CN116120021A - 一种快速固化道路基层材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速固化道路基层材料,按质量份计包括:包括以下制备原料:磷石膏70‑90份、水泥10‑20份、固化剂0.15‑4.5份、功能树脂0.14‑1.8份、助剂1‑5份。此外,还公开了该道路基层材料的制备方法。该道路基层材料抗拉强度高、不易出现裂缝,具有较高的强度和道路承载力,提高了道路的使用寿命和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种道路基层材料,具体涉及一种快速固化道路基层材料及其制备工艺。
背景技术
磷石膏是湿法磷酸工艺中产生的固体废弃物,磷石膏中包含磷酸、硫酸钙、氟化物等物质,组成复杂,我国每年有大量磷石膏产出,而有效利用率不到10%,磷石膏的随意堆积,不仅造成了土地资源的浪费,其中的氟和磷等有机质的存在还会破坏生态环境,污染地下水,磷石膏对大气层和空气也会造成污染,其产生的粉尘飘洒在空气中,对空气造成污染,还可能会在一定条件下产生二氧化硫等对人们身体和生活有害的物质,因此,实现磷石膏有效利用是迫切解决的问题。
传统道路基层材料采用水泥级配碎石,其抗拉强度低、易出现裂缝,影响道路的使用寿命和稳定性。CN104909695B公开了一种磷石膏水硬性道路基层材料,利用磷石膏生产道路基层材料,大宗固废磷石膏提供了一种新的利用手段,有利于环保。但是在低温条件下现有技术固化速度较慢,生产效率较低,形成的道路基层抗压性差,稳定性低。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种可低温条件下施工的快速固化道路基层材料,按重量份计,包括以下制备原料:磷石膏70-90份、水泥10-20份、固化剂0.15-4.5份、功能树脂0.14-1.8份、助剂1-5份。
优选的一种方案,制备原料包括:磷石膏85份、水泥12份、固化剂2份、功能树脂1份、助剂2份。
所述磷石膏选自干排磷石膏、湿排磷石膏中任一种。
所述水泥选自普通硅酸盐水泥或快硬水泥中的任一种。
进一步,所述水泥为快硬水泥。
进一步,所述快硬水泥为快硬硅酸盐水泥、快硬快硬硫铝酸盐水泥中的一种。
作为一种优选方案,所述快硬水泥为快硬硫铝酸盐水泥。
基于本发明体系,以干排或湿排磷石膏作为道路基层材料的主要原料,实现了固废资源的循环利用,生产成本较低,且有利于环保,但是现有技术中磷石膏在低温条件下水化硬化过程缓慢,不利于后期强度的形成。
本发明人在探究过程中发现,基于本发明体系,引入10-20重量份快硬水泥,尤其是当引入的快硬水泥为快硬硫铝酸盐水泥时,一方面可以与干排或湿排磷石膏反应生成交联水硬性硫铝酸盐凝胶体系,为后续磷石膏与固化剂反应提供载体,有助于实现道路基层材料的快速固化,降低生产条件,延长材料使用周期,实现低温下稳定施工;另一方面由于具有趋向于一致的凝结速度和起泡速度,有效避免道路基层材料离析,保证道路基层材料的后期强度。
所述固化剂至少包括苯乙烯-丙烯酸酯共聚物。
所述功能树脂的制备原料至少包括丙烯酸单体、氢氧化钠水溶液、过硫酸钠、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙烯醇、甲基丙烯酰胺、乙二醇二缩水甘油醚、烷烃化合物、司盘。
所述功能树脂包括以下制备步骤:
(1)在冰水浴条件下,将6-9g丙烯酸单体加入到0.5-1L 1-3mol/L氢氧化钠水溶液中搅拌反应得到丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液;
(2)向丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液中加入0.01-0.1g过硫酸钠、0.001-0.01g聚乙二醇二丙烯酸酯、6-9g聚乙烯醇、6-9g甲基丙烯酰胺进行反应,干燥后得到交联聚合物;
(3)将交联聚合物加入80-120mL烷烃化合物中,加入0.1-0.5g司盘、0.05-0.3g乙二醇二缩水甘油醚在70-90℃下反应1-2h,烘干后球磨至粒径为100-200微米即得。
作为一种优选的技术方案,所述功能树脂的制备方法为:
(1)在冰水浴条件下,将7.2g丙烯酸单体加入到0.8L1-3 mol/L氢氧化钠水溶液中搅拌反应得到丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液;
(2)向丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液中加入0.05g过硫酸钠、0.005g聚乙二醇二丙烯酸酯、8g聚乙烯醇、8g甲基丙烯酰胺进行反应,干燥后得到交联聚合物;
(3)将交联聚合物加入100mL烷烃化合物中,加入0.2g司盘、0.1g乙二醇二缩水甘油醚在80℃下反应1.5h,烘干后球磨至粒径为100微米即得。
