CN112661468A - 一种半柔性路面水泥基胶浆组合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半柔性路面水泥基胶浆组合物及其制备方法，属于路面材料技术领域，由以下原料按重量制备而成：水泥100‑120份、无机纳米中空粒子20‑30份、石英砂5‑30份、聚合物乳液1‑5份、触变剂0.1‑1份、消泡剂0.1‑2份、膨胀剂0.1‑0.7份、水150‑200份；所述石英砂粒径为0.5‑2mm；所述水泥为42.5硫铝酸盐水泥。本发明半柔性路面水泥基胶浆的流动性好，整个体系的流变性能好，水泥基浆的流动度随时间增长而增大，力学性能较好，具有良好的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损坏、抗疲劳性能，能够延长路面的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及路面材料技术领域，具体涉及一种半柔性路面水泥基胶浆组合物及其制备方法。
背景技术
半柔性路面是指在开级配的大空隙(空隙率高达20％以上)基体沥青混合料中，灌入以水泥为主要成分的特殊浆体而复合形成的一种路面，具有高于水泥混凝土路面的柔性和高于沥青混凝土路面的刚性，故将其称为半柔性路面。半柔性路面在材料强度机理方面具有其特有的长处。与普通沥青混凝土路面不同，半柔性路面属于密实—骨架嵌挤型结构。填充其空隙的水泥混合胶浆胶结后形成的强度和密实性与沥青混合料骨架结构共同抵抗汽车荷载的作用和防水。由于水泥混合胶浆凝结硬化后具有水泥混凝土路面的特性，表面色泽接近于白色，不易吸热。因此，高温稳定性能大大优于普通沥青混凝土路面，又由于以具有一定柔性的沥青混合料作为骨架结构，其低温抗裂性能也都优于普通水泥混凝土路面，而且可以不设或少设温度缝，行车平稳舒适。
半柔性路面既具备沥青路面和水泥路面的优点又屏蔽了两者的缺点，其路用性能优良，可适用于公路重载交通和公路穿城镇段灯控平交口等典型路段，城市的货运站、港口、码头、加油站等区域亦可扩展推广。目前，我国国内对基体沥青混合料、水泥基砂浆和半柔性路面混合料的技术指标要求研究还不够透彻，尤其是在多雨高温地区，存在水与温度的耦合作用，对半柔性路面的抗裂性能、抗水损坏性能和施工工艺及施工组织提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种半柔性路面水泥基胶浆组合物及其制备方法，本发明半柔性路面水泥基胶浆的流动性好，整个体系的流变性能好，水泥基浆的流动度随时间增长而增大，力学性能较好，具有良好的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损坏、抗疲劳性能，能够延长路面的使用寿命。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种半柔性路面水泥基胶浆组合物，由以下原料按重量制备而成：水泥100-120份、无机纳米中空粒子20-30份、石英砂5-30份、聚合物乳液1-5份、触变剂0.1-1份、消泡剂0.1-2份、膨胀剂0.1-0.7份、水150-200份；所述石英砂粒径为0.5-2mm；所述水泥为42.5硫铝酸盐水泥；
所述无机纳米中空粒子的制备方法如下：
S1.将铝酸三烷基酯和正硅酸酯溶于有机溶剂中，加入复合偶联剂，搅拌混合均匀，得到油相；
S2.将致孔剂溶于水中，得到水相；
S3.将所述油相加入水相中，乳化，得到乳化液，抽滤，干燥，得到无机纳米中空粒子。
作为本发明的进一步改进，由以下原料按重量制备而成：水泥105-115份、无机纳米中空粒子22-27份、石英砂10-20份、聚合物乳液2-4份、触变剂0.2-0.8份、消泡剂0.5-1.5份、膨胀剂0.2-0.6份、水170-180份。
