CN117024080A - 一种以浇筑方式施工的常温水泥沥青混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以浇筑方式施工的常温水泥沥青混凝土及其制备方法和应用，原料包括水泥、快裂型阳离子乳化沥青、减水剂、羧甲基纤维素钠溶液和碎石集料；先添加减水剂预处理快裂型阳离子乳化沥青，随后加入羧甲基纤维素钠水溶液混合，然后加入水泥混合形成水泥沥青胶浆，最后将水泥沥青胶浆与碎石集料混合搅拌均匀，获得常温水泥沥青混凝土。本发明在不用额外加水的状况下具有良好的工作性，还提高了水泥的含量，力学强度显著提升。施工方式与以往的沥青混凝土采用铺筑机布料及压路机夯实不同，本专利的水泥沥青混凝土以常温就地现浇的方式进行路面混凝土的浇筑施工，减少了加热的耗能及VOC污染，也减少了对施工人员的热伤害，也提升了施工效率。

Description

一种以浇筑方式施工的常温水泥沥青混凝土及其制备方法和 应用

技术领域

本发明涉及沥青混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种异于现有沥青混凝土施工方式，而以现地浇筑下料方式施工的常温水泥沥青混凝土及其制备方法和应用。

背景技术

沥青混凝土路面是以石油沥青为黏结料与碎石集料于高温均匀混合之后，均匀撒布于已压实的路基上，经滚压压密而成。因此沥青混凝土需在摄氏120℃至165℃以上的温度，才能具有和易性及可工作性。而且需沥青混凝土撒布机及滚轮压路机配合施工，才能获得平坦且压实度够的路面。

现有的沥青混凝土属贫浆的混凝土混合料，混合料颗粒鲜明，外裹著一定厚度的黏著料，混合料可工作性欠佳，需特定机具辅助施工，因此沥青混凝土路面施工所需使用的机械设备众多。现有的沥青混凝土路面是以石油沥青为黏结料与碎石集料于高温均匀混合之后，均匀撒布于已压实的路基上，经滚压压密而成。因此沥青混凝土需在120℃至165℃以上的温度，才能具有和易性及可工作性。但是这种施工温度会带来较多问题，比如，在热拌沥青混凝土过程中，会产生粉尘、多环芳香烃化合物(Polycyclic AromaticHydrocarbons，即PAHs)及单芳香烃化合物(BTEX，苯Benzene、甲苯Toluene、乙苯Ethylbenzene及二甲苯Xylene，一般合称为BTEX物质)等。高温拌和集料时所产生的粉尘污染，除污秽环境外，对人体上呼吸道之戕害尤大。PAHs则于医学临床证实为易致癌之化合物，且可能造成肺部物理性机能的损伤。BTEX进入人体则会导致神经精神系统危害、再生不良性贫血与白血病，而且苯类溶剂已被科学研究证实为人体致癌物。

我国华南地区隶属于热带及亚热带气候，于夏季进行沥青混凝土铺设作业，施工人员则有曝露于过量热辐射，而致热伤害之虞。热曝露对于人体之危害，主要是体心温度上升造成体内酵素及代谢功能异常，致对人体产生危害；除此之外，热沥青混凝土混合料还可能造成工作人员因工作疏失造成烫伤。于流行病学观察报告亦指出，热拌沥青混凝土熏烟蒸汽可能造成上呼吸道黏膜的伤害，如咳嗽、烧痛感及支气管炎等症状。热拌沥青混凝土由于制程中必须加热消耗许多能源，并于铺筑作业中使工作人员暴露于高量热辐射中造成热曝露之危害。热拌沥青混凝土生产拌和过程，亦会产生粉尘及有害气体，对人体健康造成伤害，本专利所研发的新材料与工法能将热拌沥青混凝土加热的生产耗能与高温施工的危害因素减少。

