一种常温混合沥青砂浆和一体式半柔性路面材料

本发明涉及路面施工,具体涉及一种常温混合沥青砂浆和一体式半柔性路面材料。

背景技术：

1、公路路面主要分为沥青路面和水泥路面两种，沥青路面力学性能会随着气候的改变而不断发生变化，在夏季温度较高时，沥青路面经常出现波浪、拥包、推移、车辙等病害；在冬季温度较低的情况下，沥青路面会出现脆硬，变形能力降低，加上行车荷载的反复作用，易引起沥青路面开裂等病害。水泥路面则存在接缝处易破坏、施工程序繁琐复杂、建成后的路面平整度差、行车舒适性低等较为常见的缺点。同时随着行车数量的不断增加，大量已经建成的沥青路面需要大规模修补与重建，在修补、重建过程中将产生大量的废旧沥青混合料(rap)。rap的乱堆乱放不但会对自然环境产生危害,而且还会耗费巨大的场地空间资源，这与我国走可持续发展道路的方针相违背。

2、沥青路面与水泥路面各有优劣势，是否存在一种既有沥青路面“柔”性特点，又有水泥路面“刚”性优势的路面成为道路工作者思考的问题。国内外学者在经过长时间的努力下，满足既有沥青路面“柔”性特点，又有水泥路面“刚”性优势的路面顺势而生，国内外学者将这种特别的路面称为灌注式半柔性路面。传统的灌注式半柔性路面(semi-flexiblepavement，sfp)是指在空隙率高达20-28％的大空隙基体沥青混合料中灌注以水泥基材料为主的浆体而形成的路面，该种路面结构具有无缝施工、高强度、高耐久性、抗渗性好等优点。相对于常见的沥青路面和水泥路面而言，灌注式半柔性路面材料是兼具沥青路面与水泥路面“刚”“柔”特点的复合材料。因为其独有的制备方式与材料组成，使得该种路面既具备沥青路面减震吸声、行车舒适等优点；同时又拥有水泥路面承载力强、高抗车辙性等优点，其高温稳定性、水稳定性、抗疲劳性等路用性能，且均优于一般的沥青路面，也具备耐油、耐酸、耐热、耐水、抗滑和易着色等优良特性。然而，灌注式半柔性路面存在的劣势和问题也很明显，这也进一步限制了其发展，这些问题主要包括：第一、因为其特殊的材料组成，灌注式半柔性路面有较差的低温抗裂性能，当季节温差较大、最低气温较低时便容易产生裂缝，降低了其使用寿命，尤其是在东北三省等极为寒冷的冬天，更易产生裂缝问题。第二，其分步成型的步骤较为繁琐且能耗及污染大，需要先进行大空隙沥青混合料的拌和、摊铺后，并在现场制备水泥浆进行灌注，该种复杂的成型工艺不仅需要多种机械协同作业，而大空隙沥青混合料在拌和、摊铺时需要高温加热，具有较大能耗并产生有毒废气等，施工对环境温度由较高要求，还会消耗大量的人力、财力，并对环境造成较大污染，使得灌注式半柔性路面并未得到广泛使用。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、针对上述问题，为解决传统的灌注式半柔性路面低温抗裂性能差、成型工艺繁琐等问题，本发明提供一种常温混合沥青砂浆和由常温混合沥青砂浆与粗细集料或rap制成的一体式半柔性路面材料，所述一体式半柔性路面材料既保留了传统灌注式半柔性路面的优点，又解决了传统灌注式半柔性路面低温抗裂性能不足，成型工艺较为繁琐、能耗及污染大等技术问题。

3、(二)技术方案

4、本发明的技术方案如下：

5、第一方面，本发明提供一种常温混合沥青砂浆，其包括：混合沥青和水泥砂浆；所述混合沥青和水泥砂浆为分别制备完成后，再进行混合拌匀制得常温混合沥青砂浆；

6、所述混合沥青是由反应型常温沥青与乳化沥青混合得到的反应型常温-乳化沥青，混合沥青中含有消泡剂；

7、所述水泥砂浆包含硅酸盐水泥、水、硅灰和外加剂；

8、所述反应型常温沥青为向呈流动态的基质沥青中添加反应型液化剂和改性剂水性环氧树脂乳液并剪切混合制得；其中，反应型液化剂是以不饱和脂肪酸为液化剂基体材料，再加入两性离子表面活性剂和苯酚多聚物搅拌混合制得。

9、根据本发明的较佳实施例中，所述反应型常温-乳化沥青中，所述乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯沥青的质量比为4:1-1:4。

