一种聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石及其制备方法与流程

本发明涉及道路材料技术领域，具体说是一种聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石。

背景技术：

经济的快速发展带动了各个行业的快速进步，人们的生活水平日益提高，所以为了保障人们出行的方便，提高人们的出行质量，我国在高速公路方面的建设速度不断在加快，高速公路的建设在为人们出行提供方便的同时，也给我国带来了巨大的经济效益。截止到2017年年底，我国的高速公路总里程已经达到了13.65万公里[1]，但是，经济的发展带动了交通量的增加，导致车辆并且重载，超载的情况十分的突出，这对于高速公路的承载能力提出了更高的要求。半刚性基层路面以其强度高，稳定性好，造价较低等特点，在我国的高速公路中得到了普遍的应用，但随着近年来越来越多的半刚性基层高速公路在实际交通荷载下被检验，其耐久性成为最显著的问题。我国《沥青路面设计规范》[2]中高速公路的设计年限为15年，其路面使用15年后产生结构性破坏，需要翻修或者重建符合规范要求的，但实际上，我国高速公路沥青路面平均实际使用仅6～7年就开始出现路面结构性破坏，其中有交通量、超限超载等多重因素的作用，这给我们的经济造成了巨大的损失,同时也对我们国家现行的路面结构设计、材料以及施工技术提出了更高的挑战。

半刚性基层路面以其特有的强度高、稳定性好、造价低等特点，适用了中国公路建设的历史发展条件，充分发挥了其优势。水泥稳定碎石是我国半刚性路面基层主要采用的材料，其特性致使半刚性基层由于温度和干燥收缩受阻易产生收缩裂缝，在长期耦合荷载作用下易发生疲劳开裂，从而引起反射裂缝病害，累积到一定程度引发结构破坏，成为制约高等级公路使用寿命的主要瓶颈。

国内外对水泥稳定碎石半刚性基层改性技术进行了大量研究，如控制水泥稳定碎石的设计强度、改善水泥稳定碎石的集料级配、研究水泥与集料的配合比设计、使用减水剂、用粉煤灰代替部分水泥剂量、设置预切缝、提高水泥稳定碎石施工及养护质量等,对于改善半刚性基层性能具有一定的积极作用，但未能从根本上改变其材料微观裂缝的形成与扩展，而且抗变形能力和抗应变能力差，从而导致半刚性基层由早期的微观裂缝极易引发结构性破坏，损失严重。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石，目的在于解决目前半刚性基层存在的耐久性问题，通过添加改性聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石，提高其抗收缩开裂能力和抗疲劳开裂能力。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：

作为优选，所述组分的重量份为：

作为优选，所述改性聚丙烯纤维由以下质量比例的组分构成：轻质碳酸钙：聚丙烯纤维：二甲苯：改性剂：引发剂：水＝0.8-1.2：0.8-1.2：1.8-2.3：0.4-0.6：0.01-0.02:15-25。

作为优选，所述改性聚丙烯纤维由以下质量比例的组分构成：轻质碳酸钙：聚丙烯纤维：二甲苯：改性剂：引发剂：水＝1:1:2:0.5:0.01:20。

作为优选，所述轻质碳酸钙的沉降体积为2.4-2.8ml/g,所述聚丙烯纤维的密度为0.9-0.92g/cm³。

作为优选，所述改性剂为丙烯酸钠，所述引发剂为过氧化苯甲酰。

作为优选，所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％。；骨料为最大粒径不超过31.5mm的碎石，其颗粒组成级配范围为：

