本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种用于季冻区路面基层材料的抗裂剂及其制备方法。
背景技术：
水泥稳定粒料基层强度高、承载力强、稳定性好、施工灵活机动，是我国高等级公路的主要基层类型，占半刚性基层的80％以上，但是水泥稳定类基层极易产生密集的收缩裂缝，路面基层的开裂引起了严重的反射裂缝，反射裂缝的存在也诱发了系列的路面病害特别是路面的早期病害，严重影响了道路的服役寿命，近年来随着水泥新标准的实施，其收缩开裂更为严重，给国民经济带来巨大的损失，尤其在内蒙古自治区等气候干燥、温差大、冻融严重的季冻地区已成为我国水泥稳定类路面基层开裂最为严重的地区之一。
目前针对水泥稳定类路面基层的防裂技术以及裂缝处理措施主要存在以下问题：
(1)针对普硅水泥稳定类路面基层容易开裂，普遍采用混合水泥(矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥)对粒料进行稳定，这样能够在一定程度上减低基层的开裂情况，但效果并不明显，水泥类基层开裂现象依然十分明显。且会出现基层强度过低等现象，严重影响施工质量；
(2)通过采用膨胀水泥、加入少量阻裂剂等方法对基层进行防裂。但存在造价高、施工工艺复杂且难以把控等问题，故很少采用；
(3)通过调整水泥生料配方进行优化水泥的矿物组成来达到水泥收缩小、凝结时间长等特点，但会使水泥生产工艺复杂化，且产品用途单一，成本亦会增加；
(4)通过调整集料级配，使集料中粗颗粒含量增加进而抑制基层开裂。但会严重影响水泥稳定粒料力学性能、疲劳性能等其它路用性能，同时在施工过程中出现严重的离析现象，施工效果明显恶化；
(5)通过掺入粉煤灰，形成水泥粉煤灰稳定碎石来防止开裂。但由于该类材料的组成设计方法不完善，从而导致应用效果并不理想，甚至出现收缩开裂加剧，施工性能恶化的现象；
(6)当基层摊铺完后，往往采用一些被动性的裂缝处理措施。采用预切逢法在基层上切割一些裂缝以释放收缩应力，但基层是一种半刚性材料，切逢后板体的中央依然会有裂缝产生，而且人工切逢难以处理，也会诱发反射裂缝。或采用一种预裂法处理水泥稳定基层的开裂以防止反射裂缝的发生。先将成型的基层经过长时间的放置，基层充分开裂破坏后进行彻底处理，以防止面层反射裂缝的发生，但实施的结果也并不理想，而且极大地影响了基层材料的长期性能，对工程进度也有极大影响。而当基层裂缝出现时，则只能采用土工布或玻纤网进行搭接以及返工的措施，大大提高的工程造价与施工复杂程度。
因此，研发水泥稳定类路面基层的防裂技术，特别是研制抗裂剂，是提高水泥稳定类基层及半刚性基层沥青路面质量的关键。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对季冻区路面基层抗裂性差、开裂严重引起的反射裂缝而诱发系列的路面病害等问题，提供一种用于季冻区路面基层材料的抗裂剂及其制备方法，制备方法简单且易于实施，利用该抗裂剂制成的路面基层材料具有良好的材料力学、耐久等其他性能，并能有效补偿和减少路面基层的收缩开裂，显著降低路面基层的裂缝产生率，在我国半刚性路面基层中具有良好的应用前景。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一个方面，提供一种用于季冻区路面基层材料的抗裂剂，包括：
40％～60％的粉煤灰；
8％～15％的石膏；
30％～45％的矿物灰渣；
0.1％～0.5％的有机纤维；
1％～5％的活化素；
所述组分含量的总和为100％，以抗裂剂的总质量计。
优选的，所述粉煤灰主要化学成分包括sio2、al2o3，含水量≤35％，烧失量<10％，比表面积≥2500cm2/g，7d活度大于0.5。
优选的，所述石膏包括硬石膏、二水石膏、氟石膏和磷石膏中的一种或多种。
优选的，所述石膏中三氧化硫的质量含量为40～50％。