所述烷烃化合物选自正己烷、正庚烷、正辛烷、2-甲基己烷、3-甲基己烷、3-乙基戊烷、环己烷、甲基环己烷、环戊烷、甲基环戊烷、苯、甲苯和二甲苯中的一种或几种的组合。
优选的一种方案,所述烷烃化合物选自正辛烷。
所述司盘选自司盘20、司盘40、司盘60、司盘80中的一种或几种的组合。
优选的一种方案,所述司盘选自司盘80。
发明人发现,上述磷石膏与水泥掺杂得到的基层材料受施工强度、温度和湿度的影响,材料结构不稳定性增加,导致形成的道路基层极易开裂,严重影响道路的使用寿命和稳定性,为了解决上述问题,发明人引入功能树脂,且控制所述水泥、固化剂、功能树脂的质量比为(10-15):(1-3):(0.5-1.8),与体系中的磷石膏发生特异性作用,形成稳定固结的磷石膏道路基层。
发明人通过将丙烯酸单体与聚乙烯醇、甲基丙烯酰胺进行化学共聚,采用聚乙二醇二丙烯酸酯和乙二醇二缩水甘油醚进行两次交联,得到具有半互穿的网络结构的功能树脂,应用于道路基层材料的制备,提高道路基层的抗拉强度,避免体系中的水泥由于水化作用导致制备的道路基层收缩导致的开裂,这可能是由于,具有特定结构的功能树脂的引入,使体系中的磷石膏和水泥连结形成统一的整体,提高道路基层的抗拉强度,同时能够有效束缚入侵的水分子,避免水分子入侵导致材料结构不稳定,保证道路基层空间稳定性,避免由于道路基层产生反射裂缝导致道路的承载力和使用寿命缩短的问题。
发明人在探究过程中发现,功能树脂二次交联过程影响功能树脂的结构和性能,进而影响其应用于制备的道路基层材料综合性能,发明人在探究过程中意外发现,控制烷烃化合物为正辛烷,配合司盘80能够使交联聚合物与乙二醇二缩水甘油醚实现良好的分散交联,使聚乙烯醇穿插于聚丙烯酸-聚丙烯酸钠-甲基丙烯酰胺的交联网状结构中,形成半互穿的表面交联网络结构,确保功能树脂有效应用于道路基层材料的制备。
此外,发明人在探究过程中发现,当功能树脂的粒径高于200μm时,影响固化后形成的道路基层的平整度。
所述助剂至少包括减水剂、促凝剂、附着力促进剂。
所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂、氨基磺酸盐类减水剂、萘系减水剂中的至少一种。
优选的,所述减水剂为聚羧酸类减水剂。
所述促凝剂选自硫酸铝、氯化锂、碳酸锂中的至少一种。
优选的,所述促凝剂为硫酸铝。
所述附着力促进剂选自聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、可再分散乳胶粉、甲基纤维素中的一种或几种的组合;
优选的,所述附着力促进剂为可再分散乳胶粉和聚乙烯醇的组合。
进一步的,所述可再分散乳胶粉和聚乙烯醇的质量比为(3-5):(0.8-1.2)。
所述可再分散乳胶粉选自醋酸乙烯酯与乙烯共聚胶粉、乙烯与氯乙烯及月硅酸乙烯酯三元共聚胶粉、醋酸乙烯酯与乙烯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚胶粉、醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯酯共聚胶粉、丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉、苯乙烯与丁二烯共聚胶粉、醋酸乙烯酯均聚胶粉中的一种或几种的组合。
优选的,所述可再分散乳胶粉为丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉。
基于本发明体系,引入质量比为(3-5):(0.8-1.2)的可再分散乳胶粉和聚乙烯醇使提供的道路基层材料能够与道路基面之间实现紧密的贴合,在该质量比下,亲水性聚乙烯醇对可再分散乳胶粉起到保护的作用,使可再分散乳胶粉遇水后可以形成连续的薄膜,起到胶结的作用,但是不同的可再分散乳胶粉对体系中各原料之间的胶结效果有着较大的差异,发明人在探究过程中发现,当体系中的可再分散乳胶粉为丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉时,体系中各原料的胶结效果最好,有效提高道路基层材料的内聚力和附着力,减少开裂,填充至路基路面的缝隙中,增加路基的结构强度同时提高抗渗防水性能。发明人分析原因可能为,基于丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉的特殊结构,与体系中的其他原料具有很好的结合作用,在体系中充分分散后成膜并作为增强材料分布于整个道路基层结构中,增加了道路基层的内聚力,保证道路基层的结构强度的同时提高道路基层的抗渗防水性能。
所述的一种快速固化道路基层材料的制备工艺,包括以下步骤:
(1)按质量份,将70-90份磷石膏、10-20份水泥混合搅拌均匀得到混合料A;
(2)按重量份,将混合料A、0.15-4.5份固化剂、0.14-1.8份功能树脂、1-5份助剂搅拌混合均匀后即得。
作为一种优选的技术方案,所述的一种快速固化道路基层材料的制备工艺步骤为:
