CN112553994A - 一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其路面结构从上到下依次为环氧沥青混凝土面层、界面性能增强层、剑麻纤维水泥基复合材料承重层、基层和底基层。所述基层采用具有柔性特点的级配稳定碎石。所述剑麻纤维水泥基复合材料的主要成分是水泥、粉煤灰、细砂、高效减水剂、粘合剂和剑麻纤维，采用剑麻纤维水泥基复合材料作为承重层可有效防止路面裂缝、水损坏、车辙等早期病害产生，大大提高路面耐久性，延长使用寿命。上覆的沥青层后可改善行车舒适性，同时由于减薄了沥青层厚度，可显著降低路面造价，利于保护环境，体现出良好的社会效益与巨大的经济效益。

Description

一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，特别是涉及一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路。
背景技术
近年来，公路建设飞速发展，在已建成高等级公路中半刚性基层沥青路面占 90%以上。但是，目前常用的水泥稳定粒料、二灰稳定粒料等半刚性基层材料按照密级配设计，在使用过程中往往存在反射裂缝、排水不良、承载力不足等问题， 导致很多新建路面在使用初期即出现开裂、坑槽等早期损坏，远达不到设计年限， 耐久性不足，严重影响了道路使用性能的发挥，造成恶劣的社会影响和巨大的经 济损失。
现阶段国内采用的高速公路路面铺装材料主要是沥青混凝土，其中环氧沥青混凝土性能最佳。它具有较好的耐久性、抗疲劳性能，高温、低温性能较佳，且其对化学物质侵蚀有很强的抵抗能力。但是由于环氧沥青混凝土的配制工艺比较复杂，相关的配制技术在国外又多属于专利，导致国内环氧沥青混凝土质量一直不能得到提高，需要依靠进口环氧沥青混凝土来确保材料质量，价格昂贵。除此之外，环氧沥青对施工技术也有较高要求，温度、时间控制严格，难度大。因此找到一种材料替代环氧沥青，不管对提高经济效益还是社会效益都有非常重要的意义。
剑麻纤维水泥基复合材料是由水泥、砂、水、矿物掺合料和剑麻纤维构成的一种复合材料，具有高强度、高延性、耐磨、抗酸碱、以及耐候性等特点。剑麻纤维水泥基复合材料极限拉应变可稳定的达到3%以上，而混凝土的极限拉应变只有0.01%，抗拉强度较好的钢筋的极限拉应变也只有1%，表现出极大的延性。剑麻纤维水泥基复合材料的抗压性能和普通的钢筋混凝土相当，其最大的优势就是其超高的延展性，在直接拉伸荷载作用下表现出多缝开裂的特性，最大裂缝宽度不超过100μm，间距仅1-2mm。因此其大变形及多缝开裂等各方面的性能都使其具有解决路面铺装结构开裂、路面板腐蚀等问题的潜能。除此之外，剑麻纤维水泥基复合材料制作所需剑麻纤维成本低廉，利于大规模生产，在已有的钢桥面铺装先例中有良好表现。我国是水泥生产大国，将剑麻纤维水泥基复合材料应用于路面铺装可以发挥成本优势，降低造价。因此，改良水泥混凝土性能使其适应并提高铺装层特性具有很好的研究意义和现实意义。采用剑麻纤维水泥基复合材料作为承重层可有效防止路面裂缝、水损坏、车辙等早期病害产生，大大提高路面耐久性，延长使用寿命。但由于剑麻纤维水泥基复合材料中没有粗骨料，其抗磨耗性能较差，为保证较好的行车舒适性和施工操作方便，路面铺装表面磨耗层采用环氧沥青混凝土进行铺装。上覆的沥青层后可改善行车舒适性，同时由于减薄了沥青层厚度，可显著降低路面造价，利于保护环境，体现出良好的社会效益与巨大的经济效益。该种新型路面结构有重要的研究意义和实用价值。
发明内容
本发明的技术方案在于：一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，在所述路基上铺设有水泥级配碎石底基层，在所述水泥级配碎石底基层上铺设有水泥稳定碎石基层，在所述水泥稳定碎石基层上铺设有剑麻纤维水泥基复合材料层，在所述剑麻纤维水泥基复合材料层上铺设有界面性能增强层，界面性能增强层上铺设有环氧沥青混凝土层。
所述承重层材料为剑麻纤维水泥基复合材料，厚度为20cm。
