半柔性路面基层材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种半柔性路面基层材料及其制备方法；由集料：20%～75%、水泥-乳化沥青砂浆：22%～75%、水：1%～8%组成；通过对水泥、乳化沥青、集料的组成及各物料间的配伍性进行调整、优化，改善水泥、乳化沥青与集料间的粘附状态和成型结构，从而使半柔性路面基层结构获得理想的刚度和柔性，提高其抗车辙和抗开裂能力，改善其抗水损害性能和抗疲劳性能；本发明的半柔性路面基层材料及其制备方法，主要应用于高等级公路、城市道路的新建与翻新，尤其适用于重载交通道路、道路交叉口、道路上下坡、公交停靠站、公交专用道等容易产生车辙的路段。

说明书

技术领域

本发明涉及道路铺设材料，具体涉及一种半柔性路面基层材料及其制备方法。

背景技术

随着我国高等级公路建设的飞速发展，半刚性基层以其优良的承载能力和低成 本为优势，逐渐成为路面结构设计的主流模式。但经过几十年的建设施工和行车运 营检验，证明这种路面结构脆性大，内部排水性能差，抗变形能力差，对环境温度 和湿度变化较为敏感，容易产生裂缝并逐渐向上贯穿，产生反射裂缝。同时，由于 目前交通量不断增加，重载超载现象严重，加之大多数沥青面层厚度较薄，致使现 役路面在不到设计年限就出现非常严重地早期损坏。在日本、欧美等国的高等级路 面设计中，应用比较广泛的是柔性路面基层。这种路面基层结构较半刚性基层具有 更优良的平整度，能够提供安全、舒适、耐久的行驶性能，可大幅度减少反射裂缝， 消除半刚性路面基层结构的早期损坏现象。然而，柔性路面基层的承载能力较低， 其劲度模量会因温度升高而迅速降低，因此，其设计厚度较大，生产成本较高。

为了改善半刚性基层和柔性基层材料的上述缺点，一种半柔性路面结构应运而 生。半柔性路面结构正是一种刚柔并济的新型路面结构形式，目前，主要有以下两 类：第一类是灌注式水泥砂浆沥青混凝土结构：将具有特定级配和含有特殊添加 剂的水泥砂浆灌入多孔的开级配沥青混合料的空隙中而形成的一种路面结构；第二 类是水泥—乳化沥青混凝土：在冷拌乳化沥青混合料或乳化沥青再生旧沥青混合料 母体中掺入水泥或水泥砂浆再经冷拌、冷铺而成的一种路面结构。

CN 101857401A公开的自流入式半柔性复合路面及其施工方法，涉及开级配大 孔隙沥青混合料结构层和填充于大孔隙沥青混合料孔隙中的路面砂浆。CN 101700970A公开的一种应用于半柔性路面的橡胶-水泥灌浆材料，包含水泥、粉煤 灰、膨胀剂、橡胶粉、砂、减水剂、早强剂和水等组分。CN 102276199A公开的一 种应用于半柔性路面的水泥-乳化沥青自渗透灌浆材料，包括水泥、矿物掺合料、 膨胀剂、河沙、减水剂、水、乳化沥青等组分。CN 101581066A公开的一种保水降 温半柔性路面及其施工方法，其路面由多孔的基体沥青混合料构成，多孔的基体沥 青混合料的孔隙由水泥基保水胶浆填充。CN 101187193A公开的一种半柔性排水防 滑降噪路面铺装结构，由半刚性基层、改性乳化沥青稀浆封层、灌注半柔性路面材 料结构层、高粘度改性沥青粘结层和排水防滑降噪磨耗层组成。CN 101693611A公 开的半柔性路面灌注水泥浆，由普通硅酸盐水泥、水、减水剂，膨胀剂、引气剂等 原料制成。CN 101864717A公开的一种半柔性基层材料及制备方法，半柔性基层材 料由骨料、水泥、SBS改性乳化沥青等组分组成。US 2004/0101365Al公开的加强 的半柔性路面，由孔隙率为20％～40％的多孔沥青混凝土和填充于空隙的包含胶粘 剂、添加剂、水、水泥、微硅粉、粉煤灰、沙子或其它细骨料组成的浆状复合材料 组成。US 2008/0287570A1公开的重载路面结构的设计与应用方法，重载路面结构 包括开级配沥青层和强化加固沥青层的灌浆混合物组成。其灌浆混合物包括水泥、 沙子、和水泥粘结剂等。EP 2202359A1公开的半柔性多层摊铺结构，涉及一种由高 流动性水泥砂浆灌注开级配大孔隙的沥青混合料多层摊铺结构及其组合设计。

