CN116514483A - 一种自密实高韧性半柔路面灌浆料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自密实高韧性半柔路面灌浆料及制备方法，所述半柔路面灌浆料包括尾矿砂、磷石膏、水泥、橡胶颗粒、界面剂、可再分散乳胶粉、白砂糖和水；本发明的半柔路面灌浆料的抗拉强度等级达到M30，能够在重力作用下自主灌满沥青混合料基体空隙；同时具有高粘性能，与沥青混合料基体间无缝粘结；在硬化后无收缩现象，支撑基体骨架，有效避免半柔路面变形病害发生。利用连续级配的尾矿砂，增强灌浆料骨架结构稳定性，提升其强度；利用磷石膏替代部分水泥作为胶凝材料，低碳化高值利用固废，有助于节能降碳。
Description
技术领域
本发明涉及路面材料技术领域，具体涉及一种自密实高韧性半柔路面灌浆料及制备方法。
背景技术
早期我国沥青路面应用中遵循“强基薄面”的设计理念，应用而生的半刚性基层沥青路面路面经历多年发展已经逐渐成熟，在道路建设中得到了大规模应用，但其运营后期出现的不可避免的反射裂缝以及多种路面病害仍遭诟病。
与普通密级配沥青混凝土相比，灌注式半柔性路面拥有比沥青路面材料更好的高温稳定性和耐久性，能有效抑制路面车辙病害的发生，可解决普通密级配沥青混凝土在部分交通量大、荷载高的路段面层应用存在的承载力与耐久性不足的问题；同时兼具柔性路面类似的行车舒适性和结构特点，而无水泥混凝土路面常见的断板、开裂、脱空等病害。
对于灌入式半柔性路面，除了沥青混合料骨架基体需要有足够大的空隙率来容纳灌浆材料，灌浆材料也需要有良好的流动性和施工性能，以充分灌入沥青混合料空隙，形成密实的结构体，且拥有较高的材料性能。
专利CN111943614A公布了半柔性路面用灌浆料及制备方法和用途。采用硫铝酸盐水泥、微珠、减水剂、消泡剂、色浆、水。该技术条件下灌浆料均质度≥33％，养护3h抗压强度≥13MPa、抗折强度≥2.8MPa,养护7d抗压强度≥36MPa、抗折强度≥5MPa，有效提高灌浆料的均质度和早期强度。
专利CN111039608A公布了一种半柔性路面用水泥基灌浆材料。采用硅灰、粉煤灰、石灰石粉、石灰岩矿粉、三异丙醇胺、苯丙酸、邻苯二甲酸酐、三羟甲基丙烷、增稠剂、胶粉、减水剂、铝矾石、高岭土、氧化铁黄、水。该技术条件下初始流动度不低于14.6s，20min流动度在17.9s以内，2h抗压强度不低于23.9MPa，28d抗压强度不低于49.7MPa，28d干缩率在0.23％以内。
专利CN113277809A公布了一种半柔性路面水泥基灌浆材料及其制备方法。采用水、减水剂、界面改性剂、早强剂、水泥、特细砂、石灰岩矿粉、粉煤灰、膨胀剂。该技术条件下实际流动度平均为11.35s，提高了9.03％；实际泌水率降低了80.16％，7d干缩率降低90.19％，28d抗折、抗压强度分别提高24.03％、38.57％。
专利CN113045278A公布了一种水泥灌浆料及其制备方法与应用。采用普通硅酸盐水泥、快硬水泥、粉煤灰、改性膨胀矿渣珠、改性减水剂、抑泡剂、保水剂、增稠剂、水。初始流秒为10.4～12.2s，30min流秒为11.7～17.1s，28d抗拉强度为9.6～11.8MPa、抗压强度为55.2～69.7MPa。