筛孔尺寸为31.5mm时，通过百分率为100％；

筛孔尺寸为26.5mm时，通过百分率为96.9-99.0％；

筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为68.2-72.3％；

筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为51.4-43.6％；

筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.7-31.1％；

筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为22.5-26.8％；

筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为11.7-16.9％；

筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.3-2.8％。

本发明还提供一种所述聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备改性聚丙烯纤维；

(2)称取骨料在拌和机中干拌3-7s，再加入改性聚丙烯纤维拌合5-10s，同时加入水泥和水拌合70-90s；

(3)在三小时内将步骤(2)中制得的水泥稳定碎石摊铺于路基上，在水泥初凝之前完成摊铺工作。

作为优选，步骤(1)中所述改性聚丙烯纤维的制备步骤为：

a、称取轻质碳酸钙0.8-1.2份、聚丙烯纤维0.8-1.2份、二甲苯1.8-2.3份、改性剂0.4-0.6份、引发剂0.01-0.02份、水15-25份备用,

b、将聚丙烯纤维沸水浴4h清洗除油，浸入二甲苯、蒸馏水的混合溶液中，水浴加热搅拌，润胀；

c、加入轻质碳酸钙，反应一定时间，冷却，抽滤，加入改性剂、引发剂，搅拌，反应1h，分别先后用蒸馏水、丙酮洗涤数次；

d、在50～60℃条件下干燥，得到改性聚丙烯纤维。

作为优选，步骤c中，所述改性剂为丙烯酸钠，所述引发剂为过氧化苯甲酰。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过在水泥稳定碎石材料中掺入一定量的改性聚丙烯纤维，能大幅增强水泥稳定碎石材料的抗拉应变能力，促进水泥稳定碎石材料应变硬化，同时该种纤维具有很好的力学传递性，当水泥稳定碎石材料因荷载作用出现裂缝时，其抗拉强度能随着裂缝应变增大而增大，提高了水泥稳定碎石材料的极限抗拉应变，并且该种纤维形成的桥接网络也能够很好地的阻止水泥稳定碎石材料因温度和干燥收缩受阻而开裂，因此能够从整体上提高水泥稳定碎石材料的抗变形能力，阻止开裂，从而延长道路使用寿命；

2、本发明中的轻质碳酸钙包覆法改性处理后的聚丙烯纤维(即pp纤维)表面被碳酸钙的细小微粒所包裹，表面粗糙程度增加；改性后聚丙烯纤维的密度增大，达到1.06～1.16g/cm3。与碳酸钙相比，轻质碳酸钙比表面积越大，与纤维的亲和力更强，改性后的聚丙烯纤维密度与水密度相近，有利于在水中的分散，解决了现有技术由于采用未改性的聚丙烯纤维导致的只能沉降在水底且亲和力弱的技术问题。

3、本发明中经过轻质碳酸钙包覆法改性处理后的聚丙烯纤维(即pp纤维)表面被碳酸钙的细小微粒所包裹，表面粗糙程度增加；改性后聚丙烯纤维的密度增大，达到1.06～1.16g/cm3；不仅pp纤维的密度得到了提高，同时由于碳酸钙表面水解产生的羟基，以及改性引入羧基，使pp纤维的亲水性显著增强。密度的增大和亲水性的增强有利于pp纤维在施工过程中均匀分散于水泥稳定碎石基体中；表粗糙程度增加有利于增强纤维与水泥材料间的物理锚固力，与水泥水化产物的粘结力更强，使得水泥稳定碎石材料开裂时，能分担更大的应力，有效减缓开裂，并显著提高其力学强度和抗疲劳性能。

附图说明

图1为未改性的pp纤维在水溶液中的分散情况；

图2为经过包覆改性的pp纤维在水溶液中的分散情况。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

下面以三个实施例和一个对照组例对本发明做出解释说明：

本发明中，所述水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥，其强度等级为42.5级；该实施例采用湖南省湘潭水泥厂生产42.5^#普通硅酸盐水泥。其检验结果见表1。

表1水泥试验结果

所采用的碎石共有三档:19～31.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm。其性质见表2。

表.2碎石性质

碎石采用两种级配进行水泥稳定碎石混合料的制备。级配类型见表3。

表3设计级配组成表

本发明中采用了改性轻质碳酸钙来包覆pp纤维，未经包覆法处理的pp纤维表面光滑(如图1所示)，经过轻质碳酸钙包覆法处理后的pp纤维表面被碳酸钙的细小微粒所包裹，表面粗糙程度增加(如图2所示)。改性后纤维的密度增大，达到1.06～1.16g/cm³。不仅pp纤维的密度得到了提高，同时由于碳酸钙表面水解产生的羟基，以及改性引入羧基，使pp纤维的亲水性得到很好的改善。改性过的pp纤维与未改性的pp纤维与水的接触湿润情况相比，改性过的pp纤维与水的接触湿润情况明显高。