上述半柔性路面结构的共同点都是通过开级配沥青混合料的骨料形成大孔隙嵌 挤结构，并与所灌入的水泥胶浆共同作用形成强度。这种路面结构不但具有较强的 刚度，而且还具有优良的柔性，能有效抵抗车辙变形。但这种灌入式半柔性路面结 构也存在其不足之处：①难以保障开级配母体沥青混合料的空隙保持连续性，因此， 开级配母体沥青混合料的空隙难以被水泥砂浆充分填充；②水泥砂浆对母体沥青混 合料的矿料只能间接地进行包裹，不能与沥青胶结料很好地交织并最终形成均匀的 空间网络结构，从而导致沥青、水泥胶浆、集料三者间的界面粘连性不好。

在国内外，水泥—乳化沥青混凝土半柔性材料均有过相关研究，如在《硅酸盐 学报》1998年第26卷第4期《水泥一乳化沥青复合路面材料的研究》一文中，提 出了将乳化(橡胶)沥青预裹附于粗集料，并分散于水泥砂浆基体当中，形成三相复合 材料，得到乳化(橡胶)沥青水泥混凝土路面材料（RACC）。CN101736675A公开的 破损路面冷再生上基层成型方法及冷再生材料组合结构将翻修或废弃的沥青混凝 土，回收、破碎、筛分，参用新集料、新沥青材料，经重新拌制，形成再生沥青混 合料，经摊铺碾压形成新路面结构层，其中，所述再生沥青混合料，由矿料、水泥、 乳化沥青胶结料组成。

水泥-乳化沥青混凝土半柔性材料具有以下优点：乳化沥青中的水分可供水泥 硬化凝结，较好地解决了乳化沥青破乳“憎水”和水泥水化“需水”的矛盾；水泥乳 化沥青混凝土施工工艺常采用冷拌、冷铺技术，既能降低能耗，节省能源，还能减 少环境污染，降低有毒有害气体的排放。但是由于这种路面基层材料的成分极为复 杂，其物料组成及配伍性对水泥—乳化沥青砂浆的破乳速度、凝结快慢以及硬化成 型后的性能（抗车辙性能、抗疲劳性能、抗水损坏性能以及对环境温度和湿度变化 的适应性）都起着决定性作用。目前公开报道的水泥—乳化沥青混凝土，其水泥和 乳化沥青用量普遍偏少，同时或因水泥、乳化沥青、集料的组成，或因各物料间的 配伍性影响，致使其性能达不到如下要求：①水泥和乳化沥青在拌和过程中难以充 分混合形成均匀的浆状体系，对集料间的空隙不能进行充分填充，进而达不到理想 的封水作用；②水泥和乳化沥青没能很好地交织形成空间网络结构，对集料不能形 成有效地裹附与粘连，从而造成水泥—乳化沥青混凝土材料整体均匀性差，粘结强 度较低、抗压强度偏低、耐久性能不足等。

高速铁路上普遍使用的水泥乳化沥青砂浆主要分为Ⅰ型水泥乳化沥青砂浆(日 本技术、低强度砂浆)与II型水泥乳化沥青砂浆(德国技术、高强度砂浆)。而这两种 砂浆的流动度偏小，用于半柔性路面基层材料容易产生离析，难以均匀成型，同时， 由于这两种砂浆中所含乳化沥青和柔性填料较少，材料成型后抗疲劳性能较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种半柔性路面基层材料及其制备方法。通过对水泥—乳 化沥青砂浆、集料的组成及各物料间的配伍性进行调整、优化，改善水泥—乳化沥 青砂浆与集料间的粘附状态和成型结构，从而使半柔性路面基层结构获得理想的刚 度和柔性，提高其抗车辙和抗开裂能力，改善其抗水损害性能和抗疲劳性能。

本发明所述的半柔性路面基层材料包括如下各组分及各组分重量百分比：

集料：             20%～75%；

水泥-乳化沥青砂浆：22%～75%；

水：               1%～8%

所述集料为玄武岩或石灰岩或辉绿岩的粗集料和细集料。其中粗集料、细集料 的物理性质应满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》相应的技术要求。

其中集料的合成配合比对应于筛孔尺寸26.5mm、19.0mm、16.0mm、13.2mm、 9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm，通 过率依次为：100%、90%～100%、60%～85%、50%～75%、40%～65%、25%～40%、 10%～22%、5%～15%、3%～10%、1%～5%、0%～3%、0%～1%。

上述技术方案提供的具有特定级配及性质的集料，通过一定排列方式和嵌挤作 用，形成第一主体骨架空隙型结构，同时，水泥—乳化沥青砂浆通过凝结、硬化、 交织等过程，逐渐形成具有空间网络结构的第二骨架结构，并对第一骨架结构进行 填充、包裹，从而形成均一、密实、空隙闭合的整体结构，能有效提高半柔性路面 基层材料的承载能力和抗压性能，改善路面基层材料的抗疲劳性和耐久性。