作为本发明的进一步改进，所述铝酸三烷基酯为Al(O-iC3H7)3或Al(O-sC4H9)3；所述正硅酸酯为正硅酸甲酯或正硅酸乙酯；所述有机溶剂选自二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、乙醚、乙酸乙酯、吡啶中的一种或几种的组合；所述复合偶联剂为硅烷偶联剂和铝酸酯偶联剂的混合物，质量比为1：(2-3)；所述硅烷偶联剂选自KH560、KH570、KH580、KH590中的一种或者几种的组合；所述铝酸酯偶联剂选自DL-411、DL-411AF、DL-411D、DL-411DF中的一种或几种的组合；所述致孔剂选自聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯、聚乙二醇辛基苯基醚和失水山梨醇脂肪酸酯中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述铝酸三烷基酯、正硅酸酯、复合偶联剂、致孔剂的质量比为100：(200-300)：(2-10)：(1-5)；所述乳化条件为10000-20000r/min转速下乳化2-4min；干燥方法为100-120℃干燥2-4h。
作为本发明的进一步改进，所述触变剂选自有机膨润土、氢化蓖麻油、聚酰胺蜡中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述消泡剂为消泡剂P803或DF770 DD。
作为本发明的进一步改进，所述聚合物乳液的制备方法：称取甲基丙烯酸，丙烯酸丁酯、丙烯酸混合均匀，再缓慢加入吐温-80，NaHCO3，5-10wt％聚乙烯醇溶液和蒸馏水的混合体系，以300-500r/min转速预乳化30-50min，将乳化液升温至75-80℃，加入2-5wt％引发剂溶液，缓慢搅拌1-2h，得到聚合物乳液；
所述聚合物乳液由以下重量份的原料制备而成：甲基丙烯酸100-200份、丙烯酸丁酯50-70份、丙烯酸20-50份、吐温-80 1-5份、NaHCO3 2-5份、聚乙烯醇15-20份、引发剂0.5-2份；
所述引发剂选自过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸钾中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述膨胀剂选自UEA-W高效改进型低碱膨胀剂、UEA低碱膨胀剂或UEA-WD型多功能膨胀剂中的一种。
本发明进一步保护一种上述的半柔性路面水泥基胶浆组合物的制备方法，包括以下步骤：
S1.将聚合物乳液和无机纳米中空粒子混合后，加热至40-50℃，反应0.5-1h后，加入膨胀剂、消泡剂和触变剂，充分搅拌均匀，升温至70-90℃，反应1-2h，得到混合料；
S2.将水泥和石英砂加入水中，边搅拌边加热至40-50℃，反应0.5-2h后，加入步骤S1中的混合料，充分搅拌均匀，得到半柔性路面水泥基胶浆组合物。
作为本发明的进一步改进，所述搅拌转速为500-700r/min。
本发明具有如下有益效果：本发明水泥基胶浆组合物中聚合物乳液的掺入可以大大降低水泥砂浆的模量，使水泥砂浆变柔，提高抗折强度，降低压折比。此外，部分聚合物乳液还有较好的减水作用和一定的缓凝效果，可以代替减水剂，降低水泥胶浆的水胶比；
本发明制得的无机纳米中空粒子壁材为二氧化硅和氧化铝材质，不仅具有良好的阻燃、耐热性能，还能显著提高水泥基胶浆的力学性能，制得的中空球中，由于内壁经过偶联剂改性，容易使得聚合物乳液、消泡剂、膨胀剂、触变剂等有机物进入球中，避免有机聚合物和无机水泥基形成两相界面，从而提高了各物料之间的相容性，提高了胶浆的综合性能；
