胶粉改性高砖混建筑垃圾的抗裂型基层材料及其制备方法

本发明属于道路工程，具体涉及一种胶粉改性高砖混建筑垃圾的抗裂型基层材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着国民经济的稳步发展和产业结构性的调整，我国对公路等基础性建设的重视程度和资源投入急剧加大。目前我国公路的总里程位居世界前列，交通荷载的增加，对道路的承载能力和安全性能的要求也更为严苛，基层作为道路的主要承重层，越来越受到人们的重视。

2、水泥稳定碎石（碎石即为天然骨料、天然砂石）混合料作为道路建设中运用最广泛的基层材料，虽然具有诸多优点，但是这种基层材料容易产生非荷载型裂缝，从而导致早期损伤。随着工业化和城市化进程的快速推进，建筑行业迅猛发展，基础设施建设等新建工程随处可见，大量原有的建筑物达到使用年限或者不能满足使用要求而被拆除，这种现象不仅会造成建筑资源的巨大浪费，还会导致建筑垃圾围城问题日益严重。大量的建筑垃圾若不能有效地被利用或者被合理处置，将会造成资源的严重浪费，同时也会加剧对自然环境的严重破坏，因此实现建筑垃圾的资源化利用并稳步提高其利用水平是当前极其重要且迫切的需求。

3、道路工程作为我国基础设施建设的重要组成部分，工程体量大，每年消耗大量的天然砂石材料，同时道路按功能性差异可分为多个等级、按结构层差异可分为多个层次，具有大量消纳不同物理性能的再生骨料的可能性。目前以建筑垃圾为原材料的再生骨料已广泛应用于各类建筑物中，然而与天然骨料相比，再生骨料在宏观性能上存在密度小、强度低、吸水吸油率高等缺点，使用时需要充分考虑再生骨料对混合料强度、抗冻性和抗开裂性等性能的影响。为了保证基层的抗开裂性能，已有研究在水泥稳定碎石混合料中加入橡胶粉，通过橡胶粉改性在保证其与水泥基材料黏结能力的前提下，利用橡胶粉的高弹性提升混合料的韧性和抗收缩裂缝能力，有效防治半刚性基层沥青路面的反射裂缝，促进资源节约利用。但是现有研究是基于将橡胶粉掺入天然骨料的水泥稳定碎石混合料中，而对于将橡胶粉掺入再生骨料的水泥稳定建筑垃圾混合料的研究尚未记载。

4、建筑垃圾通常分为低砖混含量的混凝土类建筑垃圾和高砖混含量的砖混类建筑垃圾，目前各科研院所对建筑垃圾的研究应用多选择低砖混含量的混凝土类建筑垃圾，而对高砖混含量的砖混类建筑垃圾的再生利用研究极少，在现有技术中，若没有特别提到高砖混、砖瓦、红砖碎料等内容，则所选择的建筑垃圾均为低砖混含量的混凝土类建筑垃圾。由于高砖混含量的建筑垃圾主要是原有砖混类建筑物拆除产生的建筑垃圾，此类建筑垃圾由于含有大量的砖瓦类材料，使其具有吸水率高、强度低、性能不稳定等缺点，因此需要开发一种胶粉改性高砖混建筑垃圾的抗裂型基层材料及其制备方法，以解决现有技术存在的问题。

5、申请公布号为cn116496056a的发明专利公开了一种含红砖建筑垃圾全再生半刚性道路基层材料及其制备方法和应用，该基层材料按照质量份数计，由包括以下组分的原料制备得到：再生骨料80-99份，胶结料2-19份，再生骨料由含红砖建筑垃圾制备得到的粗骨料和细骨料组成，粗骨料的粒径为4.75-33mm，细骨料的粒径小于4.75mm，胶结料为水泥或者由粉煤灰和石灰组成。该技术方案采用了含红砖建筑垃圾制备道路基层材料，所制备的基层材料未经过胶粉改性，虽然能够提高基层材料的强度和抗冻性能，但是无法提高基层材料的抗裂性能。

6、申请公布号为cn115974480a的发明专利公开了一种红砖骨料水泥稳定土材料及其制备方法和在路面底基的应用，该红砖骨料水泥稳定土材料是由以下组分按照质量百分比制成，红砖骨料水泥稳定土99.7-99.9％，聚乙烯醇纤维0.1-0.3％；红砖骨料水泥稳定土按照重量份数包括以下组分：水泥5-8份，土颗粒70-90份，再生红砖骨料70-90份，水20-30份。该技术方案所制备的红砖骨料水泥稳定土材料只能应用于路面底基中，而路面底基位于路面基层的下方，由于底基和基层所处的位置不同，所以适用的材料以及对材料性能的要求也不同。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种胶粉改性高砖混建筑垃圾的抗裂型基层材料，所述抗裂型基层材料中各物质的掺加量占所述抗裂型基层材料的质量百分比为，高砖混建筑垃圾再生骨料占83-85wt%、水泥占4-6wt%、橡胶粉占0.5-1.5wt%、水占8-10wt%；所述橡胶粉包括未改性橡胶粉和改性橡胶粉，所述未改性橡胶粉占所述橡胶粉的质量百分比为30-40wt%，所述改性橡胶粉占所述橡胶粉的质量百分比为60-70wt%。更为优选的是，水的掺加量为水泥掺加量的1.5-2倍。