根据本发明提供的技术方案，所述水泥—乳化沥青砂浆是半柔性路面基层材料 的主要成分，其物料组成及配伍性对水泥—乳化沥青砂浆的稠度、破乳速度、凝结 快慢、以及与集料的粘附状态和硬化成型后的性能（抗车辙性能、抗疲劳性能、抗 水损坏性能以及对环境温度和湿度变化的适应性）都起着决定性作用。本发明的水 泥—乳化沥青砂浆包括如下各组分及各组分重量百分比：

乳化沥青： 30%～50%；

水泥：     30%～50%；

填料：     5%～15%；

水：       5%～15%

助剂：     0.01%～0.05%

纤维：     0.05%～0.5%；

所述乳化沥青包括如下各组分及各组分的重量百分比：

基质沥青：  50%~65%

乳化剂：    1%~3%

水：        22%~40%

改性胶浆：  3%~10%

其中所述基质沥青是满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》A级50 号或70号或90号道路沥青中的一种；所述乳化剂为专利CN 101745340A所公开的 以单胺或多胺与碳原子数为12～18的直链或支链烷基酸或环烷酸在150～250℃下 反应2~10小时，经缩合脱水生成酰胺类或咪唑啉类中间体，并与盐酸反应生成相应 的盐酸盐；其中，单胺为三甲胺、十六胺、十八胺的一种或两种以上组分的组合物； 多胺为乙二胺、1,4丁二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺的一种或两种以 上组分的组合物；碳原子数为12～18的直链或支链烷基酸为十二酸、十六酸、油酸、 硬脂酸的一种或两种以上组分的组合物；环烷酸为饱和单脂环羧酸或饱和多脂环羧 酸，其重均分子量为200～520，沸点为：160～350℃；所述改性胶浆是丁苯橡胶胶 乳、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物胶乳、水性聚氨酯胶乳、水性环氧树脂胶乳、 聚丙烯酸酯胶乳中的一种或两种以上组分的组合物，其固含量为40%～60%，其中 丁苯橡胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯酸酯的重 均分子量为5~15万。

所述水泥是满足GB 175-2007/XG1-2009《通用硅酸盐水泥》中硅酸盐水泥PⅠ、 PⅡ、普通硅酸盐水泥P.O、矿渣硅酸盐水泥P.S、火山灰质硅酸盐水泥P.P、粉煤灰硅 酸盐水泥P.F、复合硅酸盐水泥P.C中的一种或两种以上组分的组合物。通过选用不同 性质的水泥材料，从而调节水泥对石料、乳化沥青的配伍性、施工和易性和凝结成 型时间，提高半柔性路面基层材料对不同施工环境的适应性。

所述纤维是聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、甲基纤维素醚、羧甲基纤维素醚、 羧甲基烃乙基纤维素醚、乙基纤维素醚、烃乙基纤维素醚中的一种或两种以上组分 的组合物。其中，纤维是聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、甲基纤维素醚、羧甲基纤 维素醚、羧甲基烃乙基纤维素醚、乙基纤维素醚、烃乙基纤维素醚的重均分子量为 1~10万。

在水泥—乳化沥青砂浆中添加纤维，有如下技术优点：①提高半柔性路面基层 材料的柔韧性、抗冲击性、抗疲劳性和耐久性；②调节水泥—乳化沥青砂浆的稠度 与流动度，避免水泥—乳化沥青砂浆产生沉降分层，避免施工过程中因环境温度低、 凝结硬化慢等因素影响而发生泌水现象。其中，优选纤维是亲水性较好的聚丙烯腈 纤维、聚乙烯醇纤维。

所述填料包括如下各组分及各组分的重量百分比：

矿粉：        30%～45%

废橡胶粉：    30%～45%

气相二氧化硅：20%～30%

其中矿粉为石灰岩石粉、玄武岩石粉、辉绿岩石粉中的一种或两种以上组分的 组合物。其理化性质满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》相应的技术 要求。废橡胶粉为斜交胎胶粉、子午胎胶粉中的一种或两种的混合物，其粒径大小 可以为20目、40目、60目、80目中的一种或几种的混合物。气相二氧化硅的主要性 质满足：相对密度2.319～2.653g/cm³；二氧化硅含量≥90%；45μm筛上余量≤0.8%。

在水泥—乳化沥青砂浆中添加矿粉、废橡胶粉、气相二氧化硅等填料，其作用 是对水泥水化物的空间网络结构进行填充，以调节半柔性路面基层材料的柔性与刚 度。

所述助剂包括如下各组分及各组分的重量百分比：

膨胀剂    35%～50%

消泡剂    20～30%

促凝剂    30～40%

其中膨胀剂为铝粉、铁粉、氧化钙、硫铝酸钙中的一种或两种以上组分的混合 物；消泡剂为二甲基硅油、GPE10、GPE20、GPE30、磷酸三丁酯中的一种或两种以 上组分的混合物；促凝剂为碳酸钠、硅酸钠、氯化钙、无水硫铝酸钙、无水偏铝酸 钠中的一种或两种以上组分的混合物。