优选的，所述矿物灰渣包括燃煤渣、泥煤渣和热电厂炉渣中的一种或多种。
优选的，所述矿物灰渣主要化学成分包括cao、sio2、al2o3、mgo和fe2o3，原始密度为2960kg/m3，原始比表面积为309m2/kg。
优选的，所述矿物灰渣中主要化学成分含量以重量百分比计，包括：
10～15％的cao；
20～30％的al2o3；
10～20％的mgo；
35～60％的氧化物，所述氧化物包括sio2和fe2o3中的一种或两种。
优选的，所述有机纤维为丙纶。
优选的，所述活化素包括甘油、蔗糖和柠檬酸中的一种或多种。
优选的，所述的抗裂剂为颗粒状混合物。
本发明中，所述粉煤灰是电厂煤粉在旋风炉里燃烧后的产物，是玻璃体、晶体及少量未燃炭等多孔碎屑组成的一个复合结构的混合体，其主要组分为球状玻璃体，其中结晶体包括石英、莫来石、磁铁矿等。本发明中，所述粉煤灰的质量含量为40％～60％，优选为45％～55％。所述粉煤灰主要化学成分为sio2、al2o3，烧失量≤10％，7d活度大于0.5即可采用。sio2、al2o3是粉煤灰活性的主要来源，al2o3不仅可以提高粉煤灰的活性、增加其抗裂能力，还能提供基层所需要的强度。在本发明中，所述粉煤灰中al2o3的质量含量为35～45％，优选38％～42％。根据《公路路面基层施工技术细则》jtg/tf20-2015要求所述粉煤灰的比表面积≥2500cm2/g，比表面积越大，粉煤灰活性越大，优选为3000cm2/g～4000cm2/g。
本发明中，所述石膏包括硬石膏、二水石膏、氟石膏和磷石膏中的一种或多种。本发明中，所述石膏的质量含量为8％～15％，优选为10％～13％。石膏在基层稳定粒料中的水化产物钙矾石的生成通过吸水肿胀以及结晶膨胀的作用达到微膨胀的目的，弥补普通硅酸盐水水化产生的微观裂缝、补偿其收缩应变，并抑止裂缝的产生。在本发明中，所述石膏的比表面积≥2500cm2/g，优选为3000cm2/g～4000cm2/g。其中，优选磷石膏，该磷石膏主要化学成分至少包括，按重量计，cao30～35％，so342～48％，so3含量在一定范围内(本发明中为42％～48％)提高时，对路面基层力学性能、抗裂性能具有一定的改善效果。值得指出的是，so3过量的掺入，会产生大量的aft晶体，在材料内部产生反向积压应力，导致材料的结构破化和性能恶化。
本发明中，所述矿物灰渣包括燃煤渣、泥煤渣和热电厂炉渣中的一种或多种，优选为热电厂炉渣。本发明中，所述矿物灰渣的质量含量为30％～45％，优选为38％～45％。本发明采用的矿物灰渣为固体废弃物，本发明以这种固体废弃物为原料制备路面基层抗裂剂成本较低，还有利于环境保护。在本发明中，所述矿物灰渣的比表面积≥2500cm2/g，优选为3000cm2/g～4000cm2/g。
在本发明中，以重量百分比计，所述矿物灰渣中主要化学成分含量优选包括：
10～15％的cao；
20～30％的al2o3；
10～20％的mgo；
35～60％的氧化物，所述氧化物包括sio2和fe2o3中的一种或两种。
在本发明中，所述矿物灰渣中cao的重量百分比优选为10～15％，更优选为12～14％。在本发明中，所述矿物灰渣中al2o3的重量百分比优选为20～30％，更优选为22～28％。在本发明中，所述矿物灰渣中mgo的重量百分比优选为10～20％，更优选为12～18％。在本发明中，所述矿物灰渣中氧化物的重量百分比优选为35～60％，更优选为45～50％。在本发明中，所述矿物灰渣中氧化物包括sio2和fe2o3中的一种或两种，优选为sio2和fe2o3。
在本发明中，所述有机纤维采用的是丙纶即聚丙烯纤维，由丙烯为原料制得。聚丙烯纤维具有强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀、韧性好等特点。外观呈细丝状，因此掺入适量的聚丙烯纤维能使基层稳定粒料颗粒与颗粒之间更有效的连接、加强基层稳固性、使承载负荷在基层材料内部均匀分布、使路基沉降均匀，有效地减少路面开裂，提高基层抗裂能力。其直径为0.15～0.30mm，密度为0.90～0.92g/cm3。本发明中，所述有机纤维的质量含量为0.1％～0.5％，优选为0.1％～0.3％。
