CN100532725C - 大跨度桥梁铺装材料 - Google Patents

Abstract

一种大跨度桥梁铺装材料，包括以下各组份，30～90%硫铝酸盐或/和硅酸盐水泥、0.1～40%聚合物树脂乳液或可再水分散聚合物胶粉、6～60%细砂、3～30%碎石、0.1～15%无机改性剂和0.5～6%增强纤维。本铺装材料不仅适合大跨度钢箱桥面的薄层铺装，也适合非钢箱桥面的薄层铺装，同时适合高等级公路、高速公路破损路面的修补。厚5cm试块空气养护28天后，抗压强度≥40MPa，抗折强度≥6MPa，压剪强度≥4MPa，粘结强度≥3.5MPa，干燥收缩率≤0.1%，耐磨性(失重)≤0.7%。

Description

大跨度桥梁铺装材料

一、技术领域

本发明涉及一种道路建设面层材料，特别是涉及桥梁铺装桥面用的复合材料，确切地说是一种大跨度桥梁铺装材料。

二、背景技术

大跨度桥梁是指跨越大江、大河和大海的桥梁、城市高架桥等。桥面多由许多中空结构的钢箱组成，俗称钢箱梁，具有此结构的桥梁有时简称钢箱桥。由于跨度大，桥面自身上下振幅也大，比如，负载时，桥面中央区域设计允许振幅达1米之多(即允许桥面下沉1米)；钢材热容性差，其表面温度随环境温度的不同而变化，且中空结构不通风，在夏季，桥面温度比普通钢架桥桥面温度高出10℃还多。所有这些意味着对大跨度钢箱桥桥面的铺装材料有特定的要求，首先为避免加大自重而过载，要求铺装面层厚度小于8cm，同时在满足强度、密封性等前提下还要求有一定的柔软性，高温、低温时的稳定性、抗裂性、抗疲劳性，能与钢材热胀冷缩同步而不断裂。

钢桥面铺装材料开始使用浇注式沥青混凝土，后来使用沥青玛蹄脂(SMA)，目前国内最新推广的是环氧沥青混凝土，先在涂有防锈层的钢板上涂一薄层粘结层(环氧沥青)，其上铺装环氧沥青混合料(下层)，再涂一薄层粘结层(环氧沥青)，最后铺装上层(环氧沥青混合料)。需现场配制、多种机械设备，施工复杂。此外，沥青本身固有的缺陷依然存在，即易氧化降解、耐水性、抗滑性和耐久性差，高温抗车辙性能与低温抗裂性能也差。

我国自改革开放后便进入了大跨度桥梁高速发展时期。在已建成的一大批大跨度钢箱桥中，随着使用年限的增加，桥面损坏颇多，有的已进行了翻修，有的正在翻修，有的即将翻修。因此，桥面铺装材料已成了大跨度钢箱桥建设的关键技术之一，倍受国际工程界和学术界的高度重视，也是一项世界性的工程技术难题。当前研制开发适合我国国情的大跨度钢箱桥桥面铺装材料，对已建的或正在建设的或即将建设的大跨度钢箱桥来说是一件迫在眉睫的事情。

三、发明内容

本发明为一复合材料，旨在用于大跨度钢筋桥桥面的铺装。本复合材料含有以下组份及其重量百分比：

硫铝酸盐或/和硅酸盐水硬性材料           30～90％

聚合物树脂乳液或可再分散粉状树脂        0.1～40％

细砂                                    6～60％

碎石                                    3～30％

无机改性剂                              0.1～15％

增强纤维                                0.5～6％

各组份优选的重量百分比依次为45～80％、3～30％、10～50％、5～20％、0.5～10％和1～5％。

水硬性材料即水硬性胶凝材料，俗称水泥。本发明使用硫铝酸盐水泥或硅酸盐水泥。硫铝酸盐水泥属早强型水泥，即能够快速凝结硬化，此外在常规技术中，当砼制品需要补偿收缩或者需要严格控制其收缩量时，添加适量硫铝酸盐水泥是解决这一问题的技术手段之一。因为硫铝酸盐可以与硫酸钙发生反应，生成可膨胀的钙矾石矿物相。本发明通过复合使其早强和补偿收缩的作用得以充分发挥。本发明中两者可各自单独使用，而最好是将两者复配使用，复配时硅酸盐水泥优选早强型硅酸盐水泥(亦称硅酸盐快硬水泥)。