在基础原料相同的前提下，作一对照组实验，

对照组：该对照组不添加改性聚丙烯纤维，只添加骨料、硅酸盐水泥和水，其中各组分按质量分数配比为：骨料：100份；水泥：4.5份；饮用水：4份。

上述材料的制备工艺如下：称取碎石骨料在拌和机中干拌5s，同时加入水泥和水拌合70-90s，即得一种水泥稳定碎石基层材料。

实施例一：

一种聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：

所述改性聚丙烯纤维由以下质量比例的组分构成：轻质碳酸钙：聚丙烯纤维：二甲苯：改性剂：引发剂：水＝0.8:0.8:1.8:0.4:0.01:15。所述轻质碳酸钙的沉降体积为2.4-2.8ml/g,所述聚丙烯纤维的密度为0.9-0.92g/cm³；所述改性剂为丙烯酸钠，所述引发剂为过氧化苯甲酰；所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％；骨料为最大粒径不超过31.5mm的碎石，其颗粒组成级配范围为：

筛孔尺寸为31.5mm时，通过百分率为100％；

筛孔尺寸为26.5mm时，通过百分率为96.9-99.0％；

筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为68.2-72.3％；

筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为51.4-43.6％；

筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.7-31.1％；

筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为22.5-26.8％；

筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为11.7-16.9％；

筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.3-2.8％。

所述聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备改性聚丙烯纤维：首先，称取轻质碳酸钙0.8份、聚丙烯纤维0.8份、二甲苯1.8份、改性剂0.4份、引发剂0.01份、水15备用；然后，将pp纤维沸水浴4h清洗除油，浸入二甲苯、蒸馏水的混合溶液中，水浴加热搅拌，润胀；加入改性轻质碳酸钙，反应一定时间，冷却，抽滤，加入改性剂、引发剂，搅拌，反应1h，分别先后用蒸馏水、丙酮洗涤数次,在50～60℃条件下干燥，得到改性聚丙烯纤维(即改性pp纤维)；

(2)称取骨料在拌和机中干拌3-7s，再加入改性聚丙烯纤维拌合5-10s，同时加入水泥和水拌合70-90s；

(3)在三小时内将步骤(2)中制得的水泥稳定碎石摊铺于路基上，在水泥初凝之前完成摊铺工作。

实施例二：

一种聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：

所述改性聚丙烯纤维由以下质量比例的组分构成：轻质碳酸钙：聚丙烯纤维：二甲苯：改性剂：引发剂：水＝1:1:2:0.5:0.01:20。所述轻质碳酸钙的沉降体积为2.4-2.8ml/g,所述聚丙烯纤维的密度为0.9-0.92g/cm³；所述改性剂为丙烯酸钠，所述引发剂为过氧化苯甲酰；所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％。；骨料为最大粒径不超过31.5mm的碎石，其颗粒组成级配范围为：

筛孔尺寸为31.5mm时，通过百分率为100％；

筛孔尺寸为26.5mm时，通过百分率为96.9-99.0％；

筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为68.2-72.3％；

筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为51.4-43.6％；

筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.7-31.1％；

筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为22.5-26.8％；

筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为11.7-16.9％；

筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.3-2.8％。

所述聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备改性聚丙烯纤维：首先，称取轻质碳酸钙1份、聚丙烯纤维1份、二甲苯2份、改性剂0.5份、引发剂0.01份、水20份备用；然后，将pp纤维沸水浴4h清洗除油，浸入二甲苯、蒸馏水的混合溶液中，水浴加热搅拌，润胀；加入改性轻质碳酸钙，反应一定时间，冷却，抽滤，加入改性剂、引发剂，搅拌，反应1h，分别先后用蒸馏水、丙酮洗涤数次,在50～60℃条件下干燥，得到改性聚丙烯纤维(即改性pp纤维)；

