无缝长寿命大粒径碎石基层材料、制备方法及路面结构与流程

本发明涉及建筑材料，尤其涉及一种无缝长寿命大粒径碎石基层材料、制备方法及路面结构。

背景技术：

1、随着经济社会的快速发展，受重载车辆影响，特别是在重载交通的国省道，沥青路面由于基层结构反射裂缝、基层承载能力不足和水损害造成沥青路面翻浆、坑槽等早期病害频发。沥青路面结构的早期破损既影响交通运输的正常运行，又给养护单位造成了巨大的经济损失。延长沥青路面使用寿命，提高基层抗裂性能和承载能力是一项紧迫而关键的技术研究。

2、传统的水泥稳定碎石基层为半刚性结构，具有强度高、稳定性好的优点，缺点是易产生收缩裂缝，在重载交通下由于裂缝而造成变形、松散、网裂下沉的问题。填充式大粒径水泥稳定碎石具有较高的承载能力，可克服收缩裂缝，达到长寿命基层的预期，但存在施工工艺复杂，人工成本较高，效率低的缺点。

3、有鉴于此，有必要开发出综合性能好、寿命长且施工工艺简单的基层，以满足社会快速发展的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种无缝长寿命大粒径碎石基层材料、制备方法及路面结构，以粒化高炉矿渣粉和粉煤灰为胶结材料，以大粒径碎石为主骨架，采用细集料对主骨架的间隙进行稳定填充，辅以水性聚合物乳液、消泡剂、微膨胀剂和纤维，可消除水泥类材料干缩与温缩裂缝，显著提高其结构的承载能力和疲劳性能。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种无缝长寿命大粒径碎石基层材料，按重量份包括：大粒径碎石45-65份、填充料35-55份、高炉矿渣粉3-7份、粉煤灰3-7份、水4-10份；所述大粒径碎石的粒径为43-73mm，所述填充料的粒径≤19mm。

3、本发明采用粒化高炉矿渣粉和粉煤灰为胶结材料，原料中不含水泥，以大粒径碎石为主骨架材料，细集料为填充料，对主骨架的间隙进行稳定填充，与水按一定比例掺配可形成综合稳定的基层材料。该结构强度主要来源于大粒径主骨料间的骨架嵌锁作用，填充料与胶结材料形成稳固主骨架的嵌锁作用，解决了传统的水泥稳定碎石基层存在易产生反射裂缝的缺陷。

4、进一步的，所述填充料同时包括粒径为0.01-4.75mm的石屑、粒径为4.75-9.5mm的小碎石以及粒径为9.5-19mm的中碎石(每个区间均指包括上边界，不包括下边界)。通过多种粒度级别的填充料复配，进一步提高稳固主骨架的嵌锁作用，有效防止裂缝的产生。

5、在一些具体实施方式中，粒径为0.01-4.75mm的石屑中通过1.18mm筛孔的百分率为50.4±2％，通过0.6mm筛孔的百分率为37.3±2％，通过0.3mm筛孔的百分率为25.6±1％，通过0.15mm筛孔的百分率为18.6±1％，通过0.075mm筛孔的百分率为11.1±1％。本发明通过多级粗集料和细集料对大粒径碎石的填充，显著提高对骨架的嵌锁作用，进而提高强度。而且，本发明可以减少小粒径细集料的用量(0.3mm以下的含量在30％以下)，从而降低混合搅拌难度，简化工艺，还能节约成本。

6、进一步的，所述中碎石、小碎石、石屑的质量比为6-14:5-10:20-30。

7、在一些具体实施方式中，中碎石、小碎石、石屑的质量比为6:8:25，10:8:28，12:6:22，14:10:25，10:8:30等。

8、在一些优选实施方式中，石屑在填充料中的质量占比大于50％，例如为52％、54％、55％、56％、58％、59％、60％等。

9、进一步的，所述高炉矿渣粉选自s105、s95、s75三种规格中的一种或多种，优选为s95型高炉矿渣粉。

10、本发明使用的高炉矿渣粉为粒化高炉矿渣粉，是以钢铁厂的粒化高炉矿渣为主要原料，掺和少量天然石膏，磨制成粉体，主要成分为sio2、cao等氧化物，具有潜在的胶凝活性，本发明的基层结构利用粒化高炉矿渣粉活性的特点，与粉煤灰的激发作用形成的综合稳定性基层，其具有收缩性能小，后期强度高的特点。粒化高炉矿渣粉可使用s105、s95、s75这三种规格，本发明的实施例中优选使用等级为s95的粒化高炉矿渣粉，比表面积≥400m2/kg，28天活性指数≥95％。