10、将乳化沥青与反应型常温沥青中纯沥青质量比定义为乳常比，当乳常比为4:1、3:1、2:1、1:1、1:2、1:3、1:4时混合沥青的软化点由48.5℃降至31.5℃；软化点不断下降，这与混合沥青中反应型常温沥青占比不断升高有关，同时反应型常温沥青占比的增高也导致混合沥青的针入度指标不断增大。在5℃环境下测试混合沥青的低温性能，试验结果显示在5℃下混合沥青的延度由10cm先增加至80cm后降低至45cm，整体呈现先增加后减小的趋势，并在乳常比1:1时达到峰值，在乳常比为1:3、1:4时趋于平稳。综合分析，在乳常比为1:2、1:1和2:1时综合性能较为优异。

11、根据本发明的较佳实施例中，若定义沥灰比为反应型常温沥青和乳化沥青中纯基质沥青质量的总和，与水泥加硅灰总质量之和的比值为沥灰比，所述沥灰比为0.10-0.25，优选为0.1、0.15、0.20或0.25。实验表明，随着沥灰比的增加沥青薄膜增多，对水泥水化的阻滞作用明显增强，制约水泥的早期水化，并影响最终水化产物的产生，过大的沥青含量会影响沥青砂浆强度的发展。因此沥灰比不能过高，尤其不能超过0.25。

12、根据本发明的较佳实施例中，所述水泥砂浆的水灰比为0.25-0.35。水灰比与沥灰比有关。随着沥灰比的增加，即沥青含量的增加致使砂浆发挥出最佳性能的水灰比也随着增大，在沥灰比为0.20时水灰比为0.30时可以发挥出反应型常温-乳化沥青砂浆的最佳性能。这主要是因为沥青含量的增加，使得砂浆中的沥青薄膜增加阻止水与水泥进行充分地接触，沥青薄膜的增加也会导致水泥中的水无法释放进而导致用水量的增加。

13、根据本发明的较佳实施例中，若定义所述水泥砂浆中，硅灰比为硅灰质量与水泥加硅灰总质量之和的比值，则硅灰比为0.01-0.10；优选为0.03-0.09。所述硅灰比与沥灰比、水灰比均具有内在联系。随着沥灰比增加，沥青薄膜增加阻止水与水泥进行充分地接触，需要更多水才可使水泥发生水化，因此水量增加，同时沥灰比的增加使得砂浆中的反应型常温沥青含量增加，反应型常温沥青含量的增加使其需要更多水泥砂浆来实现固化。水灰比的增加使得硅灰可以进一步发挥其在砂浆中的“滚珠”作用，在一定程度上增加了砂浆的流动性，并对砂浆的抗折性能有了较好的改善。硅灰的加入会提升浆体的抗压强度，但掺量不宜过高，对应的抗折强度随着硅灰含量的增加会有一定程度的提升，但均是提高到一定水平之后性能保持稳定不再增加。

14、根据本发明的较佳实施例中，水泥砂浆中还添加有细砂，细砂与硅灰质量与水泥加硅灰总质量之和的比值≤0.1,优选为0.1，最小可为0。

15、根据本发明的较佳实施例，当沥灰比为0.10时；

16、水灰比为0.25，硅灰比为0.03，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为1:2，此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为26.1，7d抗压强度(/mpa)为21.2，7d抗折强度(/mpa)为13.1，压折比为1.618；

17、或者，水灰比为0.25，硅灰比为0.09，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为2:1，此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为27.8，7d抗压强度(/mpa)为24.8，7d抗折强度(/mpa)为14.4，压折比为1.722；

18、或者，水灰比为0.30，硅灰比为0.06，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为2:1，此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为26.5，7d抗压强度(/mpa)为20.8，7d抗折强度(/mpa)为13.6，压折比为1.529；

19、或者，水灰比为0.25，硅灰比为0.06，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为1:1，此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为26.7，7d抗压强度(/mpa)为22.8，7d抗折强度(/mpa)为13.7，压折比为1.664。

20、根据本发明的较佳实施例，当沥灰比为0.15时；

21、水灰比为0.25，硅灰比为0.06，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为1:1，此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为27.2，7d抗压强度(/mpa)为18.7，7d抗折强度(/mpa)为12.1，压折比为1.545；

22、或者，水灰比为0.25，硅灰比为0.09，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为2:1；此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为28.1，7d抗压强度(/mpa)为19.2，7d抗折强度(/mpa)为11.8，压折比为1.627。

23、根据本发明的较佳实施例，当沥灰比为0.20时；

24、水灰比为0.30，硅灰比为0.03，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为1:1；此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为27.1，7d抗压强度(/mpa)为17.8，7d抗折强度(/mpa)为10.8，压折比为1.648；

25、或者，水灰比为0.30，硅灰比为0.06，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为2:1；此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为26.3，7d抗压强度(/mpa)为18.4，7d抗折强度(/mpa)为11.5，压折比为1.600；

