CN114560655B - 一种路面基层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及建筑材料领域，具体公开了一种路面基层材料及其制备方法。一种路面基层材料，由以下重量百分比的原料制得：水泥5‑7%，改性聚丙烯纤维3‑3.5%，水6‑8%，余量为集料；集料包括河砂、碎石和钢渣，且河砂：碎石：钢渣的质量比为1：（1.5‑2.5）：（6‑8）；改性聚丙烯纤维由聚丙烯纤维经丙烯酸钠和二氧化硅颗粒表面粗糙改性得到；其制备方法为：将河砂、碎石和钢渣混合搅拌后得到固体混合物；边搅拌边向水中加入改性聚丙烯纤维得到混合液；将混合液和水泥加入固体混合物中搅拌即可得到路面基层材料。本申请一种路面基层材料具有改善路面基层材料抗裂性能的优点。

Description

一种路面基层材料及其制备方法

技术领域

本申请涉及建筑材料领域，更具体地说，它涉及一种路面基层材料及其制备方法。

背景技术

我国路面基层多采用半刚性路面基层材料，而半刚性基层材料中水泥稳定基具有足够的力学强度、良好的抗水特性，被广泛使用。但是路基长时间使用会产生不均匀变形，此时，半刚性基层底部受到较大的底层拉应力，而半刚性基层材料本身的抗拉强度较低，极易造成开裂。而基层一旦开裂必然对其上的面层结构造成更大的破坏，所以改善半刚性路面基层材料的抗裂性能十分重要。

发明内容

为了改善路面基层材料的抗裂性能，本申请提供一种路面基层材料及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种路面基层材料，采用如下的技术方案：

一种路面基层材料，由以下重量百分比的原料制得：

水泥5-7％，改性聚丙烯纤维3-3.5％，水6-8％，余量为集料；

所述集料包括河砂、碎石和钢渣，且河砂：碎石：钢渣的质量比为1：(1.5-2.5)：(6-8)；

所述改性聚丙烯纤维由聚丙烯纤维经丙烯酸钠和二氧化硅颗粒表面粗糙改性得到。

通过采用上述技术方案，原料采用5-7％重量百分比的水泥能够获得抗压强度满足施工要求的路面基层材料。原料采用钢渣与河砂、碎石级配作为集料，钢渣是炼钢生产过程中生成的副产物，钢渣的再生利用一直是可持续发展战略的重要内容，更是国内外建筑材料中重要的研究方向之一，原料中采用钢渣代替部分碎石、河砂、并与碎石、河砂级配作为集料，能够减少石料的过度开挖，对于保护生态平衡具有十分重要的意义。且钢渣含有铁量高，具有良好的强度、硬度、耐磨性和耐冲击性，且钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的矿物成分，因此钢渣具有普通砂石都不具有的水硬活性。此外，钢渣的抗冻性、抗腐蚀性较好，能够改善路面基层材料的抗冻性和抗腐蚀性。

更为重要的是，相较于河砂，钢渣与碎石的外周面粗糙且有很多棱角，二者配合能够相互嵌合，增强集料颗粒之间的连接，有助于提高路面基层材料的整体性，从而降低由于路面基层材料各成分分离而产生裂痕，进而使得路面基层材料的抗裂性能得到改善。且钢渣、碎石与表面光滑圆润的河砂配合，能够适当减小集料与水泥拌和的阻力，使得集料与水泥能够充分拌和。

聚丙烯纤维能够有效提高路面基层材料的抗裂性能，而聚丙烯纤维经丙烯酸钠和二氧化硅颗粒表面粗糙改性后，丙烯酸钠以及二氧化硅为聚丙烯纤维表面引入羧酸根以及羟基，大幅改善了聚丙烯纤维表面的亲水性，从而提高了改性聚丙烯纤维在水泥稳定基材料中的分散性。且二氧化硅颗粒包覆在改性聚丙烯纤维表面，使得改性聚丙烯纤维表面凹凸不平，从而能够与集料嵌合，增强水泥与集料之间的连接，进而提高路面基层材料的整体性，以使路面基层材料的抗裂性能得到大幅改善。且改性聚丙烯纤维表面包覆有二氧化硅颗粒，二氧化硅颗粒能够封堵路面基层材料的部分孔隙，从而降低水分蒸发的可能，进而降低路面基层材料由于水分减少而产生体积收缩最终导致开裂的可能；从而使得路面基层材料的抗裂性能有效提高。

