半柔性路面抗裂用水泥基灌浆材料及其制备方法和应用

本发明涉及路面材料领域，具体涉及一种半柔性路面抗裂用水泥基灌浆材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、现今，我国公路事业飞速发展，目前为止，我国公路总里程高达528万公里，路网规模已位居世界前列。沥青路面因其行车舒适、易于维护、力学性能优良等优点，成为目前我国公路常采用的形式，但是过快增长的车流量以及常见的重载、超载交通以及高温等因素，使得许多沥青混凝土路面在通车不久后便出现车辙等病害，车辙的出现严重破坏了路面的整体平整度，影响了行车舒适性和安全性，对国民经济发展极为不利。因此一种在特殊级配的大空隙(20％～30％)基体沥青混合料中灌入一定性能的水泥基材料形成的半柔性路面材料应运而生。

2、研究发现半柔性路面材料兼具沥青路面的柔性以及水泥路面的刚性，具有着承载力高、抗车辙效果显著、刚柔并济的特点。但其并未在我国大面积推广使用，除了施工工艺繁琐，其开裂问题是阻碍其发展的重要因素。水泥基灌浆材料水化过程产生的收缩以及硬化后温变引起的胀缩为水泥基灌浆材料主要体积变化，而基体沥青混合料体积稳定性较好，两种材料的不协调变形使得半柔性路面材料内部产生应力集中，当应力集中达到一定限度后，即发生开裂；水泥基灌浆材料与基体沥青混合料是属于无机和有机的异性材料，两者之间的结合界面极易发生开裂。目前大量学者通过添加无机膨胀剂和有机聚合物改性剂来补偿收缩和增强界面结合强度来防止开裂，虽取得一定效果，但并不理想，且聚合物改性剂生产成本较高，污染环境风险较大。钢渣是一种工业炼钢废渣，我国钢渣年产量大，利用率低，提高钢渣绿色渠道利用率，避免资源浪费势在必行。钢渣化学成分与水泥熟料颇为相似，具有较大的应用前景，但是钢渣遇水体积膨胀制约了其在道路工程的推广，大量学者通过陈化、高温重构、碳酸来进行改性从而抑制其膨胀，而改性过程繁琐，易造成环境污染。如何高效变废为宝，提高资源利用率，保护环境，并解决半柔性路面开裂问题，实现重大经济效益，这一技术难题亟待解决。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种半柔性路面抗裂用水泥基灌浆材料及其制备方法和应用，本发明不仅可以很好地解决半柔性路面开裂问题，还可以高效利用钢渣，变废为宝的同时，可实现节能环保的目的，创造较高的经济价值。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种半柔性路面抗裂用水泥基灌浆材料，所述水泥基灌浆材料由以下重量份数的原料组成：水：300～315份、减水剂：4.5～5.5份、粉煤灰：35～42.5份、早强剂：0.5～2.5份、水泥：470～490份、特细砂：120～139份、石灰岩矿粉：50～68.5份、抗裂剂：115～165份；

4、所述抗裂剂由钢渣粉、硫铝酸盐水泥和二水石膏均化而成，所述钢渣粉、硫铝酸盐水泥和二水石膏的质量比为45～60:45～65:25～40。

5、优选的，所述减水剂为萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高性能减水剂中的一种或几种。

6、优选的，所述特细砂为机制砂或天然河砂，粒径≤0.6mm，水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；所述粉煤灰的粒径为二级及以上粉煤灰，烧失量为9.26％；所述早强剂为硫代硫酸钠、三乙醇胺、甲酸钙中的一种或几种。

7、本发明的另一个目的是提供一种上述半柔性路面抗裂用水泥基灌浆材料的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)称取以下重量份数的原料：水：300～315份、减水剂：4.5～5.5份、粉煤灰：35～42.5份、早强剂：0.5～2.5份、水泥：470～490份、特细砂：120～139份、石灰岩矿粉：50～68.5份、抗裂剂：115～165份；