所述的剑麻纤维增强水泥基复合材料的原料及用量包括:水280-300kg/m3；水泥310-330kg/m3；细砂680-700kg/m3；粉煤灰680-700kg/m3；剑麻纤维24-28kg/m3；高效减水剂10-15kg/m3；粘合剂0.15-0.18kg/m3。
其中，水泥选用P.Ⅱ.42.5R；
粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不大于12%，需水量比不大于95%；
细砂级配为：尺寸为1.18mm的方孔筛，细砂通过率为100%，尺寸为0.6mm的方孔筛，细砂通过率为44.6%，尺寸为0.3mm的方孔筛，细砂通过率为10.8%，尺寸为0.15mm的方孔筛，细砂通过率为0%；
高效减水剂选用聚羧酸减水剂；
粘合剂选用羟丙基甲基纤维素；
剑麻纤维选择直径为150~300μm，长度为10~20mm的材料，材料的弹性模量15~30GPa，延伸率为6%~8%。
作为本发明的进一步改进，所述剑麻纤维水泥基复合材料的制备方法为：首先在搅拌机中依次投入水泥、粉煤灰和细砂, 预搅拌2min；然后将粘合剂羟丙基甲基纤维素粉末均匀的洒在经预搅拌的拌料中, 边搅拌边洒粉末，搅拌5min；将水和减水剂逐渐加入干混合物中，直至产生均匀的混合物；逐渐加入剑麻纤维再继续混合3min，直至纤维均匀分散即可。
作为本发明的进一步改进，所述的承重层由混凝土搅拌机生产，经由搅拌运输车运输至施工现场，在进行施工时采用滑模式水泥混凝土摊铺机进行摊铺，摊铺后水泥基复合材料自密实，无需进行振捣。
作为本发明的进一步改进，所述界面性能增强层的厚度为1-2 mm，具体为SBR复合黏合剂改性乳化沥青，直接从市场上购买。
作为本发明的进一步改进，所述环氧沥青混凝土层的厚度为30-40 mm。
有益效果：
本发明采用剑麻纤维水泥基复合材料作为承重层可有效防止路面裂缝、水损坏、车辙等早期病害产生，大大提高路面耐久性，延长使用寿命。上覆的沥青层后可改善行车舒适性，同时由于减薄了沥青层厚度，可显著降低路面造价，利于保护环境，体现出良好的社会效益与巨大的经济效益。所述承重层下方为水泥稳定碎石基层，所述基层采用具有柔性特点的级配稳定碎石，能够抑制反射裂缝、改善上下层材料温湿状态，提高基层材料的抗裂性能，抑制工后路面反射裂缝的出现。所述基层下方为底基层，底基层可以是经过碎石化处理的旧沥青路面或者旧水泥混凝土路面，旧路面碎石化处理可以避免废料的产生，从而节约成本；另一方面旧路面作为底基层可以为路面提供足够的支撑，更好地发挥路面的性能。
附图说明
图1为本发明的剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路结构示意图；
图中：1-环氧沥青混凝土层、2-界面性能增强层、3-承重层、4-基层、5-底基层、6-路基。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，应用于重交通量的干线公路，该工程为改扩建工程，如图1所示为改建方案路面结构横断面设计图。
该剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面结构，按照从下至上：路基6上铺设有水泥级配碎石底基层5，在所述水泥级配碎石底基层5上铺设有水泥稳定碎石基层4，在所述水泥稳定碎石基层4上铺设有剑麻纤维ECC层3，在所述剑麻纤维ECC层3上铺设有界面性能增强层2，界面性能增强层2上铺设有环氧沥青混凝土层1。
所述承重层材料为剑麻纤维水泥基复合材料，为了满***通量的需求，该层厚度设为20cm。所述的剑麻纤维水泥基复合材料的原料配方为：水300kg/m3、42.5级普通硅酸盐水泥310kg/m3、细砂690kg/m3、粉煤灰690kg/m3、剑麻纤维24kg/m3、聚羧酸减水剂12kg/m3、粘合剂羟丙基甲基纤维素0.15kg/m3。
其中，水泥选用P.Ⅱ.42.5R ;
粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不大于12%，需水量比不大于95%，主要活性化学成分是SiO2与Al2O3，与水泥水化产生的氢氧化巧可反应生成胶凝产物，起到密实填充混凝土的作用。
高效减水剂选用聚羧酸减水剂，减水率大于20%，其作用是通过表面物理化学作用使水泥颗粒分散，从而改善基质的流动性、降低用水量。
细砂级配为：尺寸为1.18mm的方孔筛，细砂通过率为100%，尺寸为0.6mm的方孔筛，细砂通过率为44 .6%，尺寸为0.3mm的方孔筛，细砂通过率为10.8%，尺寸为0.15mm的方孔筛，细砂通过率为0%；
粘合剂选用羟丙基甲基纤维素；
剑麻纤维选择直径为150~300μm，长度为10~20mm的材料，材料的弹性模量15~30GPa，延伸率为6%~8%。
所述剑麻纤维水泥基复合材料的制备方法为：首先在搅拌机中依次投入水泥、粉煤灰和细砂, 预搅拌2min；然后将粘合剂羟丙基甲基纤维素粉末均匀的洒在经预搅拌的拌料中, 边搅拌边洒粉末，搅拌5min；将水和减水剂逐渐加入干混合物中，直至产生均匀的混合物；逐渐加入剑麻纤维再继续混合3min，直至纤维均匀分散即可。
所述的剑麻纤维水泥基复合材料承重层由混凝土搅拌机生产，经由搅拌运输车运输至施工现场，在进行施工时采用滑模式水泥混凝±摊铺机进行摊铺，摊铺后水泥基复合材料自密实，无需进行振捣。
所述基层采用水泥稳定碎石，基层厚度为20cm，厚度数值根据交通量等级来选用，各材料的要求应参照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）；
所述底基层为级配碎石底基层，层厚为20cm。
所述界面性能增强层的厚度为1-2 mm，具体为SBR复合黏合剂改性乳化沥青。所述环氧沥青混凝土层的厚度为30-40 mm。
本发明采用剑麻纤维水泥基复合材料作为承重层可有效防止路面裂缝、水损坏、车辙等早期病害产生，大大提高路面耐久性，延长使用寿命。上覆的沥青层后可改善行车舒适性，同时由于减薄了沥青层厚度，可显著降低路面造价，利于保护环境，体现出良好的社会效益与巨大的经济效益。
所述承重层下方为水泥稳定碎石基层，所述基层采用具有柔性特点的级配稳定碎石，能够抑制反射裂缝、改善上下层材料温湿状态，提高基层材料的抗裂性能，抑制工后路面反射裂缝的出现。
所述基层下方为底基层，底基层可以是经过碎石化处理的旧沥青路面或者旧水泥混凝土路面，旧路面碎石化处理可以避免废料的产生，从而节约成本；另一方面旧路面作为底基层可以为路面提供足够的支撑，更好地发挥路面的性能。
所述的剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其特征在于：所述基层采用水泥稳定碎石，基层厚度为16-24cm；所述底基层为经过碎石化处理的旧沥青路面或旧水泥混凝土路面，或者为新建公路的级配碎石底基层。
实施例2
将剑麻纤维水泥基复合材料的原料配方修改为：水290kg/m3、42.5级普通硅酸盐水泥310kg/m3、细砂680kg/m3、粉煤灰680kg/m3、剑麻纤维27kg/m3、聚羧酸减水剂10kg/m3、粘合剂羟丙基甲基纤维素0.16kg/m3。
其余同实施例1。
实施例3
将剑麻纤维水泥基复合材料的原料配方修改为：水300kg/m3、42.5级普通硅酸盐水泥330kg/m3、细砂700kg/m3、粉煤灰700kg/m3、剑麻纤维28kg/m3、聚羧酸减水剂15kg/m3、粘合剂羟丙基甲基纤维素0.17kg/m3。
其余同实施例1。
性能测试:
（1）立方体抗压试验
立方体抗压试验采用70.7×70.7mm×70.7mm试块，试件成型24h后拆模，放入标准养护室养护28d，试验前3h拿出晾晒3h，准备试验。每组配合比准备3个试块完成抗压试验。测试指标为弹性模量和抗压强度。
（2）单轴拉伸试验
单轴拉伸试验采用厚度×宽度×长度=50mm×50mm×190mm试块，试件24h后拆模，放入标准养护室养护28d，实验前3h拿出晾干准备试验。每组配合比准备4个试块完成抗拉试验。测试指标为开裂强度、抗拉强度、最大拉应变、弹性模量和断裂能。