可选的，所述改性聚丙烯纤维由包括以下重量份的原料改性得到：

丙烯酸钠180-200份，二氧化硅90-110份，聚丙烯纤维60-80份，水150-180份，二甲苯40-50份，引发剂2.5-3.5份。

通过采用上述技术方案，丙烯酸钠与聚丙烯纤维在引发剂的作用下聚合，从而实现二氧化硅小颗粒在丙烯酸纤维表面的包覆，实现对于聚丙烯纤维表面的粗化改性。

可选的，所述改性聚丙烯纤维的原料还包括80-100重量份的氧化石墨烯。

通过采用上述技术方案，氧化石墨烯能够在丙烯酸钠的作用下包覆在聚丙烯纤维表面，为聚丙烯纤维引入羧基和羟基，使得改性聚丙烯纤维的亲水性进一步提高，从而使得聚丙烯纤维与水泥等物质相容性更好，聚丙烯纤维分散更加均匀，最终得到路面基层材料的整体抗拉性能更好；而且，二氧化硅与丙烯酸钠作用的同时，氧化石墨烯上的羧基与二氧化硅颗粒作用，羟基与丙烯酸钠作用，从而使得丙烯酸纳对碳酸钠改性后与聚丙烯纤维的附着强度更高，钢渣等集料与负载有二氧化硅的聚丙烯纤维锲合后稳定性更好，另外氧化石墨烯蜂窝状的特殊结构能够有效提高改性聚丙烯纤维的抗拉强度，可能是通过以上多重作用，申请人发现原料中添加有氧化石墨烯后，可以进一步提升路面基层的抗裂性能。

可选的，所述改性聚丙烯纤维由包括以下步骤的方法制得：

制备改性二氧化硅：将二氧化硅颗粒加入重量百分比为水总重量70％-75％的水中搅拌，并加热至70-80℃得到悬浮液，边搅拌边向悬浮液中加入重量百分比为丙烯酸钠总重量30％-35％的丙烯酸钠，加热至90-95℃后持续搅拌1-1.5h，过滤烘干后得到改性二氧化硅；

制备改性聚丙烯纤维：将聚丙烯纤维、剩余水、二甲苯、剩余丙烯酸钠混合搅拌，加热至50-55℃，并在氮气保护下溶胀85-95min，得到基础混合液；将基础混合液加热至90-95℃后，边搅拌边向基础混合液中添加改性二氧化硅和引发剂，持续搅拌2-3h，冷却过滤后得到改性聚丙烯纤维。

通过采用上述技术方案，通过包裹法使得二氧化硅小颗粒以及氧化石墨烯能欧包覆在聚丙烯纤维表面，形成表面粗糙的改性聚丙烯纤维。

可选的，所述制备改性聚丙烯纤维的步骤中还添加有80-100重量份的氧化石墨烯；将基础混合液加热至90-95℃后，边搅拌边向基础混合液中添加氧化石墨烯、改性二氧化硅和引发剂，持续搅拌2-3h，冷却过滤后得到改性聚丙烯纤维。