在本发明中，所述活化素包括甘油、蔗糖和柠檬酸中的一种或多种。活化素起到了进一步激发粉煤灰水化，并且改善水化物形貌的作用，激发水泥稳定基层中粘粒的活性，且活化素中部分有机物不溶于水，覆盖包裹在水分表面，减少了水泥稳定基层中和水有明显水化机理作用的成分，使抗裂剂各组分有效地水化硬化，并且由于部分水分被有机物覆盖而蒸发量减少，降低了基层材料的干缩应变，减少了湿胀干缩，从而减少收缩率提高抗裂性。本发明中，所述活化素的质量含量为1％～5％，优选为1％～3％。
在本发明中，所述粉煤灰、所述石膏和所述矿物灰渣重量比为3～4：0.7～0.9：2～3，采用上述重量比并且加入有机纤维和活化素制成抗裂剂，通过各组分的相互作用，能够有效地补偿路面基层收缩引起的开裂，使本发明提供的用于季冻区路面基层材料的抗裂剂具有较好抗裂效果。
在本发明中，所述的一种用于季冻区路面基层材料的抗裂剂是作为一种添加剂用于道路基层稳定粒料中。采用该抗裂剂制备的路面基层材料各组分重量百分数为：粉煤灰4％～10％、p.o325水泥3.5％～4.5％、抗裂剂6％～12％、集料70％～80％。
根据本发明的第二个方面，提供了一种用于季冻区路面基层材料的抗裂剂的制备方法，包括：
将粉煤灰、石膏、矿物灰渣、有机纤维和活化素按设定的重量比研磨混合均匀，得到抗裂剂。
具体地，所述的用于季冻区路面基层材料的抗裂剂及其制备方法包括以下步骤：
步骤一，将粉煤灰、石膏、矿粉等原材料采用机械破碎；
步骤二，将粉煤灰、石膏、矿粉采用φ500×500mm的试验标准磨分别磨细；
步骤三，经磨细后的粉料，细度控制在0.08mm标准方孔筛筛余≤2.0％；
步骤四，将磨细后的粉料与聚丙烯纤维以及活化素按重量百分比混合均匀即得到抗裂剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
所述的用于季冻区路面基层材料的抗裂剂，其抗裂手段是通过基于材料自身组分改变来提高基层的抗裂性能，主要是通过改善模量、降低干缩应变以及提高干缩能抗裂系数来实现的。
本发明为解决季冻区水泥稳定类基层抗裂性差提供了技术支持，该技术在我国半刚性基层沥青路面中也具有广泛的推广应用前景；采用本发明所制备的路面基层材料，具用补偿材料收缩作用，能够提高基层材料的抗裂性能，使路面基层的裂缝产生几率降低80％；使用上述方法，可以大量利用粉煤灰、矿粉以及磷石膏等工业固体废渣，有效地降低了用于季冻区路面基层材料的抗裂剂的生产成本，并且达到固废利用的效果，减少了相应的环境污染问题；本发明制备的抗裂剂其制备方法简单，无需其他特殊工艺要求，具有很好的可实施性。
具体实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
以下实例中，熟料取自于赤峰市远航水泥厂新型干法熟料，烧失量0.05％，细度为0.5％；比表面积352m2/kg；粉煤灰采用赤峰市的两种干排灰：珠辉粉煤灰和富龙粉煤灰，7d活度大于0.5；石膏采用远航水泥厂生产所用的磷石膏，烧失量20.12％，主要化学成分为cao含量31.1％，so3含量45.84％；集料取自试验路段碎石加工厂生产的4粒级碎石(1#碎石为20-30mm玄武岩、2#碎石为10-20mm石灰岩、3#碎石为5-10mm石灰岩、4#碎石为0-5mm石灰岩)，碎石的压碎值、混合料级配等各项指标满足《公路路面基层施工技术规范》(jtj034-2000)水泥稳定土粒料土级配3的级配要求。
实施例1
一种利用上述抗裂剂制备的高抗裂路面基层材料，各组分及其质量百分数：粉煤灰4％～10％、p.o325水泥3.5％～4.5％、6％～12％的抗裂剂、集料70～80％，其中抗裂剂按粉煤灰45％、石膏10％、粒化矿物灰渣45％、有机纤维0.1％～0.3％、活化素1％～3％配制。
