CN111925158B - 持强增韧型半刚性基层路面材料及其制备方法 - Google Patents

持强增韧型半刚性基层路面材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种持强增韧型半刚性基层路面材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：步骤S1，称取各档物料和橡胶颗粒，步骤S2，使用NaOH溶液浸泡橡胶颗粒，步骤S3，将各档集料置于烘箱中烘干至恒重，步骤S4，量取水泥和水，步骤S5，将各档集料、水泥、橡胶颗粒和水振动拌合获得基层路面材料；本发明制备过程简单，制备的基层路面材料中各组分分布较为均匀，物料与砂浆的结合强度较高，基层路面材料的变形能力提高，路面的耐久性和疲劳性能提高。

Description

持强增韧型半刚性基层路面材料及其制备方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，特别是涉及一种持强增韧型半刚性基层路面材料及其制备方法。
背景技术
我国高速公路建设从上世纪80年代末从零发展至今，里程数已超过美国，跃升至世界之首，我国高速公路路面结构的主要形式为半刚性基层的沥青路面，半刚性基层材料具有强度高、刚度大、整体性能优良、水稳性和抗冻性较好等优点，是我国高等级公路的首选基层材料，但是半刚性基层材料存在韧性不足、抗变形能力差的问题，容易产生疲劳开裂，引发一系列的路面病害，严重影响了路面的使用性能，缩短了路面的使用寿命。
为了有效发挥半刚性基层整体性强、承载力高、刚度大、水稳定性较好以及较经济等优点，又能有效地约束其容易开裂的缺点，现有技术采用了如掺膨胀剂、加铺土工布或土工格栅、掺聚丙烯纤维和加铺碎石级配等措施，这些方法对减少半刚性基层材料开裂起到一定的作用，但也存在一定的局限性。
橡胶颗粒来源广泛且环保，具有高粘弹性、变形能力强、耐久性较好的优点，而且橡胶颗粒是由废旧轮胎加工而成，属于废弃物再利用，符合发展循环经济的政策。
发明内容
本发明的目的在于提供一种持强增韧型半刚性基层路面材料，以解决普通半刚性基层材料韧性不足、抗变形能力差的问题，使基层路面的耐久性和疲劳性提高，不易开裂、变形，路面使用性能提高、使用寿命延长。
本发明的目的还在于提供一种持强增韧型半刚性基层路面材料的制备方法，该方法制备过程简单，制备的基层路面材料中各组分分布均匀、无分层现象，物料与砂浆的结合强度较高，基层路面材料的变形能力较好。
本发明所采用的技术方案是，持强增韧型半刚性基层路面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，根据水泥稳定碎石级配计算各档集料的质量，将2.36mm～4.75mm档集料的质量数据转换成体积数据，使用橡胶颗粒替换2.36mm～4.75mm档集料，橡胶颗粒的体积为2.36mm～4.75mm档集料体积之和的38％，并将橡胶颗粒的体积数据转换为质量数据，称取各档集料和橡胶颗粒；
步骤S2，使用3％的NaOH溶液浸泡橡胶颗粒24h，每隔3～4h搅拌一次，浸泡完成后使用清水冲洗直至冲洗液为中性溶液；
步骤S3，将各档集料洗净后置于105℃±5℃的烘箱中烘干至恒重；
步骤S4，根据橡胶水泥稳定碎石的最佳含水率和水泥用量确定水泥和水的量，并称取水泥和水，所述最佳含水率为5.7％，水泥用量为集料总质量的4.5％；
步骤S5，将各档集料、水泥和橡胶颗粒振动拌和20s后，加水拌和90s获得持强增韧型半刚性基层路面材料，拌和过程中的拌和速度为50次/s。
进一步的，所述基层路面材料的水泥稳定碎石级配为：直径为26.5mm的筛孔通过率为100％，直径为19mm的筛孔通过率为92.5％，直径为16mm的筛孔通过率为85.5％，直径为13.2mm的筛孔通过率为77％，直径为9.5mm的筛孔通过率为62.7％，直径为4.75mm的筛孔通过率为34.4％，直径为2.36mm的筛孔通过率为21.2％，直径为1.18mm的筛孔通过率为17％，直径为0.6mm的筛孔通过率为11.5％，直径为0.3mm的筛孔通过率为8.2％，直径为0.15mm的筛孔通过率为5.1％，直径为0.075mm的筛孔通过率为3.6％。
进一步的，2.36mm～4.75mm档集料的表观密度为2.659g/cm3，橡胶颗粒的表观密度为1.06g/cm3。
本发明所采用的技术方案是，采用所述持强增韧型半刚性基层路面材料的制备方法获得的基层路面材料。