通过采用上述技术方案，使得氧化石墨烯与二氧化硅颗粒能够包覆在聚丙烯纤维表面，形成改性聚丙烯纤维。

可选的，所述碎石为10-15mm碎石；所述钢渣为0.075mm-19mm连续级配钢渣；所述河砂为0.075mm-5mm连续级配河砂。

通过采用上述技术方案，10-15mm碎石能够与钢渣、河砂形成良好级配，增强路面基层材料抗压强度和整体性，从而改善路面基层材料的抗裂性能；且钢渣自身能够形成良好的级配，并且钢渣与碎石之间形成良好的级配；河砂与钢渣、碎石之间形成良好的级配，使得大颗粒之间的缝隙能被中颗粒填补，中颗粒间缝隙能够小颗粒填补，增强了路面集成材料的抗压强度和整体性。

可选的，所述河砂：碎石：钢渣的质量比为1：2：7。

通过采用上述技术方案，河砂、碎石与钢渣质量比为1:2:7时，能够形成优良的级配，使得路面基层材料获得优良抗压强度以及整体性，从而降低了路面基层材料受力产生开裂的可能，提高了路面基层材料的抗裂性能。

可选的，所述水泥为复合硅酸盐P.C32.5水泥。

通过采用上述技术方案，水泥为复合硅酸盐P.C32.5水泥，具备优良的抗折强度和抗压强度，能够改善路面基层材料的抗折强度和抗压强度。

第二方面，本申请提供一种路面基层材料的制备方法，采用如下的技术方案：一种路面基层材料的制备方法，包括以下步骤：

制备固体混合物：将河砂、碎石和钢渣混合搅拌后得到固体混合物；

制备混合液：边搅拌边向水中加入改性聚丙烯纤维得到混合液；

制备路面基层材料：将混合液和水泥加入固体混合物中搅拌即可得到路面基层材料。

通过采用上述技术方案，将河砂、碎石和钢渣搅拌均匀后再添加改性聚丙烯纤维，降低改性聚丙烯纤维与颗粒状集料之间的摩擦，从而降低改性聚丙烯纤维表面二氧化硅小颗粒因摩擦而脱落的可能。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用钢渣和改性聚丙烯纤维，由于钢渣与改性聚丙烯纤维配合，大幅增强了路面基层材料的整体性，使得路面基层材料的抗裂性能得到改善；且改性聚丙烯纤维表面包覆的二氧化硅颗粒能够封堵路面基层材料中的空隙、降低水分蒸发的可能，从而提高了路面基层材料的抗裂性能。

2、改性聚丙烯纤维由聚丙烯纤维经丙烯酸钠和二氧化硅改性得到，由于丙烯酸钠和二氧化硅为改性聚丙烯纤维提供了羧基和羟基，使得改性聚丙烯纤维能够更好地分散在水泥中，进而使得路面基层材料的整体性得到提高，进而改善路面基层材料的抗裂性能。

3、改性聚丙烯纤维的原来还包括有氧化石墨烯，氧化石墨烯不仅进一步改善了改性聚丙烯纤维的亲水性，且氧化石墨烯蜂窝状的特殊结构能够有效提高改性聚丙烯纤维的抗拉强度。

4、本申请中河砂：碎石：钢渣的质量比为1：(1.5-2.5)：(6-8)，河砂、碎石以及钢渣在此范围内形成良好的级配，使得路面基层材料获得优良抗压强度以及整体性，从而降低了路面基层材料受力产生开裂的可能，提高了路面基层材料的抗裂性能。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明，予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。

引发剂为过氧化苯甲酰。

改性聚丙烯纤维的制备例

制备例1

一种改性聚丙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

制备改性二氧化硅：将90kg二氧化硅颗粒加入105kg水中搅拌，并加热至70℃得到悬浮液，边搅拌边向悬浮液中加入54kg丙烯酸钠，加热至90℃后持续搅拌1h，过滤烘干后得到改性二氧化硅；

制备改性聚丙烯纤维：将60kg聚丙烯纤维、45kg水、40kg二甲苯、126kg丙烯酸钠混合搅拌，加热至50℃，并在氮气保护下溶胀85min，得到基础混合液；将基础混合液加热至90℃后，边搅拌边向基础混合液中添加改性二氧化硅和2.5kg引发剂，持续搅拌2h，冷却过滤后得到改性聚丙烯纤维。