综上分析发现，现有技术几乎聚焦在提高灌胶料的流动度、强度及收缩上，采用常规手段应用高标号水泥、增强剂即可提升水泥砂浆强度，应用减水剂、膨胀剂等外加剂可改善水泥砂浆的流动性、收缩性等，其目的与结果都是在于提升灌浆料的流动度、强度及收缩性能上。然而灌浆料作为基体材料的填充料，填充物基体材料空隙中，在汽车冲击荷载作用下，结构底部发生拉伸变形，现有技术手段下水泥砂浆灌浆料具有较高模量，抗拉强度较低，已发生开裂现象。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明提供了一种自密实高韧性半柔路面灌浆料及制备方法。
一种自密实高韧性半柔路面灌浆料，按重量份计包括尾矿砂25～30份、磷石膏15～20份、水泥20～25份、橡胶颗粒5～8份、界面剂0.15～0.35份、可再分散乳胶粉0.12～0.25份、白砂糖0.12～0.28份和水15～25份，所述尾矿砂的粒径为0～0.6mm，连续级配。
进一步的，所述磷石膏的粒径为0.005～0.075mm，PH为2～4。
进一步的，所述水泥为普通52.5级硅酸盐水泥。
进一步的，所述白砂糖的粒径0.280～0.800mm。
进一步的，所述界面剂为甲基纤维素醚。
进一步的，所述可再分散乳胶粉为EVA可分散乳胶粉。
进一步的，所述橡胶颗粒为橡胶粉末，粒径为0.075～0.15mm。
一种如上述的自密实高韧性半柔路面灌浆料的制备方法，包括以下步骤：
将尾矿砂、磷石膏、水泥、橡胶颗粒、界面剂、可再分散乳胶粉、白砂糖进行拌合均匀得到拌合物；
于所述拌合物中加入水进行搅拌，制得用于半柔性路面的自渗灌浆料。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1、本发明一种自密实高韧性半柔路面灌浆料及其制备方法，在常规养护条件下，其28d抗压强度可达45MPa、抗折强度可达5.0MPa，30min流动度不超过15s，符合中国工程建设标准化协会标准《城市道路灌浆式半柔性路面技术规程》(T/CECS 1016-2022)技术要求，抗拉强度等级达到M30；能够在重力作用下自主灌满沥青混合料基体空隙；同时具有高粘性能，与沥青混合料基体间无缝粘结；在硬化后无收缩现象，支撑基体骨架，有效避免半柔路面变形病害发生。
2、本发明采用尾矿砂作为灌浆料的骨料，从微观上利用尾矿砂颗粒形状，增强灌浆料骨架结构稳定性，提升其强度；从宏观上，采用0.6mm以下连续级配尾矿砂，利用骨料间的嵌挤作用，提升灌浆料的密实度和稳定性；利用各材料组分特性进行的配置，根据界面剂工作环境要求采用白砂糖替代缓凝剂以及确定磷石膏PH；利用磷石膏替代部分水泥作为胶凝材料，低碳化高值利用固废，有助于节能降碳；采用该制备方法制备灌浆料，对比常规天然砂、水泥等制备灌浆料，可实现碳减排50％以上。
附图说明
图1为本发明灌浆料自密实灌入沥青混合料基体的实物图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
通过对现有技术调研，其目的与结果都是在于提升灌浆料的流动度、强度及收缩性能上，灌浆料作为基体材料的填充料，填充物基体材料空隙中，在汽车冲击荷载作用下，结构底部发生拉伸变形，现有技术手段下水泥砂浆灌浆料具有较高模量，抗拉强度较低，已发生开裂现象。而本发明技术是为了提升灌浆料的韧性，提高其抗拉强度，同时充分利用各材料组分间的作用机理，提升半柔路面耐久性。
本发明所述一种自密实高韧性半柔路面灌浆料，包括：尾矿砂、磷石膏、水泥、橡胶颗粒、界面剂、可再分散乳胶粉、白砂糖和水。