本发明的有益效果是：本发明通过在基层路面材料中混合少量橡胶颗粒，利用橡胶颗粒的弹性使基层路面的韧性和抗变形能力提高，用于路面铺设时能有效防止路面开裂和变形，提高了路面的使用性能，延长了使用寿命；本发明制备基层路面材料时使用NaOH溶液深度清洁橡胶颗粒，选择合适的拌和条件将橡胶颗粒、水泥与水拌和，使物料与砂浆的结合强度更高，基层路面材料中各组分分布更加均匀、无分层现象，基层路面材料的变形能力更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的制备流程图。
图2是本发明实施例各材料的7天无侧限抗压强度图。
图3是本发明实施例各材料的劈裂破坏应变图。
图4是本发明实施例各材料的弯拉破坏应变图。
图5是本发明实施例各材料的劈裂模量图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例1
如图1所示，持强增韧型半刚性基层路面材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据基层路面材料的水泥稳定碎石矿料级配计算各档集料的质量，将2.36mm～4.75mm档集料的质量数据转换成体积数据，使用橡胶颗粒替换部分2.36mm～4.75mm档集料，橡胶颗粒的体积为2.36mm～4.75mm档集料总体积的38％，将橡胶颗粒的体积数据转换成质量数据，称取其他各档集料和橡胶颗粒，其中2.36mm～4.75mm档集料的表观密度为2.659g/cm3，橡胶颗粒的表观密度为1.06g/cm3；
步骤S2，使用3％的NaOH溶液浸泡橡胶颗粒24h，每隔3～4h搅拌一次使橡胶颗粒充分浸泡，浸泡完成后使用清水冲洗橡胶颗粒直至冲洗液为中性溶液，使用NaOH溶液浸泡能除去废旧橡胶表面的机油等污渍，提高橡胶颗粒与其他物料的结合强度，使制得的基层路面材料强度、变形能力更好；
步骤S3，将各档集料洗净后置于105℃±5℃的烘箱中烘干至恒重，烘干温度降低会延长烘干时间，降低路面材料的生产效率，烘干温度升高会改变各档集料的化学性能，损坏各档集料的强度等物理性能；
步骤S4，根据橡胶水泥稳定碎石的最佳含水率和水泥用量确定水泥和水量，称取水泥和水，所述最佳含水率为5.7％，水泥用量为集料总质量的4.5％；含水率增大或减少会改变水泥稳定碎石的最大干密度，进而会改变路基材料的压缩性，使其强度降低；水泥用量增大会使水稳材料产生较大的收缩，且水泥成本较高，其用量增加会间接增大基层路面材料的生产成本，水泥用量减小会使水稳材料的强度降低，不能满足基层路面材料的使用强度需求；
步骤S5，由于橡胶颗粒的密度较小，若将其直接与水、其他集料混合橡胶颗粒飘浮在表层不能均匀的分布于混合料中，所以先将集料、水泥和橡胶颗粒振动拌和20s，使橡胶颗粒与集料混合均匀，然后加水拌和90s，拌和速度为50次/s，得到持强增韧型半刚性基层路面材料。
所述水泥稳定碎石矿料级配为：直径为26.5mm的筛孔通过率为100％，直径为19mm的筛孔通过率为92.5％，直径为16mm的筛孔通过率为85.5％，直径为13.2mm的筛孔通过率为77％，直径为9.5mm的筛孔通过率为62.7％，直径为4.75mm的筛孔通过率为34.4％，直径为2.36mm的筛孔通过率为21.2％，直径为1.18mm的筛孔通过率为17％，直径为0.6mm的筛孔通过率为11.5％，直径为0.3mm的筛孔通过率为8.2％，直径为0.15mm的筛孔通过率为5.1％，直径为0.075mm的筛孔通过率为3.6％。
由于橡胶颗粒的强度不足，所以不能替换大直径的粗集料用作骨架结构，只能替换小直径的细集料填充骨架结构的空隙，形成骨架密实型结构，使生成的基层路面材料的干燥收缩减小、变形能力增强。
在拌和过程中橡胶颗粒不会与水泥、水发生化学反应，且橡胶颗粒为憎水性材料，其在一定程度上会阻碍水泥与水的接触，振动拌合使水泥与水迅速发生水化反应，强化了骨料与砂浆的界面结合强度；拌和时间过长、速度过大会使橡胶颗粒与水泥浆发生离析，基层路面材料组分分布不均、出现分层现象，基层路面材料强度降低，若拌和时间过短，水泥与水未能充分水化，物料与砂浆的界面结合强度减小，基层路面材料强度不高。
实施例2
将实施例1中橡胶颗粒替换2.36mm～4.75mm档集料得体积比修改为57％，最佳含水率为5.4％。
实施例3
将实施例1中橡胶颗粒替换2.36mm～4.75mm档集料得体积比修改为76％，最佳含水率为5.2％。
实施例4
将实施例1中橡胶颗粒替换2.36mm～4.75mm档集料得体积比修改为95％，最佳含水率为5.1％。