为改善沥青混凝土生产及施工为耗能、具污染性及不环保之性质，故特利用材料科学技术以将上述负面之性质优质化，使沥青混凝土的生产与施工过程能减少对环境及人体渐次造成的危害，并提升施工功率的效能，以开发本发明新材料工法来达成减害及提升施工的经济效益。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种以浇筑方式施工的常温水泥沥青混凝土及其制备方法和应用，不用额外加水的状况下具有良好的工作性，还提高了水泥的含量，使力学强度显著提升。施工方式与以往的沥青混凝土采用铺筑机布料及压路机夯实不同，本专利的水泥沥青混凝土以常温就地现浇的方式进行路面混凝土的浇筑施工，与水泥混凝土的施工方式类似。减少了加热的耗能及VOC污染，也减少了对施工人员的热伤害，也提升了施工效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提供了一种常温水泥沥青混凝土，包括以下原料：硅酸盐水泥、快裂型阳离子乳化沥青、减水剂溶液、羧甲基纤维素钠溶液和碎石集料。

在其中一个实施例中，快裂型阳离子乳化沥青与硅酸盐水泥的质量比值是0.9-1.5。质量比值的数值越高，硅酸盐水泥含量高，所制成的混凝土强度越高，但可工作性(和易性)会越差，需以调整减水剂含量来做调整。但乳化沥青的乳化剂与减水剂会产生交互作用，太少或太多的减水剂难以会有预期的效果，会造成拌和作业的失败。本发明所提供的范围，所拌和出的成品，在研发过程里是稳定的。

在其中一个实施例中，减水剂溶液与硅酸盐水泥的质量比值是2.5％-4％。减水剂少，则在拌和过程中乳化沥青易破乳，使新拌混合物丧失和易性，减少剂多，则混合物浆料黏度低，易造成离析及沉淀，严重破坏混凝土混合物的质量。

在其中一个实施例中，羧甲基纤维素钠溶液与硅酸盐水泥的质量比值是0.09-0.15。羧甲基纤维素钠溶液是保护乳化沥青微胞不破乳，并增加混合物粘结料黏度的物质，当和易性高时，添加本成分可显著的减少离析与沉淀现象的发生。羧甲基纤维素钠溶液的质量分数优选为1-3％。

在其中一个实施例中，减水剂是磺酸化萘甲醛钠盐。

在其中一个实施例中，水泥是P·Ⅰ型硅酸盐水泥。

在其中一个实施例中，碎石集料是AC-5、AC-10和AC-13的一种或多种的级配集料。

本发明也提供了一种浇筑式施工的常温水泥沥青混凝土的制备方法：先添加减水剂预处理快裂型阳离子乳化沥青，随后加入羧甲基纤维素钠水溶液混合，然后加入水泥混合形成胶浆，最后将胶浆与碎石集料混合搅拌均匀，获得浇筑式施工的常温水泥沥青混凝土。

在其中一个实施例中，制备方法如下：

(1)将减水剂溶液加入快裂型阳离子乳化沥青中，拌和直至目视均匀为止，拌和均匀后静置；

(2)加入羧甲基纤维素钠水溶液后快速拌和30秒；

(3)放入水泥拌和，直至目视均匀为止，使混合料成为均匀且呈巧克力色并具良好流动性的胶浆；

(4)将前述胶浆倒入碎石集料中拌和均匀。

本发明还提供了一种以浇筑方式施工的常温水泥沥青混凝土的应用，将上述的常温水泥沥青混凝土应用于路面施工中，在常温条件下进行施工。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明的常温水泥沥青混凝土因配比能添加较高比例的水泥，所以力学性能佳，耐久性得到提升，常温浇筑施工的方式减少了加热的耗能及由此产生VOC污染，减少施工人员受到的热伤害，常温及湿式的拌和方法大幅减少了扬尘污染。另外，本发明的常温水泥沥青混凝土在施工过程中不用碾压，采用在现地直接浇筑振实的方式施工，简化施工程序，提升工率及提高施工经济效益，使用的机具较单纯，动员人员亦较少，施工组织得以简化。可在基层为水泥土但需赶工加铺面层时，以浇筑的方式叠加进行面层沥青混凝土的铺设施工，以加速工程进度。本发明的常温水泥沥青混凝土也可用来浇筑灌填地面下结构的外层，作为防渗保护壁用。

