CN117125955A - 一种应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料及制备方法 - Google Patents
一种应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料及制备方法，属于路面养护复合材料领域。本发明针对现有技术的不足，提供一种能够快速开放交通的稀浆封层材料，由磷酸镁水泥基体粉料、乳化沥青、拌合水、机制砂、粗集料及抗分散剂配制而成，具备MPC的快硬早强特性及乳化沥青材料的柔性。此种材料只需简单拌合便可使用，同时具备早期强度高、凝结时间短、耐高温性能优异的特性，有利于缩短养护时间，同时提升养护处的耐高温性能。
Description
技术领域
本发明属于路面养护复合材料技术领域，具体涉及一种应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
沥青路面在较高等级公路上的应用愈加普遍，其具有的独特粘弹性使其对温度变化较为敏感：在夏季温度较高时，表现为流态、强度低、弹性模量低，容易产生车辙变形等病害；在冬季低温条件下，沥青路面弹性模量增大变为刚性材料，易产生脆性收缩裂缝等病害；在雨水偏多的季节，沥青路面也易受到水损害而产生集料松散剥落等现象，继而形成坑槽。更糟糕的是，沥青路面会长期受到车辆荷载反复作用，同时受到水温耦合作用，使得其产生各种病害的状况更为频繁和严重。而稀浆封层工艺属于表面处置路面的一种预防性养护施工方法。旧的沥青路面经常出现裂缝和坑洼，当表面受到磨损后，在路面上用乳化沥青稀浆封层混合料摊铺成薄层，并使其尽快固化，从而使沥青混凝土路面得到养护。稀浆封层厚度一般在3cm以下。它是以恢复路面功能为目的，防止进一步损坏的维修养护，以起到有效延长高速道路路面的使用寿命，降低修复成本的目的。
对于高速公路或城市快车道上铺筑稀浆封层时，应选用优质乳化沥青或聚合物改性乳化沥青，以增加沥青和矿料之间的黏结强度。要求乳化沥青与矿料拌合后和拌合过程中不离析，对矿料裹附性好，处于良好的流动状态，摊铺后又能快速凝结，开放交通。而常用的乳化沥青稀浆摊铺后成型时间在4-5h以上，这严重阻碍了开放交通的时间，使得交通堵塞，威胁行车安全。
化学结合磷酸镁胶结材料(MPC)是由氧化镁与可溶性磷酸盐、外加剂以及矿物掺合料按照一定比例，在酸性条件下通过酸碱化学反应及物理作用生成的以磷酸盐为粘结相的新型无机胶凝材料，具有高早强、凝结时间快且粘结性能出色的特点。发明人的在先研究中，将乳化沥青与MPC材料结合，复合后的材料同时具备无机材料的刚性与有机材料的柔性，提供了一种环境友好、操作简便的灌缝材料，能够有效缩短道路病害修复时间。然而，稀浆封层与灌缝材料的施用方式具有明显不同，对复合材料的性能要求也存在显著差异，直接转用无法满足施工要求，因此，提供一种适用于稀浆封层的复合材料具有重要的研究意义。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种适用于沥青路面养护的稀浆封层复合材料，该材料具有快硬早强的特点，摊铺后早期强度高、凝结时间短，有利于缩短路面养护工作的施工时间。
本发明技术思路如下：
本发明第一方面，提供一种应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，包括如下重量份的各原料：磷酸镁水泥基体粉料、乳化沥青、拌合水、机制砂、粗集料及抗分散剂；
其中，所述磷酸镁水泥基体粉料由重烧氧化镁、硼砂、磷酸二氢铵、矿粉、硅灰、粉煤灰配制而成；
所述抗分散剂包括纤维素醚、纳米SiO2及超细粉煤灰。