其中，所述尾矿砂的粒径为0～0.6mm，连续级配。
由于尾矿砂颗粒形状粗糙尖锐、棱角多、颗粒表面不平整且有微裂纹。尾矿砂的颗粒具有棱角，有助于改善砂、石之间的界面和粘结强度，进而提高砂浆的抗折、抗压强度。选用0.6mm以下尾矿砂，由于其粒径级配拓宽砂浆的级配区域，使得砂浆的密实度和稳定性得到提升。
所述磷石膏为主要粒径在0.005～0.075mm，PH为2～4，属酸性共混物。
由于磷石膏具有晶体架构，有的呈单晶体、有的呈聚集形态，晶体形状为板状，结晶完好，表现为无粘结的松散粉状。磷石膏是湿法生产磷酸的过程中，磷灰石或含氟磷灰石[Ca5F(PO4)3]和硫酸作用的副产物，其化学反应式：Ca5F(PO4)3+5H2SO4+10H2O＝5CaSO4.2H2O+3H3PO4+HF。磷石膏主要成分为硫酸钙，包括二水石膏(CaSO4.2H2O)和半水石膏(CaSO4.1/2H2O)，含量一般可达70～90％。磷石膏的次要成分为有机磷、氟类化合物等。有机磷、氟等物质析出的磷酸根与氟酸根会影响混凝土中气泡的稳定性，起到消泡作用。磷石膏中二水硫酸钙溶解，迅速与硅酸三钙Ca3S、铝酸三钙Ca3A水化产生的凝胶反应生成钙矾石(三硫型水化硫铝酸钙)，包裹在铝酸三钙矿物等颗粒的表面，起到隔水作用，进而延缓铝酸三钙的进一步水化反应。混合料PH适宜各组分发挥作用。
所述水泥为普通52.5级硅酸盐水泥。
所述白砂糖采用0.280～0.800mm细粒。
由于水泥的本质是水化硅酸钙晶体，是由石灰石、粘土、石膏、沙子和水在一起发生水化反应生成，在水化前的主要成分是硅酸三钙，白砂糖作为一种蔗糖，含有糖多酚可以吸附在硅酸三钙颗粒上，破坏粒子表面水化硅酸钙晶核，难以生成水化硅酸钙晶体。同时，白砂糖还可增加混凝土的流动性，减少水泥因水化热造成的温度裂缝，提高混凝土后期强度。
所述界面剂为甲基纤维素醚。
由于纤维素醚分子上的羟基和醚键上的氧原子会与水分子形成氢键，使游离水变成结合水，进而起到保水作用，纤维素醚改水泥浆体的流变性能。纤维素醚能显著提高砂浆与接触物的粘结能力，增加新拌砂浆的抗分散能力和均匀性，防止分层、离析和泌水。
所述可再分散乳胶粉采用EVA可分散乳胶粉。
由于可再分散性乳胶粉是改性高分子聚合物乳液经喷雾干燥加工而成的粉状分散体，加水后再乳化为稳定的聚合物乳液，加入砂浆中可提高砂浆强度、提高砂浆与各种基材的粘结强度，提高砂浆的柔性和可变形性、韧性、可施工性等。
所述橡胶颗粒为橡胶粉末，粒径为0.075～0.15mm。
由于橡胶颗粒作为弹性体，在灌浆料中作为0.075～0.15mm档的骨料填充在尾矿砂中，尾矿砂最大粒径为0.6mm，根据填充理论、干涉理论，橡胶颗粒可以在不影响尾矿砂骨架结构条件下填充至其空隙内，作为混合料一组分；同时，由于橡胶颗粒的弹性特性，在混合料受到收缩、冲击或碾压时，橡胶颗粒作为弹性体可以吸收部分能量，并且可以提高灌浆料的可恢复性和韧性。
本发明一种自密实高韧性半柔路面灌浆料，在常规养护条件下，其28d抗压强度可达45MPa、抗折强度可达5.0MPa，30min流动度不超过15s，符合中国工程建设标准化协会标准《城市道路灌浆式半柔性路面技术规程》(T/CECS 1016-2022)技术要求，抗拉强度等级达到M30。