附图说明

图1是本发明的机理示意图一；

图2是本发明的机理示意图二；

图3是缺少羧甲基纤维素钠溶液情况下乳化沥青破乳沥青上浮的实物示意图；

图4是缺少羧甲基纤维素钠溶液情况下水泥与沥青离析沉淀的实物示意图；

图5是使用AC-5的碎石集料的常温水泥沥青混凝土的状态示意图；

图6是使用AC-10的碎石集料的常温水泥沥青混凝土的状态示意图；

图7是本发明的常温水泥沥青混凝土与常规的热拌沥青混凝土的比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

值得注意的是，本文所涉及的“上”“下”等方位词均相对于附图视角而定，仅仅只是为了便于描述，不能够理解为对技术方案的限制。

本发明针对目前沥青混凝土的缺陷，提供一种具有常温及良好可工作性(和易性)的水泥沥青混凝土，以解决上述问题。本发明所述的浇筑式施工的常温水泥沥青混凝土包括以下原料：

硅酸盐水泥、快裂型阳离子乳化沥青、减水剂溶液、羧甲基纤维素钠溶液和碎石集料。

本发明的机理是，使用减水剂对快裂型乳化沥青进行预处理，减水剂分子会直接附着于快裂型乳化沥青微胞表面，在快裂型乳化沥青于水泥混合时，减水剂分子也附着于硅酸盐水泥颗粒表面，因减水剂表面吸附而使快裂型乳化沥青和硅酸盐水泥二者表面皆带负电，乳化沥青微胞与水泥颗粒间会因电性相斥而分散。减水剂吸附后，减水剂的亲油端均面向外侧，使水泥颗粒及乳化沥青微胞颗粒表面产生立体障碍区隔，无法相互吸附而产生黏性，由此保护乳化沥青微胞不破乳产生黏性，如图1所示，快裂型乳化沥青与水泥颗粒的电性作用的影响远大于立体障碍区隔的影响，因此当水泥颗粒开始水化，游离水消失，只能存在于溶液状态减水剂负电位的互斥效应消失，而且水泥颗粒水化时，乳化沥青微胞亦开始黏附于水泥颗粒表面，与水泥水化过程一起发生破乳反应。基于上述机理，水泥沥青混凝土在不用额外加水的状况下，提高了水泥的含量，且还具有良好的工作性。

本发明与以往的水泥沥青混凝土的混合机理不同，以往的水泥沥青混凝土使用慢裂型乳化沥青与湿拌好的水泥与碎石集料均匀混合，靠的是慢裂型阳离子乳化沥青乳化剂较强的乳化能力，以及水泥与集料已经湿透不再抢乳化沥青的乳液水分，以维持乳化沥青不产生破乳反应，来维持混合物具有和易性及工作性。以往的水泥沥青混凝土对于搅拌操作的要求是较高的，需要加入较多的水，必须使水泥与集料充分湿润才能保证后续与慢裂型乳化沥青的搅拌效果，而本专利发明无需加入额外的水，对于水泥和碎石集料的湿润性要求较低，搅拌操作更为简单。

在本发明中，羧甲基纤维素钠溶液的作用是在乳化沥青微胞表面形成一层韧性薄膜，羧甲基纤维素钠包覆在减水剂吸附之后，因此起到了保护减水剂与乳化沥青微胞吸附稳定的作用，有效地保护了乳化沥青微胞，确保乳化沥青微胞不提前产生破乳反应，如图2所示。在不添加羧甲基纤维素钠溶液的情况下，在具有粗骨料的胶状液体中，黏度低易造成粗骨料(如图3所示，乳化沥青破乳沥青上浮)，或比重较重的材质沉淀离析(如图4所示，水泥与沥青离析沉淀)，本发明添加羧甲基纤维素钠水溶液克服浆料沈淀析离的问题，配制出均匀的混合料。

具体的，水泥优选是P·Ⅰ型硅酸盐水泥，符合GB 175-2007通用硅酸盐水泥的相关规定。

快裂型阳离子乳化沥青优选是PC-1快裂型阳离子乳化沥青，更优选的，快裂型阳离子乳化沥青依据JTGF40-2004蒸发残留物残留分含量不小于50％。

在本发明中，快裂型阳离子乳化沥青与硅酸盐水泥(Asphalt/Cement)的质量比值是0.9-1.5。

减水剂优选是磺酸化萘甲醛钠盐(即聚萘甲醛磺酸钠盐，为市售商品)，其质量标准需符合《GB 8076—2008混凝土外加剂》国家标准及《JGJ 56-84混凝土减水剂质量标准和试验方法》。