本发明半柔性路面水泥基胶浆的流动性好，整个体系的流变性能好，水泥基浆的流动度随时间增长而增大，力学性能较好，具有良好的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损坏、抗疲劳性能，能够延长路面的使用寿命。
具体具有如下有益效果：
②良好的工作性。包括流动性、可灌性等。
②弯拉强度。除车辆静载作用外，路面还承受冲击、振动、疲劳、磨损等作用，而作为灌注母体沥青混合料的水泥基浆材料同样承受这种作用。本发明胶浆材料具有相当的抗弯拉强度和抗压强度，与母体沥青混合料一起承受外界荷载。抗弯拉强度控制在4.0～5.0MPa，相应的抗压强度控制在25.0～35.5MPa。
③具备良好的与混合料结合的性能；良好的易渗透性能等。
④具有良好的匹配性，均匀性好，不出现分层离析现象，能保证施工时间内基浆均匀稳定，从而协调发挥作用。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
制备例1无机纳米中空粒子
制备方法如下：
S1.将100g Al(O-iC3H7)3和200g正硅酸甲酯溶于三氯甲烷中，加入2g复合偶联剂，搅拌混合均匀，得到油相；复合偶联剂为硅烷偶联剂KH560和铝酸酯偶联剂DL-411的混合物，质量比为1：2；
S2.将1g致孔剂失水山梨醇脂肪酸酯溶于水中，得到水相；
S3.将所述油相加入水相中，10000r/min转速下乳化2min，得到乳化液，抽滤，100℃干燥2h，得到无机纳米中空粒子。
制备例2无机纳米中空粒子
制备方法如下：
S1.将100g Al(O-sC4H9)3和300g正硅酸乙酯溶于二氯甲烷中，加入10g复合偶联剂，搅拌混合均匀，得到油相；复合偶联剂为硅烷偶联剂KH590和铝酸酯偶联剂DL-411的混合物，质量比为1：3；
S2.将5g致孔剂聚乙二醇辛基苯基醚溶于水中，得到水相；
S3.将所述油相加入水相中，20000r/min转速下乳化4min，得到乳化液，抽滤，120℃干燥4h，得到无机纳米中空粒子。
对比制备例1
与制备例2相比，未添加Al(O-sC4H9)3，其他条件均不改变。
制备方法如下：
S1.将400g正硅酸乙酯溶于二氯甲烷中，加入10g复合偶联剂，搅拌混合均匀，得到油相；复合偶联剂为硅烷偶联剂KH590和铝酸酯偶联剂DL-411的混合物，质量比为1：3；
S2.将5g致孔剂聚乙二醇辛基苯基醚溶于水中，得到水相；
S3.将所述油相加入水相中，20000r/min转速下乳化4min，得到乳化液，抽滤，120℃干燥4h，得到无机纳米中空粒子。
对比制备例2
与制备例2相比，未添加正硅酸乙酯，其他条件均不改变。
制备方法如下：
S1.将400g Al(O-sC4H9)3溶于二氯甲烷中，加入10g复合偶联剂，搅拌混合均匀，得到油相；复合偶联剂为硅烷偶联剂KH590和铝酸酯偶联剂DL-411的混合物，质量比为1：3；
S2.将5g致孔剂聚乙二醇辛基苯基醚溶于水中，得到水相；
S3.将所述油相加入水相中，20000r/min转速下乳化4min，得到乳化液，抽滤，120℃干燥4h，得到无机纳米中空粒子。
制备例3聚合物乳液
制备方法：称取100g甲基丙烯酸、50g丙烯酸丁酯、20g丙烯酸混合均匀，再缓慢加入1g吐温-80，2gNaHCO3，5wt％聚乙烯醇溶液(含聚乙烯醇15g)和蒸馏水的混合体系，以300r/min转速预乳化30min，将乳化液升温至75℃，加入2wt％引发剂过硫酸钾溶液(含引发剂过硫酸钾0.5g)，缓慢搅拌1h，得到聚合物乳液。
制备例4聚合物乳液