(2)称取骨料在拌和机中干拌3-7s，再加入改性聚丙烯纤维拌合5-10s，同时加入水泥和水拌合70-90s；

(3)在三小时内将步骤(2)中制得的水泥稳定碎石摊铺于路基上，在水泥初凝之前完成摊铺工作。

实施例三：

一种聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石，包括如下重量份的组分：

所述改性聚丙烯纤维由以下质量比例的组分构成：轻质碳酸钙：聚丙烯纤维：二甲苯：改性剂：引发剂：水＝1.2:1.2:2.3:0.6:0.02:25。所述轻质碳酸钙的沉降体积为2.4-2.8ml/g,所述聚丙烯纤维的密度为0.9-0.92g/cm³；所述改性剂为丙烯酸钠，所述引发剂为过氧化苯甲酰；所述骨料中有机质含量≤2％，硫酸盐含量≤0.25％。；骨料为最大粒径不超过31.5mm的碎石，其颗粒组成级配范围为：

筛孔尺寸为31.5mm时，通过百分率为100％；

筛孔尺寸为26.5mm时，通过百分率为96.9-99.0％；

筛孔尺寸为19.0mm时，通过百分率为68.2-72.3％；

筛孔尺寸为9.50mm时，通过百分率为51.4-43.6％；

筛孔尺寸为4.75mm时，通过百分率为28.7-31.1％；

筛孔尺寸为2.36mm时，通过百分率为22.5-26.8％；

筛孔尺寸为0.60mm时，通过百分率为11.7-16.9％；

筛孔尺寸为0.075mm时，通过百分率为2.3-2.8％。

所述聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备改性聚丙烯纤维：首先，称取轻质碳酸钙1.2份、聚丙烯纤维1.2份、二甲苯2.3份、改性剂0.6份、引发剂0.02份、水25份备用；然后，将pp纤维沸水浴4h清洗除油，浸入二甲苯、蒸馏水的混合溶液中，水浴加热搅拌，润胀；加入改性轻质碳酸钙，反应一定时间，冷却，抽滤，加入改性剂、引发剂，搅拌，反应1h，分别先后用蒸馏水、丙酮洗涤数次,在50～60℃条件下干燥，得到改性聚丙烯纤维(即改性pp纤维)；

(2)称取骨料在拌和机中干拌3-7s，再加入改性聚丙烯纤维拌合5-10s，同时加入水泥和水拌合70-90s；

(3)在三小时内将步骤(2)中制得的水泥稳定碎石摊铺于路基上，在水泥初凝之前完成摊铺工作。

对于以上四个实施例，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge-51-2009)中的无机结合料稳定土的击实方法(t0804-1994)进行击实试验确定出最大干密度和最佳含水量，将每立方米水泥稳定碎石按配合比称量备料，拌合过程中，先将、纤维、骨料干拌25～30s至均匀，然后加水和水泥拌合均匀形成混合料，试件经成型养护后，通过检测试件，得到以下试验数据：(表中对照组表示未添加改性聚丙烯纤维的水泥稳定碎石的各项数据)

从上述试验结果可以看出：添加了改性聚丙烯纤维的聚丙烯纤维改性水泥稳定碎石材料在改善力学性能的基础上，抗裂性能也得到了明显的提高，而且按照本发明的比例配制，进一步达到更好的抗裂性能，能大幅增强水泥稳定碎石材料的抗拉应变能力，促进水泥稳定碎石材料应变硬化，同时该种纤维具有很好的力学传递性，当水泥稳定碎石材料因荷载作用出现裂缝时，其抗拉强度能随着裂缝应变增大而增大，提高了水泥稳定碎石材料的极限抗拉应变，并且该种纤维形成的桥接网络也能够很好地的阻止水泥稳定碎石材料因温度和干燥收缩受阻而开裂，因此能够从整体上提高水泥稳定碎石材料的抗变形能力，阻止开裂，从而延长道路使用寿命。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。