作为一种较佳的实施方式，以质量份计，本发明的自密实高韧性半柔路面灌浆料包括：按重量份计包括尾矿砂25～30份、磷石膏15～20份、水泥20～25份、橡胶颗粒5～8份、界面剂0.15～0.35份、可再分散乳胶粉0.12～0.25份、白砂糖0.12～0.28份和水15～25份。
上述质量配比是基于水泥砂浆配合比设计的，提高尾矿砂、磷石膏、橡胶颗粒和白砂糖的含量有利提高水泥砂浆强度，但应控制在合理的范围内。因为当尾矿砂掺量过高，即水泥砂浆中集料过多，胶凝材料过少，水泥砂浆强度、粘结性等均出现大幅降低；磷石膏掺量过高时，因磷石膏的作用机理，在前期磷石膏会延缓水化反应，导致初凝时间过长，在后期磷石膏过多会减少水泥与尾矿砂的接触面积，降低混合料整体强度。橡胶颗粒过多会大幅度降低水泥砂浆的模量，降低水泥砂浆刚度、强度，在车辆冲击荷载作用下无法起到支撑基体作用，已发生变形破坏。白砂糖是缓凝作用，过多会导致初凝时间够长，同时过多会降低水泥砂浆强度。
实施例1
按重量份数计，取25重量份的0～0.6mm连续级配尾矿砂，20重量份的0.005～0.075mm酸性共混磷石膏，25重量份的52.5级普通硅酸盐水泥，5重量份的0.075～0.15mm橡胶颗粒，0.15重量份的甲基纤维素醚，0.12重量份的EVA可分散乳胶粉，0.13重量份的白砂糖，24.6重量份的水。
先按配方将尾矿砂、磷石膏、水泥、橡胶颗粒、界面剂、可再分散乳胶粉、白砂糖进行搅拌均匀，再按比例加入水进行搅拌，即可得到用于半柔性路面的自渗灌浆料。
如图1所示，图1为本实施例灌浆料自密实灌入沥青混合料基体的实物图。
按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)测试，测得本发明的用于半柔性路面的自渗灌浆料的灌浆流动度为16s，28天抗压强度47.1MPa，抗折强度5.3MPa，28d抗拉强度2.1MPa。
实施例2
本实施例中，与实施例1相比，采用30重量份的0～0.6mm连续级配尾矿砂，8重量份的0.075～0.15mm橡胶颗粒。制备方法如下：
按重量份数计取30重量份的0～0.6mm连续级配尾矿砂，25重量份的0.005～0.075mm酸性共混磷石膏，20重量份的52.5级普通硅酸盐水泥，8重量份的0.075～0.15mm橡胶颗粒，0.35重量份的甲基纤维素醚，0.25重量份的EVA可分散乳胶粉，0.28重量份的白砂糖，16.12重量份的水。
先按配方将尾矿砂、磷石膏、水泥、橡胶颗粒、界面剂、可再分散乳胶粉、白砂糖进行搅拌均匀，再按比例加入水进行搅拌，即可得到用于半柔性路面的自渗灌浆料。
按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)测试，测得本发明的用于半柔性路面的自渗灌浆料的灌浆流动度为18s，28天抗压强度50.3MPa，抗折强度5.9MPa，28d抗拉强度2.5MPa。
由表1的检测结果可以看出，本实施例的灌浆流动度、28d抗压强度、抗折强度、28d抗拉强度均优于实施例1，这是由于本实施例采用的0～0.6mm连续级配尾矿砂、0.075～0.15mm橡胶颗粒的含量均高于实施例1，说明了在合理的范围内，提高尾矿砂、橡胶颗粒的含量有利于提高灌浆料的灌浆流动度及抗压强度。
实施例3
本实施例与实施例1、2相比，采用28重量份的0～0.6mm连续级配尾矿砂，6重量份的0.075～0.15mm橡胶颗粒，即本实施例中尾矿砂、橡胶颗粒的含量位于实施例1和实施例2之间。