在本发明中，粉状的减水剂的粉剂含固量需≥92％，以溶液形式添加混合，溶液泡制的浓度为30％。减水剂溶液与水泥的质量比值是2.5％-4％。

羧甲基纤维素钠的质量标准需符合GB 1886.232-2016，羧甲基纤维素钠溶液的浓度是1％-3％，且羧甲基纤维素钠溶液与水泥的质量比值是0.09-0.15。

在本发明中，碎石集料的级配范围优选是JTG F40-2004所规定之AC-5、AC-10及AC-13，如下表1所示。

表1本发明碎石集料级配范围(JTG F40-2004)

更优选的，碎石集料是AC-5和/或AC-10等级的级配集料。如图5所示，使用AC-5的碎石集料制备的常温水泥沥青混凝土具有良好的流动性，使用AC-10的碎石集料制备的常温水泥沥青混凝土磨耗性佳可以捣实施工；均为具有可于现场使用浇筑方式施工的良好可工作性(和易性)。

在本发明中，碎石集料的使用量符合JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程，碎石集料表面均需要裹上浆料。水泥沥青混凝土因每批使用的碎石集料(即骨料)均有差异，因此在正式开工或大量使用前均必须进行配合比设计，此配比设计成果需送交监理单位审查同意并提送业主同意备查。因此本发明未对碎石集料的使用量做出限制，可根据本领域的经验适量使用。

基于可浇筑式施工的常温水泥沥青混凝土的原料组成，本发明也提供可浇筑式施工的常温水泥沥青混凝土的制备方法：先添加减水剂预处理快裂型阳离子乳化沥青，随后加入羧甲基纤维素钠水溶液混合，进行第二度的乳化沥青微胞稳定性保护处理，然后加入水泥混合形成胶浆，最后将胶浆与碎石集料混合搅拌均匀，获得可浇筑式施工的常温水泥沥青混凝土。

如图7所示，图7内左边A部分为常规的热拌沥青混凝土的状态，常规的热拌沥青混凝土无流动性，在使用时需要依赖施工机具撒布，图7内右边B部分为本发明的常温水泥沥青混凝土的状态，本发明的常温水泥沥青混凝土类似于水泥混凝土，流动性好，可采用浇筑的方式使用，具有极佳的工作性。

本发明也提出更优选的制备方法，具体步骤如下：

(1)将减水剂溶液加入快裂型阳离子乳化沥青中，先慢速(140±5r/min)拌和60秒，接著快速拌和60秒，拌和均匀后静置90秒；

(2)加入羧甲基纤维素钠水溶液后快速拌和30秒；

(3)放入水泥慢速拌和45秒，接著快速拌和120秒，使混合料成为均匀且呈巧克力色并具良好流动性的胶浆；

(4)将前述胶浆倒入碎石集料中拌和均匀，拌和时间不少于90秒。

其中，慢速速率约为140±5r/min；快速速率约为285±10r/min。

本发明主要是解决了乳化沥青微胞不稳定性质的问题。所用的减水剂需让其在沥青微胞表面因异性电性吸附形成双电层，再让双电层所构成的同性电荷，使预处理过的沥青微胞相互排斥，不易接触，不会进而合并聚合，使乳液稳定，不会在拌和的过程发生破乳化反应。

因此减水剂加入乳化沥青后需先慢速拌和，因此时会先有减水剂与沥青微胞的异性电荷吸附，此时会使溶液产生胶羽，此时拌和速度过快会导致溶液喷溅，也不利异性吸附沥青微胞的双电层产生。慢速持续拌和直至胶羽消失，此时沥青微胞电双层吸附完成，以快速拌速将预处理完成的沥青微胞颗粒打散，再静置使沥青微胞颗粒处于互斥均匀的状态。均匀状态需静置让同性电荷相互排斥，慢慢调整位置。