制备例2

一种改性聚丙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

制备改性二氧化硅：将110kg二氧化硅颗粒加入135kg水中搅拌，并加热至80℃得到悬浮液，边搅拌边向悬浮液中加入70kg丙烯酸钠，加热至95℃后持续搅拌1.5h，过滤烘干后得到改性二氧化硅；

制备改性聚丙烯纤维：将80kg聚丙烯纤维、45kg水、50kg二甲苯、130kg丙烯酸钠混合搅拌，加热至55℃，并在氮气保护下溶胀95min，得到基础混合液；将基础混合液加热至95℃后，边搅拌边向基础混合液中添加改性二氧化硅和3.5kg引发剂，持续搅拌3h，冷却过滤后得到改性聚丙烯纤维。

制备例3

一种改性聚丙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

制备改性二氧化硅：将100kg二氧化硅颗粒加入110kg水中搅拌，并加热至70℃得到悬浮液，边搅拌边向悬浮液中加入65kg丙烯酸钠，加热至90℃后持续搅拌1h，过滤烘干后得到改性二氧化硅；

制备改性聚丙烯纤维：将70kg聚丙烯纤维、50kg水、45kg二甲苯、125kg丙烯酸钠混合搅拌，加热至55℃，并在氮气保护下溶胀90min，得到基础混合液；将基础混合液加热至95℃后，边搅拌边向基础混合液中添加改性二氧化硅和3kg引发剂，持续搅拌2.5h，冷却过滤后得到改性聚丙烯纤维。

制备例4

一种改性聚丙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

制备改性二氧化硅：将100kg二氧化硅颗粒加入110kg水中搅拌，并加热至70℃得到悬浮液，边搅拌边向悬浮液中加入65kg丙烯酸钠，加热至90℃后持续搅拌1h，过滤烘干后得到改性二氧化硅；

制备改性聚丙烯纤维：将70kg聚丙烯纤维、50kg水、45kg二甲苯、125kg丙烯酸钠、80kg氧化石墨烯混合搅拌，加热至55℃，并在氮气保护下溶胀90min，得到基础混合液；将基础混合液加热至95℃后，边搅拌边向基础混合液中添加改性二氧化硅和3kg引发剂，持续搅拌2.5h，冷却过滤后得到改性聚丙烯纤维。

制备例5

一种改性聚丙烯纤维的制备方法，按照制备例4中方法进行，不同之处在于，原料中氧化石墨烯的添加量为100kg。

制备例6

一种改性聚丙烯纤维的制备方法，按照制备例4中方法进行，不同之处在于，原料中氧化石墨烯的添加量为90kg。

制备例7

一种改性聚丙烯纤维的制备方法，按照制备例6中方法进行，不同之处在于，原料中90kg氧化石墨烯等重量替换为90kg石墨烯。

制备例8

一种改性聚丙烯纤维的制备方法，按照制备例6中方法进行，不同之处在于，原料中90kg氧化石墨烯等重量替换为90kg酒石酸。

实施例

实施例1

一种路面基层材料的制备方法，包括以下步骤：

制备固体混合物：将102kg河砂、152kg碎石和606kg钢渣混合搅拌后得到固体混合物；制备混合液：边搅拌边向60kg水中加入30kg由制备例1中方法制得的改性聚丙烯纤维得到混合液；

制备路面基层材料：将混合液和50kg水泥加入固体混合物中搅拌即可得到路面基层材料。

实施例2

一种路面基层材料的制备方法，包括以下步骤：

制备固体混合物：将71kg河砂、178kg碎石和566kg钢渣混合搅拌后得到固体混合物；制备混合液：边搅拌边向80kg水中加入35kg由制备例2中方法制得的改性聚丙烯纤维得到混合液；

