本发明涉及路面材料
技术领域：
，具体涉及一种路用超高韧性水泥基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
：本发明
背景技术：
中公开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。超高韧性水泥基复合材料(engineeredcementitiouscomposites，简称ecc)是基于微观力学材料设计理论，采用纤维增强，具有较高的弯拉强度、优异变形能力、应变硬化及多缝开裂特征的纤维增强水泥基复合材料，ecc作为一种基于细观力学设计的具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料，在国外已广泛应用于桥梁等传统的结构工程，有效解决了现有桥面铺装出现的开裂等病害问题。专利文献cn201710022823.8公开了一种掺入pva纤维的超高韧性水泥基复合材料，由水泥、粉煤灰、砂、水、减水剂、增稠剂和pva纤维组成。该复合材料加入了大量粉煤灰作为原材料，消耗了现有的不利于环保的工业废渣，减少了水泥的用量，有利于减少碳排放，使得高延性水泥基复合材料更加绿色。然而，本发明人认为：随着我国公路建设的不断发展，道路荷载不断增大，由于目前国内高等级公路主要采用半刚性基层沥青路面，在服务周期内极易出现反射裂缝等路面病害，大大降低了路面的使用寿命，现有的维修方法主要是在已有的道路路面上加铺罩面层或进行表面处置，修护路表病害，增强现有路面结构强度。或在新的沥青面层和原有路基之间要加铺隔层，防止反射裂缝的产生。但混凝土和沥青的使用给环境带来了重大挑战。水泥是混凝土中关键组成成分，生产水泥每年会释放超过1.6亿公吨的二氧化碳，占全人类活动二氧化碳排放总量的8％，生产水泥的过程中还会产生大量其他污染物，如颗粒物和硫的氧化物。生产1立方米沥青会消耗7613mj的原料能，且沥青是一个大的有机挥发物源，资料显示，每年在美国沥青路面施工中，会挥发有机污染物20万吨。此外，混凝土和沥青材料的使用年限有限，导致一些道路的维修和养护频繁；因此，有必要进一步改善超高韧性水泥基复合材料的性能。技术实现要素：针对上述的技术问题，本发明旨在一种路用超高韧性水泥基复合材料及其制备方法和应用。本发明提供复合材料具有优异的耐久性、抗冲击性及抗疲劳性能；将其应用于传统沥青路面结构后能够更好地解决路面耐久性的问题，有显著提高路面结构的寿命。本发明第一目的，是提供一种路用超高韧性水泥基复合材料。本发明第二目的，是提供所述路用超高韧性水泥基复合材料的制备方法。本发明第三目的，提供所述路用超高韧性水泥基复合材料的应用。为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：首先，本发明公开一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥20％-25％，粉煤灰30％-35％，水10％-15％，纤维1.5％-2％，砂30％-35％，减水剂0.1％-0.3％，增稠剂0.02％-0.03％；所述复合材料还包括：占水泥质量10-25％的聚合物改性剂，所述聚合物改性剂由高分子乳液和改性增强剂组成，且高分子乳液和改性增强剂的质量比为1.2-1.9：1。作为进一步的技术方案，所述高分子乳液为丁二烯-苯乙烯胶乳，所述改性增强剂包括：二甘醇、丙三醇、三乙醇胺和无水亚硫酸钠中的任意一种。作为进一步的技术方案，所述水泥采用普通硅酸盐水泥，标号为42.5。水泥主要作为胶凝材料，为复合材料硬化及形成强度的关键成分，其含量对复合材料的应变硬化特性及最大拉应变影响较大。作为进一步的技术方案，所述粉煤灰采i级粉煤灰。煤灰中活性sio2、活性al2o3和f-cao(游离氧化钙)都是活性有利成分，可以大大改复合材料的延性及施工和易性。作为进一步的技术方案，所述砂采用50-100目的石英砂。石英砂与胶凝材料相互作用，影响纤维与基体材料的粘结力及分散性。作为进一步的技术方案，所述纤维采用聚乙烯醇纤维，长度为8-12mm，等效直径为35-40μm。