(1)按质量份,将85份磷石膏、12份水泥混合搅拌均匀得到混合料A;
(2)按重量份,将混合料A、2份固化剂、1份功能树脂、2份助剂搅拌混合均匀后即得。
有益效果:
1、本发明体系,引入质量比为(3-5):(0.8-1.2)的可再分散乳胶粉和聚乙烯醇使提供的道路基层材料能够与道路基面之间实现紧密的贴合,增加路基的结构强度同时提高抗渗防水性能。
2、本发明所述道路基层材料抗拉强度高、不易出现裂缝,增加路基的结构强度同时提高抗渗防水性能,具有较高的强度和道路承载力,提高了道路的使用寿命和稳定性。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例1一方面公开了一种快速固化道路基层材料,按质量份计,其制备原料为:82份磷石膏、15份快硬硫铝酸盐水泥、3份固化剂、1.8份功能树脂、5份助剂。
所述功能树脂的制备方法为:
(1)在冰水浴条件下,将9g丙烯酸单体加入到1L 3mol/L氢氧化钠水溶液中搅拌反应得到丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液;
(2)向丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液中加入0.1g过硫酸钠、0.01g聚乙二醇二丙烯酸酯、9g聚乙烯醇、9g甲基丙烯酰胺进行反应,干燥后得到交联聚合物;
(3)将交联聚合物加入120mL正辛烷中,加入0.5g司盘80、0.3g乙二醇二缩水甘油醚在90℃下反应2h,烘干后球磨至粒径为200微米得到功能树脂。
所述助剂制备方法为:取5份丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉,0.8份聚乙烯醇混合得到助剂。
所述磷石膏为湿排磷石膏,来自于湖北新洋丰现代农业发展有限公司。
所述份快硬硫铝酸盐水泥购自于郑州盾泥建材有限公司。
所述固化剂购自于道康宁(深圳)科技有限公司,型号为2655。
所述丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉购自于北京万图明科技有限公司,型号为FX7000。
本发明实施例1另一方面公开了一种快速固化道路基层材料的制备工艺,制备步骤如下:
(1)按质量份,将82份磷石膏、15份快硬硫铝酸盐水泥混合搅拌均匀得到混合料A;
(2)按重量份,将混合料A、3份固化剂、1.8份功能树脂、5份助剂搅拌混合均匀后即得。
实施例2
本发明实施例2一方面公开了一种快速固化道路基层材料,按质量份计,其制备原料为:90份磷石膏、10份快硬硫铝酸盐水泥、1份固化剂、0.5份功能树脂、1份助剂。
所述功能树脂的制备方法为:
(1)在冰水浴条件下,将6g丙烯酸单体加入到0.5L 1mol/L氢氧化钠水溶液中搅拌反应得到丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液;
(2)向丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液中加入0.01g过硫酸钠、0.001g聚乙二醇二丙烯酸酯、6g聚乙烯醇、6g甲基丙烯酰胺进行反应,干燥后得到交联聚合物;
(3)将交联聚合物加入80mL正辛烷中,加入0.1g司盘80、0.05g乙二醇二缩水甘油醚在70℃下反应1h,烘干后球磨至粒径为100微米得到功能树脂。
所述助剂制备方法为:取3份丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉,1.2份聚乙烯醇混合得到助剂。
所述磷石膏为干排磷石膏,来自于湖北新洋丰现代农业发展有限公司。
所述份快硬硫铝酸盐水泥购自于郑州盾泥建材有限公司。
所述固化剂购自于道康宁(深圳)科技有限公司,型号为2655。
所述丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉购自于北京万图明科技有限公司,型号为FX7000。
本发明实施例2另一方面公开了一种快速固化道路基层材料的制备工艺,制备步骤如下:
(1)按质量份,将90份磷石膏、10份快硬硫铝酸盐水泥混合搅拌均匀得到混合料A;
(2)按重量份,将混合料A、1份固化剂、0.5份功能树脂、1份助剂搅拌混合均匀后即得。
实施例3
本发明实施例3一方面公开了一种快速固化道路基层材料,按质量份计,其制备原料为:85份磷石膏、12份快硬硫铝酸盐水泥、2份固化剂、1份功能树脂、2份助剂。
所述功能树脂的制备方法为:
(1)在冰水浴条件下,将7.2g丙烯酸单体加入到0.8L 2mol/L氢氧化钠水溶液中搅拌反应得到丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液;
(2)向丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液中加入0.05g过硫酸钠、0.005g聚乙二醇二丙烯酸酯、8g聚乙烯醇、8g甲基丙烯酰胺进行反应,干燥后得到交联聚合物;