将实施例和ECC与普通C30混凝土在相同条件下进行测试，结果如表1。
表1 各性能对比表
Figure 19451DEST_PATH_IMAGE001
由表1可见，剑麻纤维水泥基复合材料的强度虽然较ECC有所下降，但是仍大于普通C30水泥混凝土的抗压强度，同时该剑麻纤维水泥基复合材料的最大拉伸应变达到了4%，远高于普通混凝土的最大拉伸应变，基本满足了大部分混凝土建筑对混凝土延性的需求。并且本发明采用剑麻纤维替代传统工程水泥基复合材料（ECC）中的PVA纤维等，可大大降低水泥基复合材料的生产成本，适合于大规模的推广应用于建筑领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其特征在于：该路面结构从上到下依次包括环氧沥青混凝土面层、界面性能增强层、承重层、基层和底基层；所述承重层材料为剑麻纤维水泥基复合材料，厚度为20cm。
2.根据权利要求1所述的一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其特征在于：所述剑麻纤维增强水泥基复合材料的原料及用量包括:水280-300kg/m3；水泥310-330kg/m3；细砂680-700kg/m3；粉煤灰680-700kg/m3；剑麻纤维24-28kg/m3；高效减水剂10-15kg/m3；粘合剂0.15-0.18kg/m3。
3.根据权利要求2所述的一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其特征在于：所述水泥选用P.Ⅱ.42.5R；粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不大于12%，需水量比不大于95%； 细砂级配为：尺寸为1.18mm的方孔筛，细砂通过率为100%，尺寸为0.6mm的方孔筛，细砂通过率为44.6%，尺寸为0.3mm的方孔筛，细砂通过率为10.8%，尺寸为0.15mm的方孔筛，细砂通过率为0%； 高效减水剂选用聚羧酸减水剂；粘合剂选用羟丙基甲基纤维素；剑麻纤维选择直径为150~300μm，长度为10~20mm的材料，材料的弹性模量15~30GPa，延伸率为6%~8%。
4.根据权利要求2所述的一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其特征在于：所述剑麻纤维水泥基复合材料的制备方法为：首先在搅拌机中依次投入水泥、粉煤灰和细砂, 预搅拌2min；然后将粘合剂羟丙基甲基纤维素粉末均匀的洒在经预搅拌的拌料中, 边搅拌边洒粉末，搅拌5min；将水和减水剂逐渐加入干混合物中，直至产生均匀的混合物；逐渐加入剑麻纤维再继续混合3min，直至纤维均匀分散即可。
5.根据权利要求1所述的一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其特征在于：所述承重层由混凝土搅拌机生产，经由搅拌运输车运输至施工现场，在进行施工时采用滑模式水泥混凝土摊铺机进行摊铺，摊铺后水泥基复合材料自密实，无需进行振捣。
6.根据权利要求1所述的一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其特征在于：所述基层采用水泥稳定碎石，基层厚度为16-24cm；所述底基层为经过碎石化处理的旧沥青路面或旧水泥混凝土路面，或者为新建公路的级配碎石底基层。
7.根据权利要求1所述的一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其特征在于：所述界面性能增强层的厚度为1-2 mm。
8.根据权利要求1所述的一种剑麻纤维水泥基复合材料上覆沥青层复合式路面道路，其特征在于：所述环氧沥青混凝土层的厚度为30-40 mm。
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