2、优选的是，所述高砖混建筑垃圾再生骨料为砖混类建筑物拆除产生的建筑垃圾，其砖混含量为70-80wt%；在所述高砖混建筑垃圾再生骨料中，再生粗骨料的压碎值不超过30%，再生细骨料的表观相对密度不低于2.5g/cm3、含泥量不超过3.0%。

3、在上述任一方案中优选的是，所述水泥为p.o 32.5普通硅酸盐水泥。

4、在上述任一方案中优选的是，所述橡胶粉的比表面积为20-22m2/kg，其粒径为110-129μm的橡胶粉占10%、粒径为130-140μm的橡胶粉占50%、粒径为141-168μm的橡胶粉占40%。

5、本发明还提供一种胶粉改性高砖混建筑垃圾的抗裂型基层材料的制备方法，用于制备上述任一项所述的胶粉改性高砖混建筑垃圾的抗裂型基层材料，按照先后顺序包括以下步骤：

6、步骤一：测试高砖混建筑垃圾再生骨料、橡胶粉和改性剂的各项性能指标，并采用改性剂对需要改性的橡胶粉进行活化改性；

7、步骤二：根据《公路路面基层施工技术细则》（jtg/t f20-2015）中含100%天然骨料的水泥稳定碎石混合料的合成级配以及筛分试验，设计含100%高砖混建筑垃圾再生骨料的水泥稳定建筑垃圾再生骨料无机混合料的合成级配；根据水泥稳定高砖混建筑垃圾再生骨料无机混合料的力学性能和耐久性能的平衡要求，设计含30%高砖混建筑垃圾再生骨料的水泥稳定建筑垃圾再生骨料无机混合料的合成级配，并将所设计的合成级配作为水泥稳定高砖混建筑垃圾无机混合料的合成级配；

8、步骤三：按照抗裂型基层材料的设计要求称取高砖混建筑垃圾再生骨料、水泥、未改性橡胶粉、改性橡胶粉和水备用，同时按照所设计的水泥稳定高砖混建筑垃圾无机混合料的合成级配称取各粒径的高砖混建筑垃圾再生骨料备用；

9、步骤四：将各粒径的高砖混建筑垃圾再生骨料和水泥放入搅拌机中进行搅拌混合，待搅拌混合结束后，向搅拌机中加入水，继续进行搅拌混合，即可制得水泥稳定高砖混建筑垃圾无机混合料；

10、步骤五：将未改性橡胶粉和改性橡胶粉放入另一搅拌机中进行搅拌混合，制得未改性橡胶粉与改性橡胶粉的混合物；

11、步骤六：将未改性橡胶粉与改性橡胶粉的混合物放入水泥稳定高砖混建筑垃圾无机混合料中进行搅拌混合，即可制得胶粉改性高砖混建筑垃圾的抗裂型基层材料。

12、优选的是，步骤一中，采用改性剂对需要改性的橡胶粉进行活化改性的方法，按照先后顺序包括以下步骤：

13、步骤（1）：取适量的无水乙醇溶液，并向无水乙醇溶液中加入水，水的添加量为无水乙醇溶液质量的30%，使用搅拌棒在常温下搅拌无水乙醇溶液和水，搅拌时间为30s，制得乙醇溶液；

14、步骤（2）：取800ml乙醇溶液，并向乙醇溶液中加入硅烷偶联剂kh-550，硅烷偶联剂kh-550的添加量为需要改性的橡胶粉质量的2%，使用磁力搅拌器在常温下搅拌乙醇溶液和硅烷偶联剂kh-550，搅拌时间为10min，然后静置水解1h，制得乙醇溶液与硅烷偶联剂kh-550的混合液；

15、步骤（3）：分别取cacl2盐溶液和mgso4盐溶液，二者的添加量均为需要改性的橡胶粉质量的5%，使用磁力搅拌器在常温下将二者混合均匀，制得cacl2与mgso4的无机盐溶液；

16、步骤（4）：将乙醇溶液与硅烷偶联剂kh-550的混合液、cacl2与mgso4的无机盐溶液混合均匀，即可制得橡胶粉改性剂；

17、步骤（5）：将需要改性的橡胶粉放入橡胶粉改性剂中，使用磁力搅拌器在常温下搅拌10min，待搅拌结束后，将悬浊液静置1h，然后过滤，并使用清水反复清洗橡胶粉；