制备方法：称取200g甲基丙烯酸、70g丙烯酸丁酯、50g丙烯酸混合均匀，再缓慢加入5g吐温-80，5gNaHCO3，10wt％聚乙烯醇溶液(含聚乙烯醇20g)和蒸馏水的混合体系，以500r/min转速预乳化50min，将乳化液升温至80℃，加入5wt％引发剂过硫酸铵溶液(含引发剂过硫酸铵2g)，缓慢搅拌2h，得到聚合物乳液。
实施例1
原料组成(重量份)：水泥100份、制备例1制得的无机纳米中空粒子20份、石英砂5份、制备例3制得的聚合物乳液1份、聚酰胺蜡0.1份、消泡剂P8030.1份、UEA-WD型多功能膨胀剂0.1份、水150份；所述石英砂粒径为0.5-2mm；所述水泥为42.5硫铝酸盐水泥。
制备方法：
包括以下步骤：
S1.将聚合物乳液和无机纳米中空粒子混合后，加热至40℃，反应0.5h后，加入UEA-WD型多功能膨胀剂、消泡剂P803和聚酰胺蜡，充分搅拌均匀，搅拌转速为500r/min，升温至70℃，反应1h，得到混合料；
S2.将水泥和石英砂加入水中，边搅拌边加热至40℃，反应0.5h后，加入步骤S1中的混合料，充分搅拌均匀，搅拌转速为500r/min，得到半柔性路面水泥基胶浆组合物。
实施例2
原料组成(重量份)：水泥120份、制备例1制得的无机纳米中空粒子30份、石英砂30份、制备例3制得的聚合物乳液5份、氢化蓖麻油1份、消泡剂P8032份、UEA-W高效改进型低碱膨胀剂0.7份、水200份；所述石英砂粒径为0.5-2mm；所述水泥为42.5硫铝酸盐水泥。
制备方法：
包括以下步骤：
S1.将聚合物乳液和无机纳米中空粒子混合后，加热至50℃，反应1h后，加入UEA-W高效改进型低碱膨胀剂、消泡剂P803和氢化蓖麻油，充分搅拌均匀，搅拌转速为700r/min，升温至90℃，反应2h，得到混合料；
S2.将水泥和石英砂加入水中，边搅拌边加热至50℃，反应2h后，加入步骤S1中的混合料，充分搅拌均匀，搅拌转速为700r/min，得到半柔性路面水泥基胶浆组合物。
实施例3
原料组成(重量份)：水泥105份、制备例2制得的无机纳米中空粒子22份、石英砂10份、制备例4制得的聚合物乳液2份、有机膨润土0.2份、消泡剂DF770DD 0.5份、UEA低碱膨胀剂0.2份、水170份；所述石英砂粒径为0.5-2mm；所述水泥为42.5硫铝酸盐水泥。
制备方法：
包括以下步骤：
S1.将聚合物乳液和无机纳米中空粒子混合后，加热至42℃，反应0.5h后，加入UEA低碱膨胀剂、消泡剂DF770 DD和有机膨润土，充分搅拌均匀，搅拌转速为550r/min，升温至75℃，反应1h，得到混合料；
S2.将水泥和石英砂加入水中，边搅拌边加热至42℃，反应1h后，加入步骤S1中的混合料，充分搅拌均匀，搅拌转速为550r/min，得到半柔性路面水泥基胶浆组合物。
实施例4
原料组成(重量份)：水泥115份、制备例2制得的无机纳米中空粒子27份、石英砂20份、制备例4制得的聚合物乳液4份、有机膨润土0.8份、消泡剂DF770DD 1.5份、UEA-W高效改进型低碱膨胀剂0.6份、水180份；所述石英砂粒径为0.5-2mm；所述水泥为42.5硫铝酸盐水泥。
制备方法：
包括以下步骤：
S1.将聚合物乳液和无机纳米中空粒子混合后，加热至50℃，反应1h后，加入UEA-W高效改进型低碱膨胀剂、消泡剂DF770 DD和有机膨润土，充分搅拌均匀，搅拌转速为650r/min，升温至85℃，反应2h，得到混合料；
S2.将水泥和石英砂加入水中，边搅拌边加热至48℃，反应1h后，加入步骤S1中的混合料，充分搅拌均匀，搅拌转速为650r/min，得到半柔性路面水泥基胶浆组合物。
对比例1
与实施例4相比，采用对比制备例1制得的无机纳米中空粒子，其他条件均不改变。