26、或者，水灰比为0.30，硅灰比为0.09，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为1:2；此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为28.5，7d抗压强度(/mpa)为16.5，7d抗折强度(/mpa)为10.3，压折比为1.602。

27、根据本发明的较佳实施例，当沥灰比为0.25时；

28、水灰比为0.30，硅灰比为0.09，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为1:2，此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为29.1，7d抗压强度(/mpa)为17.3，7d抗折强度(/mpa)为9.2，压折比为1.880；

29、或者，水灰比为0.30，硅灰比为0.03，乳化沥青中纯基质沥青和反应型常温沥青中纯基质沥青的质量比为1:1，此时常温混合沥青砂浆的流动度(/s)为29.5，7d抗压强度(/mpa)为16.3，7d抗折强度(/mpa)为8.2，压折比为1.988。

30、在本发明的常温混合沥青砂浆中，反应型常温-沥青的加入可显著提高砂浆的抗折性能，在沥灰比为0.10、0.15时沥青砂浆的整体力学强度随着水灰比的增加下降趋势较为明显，在水灰比为0.25时整体目标性能较为优异。与不含混合沥青的纯水泥砂浆试件进行测试比较，本发明的常温混合沥青砂浆显著提升了砂浆材料的受压破坏韧性。

31、根据本发明的较佳实施例中，所述乳化沥青为阳离子乳化沥青或阴离子乳化沥青，优选为阴离子乳化沥青。反应型稀释剂主要成分为酸性物质，这也导致改性后的反应型常温沥青呈酸性，这一特征使其与阳离子乳化沥青拌合过程中破乳速度较快，混合效果受到一定影响。而乳化沥青为阴离子乳化沥青时，反应型常温沥青与阴离子乳化沥青不仅混合效果更好，且在后续制备反应型常温-乳化沥青砂浆的过程中发现不仅可以有效地释放絮凝的水泥颗粒，降低水灰比；还可以在一定程度上增强沥青砂浆的力学性能。

32、根据本发明的较佳实施例中，所述外加剂包含消泡剂、膨胀剂和减水剂；消泡剂掺量为硅灰加水泥总质量的百分比0.4-1％(优选为0.5％)，膨胀剂为硅灰加水泥总质量的百分比0.4-1％(优选为0.5％)，减水剂掺量为硅灰加水泥总质量的百分比1-2％。

33、其中，当所述减水剂为萘系减水剂或聚羧酸减水剂，萘系减水剂的最佳掺量为硅灰加水泥总质量2％，聚羧酸减水剂的最佳掺量为硅灰加水泥总质量1％。

34、根据本发明的较佳实施例中，所述反应型常温沥青为在50-60质量份的经高温加热后呈流动态的基质沥青中添加20-30质量份反应型液化剂和10-20质量份水性环氧树脂乳液改性剂，经剪切搅拌混合制得；所述反应型液化剂是以不饱和脂肪酸为液化剂基体材料，加入烷基二甲基甜菜碱和苯酚多聚物搅拌混合制得；其中，不饱和脂肪酸：烷基二甲基甜菜碱：苯酚多聚物质量比为15-25:5-10:1-5；所述不饱和脂肪酸为肉豆蔻油酸、反式油酸、油酸、亚油酸、芥酸、棕榈油酸、蓖麻油酸中的至少一种；所述烷基二甲基甜菜碱为c10-20烷基二甲基甜菜碱；所述苯酚多聚物三-(二甲胺甲基)苯酚多聚物。反应型常温沥青相关技术为发明人团队在先研发并已申请专利保护的技术。

35、根据本发明的较佳实施例，所述反应型常温液体沥青中还加入了10-20重量份的偶联剂，所述偶联剂为硅烷偶联剂，优选为c10-20烷基三乙氧基硅烷。

36、根据本发明的较佳实施例，所述反应型常温液体沥青中的基质沥青为70#沥青作为基质沥青。

37、第二方面,本发明提供上述常温混合沥青砂浆的制备方法，其包括：

38、s1、将反应型常温沥青与乳化沥青采用剪切混合方式(如剪切仪)混合，并在剪切开始前加入质量比为0.4-0.6％(优选为0.5％)的消泡剂，剪切转速为1200-1800rpm(优选为1500rpm)，在室温下剪切搅拌5-20min，制得反应型常温-乳化沥青；

39、将硅酸盐水泥、水、硅灰和外加剂拌和均匀制得水泥砂浆，其中外加剂包含消泡剂、膨胀剂和减水剂；

40、s2、将反应型常温-乳化沥青与水泥砂浆混合后，在常温下，在经过充分的拌合后，制得沥青砂浆浆体。

41、其中，在制得反应型常温-乳化沥青之前，避免反应型常温沥青与水泥粉末颗粒直接接触，以此避免反应型常温沥青的提前固化，影响后续沥青砂浆的力学强度。在制备反应型常温-乳化沥青过程中，消泡剂起到重要作用，其目的是消除泡沫以便得到致密和均匀的混合沥青，剪切搅拌时间尽量不超过20min。