可再水分散聚合物胶粉亦称可再分散粉状树脂，是由聚合物树脂乳液经喷雾干燥制备得到的粉状树脂，这样的粉状树脂当加入水以后可以复原、再次分散形成树脂乳液的称可再分散粉状树脂。本申请中聚合物树脂乳液选自丙烯酸酯乳液(纯丙乳液)、苯乙烯—丙烯酸酯乳液(苯丙乳液)、苯乙烯—丁二烯(聚合物)乳液(丁苯乳液)、羧基丁苯乳液、环氧乳液等，可再分散粉状树脂选自上述乳液经喷雾干燥得到纯丙胶粉、苯丙胶粉、丁苯胶粉、羧基丁苯胶粉、环氧胶粉等胶粉。丙烯酸酯包括丙烯酸或甲基丙烯酸的甲酯、乙酯、丁酯、辛酯等。上述乳液或胶粉可以单独使用，也可以两种以上混合使用。优选纯丙乳液或/和苯丙乳液或/和羧基丁苯乳液，或者纯丙胶粉或/和苯丙胶粉或/和羧基丁苯胶粉。若使用胶粉，可直接与其他组份一起混合均匀；若使用乳液，则应单独分装，与混合均匀的其他组份一起构成双组份产品，乳液于施工现场配制时再加入。

细砂和碎石起骨料作用，即通常使用的级配的建筑材料，细砂包括江沙、河沙、海沙和山砂等。

无机改性剂选自活性二氧化硅或/和粉煤灰或/和火山灰或/和土聚物。优选活性二氧化硅或/和土聚物。

增强纤维在混凝土中常用有钢(不锈钢)纤维、天然纤维、有机聚合物纤维、碳纤维、玻璃纤维等，本申请中首选聚合物纤维或/和碳纤维或/和玻璃纤维，优选耐碱或抗碱玻璃纤维或/和聚丙烯纤维。

在本铺装材料中有选择地添加以下组份中的一种或两种以上组份，以改善相关的特定性能：

消泡剂             0.1～4％

润湿剂             0.1～4％

凝固调节剂         0.1～3％

塑化流变剂         0.01～2％。

消泡剂包括辛醇、戊醇、磷酸三丁酯、聚乙二醇脂肪酸酯等。

润湿剂包括聚丙烯酸钠盐、C₈～C₂₀烷基酚聚氧乙烯醚等。

凝固调节剂包括硼酸钠、硼酸、柠檬酸、碳酸锂等。

塑化流变剂包括萘系磺酸盐、聚多羧酸盐、磺化三聚氰胺甲醛树脂等。

本铺装材料制备简单，将一定比例量的各组份混合搅拌均匀即得干拌料，密封包装。对双组份产品，液体组份在施工现场配制时添加。本铺装材料施工方便，将干拌料加水搅拌得到浆料，使用公知的浇注机或摊铺机即可对桥面进行铺装，或者对高等级公路或高速公路路面进行修补。

复合化是材料科学发展应用的主要途径之一，通过合理调整掺量比例等参数形成良好的微配级，可以最大化发挥各组份之间的复合效应，如微集料效应、形态效应、界面效应、火山灰效应、滚珠润滑效应等使之交互叠加，这样总的复合效应实现1+2≥3的协同增强效果，提高整体综合性能以适应工况之要求。

复合材料的技术性能指标，与其内部微观结构以及密度和均匀度等密切相关。

聚合物的改性作用是多方面的，主要有交联和增密作用。交联作用一方面激发和调节无机水硬性材料的水合反应，聚合物成膜自交联反应，另一方面聚合物分子与水泥等无机矿物水化产物之间产生化学键合，这就是羧基与水泥水化产生的钙离子之间的离子键合，聚合物分子链通过钙离产生交联、形成网络，使界面结合强度提高，形成以晶须组成膨胀的硫铝酸钙或硅酸钙的晶体和胶体，构成了三维空间网络结构，增强整体复合材料的力学性能，使混合物具有表面触变性，改善柔韧性，搅拌稳定性，延长开放时间，促进混合物早凝固、高强度、补偿体积收缩、增加新老界面粘结力；提高原材料表面的抗磨损，减缓混凝土的碳化速度，保证铺装道面的耐久性和使用年限。

交联作用还在于：含羧酸酯聚合物与水泥以及砂石骨料表面的二氧化硅产生吸附作用，增加整个材料体系中的各种颗粒之间的交联。因此，二价及三价离子可在有机聚合物链之间形成特有的桥联键，从而增强材料的总体强度。