加入羧甲基纤维素钠水溶液后快速拌和，容易均匀。

加入水泥拌和速度的先慢后快，是因为初始时为异相态的混合，慢速拌和使预处理过的乳化沥青不易喷溅。待水泥与乳化沥青大致混合后，以快速拌和增进拌和物的均匀性。

将上述制得的常温水泥沥青混凝土应用于路面施工中，可在常温条件下进行施工，步骤如下：

运输：常温水泥沥青混凝土由混凝土运载车运输至现场，先检查料单内容、出场时间及卸下少量材料，检视及进行相关现场的质量管控实验。

摊铺：让常温水泥沥青混凝土由混凝土运载车的卸料槽，或经由泵送车将混合料泄放至预定浇筑地点。

振捣振实：在振实区域里，应最少有2根振捣棒，振捣应垂直插入混凝土面至不再冒气泡，一处振捣维持最少30秒，振捣棒移动间距不宜超过50公分。

整平饰面：以振动板及振动梁加强振捣及整平，接著进行提浆整平、整平饰面及精整饰面三道工序。

混凝土终凝之后，进行湿养护。

本发明可浇筑式施工的常温水泥沥青混凝土因配比能添加较高比例的水泥，所以力学性能佳，耐久性得到提升，常温浇筑施工的方式减少了加热的耗能及由此避免了产生VOC污染，减少施工人员受到的热伤害，常温及湿式的拌和方法大幅减少了扬尘污染。另外，本发明的常温水泥沥青混凝土在施工过程中不用碾压，采用在现地直接浇筑振实的方式施工，简化施工程序，提升工率及提高施工经济效益，使用的机具较单纯，动员人员亦较少，施工组织得以简化。可在基层为水泥土但需赶工加铺面层时，以浇筑的方式叠加进行面层沥青混凝土的铺设施工，以加速工程进度。本发明的常温水泥沥青混凝土也可用来浇筑灌填地面下结构的外层，作为防渗保护壁用。

在夯实机具无法进入的场所，如天桥、人行道或室内等，以本发明的浇筑式常温沥青混凝土亦可铺筑沥青混凝土铺面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种以浇筑方式施工的常温水泥沥青混凝土，其特征在于，包括以下原料：硅酸盐水泥、快裂型阳离子乳化沥青、减水剂溶液、羧甲基纤维素钠溶液和碎石集料。

2.如权利要求1所述的常温水泥沥青混凝土，其特征在于，快裂型阳离子乳化沥青与硅酸盐水泥的质量比值是0.9-1.5。

3.如权利要求1所述的常温水泥沥青混凝土，其特征在于，减水剂溶液与硅酸盐水泥的质量比值是2.5％-4％。

4.如权利要求1所述的常温水泥沥青混凝土，其特征在于，羧甲基纤维素钠溶液与硅酸盐水泥的质量比值是0.09-0.15。

5.如权利要求1所述的常温水泥沥青混凝土，其特征在于，减水剂溶液是磺酸化萘甲醛钠盐溶液。

6.如权利要求1所述的常温水泥沥青混凝土，其特征在于，硅酸盐水泥是P·Ⅰ型硅酸盐水泥。

7.如权利要求1所述的常温水泥沥青混凝土，其特征在于，碎石集料是AC-5、AC-10和AC-13的一种或多种的级配集料。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的以浇筑方式施工的常温水泥沥青混凝土的制备方法，其特征在于，先添加减水剂预处理快裂型阳离子乳化沥青，随后加入羧甲基纤维素钠水溶液混合，然后加入硅酸盐水泥混合形成胶浆，最后将胶浆与碎石集料混合搅拌均匀，获得常温水泥沥青混凝土。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将减水剂溶液加入快裂型阳离子乳化沥青中，拌和直至目视均匀为止，拌和均匀后静置；

(2)加入羧甲基纤维素钠水溶液后快速拌和30秒；

(3)放入硅酸盐水泥拌和，直至目视均匀为止，使混合料成为均匀且呈巧克力色并具良好流动性的胶浆；

(4)将前述胶浆倒入碎石集料中拌和均匀。

10.一种如权利要求1-7任一项所述的以浇筑方式施工的常温水泥沥青混凝土的应用，其特征在于，将常温水泥沥青混凝土应用于路面施工中，在常温条件下以现地浇筑的方式下料，并辅以振捣机具与抹平工具进行路面的物料捣实与表面整平的施工。