传统的稀浆封层材料在实际应用中存在强度差，强度形成时间长且粘结性能不足的缺点，难以真正起到道路养护的目的。本发明将磷酸镁水泥基体材料(MPC)加入乳化沥青形成有机-无机复合体系，通过磷酸镁水泥的水化可以消耗乳化沥青中的水分，且水泥水化释放出来的水化热也可以加速乳化沥青的破乳速度，而乳化沥青经过破乳过程后，能恢复原有的粘结性能，并与MPC材料发生交互作用，形成介于MPC材料和乳化沥青之间的一种半刚性的胶凝材料，利用MPC-乳化沥青体系的机械咬合作用和混合料之间嵌合作用共同形成强度，完成快速作业。
进一步地，乳化沥青按照MPC总质量的40％～70％添加，总水灰比W/C＝0.15～0.45调节。乳化沥青掺量过少会导致MPC材料不能被完全包裹，出现离析现象，使得材料的均匀性受到影响，乳化沥青掺量过多，导致材料的力学性能及凝结时间大打折扣，材料失去自身的性能优势，经查阅相关文献及试验测试得，乳化沥青掺量在40％～70％之间时材料性能优势明显。
所述的抗分散剂中，纤维素醚为羟丙基甲基纤维素，其在水泥基材料体系中可以起到多种作用，包括保水分散、增稠增粘、引气润滑和缓凝作用。前期研究结果表明，纤维素醚在掺量大于0.15％时会显著增大材料体系的稠度，并降低材料的力学性能。而低掺量的纤维素醚可以很好地分散悬浊液中的颗粒，提高材料的稳定性。前期研究表明，抗分散剂中的纤维素醚在基体材料中的质量百分数为0.05％-0.5％较为合理；纳米SiO2被证明可以改善水泥基材料的悬浮稳定性、粘结强度、耐候性等，前期研究表明，其掺量过高时，会对力学性能带来不利影响，抗分散剂中的纳米材料掺量在1％～3％中；超细粉煤灰作为超细粉体，少量掺加能提升材料的稳定性，避免镁磷比较小时，氧化镁因重力作用发生沉淀，导致材料的不均匀，同时一定掺量的粉煤灰还可以提高材料的结构致密性，加强材料的流动性能和力学性能，建议掺量为不超过磷酸镁水泥基体粉料的20％。
本发明还提供上述快硬早强材料的制备方法，将MPC干料及抗分散剂加入液体中混均中再加入粗集料等，混合后材料摊铺在路面上形成沥青封层，经过裹覆、破乳、析水、蒸发和固化等过程与原路面牢固地结合在一起，形成密实、坚固、耐磨和道路表面封层，大大提高路面使用性能。
以上一个或多个技术方案的有益效果是：
1、本发明提供的稀浆封层，其凝结时间相比现有沥青路面修复材料显著缩短，硬化时间控制在2小时之内，有效缩短了路面养护施工实现，开放交通快，早期强度发展迅速。
2、本发明提供的稀浆封层材料，其制备原料均为绿色环保的原材料，避免了对环境及地下水的污染，实现了绿色修补。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中针对沥青路面养护的材料还存在施工时间长的缺陷，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，具体方案如下：
本发明第一方面，提供一种应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，其原料为以下重量份的各组分：磷酸镁水泥基体粉料21～50份、乳化沥青10～25份、拌合水5～15份、机制砂5～20份、粗集料40～60份，抗分散剂0.5～1份；
所述磷酸镁水泥粉料由重烧氧化镁10～20份，硼砂1～4份、磷酸二氢铵5～10份、矿粉0～3份、硅灰0～3份、粉煤灰5～10份配制而成。
针对第一方面，本发明还提供如下优选的技术方案：
乳化沥青：本发明中乳化沥青为固含量为55％～60％的阳离子型聚合物改性乳化沥青，符合《微表处和稀浆封层技术指南》(JTG/T F40-02-2005)中BCR型的规定。
拌合水：拌合水即将上述各组分混合进行拌合用水，按水源可分为饮用水、地表水、地下水、海水，以及经适当处理或处置后的工业废水；通常情况下，拌合水的来源对混凝土材料的强度几乎没有影响，技术人员可依据建筑规范要求进行常规选择，本发明提供的实施方式中，所述拌合水采用自来水即可。
机制砂：机制砂是通过制砂机和其它附属设备加工而成的砂子，与河砂相比，机制砂对MPC材料拌合物的性能影响不大。同时，机制砂还具有节能减排、污染小、制造成本低等一系列优势，因此在该体系中使用机制砂作为骨料较好。机制砂的粒径为40-80目。