增密作用缘自“滚珠润滑效应”，减小了组分物料颗粒之间的摩擦力，改变材料体系中分散介质的电极性，减少颗粒的团聚或絮凝结构，增加整体材料的密实度。

本申请所选用的水硬性材料与波特兰水泥不同，在水化过程中只会释放出较少量的游离氧化钙。对于要求为低孔隙率的混凝土来说，这个性质能够为产品设计者提供优秀的抵抗化学侵蚀的能力，并且是能够消除或减少风化的主要原因。游离氧化钙还有两种特有的作用，在作用过程中其含量被进一步降低，从而减少可能发生的碱骨料反应和对增强纤维的碱腐蚀，有利于提高产品的耐抗性和综合性能。这两种特有的作用一是使聚合物组份中酯基的水解生成羧基，而羧基的作用如前所述；二是与本发明产品中的其他碱性物质一起，作为复合碱激发剂，使土聚物(铝硅氧化合物)产生聚合反应，最终形成网络状的无机聚合物，以离子键和共价键为主，范德瓦尔斯键为辅，而传统水泥则是以范德瓦斯键和氢键为主，因此本产品的性能优于传统的水泥材料。

无机改性活性二氧化硅可在水泥熟料矿物C₃S(硅酸三钙)和C₃A(铝酸三钙)水化物的表面吸附，形成络合物，加速了水化反应，并且与水泥水化产物Ca(OH)₂产生反应：XCa(OH)₂+SiO₂+(n-1)H₂O＝＝XCaO.SiO_2·H₂O该反应在吸收H₂O的同时，也消耗了水泥水化反应产物Ca(OH)₂，这样可以进一步促进矿物的水化反应。无定形活性二氧化硅平均粒径在0.15～0.20μm，比表面积为15000～20000m³/kg，具有极强的表面活性，以改善本项发明产品的综合性能，提高耐磨、耐冲刷、耐腐蚀、抗渗透、抗冻、早强性能，改善产品的强度和耐久性，它能够为用户和设计者提供极高的产品稳定性。

增强纤维可以提高铺装面整体柔韧性、抗裂性、抗冲击性、抗冻融性和抗疲劳性。本铺装材料不仅适合大跨度钢箱桥面的薄层铺装、也适合非钢箱桥面的薄层铺装，同时适合高等级公路、高速公路破损路面的修补。

本铺装材料厚5cm试块空气养护28天后测试，抗压强度≥40MPa，抗折强度≥6MPa，压剪强度≥4MPa，粘结强度(与钢表面)≥3.5MPa，干燥收缩率≤0.1％、耐磨性(失重)≤0.7％。

四、具体实施方式

现以胶粉并加工100重量份本铺装材料为例，非限定实施例叙述如下。

1、取硫铝酸盐水泥(下称水泥I)90份，纯丙胶粉0.4份，细砂6份，碎石3份，活性二氧化硅(下称SiO₂)0.1份，碳纤维0.5份，充分搅拌混合均匀。

2、取硅酸盐水泥(下称水泥II)30份，苯丙胶粉40份，细砂10份，碎石10份，土聚物4份，聚合物纤维6份，充分搅拌混合均匀。

3、取水泥I 80份，丁苯胶粉3份，细砂10份，碎石5份，粉煤灰1份，耐碱玻纤1份，充分搅拌混合均匀。

4、取硅酸盐快硬水泥(下称水泥III)45份，羧基丁苯胶粉30份，细砂10份，碎石5份，火山灰5份，聚合物纤维5份，充分搅拌混合均匀。

5、取水泥I 50份，水泥II35份，环氧胶粉1份，细砂8份，碎石3份，SiO₂ 2份，碳纤维1份充分搅拌混合均匀。

6、取水泥I 20份，水泥II 30份，纯丙胶粉20份，细砂15份，碎石5份，SiO₂ 8份，抗碱玻纤2份，充分搅拌混合均匀。

7、取水泥I 40份，水泥III32份，苯丙胶粉5份，细砂11份，碎石5份，土聚物6份，聚合物纤维1份，充分搅拌混合均匀。

8、取水泥I 45份，水泥II 10份，纯丙胶粉5份，苯丙胶份10份，细砂10份，碎石5份，SiO₂ 5份，土聚物5份，耐碱玻纤3份，聚丙烯纤维2份，充分搅拌混合均匀。

9、取水泥I 30份，水泥III30份，苯丙胶粉5份，丁苯胶粉8份，细砂10份，碎石5份，火山灰2份，SiO₂ 3份，土聚物3份，抗碱玻纤2份，聚丙烯纤维2份，充分搅拌混合均匀。