pva纤维作为复合材料的增韧剂，能够在一定程度上提高复合材料的弯拉强度、应变性能和抗裂性能。作为进一步的技术方案，所述减水剂采用聚羧酸系减水剂或萘系减水剂。用于改善复合材料的和易性，有利于纤维在复合材料中的分散均匀。作为进一步的技术方案，所述增稠剂采用纤维素类增稠剂，有利于调节复合材料的黏度。作为进一步的技术方案，所述复合材料还包括：占水泥质量1.5-2.5％的可再分散乳胶粉。优选地，所述可再分散乳胶粉为vac/e可再分散乳胶粉，即醋酸乙烯酯与乙烯共聚胶粉。加入再分散乳胶粉的优势是；在复合材料硬化过程中，内部会产生许多空腔，水分就很容易聚集在这些空腔内部。随着基体材料的固化干燥，这些空腔成了基体的较薄弱部位。当加入可再分散乳胶粉后，“自润滑作用”使乳胶粉会自行再分散整个砂浆中，在水中有好的可再分散性使其迅速分散并形成乳液，充满于原先被水占据的空腔。随着干燥过程的进行，乳液再次脱水形成聚台物薄膜，并连续地分布在基体材料固化时所产生的空腔四周。这些附在孔壁上的连续的聚合物薄膜能有效地吸收来自外界的应力，显著改善复合材料体系的自收缩,提高复合材料的韧性和抗裂能力，增强抗折强度，降低复合材料的压折比和干缩率，从而使复合材料的综合性能得以提高。其次，本发明公开所述路用超高韧性水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)按比例将水泥、粉煤灰、砂、增稠剂及减水剂的干料进行搅拌，得到混合粉体；(2)在混合粉体中加入水进行搅拌，使混合粉体在水中均匀分散无结块，再加入分散剂、减缩剂，完成后继续加入聚合物改性剂和/或可再分散乳胶粉搅拌至形成粘稠状且能够均匀流动的浆体；(3)在所述浆体中加入纤维搅拌均匀，即得到所述路用超高韧性水泥基复合材料。最后，本发明公开所述路用超高韧性水泥基复合材料作为路面材料的应用。与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：(1)本发明提供复合材料具有优异的耐久性、抗冲击性及抗疲劳性能；将其应用于传统沥青路面结构后能够更好地解决路面耐久性的问题，有显著提高路面结构的寿命。(2)本发明通过加入高分子乳液改善了超高韧性水泥基复合材料的粘结性能、抗化学腐蚀性能、抗碳化性能、流动性等，使制备的超高韧性水泥基复合材料具有优异的综合性能。(3)本发明通过加入可再分散乳胶粉，与粉煤灰作用，显著改善了复合材料体系的自收缩,提高了复合材料的韧性、抗裂能力和抗折强度，降低了复合材料的压折比和干缩率，使制备的超高韧性水泥基复合材料具有更加全面的综合性能，能够有效增强复合材料的环境适应性。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。正如前文所述，随着我国公路建设的不断发展，道路荷载不断增大，由于目前国内高等级公路主要采用半刚性基层沥青路面，在服务周期内极易出现反射裂缝等路面病害，大大降低了路面的使用寿命。为此，本发明提出一种路用超高韧性水泥基复合材料及其制备方法和应用；现结合具体实施方式对本发明进一步进行说明。下列实施例中，所述粉煤灰采i级粉煤灰，购自中天建和土工材料有限公司。所述减水剂采用聚羧酸减水剂，主要成分为马来酸酐聚氧乙烯酯磺酸盐。所述减水剂采用萘系减水剂，主要成分为b-萘磺酸盐甲醛缩合物。所述水泥采用普通硅酸盐水泥，标号为42.5；所述砂为50-100目的石英砂。所述纤维采用聚乙烯醇纤维。所述可再分散乳胶粉采用vac/e可再分散乳胶粉。实施例1一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥22％，粉煤灰33％，纤维1.8％，砂32％，减水剂0.15％，增稠剂0.02％，水为余量。所述复合材料还外掺水泥质量18％的聚合物改性剂(外掺剂)，所述聚合物改性剂由高分子乳液和改性增强剂组成，且高分子乳液和改性增强剂的质量比为1.5：1；所述高分子乳液为丁二烯-苯乙烯胶乳，所述改性增强剂为无水亚硫酸钠粉。所述纤维的平均长度约为12mm，等效直径大约为39μm。