粗集料：本发明优选采用与阳离子乳化沥青适配性更好的玄武岩，级配选用骨架密实结构SMA-13，按照JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》对集料进行筛分。
抗分散剂：所述抗分散剂中包括如下重量份的各组分：纤维素醚0.05～0.15份，纳米SiO2 1～3份，超细粉煤灰0～5份。其中，超细粉煤灰起到维持浆液稳定性的作用，且对流动性影响较小，在纤维素醚及纳米SiO2添加后起到辅助作用，如果施工现场对流动性有一定要求，可加大超细粉煤灰掺量并减少纤维素醚及纳米SiO2的掺量。
涉及磷酸镁水泥粉料，本发明还提供如下优选的方案：
重烧氧化镁：本发明采用的重烧氧化镁是菱镁矿经高温煅烧后再经过破碎、粉磨后获得，外观为淡黄色，纯度为90％及以上，细度不大于200目；具体的实例中，氧化镁的纯度大约为91％。
硼砂：本发明中硼砂作为材料中的缓凝剂发挥作用，多选用十水硼砂，为结晶性白色粉末，密度1.72g/cm3，纯度大于95％。
磷酸二氢氨：工业级，为白色粉末颗粒，NH4H2PO4含量为99％。
矿粉：细度小于1μm的占80％以上，平均粒径在0.1-0.3μm。
硅灰：硅灰的平均粒径为0.1-0.15μm。
粉煤灰：其平均粒径分布约为8～20μm，比表面积为300～600m2/kg；进一步地，粗集料按照磷酸镁水泥基体粉料总质量1.25～4倍添加，粗集料选择粒径较小且差异性较小的碎石(可参照道路养护标准中的碎石粒径要求)，粗集料的添加量过小会导致原有沥青路面与修补区域均一性的差异过大，且路面防滑性较差；而粗集料占比过大导致材料未能将粗集料包裹，集料间的凝结性能受到影响，经试验得到，粗集料在MPC质量的1.25～4倍之间时，性能较为出色。
本发明第二方面，提供第一方面所述快硬早强材料的制备方法，包括如下步骤：
将磷酸二氢铵、硼砂、重烧氧化镁、矿粉、硅灰、粉煤灰按一定配比混均配制成MPC干料；将乳化沥青及拌合水混合进行低速搅拌，缓慢加入MPC干料及抗分散剂，充分混匀形成MPC-EA胶结料；
然后加入机制砂高速搅拌形成MPC-EA砂浆；最后加入粗集料，高速搅拌制备出MPC-EA混合料，将其摊铺在路面上形成所述稀浆封层。
优选的，所述低速搅拌的转速为140±5r/min，搅拌时间为0.1～1min.
优选的，上述MPC干料和抗分散剂应当采用缓慢均匀的速度加入，优选的方案中，在0.8～1.2min内加完，加完后持续搅拌2～4min得到MPC-EA胶结料。
优选的，所述高速搅拌的速度为285±3r/min，搅拌时间为3～5min。
上述MPC-EA混合料摊铺在路面上，有必要的情况下，可以通过手工修复局部施工缺陷，自然养护1.5～2h，即可开放交通。
优选的，所述MPC-EA混合料摊铺压实速度应与拌合量保持一致，且厚度不超过3cm。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料由重烧氧化镁、磷酸二氢铵和硼砂混合均匀，配置得到胶凝材料，再与乳化沥青和水混合得到MPC-乳化沥青复合体系。磷酸镁水泥基材料质量分数：重烧氧化镁15份和磷酸二氢铵5份，硼砂掺量为1份，粉煤灰5份，矿粉1份，硅灰1份。
所述的抗分散剂中，纤维素醚：纳米SiO2：超细粉煤灰＝0.05：1：3。
乳化沥青掺量为12份；机制砂，13份；SMA-13粗集料，50份；拌合水为8份。
将磷酸二氢铵、硼砂、重烧氧化镁、矿粉、硅灰、粉煤灰按配比混均配制成MPC干料；将乳化沥青及拌合水混合后低速搅拌1min，缓慢加入MPC干料及抗分散剂，在0.8～1.2min内加完，加完后持续搅拌2～4min，充分混匀形成MPC-EA胶结料；