实施例5
将实施例1中橡胶颗粒替换2.36mm～4.75mm档集料得体积比修改为0％，最佳含水率为6.0％。
使用未经NaOH处理的橡胶颗粒按照实施例1～5的制备方法得到持强增韧型半刚性基层路面材料，采用振动击实成型工艺将各实施例制备的基层路面材料制成实验试件，振动击实仪的振动频率为30Hz，激振力为7.6KN，振动击实时间为120s，对各实验试件和普通水泥稳定碎石进行无侧限抗压强度试验、弯拉强度试验、劈裂强度试验、劈裂模量试验和劈裂疲劳试验，测试各材料在不同加载模式下的极限承载力性能、刚性和抗疲劳性能。
1)使用压力机检测圆柱体状实验试件的无侧限抗压强度，实验试件龄期为7天，压力机加载速率为1mm/min；
2)使用万能材料试验机(MTS)检测圆柱体状实验试件的劈裂强度，实验试件龄期为28天，万能材料试验机加载速率为1mm/min；
3)使用万能材料试验机(MTS)检测中梁试件的弯拉强度，实验试件龄期为28天，万能材料试验机四点弯曲，加载速率为50mm/min；
4)使用万能材料试验机(MTS)检测圆柱体状实验试件的劈裂模量，实验试件龄期为28天，万能材料试验机加载的最大压力值为劈裂强度的0.7倍，分五个等级进行逐级加载，每级加载200下，加载频率为10Hz；
如图2所示，水泥稳定碎石材料的7天无侧限抗压强度随着橡胶颗粒掺量的增加而降低，使用NaOH溶液处理后的橡胶水泥稳定碎石的强度比未处理的橡胶水泥稳定碎石的强度大；如图3和图4所示，掺入橡胶颗粒可以增大水泥稳定碎石的破坏变形，并且使用NaOH溶液处理橡胶颗粒后，持强增韧型半刚性基层路面材料的劈裂破坏应变和弯拉破坏应变更大，增大幅度更明显；如图5所示，掺入橡胶颗粒后水泥稳定碎石的劈裂动态模量降低，且掺量越大模量降低越多，使用NaOH溶液处理橡胶颗粒后，持强增韧型半刚性基层路面材料的劈裂动态模量比未处理橡胶颗粒的模量更小。
综上所述，本发明制备的基层路面材料与不掺杂橡胶颗粒的水泥稳定碎石相比，破坏应变增大、劈裂模量减小、韧性增强，且具有较宽的回弹模量，掺杂使用NaOH溶液处理后的橡胶颗粒使基层路面材料的强度、变形能力，相比于掺杂未处理橡胶颗粒的材料更好，本发明制备的持强增韧型半刚性基层路面材料具有良好的应变协调能力，用于铺设高速公路时与沥青混合料面层有较好的刚性过渡，提高了基层材料的抗裂性能和抗变形能力。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.持强增韧型半刚性基层路面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，根据水泥稳定碎石级配计算各档集料的质量，将2.36mm～4.75mm档集料的质量数据转换成体积数据，使用橡胶颗粒替换2.36mm～4.75mm档集料，橡胶颗粒的体积为2.36mm～4.75mm档集料体积之和的38％，并将橡胶颗粒的体积数据转换为质量数据，称取各档集料和橡胶颗粒；
所述水泥稳定碎石级配为：直径为26.5mm的筛孔通过率为100％，直径为19mm的筛孔通过率为92.5％，直径为16mm的筛孔通过率为85.5％，直径为13.2mm的筛孔通过率为77％，直径为9.5mm的筛孔通过率为62.7％，直径为4.75mm的筛孔通过率为34.4％，直径为2.36mm的筛孔通过率为21.2％，直径为1.18mm的筛孔通过率为17％，直径为0.6mm的筛孔通过率为11.5％，直径为0.3mm的筛孔通过率为8.2％，直径为0.15mm的筛孔通过率为5.1％，直径为0.075mm的筛孔通过率为3.6％；
所述2.36mm～4.75mm档集料的表观密度为2.659g/cm3，橡胶颗粒的表观密度为1.06g/cm3；
步骤S2，使用3％的NaOH溶液浸泡橡胶颗粒24h，每隔3～4h搅拌一次，浸泡完成后使用清水冲洗直至冲洗液为中性溶液；
步骤S3，将各档集料洗净后置于105℃±5℃的烘箱中烘干至恒重；
步骤S4，根据橡胶水泥稳定碎石的最佳含水率和水泥用量确定水泥和水的量，并称取水泥和水，所述最佳含水率为5.7％，水泥用量为集料总质量的4.5％；
步骤S5，将各档集料、水泥和橡胶颗粒振动拌和20s后，加水拌和90s获得持强增韧型半刚性基层路面材料，拌和过程中的拌和速度为50次/s。
2.采用权利要求1所述持强增韧型半刚性基层路面材料的制备方法获得的基层路面材料。
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