实施例2一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥20％，粉煤灰30％，纤维1.5％，砂35％，减水剂0.1％，增稠剂0.03％，水为余量。所述复合材料还外掺水泥质量22％的聚合物改性剂(外掺剂)，所述聚合物改性剂由高分子乳液和改性增强剂组成，且高分子乳液和改性增强剂的质量比为1.9：1；所述高分子乳液为丁二烯-苯乙烯胶乳，所述改性增强剂为二甘醇。所述纤维的平均长度约为10mm，等效直径大约为35μm。实施例3一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥25％，粉煤灰32％，纤维1.5％，砂30％，减水剂0.1％，增稠剂0.02％，水为余量。所述复合材料还外掺水泥质量10％的聚合物改性剂(外掺剂)，所述聚合物改性剂由高分子乳液和改性增强剂组成，且高分子乳液和改性增强剂的质量比为1.7：1；所述高分子乳液为丁二烯-苯乙烯胶乳，所述改性增强剂为无水亚硫酸钠粉。所述纤维的平均长度约为8mm，等效直径大约为40μm。实施例4一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥20％，粉煤灰35％，纤维2％，水为10％，减水剂0.3％，增稠剂0.02％，砂为余量。所述复合材料还外掺水泥质量15％的聚合物改性剂(外掺剂)，所述聚合物改性剂由高分子乳液和改性增强剂组成，且高分子乳液和改性增强剂的质量比为1.2：1；所述高分子乳液为丁二烯-苯乙烯胶乳，所述改性增强剂为丙三醇；所述纤维的平均长度约为12mm，等效直径大约为39μm。实施例5一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥20％，粉煤灰33％，纤维1.5％，水为15％，减水剂0.3％，增稠剂0.02％，砂为余量。所述复合材料还外掺水泥质量25％的聚合物改性剂(外掺剂)，所述聚合物改性剂由高分子乳液和改性增强剂组成，且高分子乳液和改性增强剂的质量比为1.6：1；所述高分子乳液为丁二烯-苯乙烯胶乳，所述改性增强剂为三乙醇。所述纤维的平均长度约为8mm，等效直径大约为40μm。实施例6一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥22％，粉煤灰33％，纤维1.8％，砂32％，减水剂0.15％，增稠剂0.02％，水为余量。所述复合材料还外掺水泥质量18％的聚合物改性剂和水泥质量2％的可再分散乳胶粉，所述聚合物改性剂由高分子乳液和改性增强剂组成，且高分子乳液和改性增强剂的质量比为1.5：1；所述高分子乳液为丁二烯-苯乙烯胶乳，所述改性增强剂为无水亚硫酸钠；所述纤维的平均长度约为12mm，等效直径大约为39μm。实施例7一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥20％，粉煤灰30％，纤维1.5％，砂35％，减水剂0.1％，增稠剂0.03％，水为余量。所述复合材料还外掺水泥质量22％的聚合物改性剂和水泥质量1.5％的可再分散乳胶粉，所述聚合物改性剂由高分子乳液和改性增强剂组成，且高分子乳液和改性增强剂的质量比为1.9：1；所述高分子乳液为丁二烯-苯乙烯胶乳，所述改性增强剂为二甘醇；所述纤维的平均长度约为10mm，等效直径大约为35μm。实施例8一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥25％，粉煤灰32％，纤维1.5％，砂30％，减水剂0.1％，增稠剂0.02％，水为余量。所述复合材料还外掺水泥质量10％的聚合物改性剂和水泥质量2.5％的可再分散乳胶粉，所述聚合物改性剂由高分子乳液和改性增强剂组成，且高分子乳液和改性增强剂的质量比为1.7：1；所述高分子乳液为丁二烯-苯乙烯胶乳，所述改性增强剂为无水亚硫酸钠粉；所述纤维的平均长度约为8mm，等效直径大约为40μm。实施例9一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥22％，粉煤灰33％，纤维1.8％，砂32％，减水剂0.15％，增稠剂0.02％，水为余量。