对比例2
与实施例4相比，采用对比制备例2制得的无机纳米中空粒子，其他条件均不改变。
对比例3
与实施例4相比，未添加聚合物乳液，其他条件均不改变。
测试例1
将本发明实施例1-4和对比例1-3制得的半柔性路面水泥基胶浆组合物制备得到的半柔性路面材料进行性能测试，结果见表1。
表1
由表1可知，本发明制得的半柔性路面水泥基胶浆组合物制备得到的半柔性路面材料具有较好的力学性能和耐久性能。
对比例1和对比例2中分别仅仅采用正硅酸乙酯或Al(O-sC4H9)3制得的无机纳米中空粒子，其对材料的力学性能和耐久性有一定影响，可见，使用壁材为二氧化硅和氧化硅混合的无机纳米中空粒子材料，对胶浆的力学性能和耐久性具有促进作用，且具有协调增效的作用。
对比例3中未添加聚合物乳液，其力学性能、耐久性能显著下降，聚合物乳液的掺入可以大大降低水泥砂浆的模量，使水泥砂浆变柔，提高抗折强度，降低压折比。此外，部分聚合物乳液还有较好的减水作用和一定的缓凝效果，可以代替减水剂，降低水泥胶浆的水胶比。
与现有技术相比，本发明水泥基胶浆组合物中聚合物乳液的掺入可以大大降低水泥砂浆的模量，使水泥砂浆变柔，提高抗折强度，降低压折比。此外，部分聚合物乳液还有较好的减水作用和一定的缓凝效果，可以代替减水剂，降低水泥胶浆的水胶比；
本发明制得的无机纳米中空粒子壁材为二氧化硅和氧化铝材质，不仅具有良好的阻燃、耐热性能，还能显著提高水泥基胶浆的力学性能，制得的中空球中，由于内壁经过偶联剂改性，容易使得聚合物乳液、消泡剂、膨胀剂、触变剂等有机物进入球中，避免有机聚合物和无机水泥基形成两相界面，从而提高了各物料之间的相容性，提高了胶浆的综合性能；
本发明半柔性路面水泥基胶浆的流动性好，整个体系的流变性能好，水泥基浆的流动度随时间增长而增大，力学性能较好，具有良好的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损坏、抗疲劳性能，能够延长路面的使用寿命。
具体具有如下有益效果：
⑤良好的工作性。包括流动性、可灌性等。
②弯拉强度。除车辆静载作用外，路面还承受冲击、振动、疲劳、磨损等作用，而作为灌注母体沥青混合料的水泥基浆材料同样承受这种作用。本发明胶浆材料具有相当的抗弯拉强度和抗压强度，与母体沥青混合料一起承受外界荷载。抗弯拉强度控制在4.0～5.0MPa，相应的抗压强度控制在25.0～35.5MPa。
⑥具备良好的与混合料结合的性能；良好的易渗透性能等。
④具有良好的匹配性，均匀性好，不出现分层离析现象，能保证施工时间内基浆均匀稳定，从而协调发挥作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半柔性路面水泥基胶浆组合物，其特征在于，由以下原料按重量制备而成：水泥100-120份、无机纳米中空粒子20-30份、石英砂5-30份、聚合物乳液1-5份、触变剂0.1-1份、消泡剂0.1-2份、膨胀剂0.1-0.7份、水150-200份；所述石英砂粒径为0.5-2mm；所述水泥为42.5硫铝酸盐水泥；
所述无机纳米中空粒子的制备方法如下：
S1.将铝酸三烷基酯和正硅酸酯溶于有机溶剂中，加入复合偶联剂，搅拌混合均匀，得到油相；
S2.将致孔剂溶于水中，得到水相；
S3.将所述油相加入水相中，乳化，得到乳化液，抽滤，干燥，得到无机纳米中空粒子。
2.根据权利要求1所述半柔性路面水泥基胶浆组合物，其特征在于，由以下原料按重量制备而成：水泥105-115份、无机纳米中空粒子22-27份、石英砂10-20份、聚合物乳液2-4份、触变剂0.2-0.8份、消泡剂0.5-1.5份、膨胀剂0.2-0.6份、水170-180份。