9、抗裂剂中钢渣粉、硫铝酸盐水泥和二水石膏的质量比为45～60:45～65:25～40，硫铝酸盐水泥强度等级为42.5；

10、(2)在搅拌机内依次加入水和减水剂，搅拌均匀，得到第一混合物；

11、(3)将步骤(2)得到的第一混合物在搅拌状态下，加入水泥和特细砂，搅拌均匀，得到第二混合物；

12、(4)向步骤(3)得到的第二混合物中加入石灰岩粉末，搅拌均匀，得到第三混合物；

13、(5)向步骤(4)得到的第三混合物中加入粉煤灰，搅拌均匀，得到第四混合物；

14、(6)向步骤(5)得到的第四混合物中加入抗裂剂，搅拌均匀，得到第五混合物；

15、(7)向步骤(6)得到的第五混合物中加入早强剂，搅拌均匀，即得到半柔性路面抗裂用水泥基灌浆材料。

16、优选的，所述抗裂剂的制备方法包括如下步骤：

17、s1、钢渣预处理：将块状钢渣经破碎机破碎至0.5mm～2mm，然后球磨均化处理至细度为0.8％～1.0％，得到钢渣粉，备用；

18、s2、二水石膏预处理：将二水石膏过筛，得到预处理后的二水石膏；

19、s3、硫铝酸盐水泥预处理：将硫铝酸盐水泥过筛，得到预处理后的硫铝酸盐水泥；

20、s4、混合均匀，将预处理后得到的钢渣粉、二水石膏和硫铝酸盐水泥进行球磨混合均匀得到半柔性路面用抗裂剂。

21、优选的，步骤s1中球磨速度为25.6r/min，球磨时间为50～60min；步骤s4中球磨速率为25.6r/min，球磨时间为5～8min。

22、优选的，步骤s1中钢渣粉的主要成分和质量分数为：cao：45～47.8％，f-cao：5～8％，sio2：10.1～13.2％，al2o3：1～2.5％，fe2o3：13.20～15.94％，mgo：10.09～13.75％，so3：0.3～0.44％，p2o5：1.31～1.65％；

23、步骤s2中二水石膏的主要成分和质量分数为：caso4：98.3％，pb：＜2.0％，as：＜2.0％，f：＜0.003％，se：＜0.003％。

24、本发明的第三个目的是提供一种由上述任一项所述制备方法制备得到的水泥基灌浆材料在半柔性路面上的应用。

25、优选的，所述应用方法为：将水泥基灌浆材料注于大空隙基体沥青混合料中，养护3～7天，即可得到抗高温稳定性能和抗裂性能良好的半柔性材料。

26、与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

27、1、本发明的半柔性路面抗裂用水泥基灌浆材料中的抗裂剂生产工艺简单，无污染，补偿收缩效果稳定持久，可以有效地提高半柔性路面用水泥基灌浆材料的体积稳定性能，增强了水泥基灌浆材料与基体沥青混合料之间的界面结合强度，起到了双重抗裂效果，为半柔性路面材料的推广奠定了基础。

28、2、本发明的半柔性路面抗裂用水泥基灌浆材料抗裂剂中钢渣粉无需复杂的改性工艺，而是有效利用钢渣遇水体积膨胀的特点，转缺为优，不仅提高了钢渣的利用率，还达到了节能、环保的目的。

29、3、本发明的半柔性路面抗裂用水泥基灌浆材料抗裂剂可持续稳定补偿收缩，在早期，硫铝酸盐水泥和二水石膏在水的作用下反应生成钙钒石，当体系中cao未达到饱和浓度时，析晶时钙钒石的过饱和度小，析晶慢，晶形较大，且远离原始固相表面，以分散状析出；而当体系中cao达到饱和浓度时，钙矾石以细小晶体呈辐射状析出且快速团聚在原始固相表面。抗裂剂中的钢渣粉存在的一部分活性的cao与硫铝酸盐水泥中存在的2cao·sio2水化可保持体系中ca(oh)2处于高浓度，从而促进钙钒石生成，达到稳定膨胀持续补偿收缩的效果。在中后期，钢渣中f-cao和f-mgo水化，进而保证了水泥基灌浆材料在水化后期的体积稳定性能。在抗裂剂中成分水化补偿收缩过程中，生成的针棒状钙钒石嵌入基体沥青混合料的沥青相增强了两者的界面结合强度，从而进一步加强了半柔性路面材料的抗裂性能。

30、4、本发明中，减水剂间接性减小水胶比，改善了灌浆材料流动性能，增强了灌浆材料的强度；特细砂增强了水泥基灌浆材料抗压强度同时，保证了半柔性路面施工时的可灌性；粉煤灰在本发明中充分发挥其“滚珠效应”，可有效改善水泥基灌浆材料的和易性，并降低了水泥基灌浆材料的生产成本。

31、5、本发明中早强剂，硫代硫酸钠作用机理：水泥的水化过程中，水与水泥水化产生的氢氧化钙，硫代硫酸钠与氢氧化钙反应生成硫酸钙和氢氧化钠，硫酸钙粒度极细，与c3a反应生成水化硫铝酸钙晶体的速度快，氢氧化钠作为活性剂使体系碱性增强，提高了c3a和石膏的溶解度，增加了水泥中硫铝酸钙的数量，另外，硫铝酸钙晶体在成长过程中相互交叉搭接形成水泥初期骨架，又受到c-s-h凝胶和其它水化产物不断填充固化，因此灌浆材料的早期强度得到明显提高。三乙醇胺作用机理：水泥水化过程中，三乙醇胺中n原子的一对未共用电子，可与ca2+和fe3+等生成易溶于水的络合离子，提高了水泥颗粒表面的可溶性，阻碍了c3a表面形成水化初期不渗透层，促进了c3a和c4af的溶解，加速其与石膏反应生成硫铝酸钙。同时这个反应也降低了液相中钙离子和铝离子的浓度，进一步促进了c3s的水化，从而促使混凝土早期强度增长。甲酸钙作用机理：甲酸钙可以改变水泥基灌浆材料系统中硅酸三钙的浓度，降低体系中的ph值，提高c3s的水化速度，同时可以提高液相中ca2+的浓度，使硅酸钙溶出速度加快，而同离子效应会加快结晶速度，增加材料中固相比例，有利于形成水泥石结构，从而使灌浆材料早期强度增加。