其制备过程如下：
步骤一，按照上述比例称取原料混合均匀；
步骤二，根据击实试验和配合比计算每份料的加水量和无机结合料的质量；
步骤三，将称取好的集料放在长方盘中，向集料中加水拌料、闷料，无机结合料可和集料一起拌和，将事先计算好的应加水量均匀喷洒在集料上，然后装入密闭塑料口袋内浸湿备用；
步骤四，成型试件，2～6h后脱模并作密封处理，在标准养护条件下(20℃±2℃，湿度≥95％)养护至规定龄期。
实验对比了抗裂剂稳定粒料基层和p.o325水泥稳定粒料基层的劈裂强度、回弹模量以及干缩应变和干缩能抗裂系数，实验结果见表1。
表1各稳定粒料的物理力学性能
实施例2
一种利用上述抗裂剂制备的高抗裂路面基层材料，各组分及其质量百分数：粉煤灰6％～8％、p.o325水泥3.5％～4.5％、7％～11％的抗裂剂、集料70～80％，其中抗裂剂按粉煤灰45％、石膏11％、粒化矿物灰渣44％、有机纤维0.1％～0.3％、活化素1％～3％配制，制备过程同实施例1，实验结果见表2。
表2各稳定粒料的物理力学性能
实施例3
一种利用上述抗裂剂制备的高抗裂路面基层材料，各组分及其质量百分数：粉煤灰6％～7％、p.o325水泥3.5％～4.5％、8％～10％的抗裂剂、集料70～80％，其中抗裂剂按粉煤灰45％、石膏12％、粒化矿物灰渣43％、有机纤维0.1％～0.3％、活化素1％～3％配制，制备过程同实施例1，实验结果见表3。
表3各稳定粒料的物理力学性能
实施例4
一种利用上述抗裂剂制备的高抗裂路面基层材料，各组分及其质量百分数：粉煤灰6％～10％、p.o325水泥3.5％～4.5％、10％～12％的抗裂剂、集料70～80％，其中抗裂剂按粉煤灰45％、石膏13％、粒化矿物灰渣42％、有机纤维0.1％～0.3％、活化素1％～3％配制，制备过程同实施例1，实验结果见表4。
表4各稳定粒料的物理力学性能
从以上实施例结果来看，根据上述步骤制备的路面基层材料，在水泥剂量相同的情况下，抗裂剂稳定粒料的28d劈裂强度要高于通用水泥稳定粒料，且随抗裂剂掺量增加而增加，其干缩能抗裂系数从4.2％提升至8.3％。由实施例的结果可知合适的石膏含量可以明显提高基层材料的抗干缩开裂能力，当石膏含量为10％时，材料的干缩能抗裂指数为4.2％，而当石膏含量提高为13％时，材料的干缩能抗裂指数则提高到8.3％，提高了近100％。这主要是由于，一方面石膏中微膨胀源(so3)能有效改善材料的力学性能，另一方面有能够通过其微膨胀特性补偿一部分收缩，从而抑制材料的开裂。
实施例5
本实施例是在上述各组分含量范围之外的基础上实施的，其结果见下表。
表5各稳定粒料的物理力学性能
从结果来看，当掺加抗裂剂较低(如4％)时，其干缩能抗裂系数相较普通水泥稳定基层并没有明显提高(与6％～12％抗裂剂稳定基层相比有较大差距)，因此抗裂剂含量较低时不能增加基层抗裂效果，而含量较高时相对不经济；当石膏掺量较高(如20％)时，相同含量抗裂剂下其干缩能抗裂系数相对较低，且石膏含量越高时强度也会有所降低；当矿粉含量达到60％时，相同含量下，干缩能抗裂系数与实施例3相比降低很多。由本实施例结果可知，当材料各组分含量超出一定范围时，其抗裂性能相较于普通水泥稳定基层并没有明显的效果甚至可能带来不利的影响。
本发明依托试验路段对基层抗裂效果进行了统计，结果见下表：
表6反射裂缝平均间距统计表
从结果来看：采用抗裂剂稳定基层的路面结构，路面的反射裂缝的间距为140m，裂缝的发生率远低于普通水泥稳定基层的道路。在使用抗裂剂后，路面基层的开裂大幅度降低，和普通路段相比，裂缝发生率降低82％，即相较于普通水泥稳定基层其抗裂能力提高80％以上，抗裂效果明显。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。