3.根据权利要求1所述所述半柔性路面水泥基胶浆组合物，其特征在于，所述铝酸三烷基酯为Al(O-iC3H7)3或Al(O-sC4H9)3；所述正硅酸酯为正硅酸甲酯或正硅酸乙酯；所述有机溶剂选自二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、乙醚、乙酸乙酯、吡啶中的一种或几种的组合；所述复合偶联剂为硅烷偶联剂和铝酸酯偶联剂的混合物，质量比为1：(2-3)；所述硅烷偶联剂选自KH560、KH570、KH580、KH590中的一种或者几种的组合；所述铝酸酯偶联剂选自DL-411、DL-411AF、DL-411D、DL-411DF中的一种或几种的组合；所述致孔剂选自聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯、聚乙二醇辛基苯基醚和失水山梨醇脂肪酸酯中的一种。
4.根据权利要求1所述所述半柔性路面水泥基胶浆组合物，其特征在于，所述铝酸三烷基酯、正硅酸酯、复合偶联剂、致孔剂的质量比为100：(200-300)：(2-10)：(1-5)；所述乳化条件为10000-20000r/min转速下乳化2-4min；干燥方法为100-120℃干燥2-4h。
5.根据权利要求1所述所述半柔性路面水泥基胶浆组合物，其特征在于，所述触变剂选自有机膨润土、氢化蓖麻油、聚酰胺蜡中的一种。
6.根据权利要求1所述所述半柔性路面水泥基胶浆组合物，其特征在于，所述消泡剂为消泡剂P803或DF770 DD。
7.根据权利要求1所述所述半柔性路面水泥基胶浆组合物，其特征在于，所述聚合物乳液的制备方法：称取甲基丙烯酸，丙烯酸丁酯、丙烯酸混合均匀，再缓慢加入吐温-80，NaHCO3，5-10wt％聚乙烯醇溶液和蒸馏水的混合体系，以300-500r/min转速预乳化30-50min，将乳化液升温至75-80℃，加入2-5wt％引发剂溶液，缓慢搅拌1-2h，得到聚合物乳液；
所述聚合物乳液由以下重量份的原料制备而成：甲基丙烯酸100-200份、丙烯酸丁酯50-70份、丙烯酸20-50份、吐温-80 1-5份、NaHCO3 2-5份、聚乙烯醇15-20份、引发剂0.5-2份；
所述引发剂选自过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸钾中的一种。
8.根据权利要求1所述所述半柔性路面水泥基胶浆组合物，其特征在于，所述膨胀剂选自UEA-W高效改进型低碱膨胀剂、UEA低碱膨胀剂或UEA-WD型多功能膨胀剂中的一种。
9.一种如权利要求1-8任一项权利要求所述的半柔性路面水泥基胶浆组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将聚合物乳液和无机纳米中空粒子混合后，加热至40-50℃，反应0.5-1h后，加入膨胀剂、消泡剂和触变剂，充分搅拌均匀，升温至70-90℃，反应1-2h，得到混合料；
S2.将水泥和石英砂加入水中，边搅拌边加热至40-50℃，反应0.5-2h后，加入步骤S1中的混合料，充分搅拌均匀，得到半柔性路面水泥基胶浆组合物。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌转速为500-700r/min。
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2021
- 2021-01-20 CN CN202110078236.7A patent/CN112661468B/zh active Active
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