42、第三方面,本发明提供一种一体式半柔性路面材料，其是由上述实施例所述的常温混合沥青砂浆和大空隙基体混合料级配经过一体混合拌制而成。与传统灌注式半柔性路面材料显著不同的是，该一体混合拌制工艺不需要分步骤进行，且拌制温度为常温(稍低温)或不超过60℃，因此不需要加热搅拌，能耗低，施工污染小，对施工环境温度要求低，路面材料抗低温性能优异。

43、其中，所述大空隙基体混合料级配的空隙率为20-28％，由石灰岩集料和预处理的rap所组成，其中所述预处理是采用反应型常温－乳化沥青胶浆进行粘附性改善处理。

44、对rap进行筛分处理，根据其粒径分布规律确定rap掺入方式，直接替代部分同级配的石灰岩集料即可，并在使用之前采用反应型常温-乳化沥青胶浆对rap进行表面预处理。例如，若石灰岩集料级配为ac-13，则rap为从原级配为ac-13的沥青路面产生rap铣刨后筛分得到。

45、优选地，若选择的石灰岩集料级配为ac-13，rap为从原级配为ac-13的沥青路面产生rap铣刨后筛分得到。

46、实验证明，当所述大空隙基体混合料级配的空隙率为25％时，本发明的一体式半柔性路面材料整体砂浆平均填充率高达98.95％。这说明，本发明通过将常温混合沥青砂浆和大空隙基体混合料级配直接拌合，比传统灌注式半柔性路面材料浆体填充率高，证实了本发明一体式半柔性路面材料工艺的可行性。

47、根据本发明的较佳实施例，大空隙基体混合料级配中，rap掺量范围为30％-50％。

48、根据本发明的较佳实施例，rap掺量为30％时，纯沥青(来自反应型常温沥青和乳化沥青中纯沥青总和)用量为3.30-3.43％，优选为3.37％；rap掺量为40％时，纯沥青用量为3.30-3.37％，优选为3.34％；rap掺量为50％时，纯沥青用量为3.27-3.34％，优选为3.31％。

49、试验结果表明：一体式半柔性路面材料不仅保留了spf优异的高温性能，动稳定度均大于9000次/mm，同时又提升了低温抗裂性能，沥灰比为0.20、rap掺量为30％的一体式半柔性路面材料能够用于冬季寒冷与冬冷(温)区；一体式半柔性路面材料的水稳定性以及抗滑性能均表现良好。

50、(三)有益效果

51、(1)本发明的常温混合沥青砂浆，由混合沥青和水泥砂浆混合拌匀制得，混合沥青为反应型常温沥青与乳化沥青混合制得，相比乳化沥青，混合沥青具有更优的低温性能。对比不同沥灰比下反应型常温-乳化沥青砂浆的7d抗压强度、抗折强度和压折比可发现：反应型常温-沥青的加入可显著提高砂浆的抗折性能，在沥灰比为0.10、0.15时沥青砂浆的整体力学强度随着水灰比的增加下降趋势较为明显，在水灰比为0.25时整体目标性能较为优异，显著提升纯砂浆材料的受压破坏韧性。

52、(2)在常温混合沥青砂浆制作过程中，水泥砂浆的加入可以在一定程度上弥补反应型常温-乳化沥青高温性能不足的劣势；利用反应型常温-乳化沥青在低环境温度下优异的抵抗开裂的能力，弥补沥青砂浆浆体在低温环境下抵抗开裂能力较差的劣势，以此可以达到性能互补的效果。其中硅灰的加入可在砂浆中发挥“滚珠”作用，增加了砂浆流动性，并对砂浆的抗折性能有了较好的改善。硅灰的加入还能提升浆体的抗压强度。

53、(3)基于上述常温混合沥青砂浆，通过加入粗细集料拌后可制得一体式半柔性路面材料，水泥水化产物与反应型常温沥青、乳化沥青生成的沥青薄膜相互交织，形成水泥颗粒、沥青薄膜、水泥水化产物相互连接的较为致密网络结构，提高了粘附性。与传统灌注式半柔性路面材料相比，省去了水泥灌浆以及基体混合料加热的步骤，其施工过程中可全程采用冷拌(常温或低温拌和)工艺，既保留了传统灌注式半柔性路面的优点，同时还改善了半柔性路面低温抗裂能力不足的缺陷；改变了高能耗、高污染的传统热拌工艺，全程无需加热，加快了施工的进程。所述粗细集料部分来自rap，既处理了废旧沥青混合料的堆积，同时又可以回收再利用，实现资源充分利用，保护环境并降低路面材料成本。