然后加入机制砂高速搅拌形成MPC-EA砂浆；最后加入粗集料，高速搅拌4min制备出MPC-EA混合料，将其摊铺在路面上形成所述稀浆封层；上述搅拌过程在行星式砂浆搅拌机中进行，采用仪器自转方式，其高速搅拌的转速为285±3r/min，低速搅拌的转速为140±5r/min。
按上述拌合方法搅拌均匀后，测试其可工作时间在40min左右，在待养护路段摊铺均匀，压实。放置警示物，自然养护2h即可开放交通。
实施例2
本实施具体方式与实施例1仅有下述材料的比例分数不同，操作步骤及材料组成基本一致，采用了重烧氧化镁、磷酸二氢铵和硼砂混合均匀，配制得到胶凝材料，再与乳化沥青和水混合得到MPC-乳化沥青复合体系。磷酸镁水泥基材料质量分数：重烧氧化镁20份和磷酸二氢铵7份，硼砂掺量为1.2份，粉煤灰10份，矿粉0份，硅灰2份。
所述的抗分散剂中，纤维素醚：纳米SiO2：超细粉煤灰＝0.1：1：5。
乳化沥青掺量为20份；机制砂，10份；SMA-13集料，60份；拌合水为8份。
按实施例1中拌合方法搅拌均匀后，测试其可工作时间在23min左右，在待养护路段摊铺均匀，压实。放置警示物，自然养护1.5h即可开放交通。
实施例3
本实施具体方式与实施例1仅有下述材料的比例分数不同，操作步骤及材料组成基本一致，采用了重烧氧化镁、磷酸二氢铵和硼砂混合均匀，配制得到胶凝材料，再与乳化沥青和水混合得到MPC-乳化沥青复合体系：磷酸镁水泥基材料质量分数：重烧氧化镁20份和磷酸二氢铵5份，硼砂掺量为1.6份，粉煤灰15份，矿粉2份，硅灰2份。
所述的抗分散剂中，纤维素醚：纳米SiO2：超细粉煤灰＝0.1：2：0。
乳化沥青掺量为25份；机制砂，15份；SMA-13集料，40份；拌合水为10份。
按实施例1中拌合方法搅拌均匀后，测试其可工作时间在20min左右，在待养护路段摊铺均匀，压实。放置警示物，自然养护1.5h即可开放交通。
实施例4
本实施具体方式与实施例1仅有下述材料的比例分数不同，操作步骤及材料组成基本一致，采用了重烧氧化镁、磷酸二氢铵和硼砂混合均匀，配制得到胶凝材料，再与固含量60％的乳化沥青和水混合得到MPC-乳化沥青复合体系磷酸镁水泥基材料质量分数：重烧氧化镁15份和磷酸二氢铵5份，硼砂掺量为2份，粉煤灰20份，矿粉5份，硅灰5份。
所述的抗分散剂中，纤维素醚：纳米SiO2：超细粉煤灰＝0.15：3：10。
乳化沥青掺量为30份；机制砂，15份；SMA-13集料，45份；拌合水为10份。
按实施例1中拌合方法搅拌均匀后，测试其可工作时间在50min左右，在待养护路段摊铺均匀，压实。放置警示物，自然养护2h即可开放交通。
实施例5
本实施具体方式与实施例一仅有下述材料的比例分数不同，操作步骤及材料组成基本一致，采用了重烧氧化镁、磷酸二氢铵和硼砂混合均匀，配制得到胶凝材料磷酸镁水泥基材料质量分数：重烧氧化镁10份和磷酸二氢铵5份，硼砂掺量为1份，粉煤灰20份，矿粉7份，硅灰5份。
所述的抗分散剂中，纤维素醚：纳米SiO2：超细粉煤灰＝0.15：2：5。
乳化沥青掺量为25份；机制砂，15份；SMA-13集料，50份；拌合水为15份。
按实施例1中拌合方法搅拌均匀后，测试其可工作时间在60min左右，在待养护路段摊铺均匀，压实。放置警示物，自然养护2h即可开放交通。
关于MPC-乳化沥青复合体系的相关性能并没有明确的规范测试方法，本发明因材料的快硬特性，主要针对其可工作时间(即浆体失去流动性时间)、硬化时间、无侧限抗压强度，抗弯强度及与旧基体粘结强度等进行初步工作性能测试。
实施例1至实施例5具体性能参数测试值见表1：
表1材料性能测试结果
由上述试验数据可知，本发明材料的凝结时间可通过调节配合比来实现，凝结时间可在30～70min内调节，混合料的强度明显高于同比例下砂浆的强度，复合材料能适应不同环境不同道路下的不同施工要求，养护条件简单，对交通影响较小，大大地减少了经济损失和安全隐患；并且MPC材料的快硬早强性能使得其1h内强度发展迅速，能够为乳化沥青稀浆封层材料领域提供一种新的选择。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，其特征在于，其原料为以下重量份的各组分：磷酸镁水泥基体粉料21～50份、乳化沥青10～25份、拌合水5～15份、机制砂5～20份、粗集料40～60份，抗分散剂0.5～1份；