制备水泥—乳化沥青混凝土的方法包括如下步骤：

a)对矿料进行破碎、筛分，并将粗集料、细集料按照一定比例混合，得到所需 的合成级配，堆放待用。

b)将占乳化沥青重量50%～65%的基质沥青加热至130℃～160℃保温待用；将 占乳化沥青重量1%～3%沥青乳化剂、3%～10%改性胶浆溶于占乳化沥青重量20%～ 40%的水中，加热至40℃～60℃，采用盐酸调节其PH值为3～4，制成乳液备用；将 上述乳液与基质沥青一并通过胶体磨，经循环剪切制成改性乳化沥青。

c)按照水泥—乳化沥青砂浆各物料的配比，将改性乳化沥青、水泥、纤维、填 料、助剂经浆式搅拌机搅拌，制成水泥乳化沥青砂浆备用。

d)采用带有搅拌的混合器将集料、水泥—乳化沥青砂浆、水充分搅拌均匀，经 摊铺机摊铺成6～12cm厚、压实，养生7～15天而达终凝。

本发明的半柔性路面基层材料及其制备方法，其显著特点是：①半柔性路面基 层材料以半开级配集料形成第一主体骨架结构，以水泥乳化沥青砂浆对集料进行 有效包裹、粘结，并对其空隙进行充分填充，形成均一、密实、空隙闭合的整体结 构；②水泥凝胶通过凝结、硬化会逐渐形成空间网络结构的第二骨架结构，同时又 被破乳析出的沥青胶结料、改性胶浆、纤维以及废橡胶粉微粒等柔性材料充分填充， 从而形成刚性与柔性兼备的材料。

本发明所述的半柔性路面基层材料及其制备方法，其有益效果是：①以半开级 配集料形成第一主体骨架结构，以水泥凝胶通过凝结、硬化逐渐形成的空间网络结 构为第二骨架结构，具有良好地抗车辙、抗压性能。②以破乳析出的沥青胶结料、 改性胶浆、纤维以及废橡胶粉微粒为柔性材料对水泥凝胶通过凝结、硬化而成的空 间网络结构进行填充与交织，形成均一、密实、空隙闭合的整体结构，能有效改善 路面基层材料的柔韧性、抗水损坏性、抗疲劳性和耐久性。③由于半柔性路面基层 材料中水泥的水化与乳化沥青的破乳是在同一过程中进行的，有效地解决了乳化沥 青破乳“憎水”和水泥水化“需水”的矛盾。

具体实施方式

实施例1～12

1）集料级配的确定

对矿料进行破碎、筛分，并将粗集料、细集料按照一定比例混合，得下表1配合 比的合成集料，其中粗集料、细集料的物理性质满足下表2的技术要求：

表1集料级配范围

筛孔尺寸mm 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 玄武岩通过率,% 100 93 65 55 45 26 15 10 7 3 1 0 石灰岩通过率,% 100 98 75 70 60 35 22 12 8 4 2 0 辉绿岩通过率,% 100 95 70 65 55 35 20 15 10 5 3 1

表2粗集料与细集料的理化性质

2）乳化沥青的制备

按照本发明所述的半柔性路面基层材料的制备方法，制备改性乳化沥青的原料 组成及配比如表3所示：

表3制备乳化沥青的原料组成及配比

改性乳化沥青的制备方法：按照上述实施例1~12的物料配比，将占乳化沥青 50%～65%的基质沥青加热至130℃～160℃保温待用；将占乳化沥青1%～3%的沥青 乳化剂、3%～10%的改性胶浆溶于占乳化沥青20%～40%的水中，加热至40℃～60 ℃，采用盐酸调节其PH值为3～4，制成乳液备用；将上述乳液与基质沥青一并通过 胶体磨，经循环剪切制成改性乳化沥青。表4是改性乳化沥青的主要性质：

表4改性乳化沥青的主要性质

3）水泥—乳化沥青砂浆的制备

按照本发明所述的半柔性路面基层材料的制备方法，对应于上述实施例1～12， 制备水泥—乳化沥青砂浆，各原料组成配比及性质如表5、表6所示：

表5制备水泥—乳化沥青砂浆的原料组成及配比

表6水泥沥青砂浆的性质检测

4）半柔性路面基层材料的制备

按照本发明所述的半柔性路面基层材料各物料的配比，采用带有搅拌的混合器 将集料、水泥-乳化沥青砂浆、水充分搅拌均匀，经摊铺机摊铺成6～12cm厚、压 实，养生7～15天而达终凝。

半柔性基层材料主要性质检测结构如下表7：

表7半柔性路面基层材料的性质