制备路面基层材料：将混合液和70kg水泥加入固体混合物中搅拌即可得到路面基层材料。

实施例3

一种路面基层材料的制备方法，包括以下步骤：

制备固体混合物：将84kg河砂、168kg碎石和588kg钢渣混合搅拌后得到固体混合物；制备混合液：边搅拌边向70kg水中加入30kg由制备例3中方法制得的改性聚丙烯纤维得到混合液；

制备路面基层材料：将混合液和60kg水泥加入固体混合物中搅拌即可得到路面基层材料。

实施例4

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中改性聚丙烯纤维由制备例4中方法得到。

实施例5

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中改性聚丙烯纤维由制备例5中方法得到。

实施例6

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中改性聚丙烯纤维由制备例6中方法得到。

实施例7

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中改性聚丙烯纤维由制备例7中方法得到。

实施例8

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中改性聚丙烯纤维由制备例8中方法得到。

对比例

对比例1

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中不添加改性聚丙烯纤维。

对比例2

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中30kg改性聚丙烯纤维等重量替换为30kg普通聚丙烯纤维。

对比例3

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中588kg钢渣等重量替换为588kg河砂。

对比例4

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中588kg钢渣等重量替换为588kg碎石。

对比例5

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中河砂、碎石和钢渣的质量比为1:2:5；即制备固体混合物的步骤为：将105kg河砂、210kg碎石和510kg钢渣混合搅拌后得到固体混合物。

对比例6

一种路面基层材料的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中河砂、碎石和钢渣的质量比为1:2:9；即制备固体混合物的步骤为：将70kg河砂、140kg碎石和630kg钢渣混合搅拌后得到固体混合物。

性能检测试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009中“无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法”以及“无机结合料稳定材料间接抗拉强度试验方法(劈裂试验)(试验试件采用中试件)”，对上述实施例和对比例进行抗压强度以及抗折强度的测定，试验结果如表1所示。

表1：

结合实施例3和对比例1-2并结合表1可以看出，相较于实施例3，对比例1的不同之处在于对比例1原料中未添加改性聚丙烯纤维；对比例2的不同之处在与对比例2原料中30kg改性聚丙烯纤维等重量替换为30kg未经改性的普通聚丙烯纤维；对比实施例3、对比例1和对比例2在表1中的数据发现，实施例3中路面基层材料的抗压强度以及劈裂强度远大于对比例1和对比例2。说明实施例3中采用改性聚丙烯纤维制得的路面基层材料具有更优良的抗压强度和抗拉强度，改性聚丙烯纤维的添加能够有效改善路面基层材料的抗拉强度，从而有效改善路面基层材料的抗裂性能，其原因在于：聚丙烯纤维具有提高路面基层材料的抗裂性能的效果，而聚丙烯纤维经经丙烯酸钠和二氧化硅颗粒表面粗糙改性得到改性聚丙烯纤维后，改性聚丙烯纤维表面引入了羧酸根以及羟基，亲水性增强，使得改性聚丙烯纤维在水泥稳定基材料中的分散性得到改善。更为重要的是，二氧化硅颗粒包覆在改性聚丙烯纤维表面，使得改性聚丙烯纤维表面凹凸不平，从而能够与集料嵌合，增强水泥与集料之间的连接，进而提高路面基层材料的整体性，使得路面基层材料的抗裂性能得到大幅改善；且改性聚丙烯纤维表面包覆有二氧化硅颗粒，二氧化硅颗粒能够封堵路面基层材料的部分孔隙，降低了水分蒸发的可能，进而降低路面基层材料由于水分减少而产生体积收缩最终导致开裂的可能；从而使得路面基层材料的抗裂性能有效提高。