按重量份数计取28重量份的0～0.6mm连续级配尾矿砂，23重量份的0.005～0.075mm酸性共混磷石膏，22重量份的52.5级普通硅酸盐水泥，6重量份的0.075～0.15mm橡胶颗粒，0.25重量份的甲基纤维素醚，0.18重量份的EVA可分散乳胶粉，0.20重量份的白砂糖，20.37重量份的水。
先按配方将尾矿砂、磷石膏、水泥、橡胶颗粒、界面剂、可再分散乳胶粉、白砂糖进行搅拌均匀，再按比例加入水进行搅拌，即可得到用于半柔性路面的自渗灌浆料。
按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)测试，测得本发明的用于半柔性路面的自渗灌浆料的灌浆流动度为17s，28天抗压强度49.7MPa，抗折强度5.6MPa，28d抗拉强度2.2MPa。
由表1的检测结果可以看出，本实施例的灌浆流动度、28天抗压强度、抗折强度、28d抗拉强度均优于实施例1而低于实施例2，这是由于本实施例采用的0～0.6mm连续级配尾矿砂、0.075～0.15mm橡胶颗粒的含量位于实施例1和实施例2之间，说明了在合理的范围内，提高尾矿砂、橡胶颗粒的含量有利于提高灌浆料的灌浆流动度及抗压强度。
对比例1
本对比例中，采用的尾矿砂是间断级配，而实施例1～3采用的尾矿砂是连续级配，同时磷石膏的PH值有区别，并非合适范围内的外加剂工作PH，另外对比例1中未添加橡胶颗粒。
按重量份数计取28重量份的0.6mm以下间断级配尾矿砂，23重量份的0.005～0.075mm并且PH为2以下磷石膏，25重量份的52.5普通硅酸盐水泥，0.35重量份的甲基纤维素醚，0.25重量份的EVA可分散乳胶粉，0.28重量份的白砂糖，23.12重量份的水。
先按配方将尾矿砂、磷石膏、水泥、橡胶颗粒、界面剂、可再分散乳胶粉、白砂糖进行搅拌均匀，再按比例加入水进行搅拌，即可得到用于半柔性路面的自渗灌浆料。
按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)测试，测得本发明的用于半柔性路面的自渗灌浆料的灌浆流动度为9s，28d抗压强度34.6MPa，抗折强度3.7MPa，28d抗拉强度0.6MPa。
由表1的检测结果可以看出，本实施例的灌浆流动度、28天抗压强度、抗折强度、28d抗拉强度均低于实施例1～3，这是由于本实施例的自渗灌浆料的制备原料中不含橡胶颗粒，并且尾矿砂为间断级配尾矿砂；说明了在合理的范围内，利用橡胶颗粒替代部分集料，提高橡胶颗粒的含量有利于提升灌浆料韧性，降低收缩开裂，增强灌浆料骨架结构稳定性，提升其强度；采用0.6mm以下连续级配尾矿砂，利用骨料间的嵌挤作用，有助于提升灌浆料的密实度和稳定性。
对比例2
本对比例，采用连续级配、公称最大粒径为0.6mm的天然砂，不同于实施例1～3中采用0～0.6mm连续级配尾矿砂。
在本对比例中，所述的水泥砂浆灌浆料采用连续级配、公称最大粒径为0.6mm的天然砂制备的水泥砂浆。按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)测试，测得本发明的用于半柔性路面的自渗灌浆料的灌浆流动度为12s，28天抗压强度45.7MPa，抗折强度4.8MPa，28d抗拉强度1.1MPa。