10、取水泥I 20份，水泥III45份，丁苯胶粉5份，羧基丁苯胶粉10份，细砂12份，碎石6份，SiO₂ 0.6份，土聚物0.4份，耐碱玻纤份0.5份，聚丙烯纤维0.5份，充分搅拌混合均匀。

11、取水泥I 10份，水泥II 25份，丁苯胶粉25份，环氧胶粉15份，细砂8份，碎石7份，粉煤灰1份，SiO₂ 4份，抗碱玻纤3份，戊醇1份，聚丙烯酸钠盐1份，充分搅拌混合均匀。

12、取水泥I 30份，水泥III12份，羧基丁苯胶粉15份，环氧胶粉8份，细砂20份，碎石5份，火山灰3份，SiO₂ 1份，土聚物1份，聚丙烯纤维4份，硼酸钠0.5份，萘系磺酸盐0.5份，充分搅拌混合均匀。

13、取水泥I 30份，水泥II 23份，丁苯胶粉10份，羧基丁苯胶粉5份，环氧胶粉5份，细砂12份，碎石7份，土聚物3份，火山灰3份，抗碱玻纤1份，磷酸三丁酯0.1份，碳酸锂0.9份，充分搅拌混合均匀。

14、取水泥I 13份，水泥III55份，取纯丙胶粉2份，丁苯胶粉1份，羧基丁苯胶粉3份，细砂12份，碎石7份，土聚物1.5份，粉煤灰1.5份，聚丙烯纤维2份，烷基酚聚氧乙烯醚1份，磺化三聚氰胺甲醛树脂1份，充分搅拌混合均匀。

15、取水泥I 60份，水泥II 12份，苯丙胶粉5份，丁苯胶粉5份，细砂10份，碎石5份，SiO₂ 1份，土聚物1份，抗碱玻纤0.5份，聚乙二醇脂肪酸酯0.1份，聚多羧酸盐0.4份，充分搅拌混合均匀。

Claims (6)

1、一种大跨度桥梁铺装材料，其特征在于：含有以下组份及其重量百分比：

硫铝酸盐或/和硅酸盐水硬性材料               30～90％

聚合物树脂乳液或可再分散粉状树脂            0.1～40％

细砂                                        6～60％

碎石                                        3～30％

无机改性剂                                  0.1～15％

增强纤维                                    0.5～6％；

所述的聚合物树脂乳液选自纯丙乳液、苯丙乳液、丁苯乳液、羧基丁苯乳液、环氧乳液中一种或两种以上混合乳液，所述的可再分散粉状树脂选自纯丙胶粉、苯丙胶粉、丁苯胶粉、羧基丁苯胶粉、环氧胶粉中的一种或两种以上混合胶粉；

所述的无机改性剂选自活性二氧化硅或/和粉煤灰或/和火山灰或/和土聚物；

所述的增强纤维选自聚合物纤维或/和碳纤维或/和玻璃纤维。

2、根据权利要求1所述的铺装材料，其特征在于：各组份优选以下重量百分比：

硫铝酸盐或/和硅酸盐水硬性材料              45～80％

聚合物树脂乳液或可再分散粉状树脂           3～30％

细砂                                       10～50％

碎石                                       5～20％

无机改性剂                                 0.5～10％

增强纤维                                   1～5％。

3、根据权利要求1或2所述的铺装材料，其特征在于：所述的水硬性材料是硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥的混合水硬性材料；所述的增强纤维是耐碱或抗碱玻璃纤维或/和聚丙烯纤维。

4、根据权利要求3所述的铺装材料，其特征在于：所述的水硬性材料是硫铝酸盐水泥和硅酸盐快硬水泥的混合水硬性材料。

5、根据权利要求1或2所述的铺装材料，其特征在于：在铺装材料中有选择地添加以下组份中的一种或两种以上组份：

消泡剂                 0.1～4％

润湿剂                 0.1～4％

凝固调节剂             0.1～3％

塑化流变剂             0.01～2％

6、根据权利要求5所述的铺装材料，其特征在于：所述的消泡剂包括辛醇、戊醇、磷酸三丁酯、聚乙二醇脂肪酸酯；所述的润湿剂包括聚丙烯酸钠盐、C8～C20烷基酚聚氧乙烯醚；所述的凝固调节剂包括硼酸钠、硼酸、柠檬酸、碳酸锂；所述的塑化流变剂包括萘系磺酸盐、聚多羧酸盐、磺化三聚氰胺甲醛树脂。