配见表1，所采用的水泥型号为P.O42.5，所采用的高性能助分散剂为十二烷基苯磺酸钠（SDBS）。
（2）该混合料的制备方法同实施例1。
实施例3：改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料
（1）该混合料由如下重量份数的原料制成：
再生集料60份，天然集料40份，水泥4份，GO粉体0.28份，MWNTs粉体0.14份，nano-MgO粉体0.07份，PC减水剂0.03份，高性能助分散剂0.1份，水6.9份；
本实施例所采用的混合集料级配见表1，所采用的水泥型号为P.O42.5，所采用的高性能助分散剂为SDBS离子型表面活性剂。
（2）该混合料的制备方法同实施例1。
实施例4：改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料
（1）该混合料由如下重量份数的原料制成：
再生集料60份，天然集料40份，水泥4份，GO粉体0.24份，MWNTs粉体0.12份，nano-MgO粉体0.08份，PC减水剂0.03份，高性能助分散剂0.1份，水6.5份；
本实施例所采用的混合集料级配见表1，所采用的水泥型号为P.F42.5，所采用的高性能助分散剂为PVP高分子助分散剂。
（2）该混合料的制备方法同实施例1。
实施例5：改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料
（1）该混合料由如下重量份数的原料制成：
再生集料60份，天然集料40份，水泥4份，GO粉体0.26份，MWNTs粉体0.13份，nano-MgO粉体0.06份，PC减水剂0.03份，高性能助分散剂0.1份，水6.6份；
本实施例所采用的混合集料级配见表1，所采用的水泥型号为P.F42.5，所采用的高性能助分散剂为SDBS离子型表面活性剂。
（2）该混合料的制备方法同实施例1。
实施例6：一种改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料
（1）该混合料由如下重量份数的原料制成：
再生集料60份，天然集料40份，水泥4份，GO粉体0.28份，MWNTs粉体0.14份，nano-MgO粉体0.06份，PC减水剂0.03份，高性能助分散剂0.1份，水6.8份；
本实施例所采用的混合集料级配见表1，所采用的水泥型号为P.F42.5，所采用的高性能助分散剂为PVP高分子助分散剂。
（2）该混合料的制备方法同实施例1。
试验例7：
对实施例1～6中制得的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料进行路用性能实施验证试验。
对照组的混合料组分为：再生集料60份，天然集料40份，水泥4份，水5.8份；混合集料所采用的级配见表1，所采用的水泥型号为P.O42.5。
路用性能试验的试验项目包括：
7d无侧限抗压强度试验、28d无侧限抗压强度试验、28d劈裂强度试验、冻融循环试验和干缩试验，用以测试本发明纳米协同改性抗裂型水泥稳定再生混合料的路用性能。上述各试验将试件养护至相应龄期后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中的相关试验方法进行。每组另设置1组平行试验并取均值以保证试验结果的准确性。
与对照组中普通再生混合料进行对比分析，试验结果见表2。
表2混合料的路用性能试验数据对比
Figure 205822DEST_PATH_IMAGE001
。
从表2可知，实施例1～6中制得的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料的7天无侧限抗压强度已达到交通部部颁标准《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）中一级公路中、轻交通的强度要求，其劈裂强度、抗冻性能、抗干缩性能等指标明显高于对照实施例的普通再生混合料，表明本发明的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料的路用性能优良。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明技术构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关技术特征进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料，其特征在于，由如下重量份数的原料制成：
混合集料100份、水泥3～5份、纳米氧化镁0.05～0.1份，氧化石墨烯纳米片0.2～0.3份，碳纳米管0.07～0.18份，减水剂0.02～0.04份，助分散剂0.05～0.15份。
2.根据权利要求1所述的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料，其特征在于，所述混合集料由如下重量份数的原料制成：再生集料55～65份，天然集料45～35份。
3.根据权利要求1所述的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料，其特征在于，所述水泥的型号为P.O42.5、P.F32.5、P.F42.5、P.C32.5、P.C42.5、P.S.A32.5、P.S.A42.5、P.P32.5、P.P42.5中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料，其特征在于，所述氧化石墨烯纳米片与碳纳米管的质量比为1：0.35～0.6。
5.根据权利要求1所述的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸类减水剂。
6.根据权利要求1所述的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料，其特征在于，所述助分散剂为非离子型高分子分散剂和/或阴离子型表面活性剂。
7.权利要求1所述的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按所述配比取减水剂和助分散剂混合，搅拌均匀，得复合高性能分散剂；
（2）按所述配比取氧化石墨烯纳米片和碳纳米管混合，加入水中，搅拌至均匀分散状，再加入上步所得复合高性能分散剂后搅拌均匀，最后加入所述纳米氧化镁搅拌均匀，得混合液；将所得混合液超声处理，得到复合改性纳米分散液；
（3）按所述配比取再生集料和天然集料，拌和，得混合集料；
（4）将所得复合改性纳米分散液加入所述混合集料中，充分拌和，闷料处理；
（5）取所述水泥，加入所述闷料处理的混合集料中，加水，充分拌和，即成。
8.根据权利要求7所述的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，纳米氧化镁、氧化石墨烯纳米片、碳纳米管使用前进行预烘干处理。
9.根据权利要求7所述的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，复合改性纳米分散液均分2～3次加入所述混合集料中。
10.根权利要求7所述的改性抗裂型水泥稳定再生基层混合料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（5）中，水泥分2～3次加入所述闷料处理的混合集料中。
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