由表1的检测结果可以看出，对比例2相较于实施例1～3采用连续级配、公称最大粒径为0.6mm的天然砂，本对比例中的灌浆流动度、抗压强度、28d抗拉强度低于实施例1～3中的浆流动度、抗压强度、28d抗拉强度。这是由于尾矿砂表面棱角多，而天然砂表面较圆润，说明了采用0.6mm以下连续级配尾矿砂，利用骨料间的嵌挤作用，有助于提升灌浆料的密实度和稳定性。
以上实施例和对比例采用正交实验法，各材料组分之间的选取是紧密关联的，各材料组分的含量利用各材料组分特性进行配置。
实施例1～3与对比例1、2各项技术性能测试结果如下表所示：
表1：技术性能测试结果
综上所述：本发明的一种自密实高韧性半柔路面灌浆料及其制备方法，在常规养护条件下，其28d抗压强度可达45MPa、抗折强度可达5.0MPa，30min流动度不超过15s，符合中国工程建设标准化协会标准《城市道路灌浆式半柔性路面技术规程》(T/CECS 1016-2022)技术要求，抗拉强度等级达到M30。能够在重力作用下自主灌满沥青混合料基体空隙；同时具有高粘性能，与沥青混合料基体间无缝粘结；在硬化后无收缩现象，支撑基体骨架，有效避免半柔路面变形病害发生。
本发明一种自密实高韧性半柔路面灌浆料及其制备方法，采用尾矿砂作为灌浆料的骨料，从微观上利用尾矿砂颗粒形状，利用橡胶颗粒替代部分集料，橡胶颗粒粒径的选择是基于集料最大粒径来确定的，减少对整体性能的影响，作为关键级配存在，同时橡胶颗粒具有良好的弹性性能，提升灌浆料韧性，降低收缩开裂，增强灌浆料骨架结构稳定性，提升其强度的有益效果；从宏观上，采用0.6mm以下连续级配尾矿砂，利用骨料间的嵌挤作用，提升灌浆料的密实度和稳定性。利用磷石膏替代部分水泥作为胶凝材料，低碳化高值利用固废，有助于节能降碳。采用该制备方法制备灌浆料，对比常规天然砂、水泥等制备灌浆料，可实现碳减排50％以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种自密实高韧性半柔路面灌浆料，其特征在于，按重量份计，包括尾矿砂25～30份、磷石膏15～20份、水泥20～25份、橡胶颗粒5～8份、界面剂0.15～0.35份、可再分散乳胶粉0.12～0.25份、白砂糖0.12～0.28份和水15～25份，所述尾矿砂的粒径为0～0.6mm，连续级配。
2.如权利要求1所述的自密实高韧性半柔路面灌浆料，其特征在于，所述磷石膏的粒径为0.005～0.075mm，PH为2～4。
3.如权利要求1所述的自密实高韧性半柔路面灌浆料，其特征在于，所述水泥为普通52.5级硅酸盐水泥。
4.如权利要求1所述的自密实高韧性半柔路面灌浆料，其特征在于，所述白砂糖的粒径0.280～0.800mm。
5.如权利要求1所述的自密实高韧性半柔路面灌浆料，其特征在于，所述界面剂为甲基纤维素醚。
6.如权利要求1所述的自密实高韧性半柔路面灌浆料，其特征在于，所述可再分散乳胶粉为EVA可分散乳胶粉。
7.如权利要求1所述的自密实高韧性半柔路面灌浆料，其特征在于，所述橡胶颗粒为橡胶粉末，其粒径为0.075～0.15mm。
8.如权利要求1～7任一项所述的自密实高韧性半柔路面灌浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将尾矿砂、磷石膏、水泥、橡胶颗粒、界面剂、可再分散乳胶粉、白砂糖按照重量配比进行拌合均匀得到拌合物；
于所述拌合物中加入水进行搅拌，制得用于半柔性路面的自渗灌浆料。
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