结合实施例3、对比例3-6并结合表1可以看出，相较于实施例3，对比例3的不同之处在于原料中588kg钢渣等重量替换为588kg河砂；对比例4的不同之处在于原料中588kg钢渣等重量替换为588kg碎石；对比例5的不同之处在于原料中河砂、碎石和钢渣的质量比为1:2:5；对比例6的不同之处在于原料中河砂、碎石和钢渣的质量比为1:2:9。比较实施例3和对比例3-6在表1中的数据，实施例3中路面基层材料的抗压强度以及抗折轻度均远优于对比例3-6中路面基层材料的抗压强度和劈裂强度。说明实施例3中采用钢渣代替部分河砂和碎石、且河砂：碎石：钢渣的质量比为1：2：7时，制得的路面基层材料具有更优良的抗压强度和抗拉强度，从而使得路面基层材料抗裂性能大幅提高。其原因在于：钢渣的外周面粗糙且有很多棱角，二者配合能够相互嵌合，增强集料颗粒之间的连接，有助于提高路面基层材料的整体性，从而降低由于路面基层材料各成分分离而产生裂痕，进而使得路面基层材料的抗裂性能得到改善。且钢渣、碎石与表面光滑圆润的河砂配合，能够适当减小集料与水泥拌和的阻力，使得集料与水泥能够充分拌和，使得路面基层材料的整体性提高，从而提高路面基层材料的抗裂性能。

结合实施例3与实施例6以及二者在表1中的数据可以看出，实施例6中路面基层材料的抗压强度和抗拉强度明显高于实施例3，而二者的区别在于，实施例6原料中改性聚丙烯纤维在制备时还添加有氧化石墨烯，说明实施例6中路面基层材料的抗裂性能优于实施例3，原因在于：氧化石墨烯不仅能够为改性聚丙烯纤维引入羧基和羟基，使得改性聚丙烯纤维的亲水性进一步提高，且氧化石墨烯蜂窝状的特殊结构能够有效提高改性聚丙烯纤维的抗拉强度，从而增强路面基层材料的抗裂性能。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种路面基层材料，其特征在于，由以下重量百分比的原料制得：水泥5-7%，改性聚丙烯纤维3-3.5%，水6-8%，余量为集料；

所述集料包括河砂、碎石和钢渣，且河砂：碎石：钢渣的质量比为1：（1.5-2.5）：（6-8）；

所述改性聚丙烯纤维由包括以下重量份的原料改性得到：

丙烯酸钠180-200份，二氧化硅90-110份，聚丙烯纤维60-80份，水150-180份，二甲苯40-50份，引发剂2.5-3.5份，氧化石墨烯80-100份；

所述改性聚丙烯纤维由包括以下步骤的方法制得：

制备改性二氧化硅：将二氧化硅颗粒加入重量百分比为水总重量70%-75%的水中搅拌，并加热至70-80℃得到悬浮液，边搅拌边向悬浮液中加入重量百分比为丙烯酸钠总重量30%-35%的丙烯酸钠，加热至90-95℃后持续搅拌1-1.5h，过滤烘干后得到改性二氧化硅；

制备改性聚丙烯纤维：将聚丙烯纤维、剩余水、二甲苯、剩余丙烯酸钠混合搅拌，加热至50-55℃，并在氮气保护下溶胀85-95min，得到基础混合液；将基础混合液加热至90-95℃后，边搅拌边向基础混合液中添加改性二氧化硅、引发剂和氧化石墨烯，持续搅拌2-3h，冷却过滤后得到改性聚丙烯纤维；

所述碎石为10-15mm碎石；所述钢渣为0.075mm-19mm连续级配钢渣；所述河砂为0.075mm-5mm连续级配河砂。

2.根据权利要求1所述的一种路面基层材料，其特征在于：所述河砂：碎石：钢渣的质量比为1：2：7。

3.根据权利要求1所述的一种路面基层材料，其特征在于：所述水泥为复合硅酸盐P.C32.5水泥。

4.如权利要求1-3任意一项所述的一种路面基层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备固体混合物：将河砂、碎石和钢渣混合搅拌后得到固体混合物；

制备混合液：边搅拌边向水中加入改性聚丙烯纤维得到混合液；

制备路面基层材料：将混合液和水泥加入固体混合物中搅拌即可得到路面基层材料。