18、步骤（6）：将清洗后的橡胶粉放入烘箱中进行烘干处理，烘干温度为80℃，烘干时间为4h，使橡胶粉达到饱和面干的状态，即可制得改性橡胶粉。

19、本发明中，硅烷偶联剂kh-550具有改性作用，可作为橡胶粉的改性剂；cacl2盐溶液和mgso4盐溶液不仅具有改性作用，还具有分散作用，即cacl2盐溶液和mgso4盐溶液不仅能够作为橡胶粉的改性剂，而且还能够将改性橡胶粉的颗粒更好的分散开，如果不使用cacl2盐溶液和mgso4盐溶液，那么改性橡胶粉很容易结块。

20、在上述任一方案中优选的是，步骤二中，在设计含100%高砖混建筑垃圾再生骨料的水泥稳定建筑垃圾再生骨料无机混合料的合成级配过程中，调整了筛孔为19mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.6mm和0.075mm中粒径为0-5mm、5-10mm、10-20mm和20-30mm的高砖混建筑垃圾再生骨料的通过率，得到筛孔为19mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.6mm和0.075mm的100%高砖混建筑垃圾再生骨料合成级配的通过率分别为77.81%、48.64%、30.47%、20.74%、10.84%和1.18%。

21、在上述任一方案中优选的是，步骤二中，在设计含30%高砖混建筑垃圾再生骨料的水泥稳定建筑垃圾再生骨料无机混合料的合成级配过程中，结合了筛孔为19mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.6mm和0.075mm中粒径为0-5mm、5-10mm、10-20mm和20-30mm的天然骨料的通过率和高砖混建筑垃圾再生骨料的通过率，同时调整了粒径为0-5mm、5-10mm、10-20mm和20-30mm的高砖混建筑垃圾再生骨料的掺量，得到筛孔为19mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.6mm和0.075mm的30%高砖混建筑垃圾再生骨料合成级配的通过率分别为80.15%、46.1%、31.11%、19.87%、9.74%和0.88%，并将该通过率作为水泥稳定高砖混建筑垃圾无机混合料的合成级配。

22、本发明中，在级配设计时选取再生骨料掺量为30%的原因如下：30%再生骨料掺量是一个平衡性能要求和可行性的结果，30%既能够满足级配设计要求又能够最大化的利用建筑垃圾。该比例能够满足设计要求，如强度、稳定性、耐久性等，同时在技术、经济、可行性等方面保持合理性；根据先前的工程经验或研究，30%再生骨料掺量能够在高砖混建筑垃圾再生骨料无机混合料中实现良好的性能表现和经济效益。

23、再生骨料的使用应尽可能满足高等级公路的要求，以便可以在多种使用环境中进行推广使用。根据现行公路路面基层设计规范要求，通过总结不同规范级配设计异同点与水泥稳定碎石结构的组成特性，利用大比例的粗骨料来减少结构内部的薄弱点，以细骨料填充孔隙的同时加入改性橡胶粉，减少来自水泥胶砂产生的收缩，最终得到了以骨架密实结构为基础的抗裂型级配，通过再生骨料与天然骨料筛分形成了三种级配组成。

24、在上述任一方案中优选的是，步骤四中，各粒径的高砖混建筑垃圾再生骨料和水泥的搅拌温度为常温、搅拌时间为1-2min、搅拌速率为50-100r/min；各粒径的高砖混建筑垃圾再生骨料、水泥和水的搅拌温度为常温、搅拌时间为1-2min、搅拌速率为50-100r/min。步骤四中，各粒径的高砖混建筑垃圾再生骨料、水泥和水采用强制搅拌方式。

25、在上述任一方案中优选的是，步骤五中，未改性橡胶粉和改性橡胶粉的搅拌温度为常温、搅拌时间为1-2min、搅拌速率为20-100r/min；步骤六中，未改性橡胶粉与改性橡胶粉的混合物和水泥稳定高砖混建筑垃圾无机混合料的搅拌温度为常温、搅拌时间为3-4min、搅拌速率为50-100r/min。步骤五中，未改性橡胶粉和改性橡胶粉采用翻转搅拌方式；步骤六中，未改性橡胶粉与改性橡胶粉的混合物和水泥稳定高砖混建筑垃圾无机混合料采用强制搅拌方式。

26、本发明通过利用大比例的粗骨料来减少结构内部的薄弱点，以细骨料填充孔隙的同时加入改性橡胶粉，进行无机混合料的级配设计，这对提高橡胶粉与高砖混含量的建筑垃圾再生骨料在道路工程建设上的利用率以及有效防治半刚性基层沥青路面的反射裂缝具有十分重要的意义。

27、本发明的胶粉改性高砖混建筑垃圾的抗裂型基层材料及其制备方法，使用不同掺量的建筑垃圾再生骨料替代天然骨料，采用橡胶粉与水泥稳定建筑垃圾再生骨料制备无机混合料，设计以骨架密实结构为基础的抗裂型级配，对其进行配合比设计，并进行路用性能测试，解决了高砖混含量的建筑垃圾利用率低以及再生骨料基层容易产生反射裂缝等问题。