所述磷酸镁水泥粉料由重烧氧化镁10～20份，硼砂1～4份、磷酸二氢铵5～10份、矿粉0～3份、硅灰0～3份、粉煤灰5～10份配制而成。
2.如权利要求1所述应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，其特征在于，
所述乳化沥青为固含量55％～60％的阳离子型聚合物改性乳化沥青，符合《微表处和稀浆封层技术指南》(JTG/T F40-02-2005)中BCR型的规定；
所述拌合水为自来水；
所述机制砂的粒径为40-80目；
所述粗集料材质为玄武岩，级配选用SMA-13，按照JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》对集料进行筛分。
3.如权利要求1所述应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，其特征在于，所述抗分散剂中包括如下重量份的各组分：纤维素醚0.05～0.15份，纳米SiO2 1～3份，超细粉煤灰0～5份。
4.如权利要求1所述应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，其特征在于，所述重烧氧化镁为菱镁矿经高温煅烧后再经过破碎、粉磨后获得，外观为淡黄色，纯度为90％及以上，细度不大于200目，氧化镁的纯度为91％；
所述硼砂选用十水硼砂，为结晶性白色粉末，密度1.72g/cm3，纯度大于95％。
5.如权利要求1所述应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，其特征在于，所述磷酸二氢氨为工业级，白色粉末颗粒，NH4H2PO4含量为99％；
所述矿粉细度小于1μm的占80％以上，平均粒径在0.1-0.3μm。
6.如权利要求1所述应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，其特征在于，所述硅灰的平均粒径为0.1-0.15μm；
所述粉煤灰的平均粒径分布为8～20μm，比表面积为300～600m2/kg。
7.如权利要求1所述应用于乳化沥青稀浆封层的快硬早强材料，其特征在于，所述粗集料按照磷酸镁水泥基体粉料总质量1.25～4倍添加，粗集料选择粒径较小且差异性较小的碎石，参照道路养护标准中的碎石粒径要求。
8.权利要求1-7任一项所述快硬早强材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将磷酸二氢铵、硼砂、重烧氧化镁、矿粉、硅灰、粉煤灰按一定配比混均配制成MPC干料；将乳化沥青及拌合水混合进行低速搅拌，缓慢加入MPC干料及抗分散剂，充分混匀形成MPC-EA胶结料；
然后加入机制砂高速搅拌形成MPC-EA砂浆；最后加入粗集料，高速搅拌制备出MPC-EA混合料，将其摊铺在路面上形成所述稀浆封层。
9.如权利要求8所述快硬早强材料的制备方法，其特征在于，所述低速搅拌的转速为140±5r/min，搅拌时间为0.1～1min，高速搅拌的转速为285±3r/min，搅拌时间为3～5min；
或，所述MPC干料和抗分散剂在0.8～1.2min内加完，加完后持续搅拌2～4min得到MPC-EA胶结料。
10.如权利要求8所述快硬早强材料的制备方法，其特征在于，所述MPC-EA混合料摊铺在路面上，自然养护1.5～2h，即可开放交通；
或，所述MPC-EA混合料摊铺压实速度应与拌合量保持一致，且厚度不超过3cm。
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