所述纤维的平均长度约为12mm，等效直径大约为39μm。实施例10一种路用超高韧性水泥基复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括如下组分：水泥20％，粉煤灰30％，纤维1.5％，砂35％，减水剂0.1％，增稠剂0.03％，水为余量。所述纤维的平均长度约为10mm，等效直径大约为35μm。性能测试：将上述实施例1-10制备的路用超高韧性水泥基复合材料制备成试块进行性能测试，具体的，包括如下步骤：(1)按比例将水泥、粉煤灰、石英砂、增稠剂及减水剂的干料置于搅拌机中搅拌7min；(2)在步骤(1)的基础上继续加入水进行搅拌，使粉体材料在水中均匀分散无结块、再加入聚合物改性剂及vac/e可再分散乳胶粉(实施例1-5不添加该胶粉，实施例9和10不添加聚合物改性剂和胶粉时，去掉相应步骤即可)，搅拌至粘稠状且能够均匀流动的基体材料，有利于后续纤维材料能在基体材料中能够均匀分布，提高复合材料的抗变形能力；(3)在步骤(2)的基础上再加入纤维搅拌7min，即得到所述路用超高韧性水泥基复合材料。(4)根据路用超高韧性水泥基复合材料的受力特性，将复合材料制成长×宽×高＝350mm×50mm×15mm的试件，进行各项力学性能测试，测试都参考规范《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程jtge30-2015》，试件养护条件为在标准温度(20±1)℃的水中养护，测试结果如表1所示：表1实施例序号12345678910极限拉应变/％7.46.98.17.86.28.79.39.14.84.2抗拉强度/mpa(28d)16.715.217.314.515.918.419.318.76.87.4抗折强度/mpa(28d)10.510.011.49.910.312.412.912.63.64.3流动度/s20.321.821.022.021.721.421.120.526.125.7压折比3.53.83.14.03.62.92.62.85.65.3干缩率/％0.0210.0220.0200.0230.0190.0150.0170.0160.0320.030从表1实施例1-8制备的路用超高韧性水泥基复合材料的测试数据可以看出：极限拉应变平均达到8％以上，抗拉强度平均达到15mpa以上，具有优异的抗弯拉性能、多缝开裂特性和抗折强度，有利于提高路面基层的承载能力，减少面层开裂，有助于实现“强基薄面”的路面结构。这主要是添加了由高分子乳液和改性增强剂组成的聚合物改性剂后，聚合物改性剂中主要成分为二烯类共聚物，为长链状聚合物，聚合物粒子分散在基体材料中，失水逐渐形成凝聚的胶体和具有粘结性和较好韧性的聚合物膜，使复合材料成为一个坚固的整体，并可横跨基体材料中的细微裂缝，在受力时形成富有弹性的“纹”结构，既可分散应力集中，又增加抵抗变形的能力，使复合材料的韧性增加，抗拉强度提高。从表1实施例1-5和6-8制备的路用超高韧性水泥基复合材料的测试数据可以看出：在添加了聚合物改性剂的基础上添加了可再分散乳胶粉后，复合材料的极限拉应变、抗拉强度、抗折强度、压折比以及干缩率等性能进一步得到了增强，研究后发现：这是因为可再分散乳胶粉能够与粉煤灰作用，可显著改善复合材料体系的自收缩,提高复合材料的韧性和抗裂能力，增强抗折强度，降低复合材料的压折比和干缩率。这是因为在基体材料硬化过程中，内部会产生许多空腔，水分就很容易聚集在这些空腔内部。随着基体材料的固化干燥，这些空腔成了基体的较薄弱部位。当加入可再分散乳胶粉后，“自润滑作用”使乳胶粉会自行再分散整个砂浆中，在水中有好的可再分散性使其迅速分散并形成乳液，充满于原先被水占据的空腔。随着干燥过程的进行，乳液再次脱水形成聚台物薄膜，并连续地分布在基体材料固化时所产生的空腔四周。这些附在孔壁上的连续的聚合物薄膜能有效地吸收来自外界的应力，从而使复合材料的综合性能得以提高。以上所述仅为本发明的优选实施例，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。当前第1页12