(3)将交联聚合物加入100mL正辛烷中,加入0.2g司盘80、0.1g乙二醇二缩水甘油醚在80℃下反应1.5h,烘干后球磨至粒径为100微米得到功能树脂。
所述助剂制备方法为:取4份丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉,1份聚乙烯醇混合得到助剂。
所述磷石膏为湿排磷石膏,来自于湖北新洋丰现代农业发展有限公司。
所述份快硬硫铝酸盐水泥购自于郑州盾泥建材有限公司。所述固化剂购自于道康宁(深圳)科技有限公司,型号为2655。
所述丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉购自于北京万图明科技有限公司,型号为FX7000。
本发明实施例3另一方面公开了一种快速固化道路基层材料的制备工艺,制备步骤如下:
(1)按质量份,将85份磷石膏、12份快硬硫铝酸盐水泥混合搅拌均匀得到混合料A;
(2)按重量份,将混合料A、2份固化剂、1份功能树脂、2份助剂搅拌混合均匀后即得。
对比例1
将正辛烷替换为正十二烷,将司盘80替换为吐温80,其余同实施例3。
对比例2
取2份丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉、2份聚乙烯醇混合得到助剂,其余同实施例3。
对比例3
将快硬硫铝酸盐水泥替换为18份、固化剂取5份、取功能树脂2份,其余同实施例3。
性能测试
参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)试验方法,对上述基层材料进行无侧限抗压、劈裂和弯拉强度试验
将快速固化道路基层材料加水搅匀得到含水率为15%的浆料,在道路表面进行摊铺、碾压,保湿养护3天,形成固化稳定的道路基层,之后进行无侧限抗压测试、劈裂强度测试、弯拉强度测试,测试结果填入下表:
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种快速固化道路基层材料,其特征在于,按重量份计,包括以下制备原料:磷石膏70-90份、水泥10-20份、固化剂0.15-4.5份、功能树脂0.14-1.8份、助剂1-5份。
2.根据权利要求1所述的基层材料,其特征在于,所述磷石膏选自干排磷石膏、湿排磷石膏中任一种。
3.根据权利要求1所述的基层材料,其特征在于,所述水泥选自普通硅酸盐水泥或快硬水泥中的任一种。
4.根据权利要求1所述的基层材料,其特征在于,所述固化剂至少包括苯乙烯-丙烯酸酯共聚物。
5.根据权利要求1所述的基层材料,其特征在于,所述功能树脂的制备原料至少包括丙烯酸单体、氢氧化钠水溶液、过硫酸钠、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙烯醇、甲基丙烯酰胺、乙二醇二缩水甘油醚、烷烃化合物、司盘。
6.根据权利要求5所述的基层材料,其特征在于,所述功能树脂包括以下制备步骤:
(1)在冰水浴条件下,将6-9g丙烯酸单体加入到0.5-1L 1-3mol/L氢氧化钠水溶液中搅拌反应得到丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液;
(2)向丙烯酸/丙烯酸钠混合单体溶液中加入0.01-0.1g过硫酸钠、0.001-0.01g聚乙二醇二丙烯酸酯、6-9g聚乙烯醇、6-9g甲基丙烯酰胺进行反应,干燥后得到交联聚合物;
(3)将交联聚合物加入80-120mL烷烃化合物中,加入0.1-0.5g司盘、0.05-0.3g乙二醇二缩水甘油醚在70-90℃下反应1-3h,烘干后球磨至粒径为100-200微米即得。
7.根据权利要求6所述的基层材料,其特征在于,所述烷烃化合物选自正己烷、正庚烷、正辛烷、2-甲基己烷、3-甲基己烷、3-乙基戊烷、环己烷、甲基环己烷、环戊烷、甲基环戊烷、苯、甲苯和二甲苯中的一种或几种的组合;所述司盘选自司盘20、司盘40、司盘60、司盘80中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求1所述的基层材料,其特征在于,所述助剂包括减水剂、促凝剂、附着力促进剂。
9.根据权利要求8所述的基层材料,其特征在于,所述减水剂选自聚羧酸系高效减水剂、氨基磺酸盐类减水剂、萘系减水剂中的至少一种。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的快速固化道路基层材料的制备工艺,其特征在于,包括以下步骤:
(1)按质量份,将磷石膏70-90份、水泥10-20份混合搅拌均匀得到混合料A;
(2)按重量份,将混合料A、固化剂0.15-4.5份、功能树脂0.14-1.8份、助剂1-5份搅拌混合均匀后即得。
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