11、进一步的，所述粉煤灰选自f类粉煤灰中的ⅰ级、ⅱ级、ⅲ级中的一种或多种；和/或选自c类粉煤灰中的ⅰ级、ⅱ级、ⅲ级中的一种或多种。

12、本发明使用的粉煤灰是电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末，具有填充空隙，增加拌合料拌和稠度的作用，它同样具有一定的活性。根据燃煤品种分为f类粉煤灰(由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰)和c类粉煤灰(由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，氧化钙含量一般大于或等于10％)，上述两类粉煤灰分别进一步细分为ⅰ级、ⅱ级、ⅲ级三个等级。本发明的实施例中优选使用的是f类ⅱ级粉煤灰，与粒化高炉矿渣粉复配，共同作为胶凝材料，细度≤30％，sio2、al2o3和fe2o3总质量≥70.0％，28天强度活性指数≥70.0％。需要说明的是，粉煤灰在道路工程当中的应用广泛，粉煤灰部分替代水泥作为半刚性基层材料的技术较为成熟。而本发明通过使用粒化高炉矿渣粉作为激活材料与粉煤灰搭配，可完全替代水泥作为胶凝材料，本发明使用粒化高炉矿渣粉与粉煤灰的复配对于结构稳定和遏制裂缝的产生起到非常重要的作用。

13、在一些优选实施方式中，高炉矿渣粉和粉煤灰的质量比为0.5-3:1，优选为1-3:1，例如1:1，1.2:1，1.5:1，2:1等，更优选为1:1。

14、进一步的，所述无缝长寿命大粒径碎石基层材料还包括纤维和/或水性聚合物乳液。

15、优选地，所述纤维的添加量为0.03-0.3份，所述水性聚合物乳液的添加量为0.05-0.5份。

16、进一步的，所述纤维选自改性的或未改性的聚丙烯纤维、聚酯纤维和植物纤维中一种或多种；纤维具有抗裂的作用，本发明通过在基层材料中加入纤维，能够更好的抵御施工初期的收缩开裂和后期的动态开裂。常用的纤维有聚丙烯纤维、聚酯纤维和植物纤维，表面改性过的纤维可以提高纤维与基体间的界面黏结性，使其粘合在一起，减少界面断裂的可能性，增强其抗裂性能。本发明的实施例中优选使用经硅烷化表面改性的剑麻植物纤维。

17、进一步的，所述水性聚合物乳液选自水性聚氨酯乳液、水性丙烯酸乳液和水性环氧乳液中一种或多种；本发明中，所述水性聚合物乳液主要在水稳基层材料中起到分散应力的作用，水性聚合物乳液成型后形成聚合物微球，聚合物微球均匀分布在碎石基层材料中。由于聚合物微球是一种聚合物弹性体，当出现微小裂缝，裂缝应力尖端会触及到聚合物微球，应力就会被分散，阻止裂缝的扩展。本发明的实施例中，所述水性聚合物乳液优选水性聚氨酯乳液。

18、和/或，所述无缝长寿命大粒径碎石基层材料还包括微膨胀剂和消泡剂。本发明在大粒径碎石为主骨架材料，填充料为细集料对主骨架的间隙进行稳定填充的基础上，进一步辅以纤维、水性聚合物乳液、消泡剂、微膨胀剂等成份，以进一步提高基层的抗裂和抗疲劳性能，降低施工难度。

19、微膨胀剂可以使用硫铝酸钙类、氧化钙类、氧化镁类等常用混凝土外加剂，使混凝土产生一定的体积膨胀，本发明对微膨胀剂的种类和用量不做具体限定。例如，微膨胀剂的添加量可以是0.1-0.3重量份。

20、混合料在施工搅拌过程中产生的气泡会造成材料缺陷，消泡剂的使用可以优化混合料孔洞结构，降低混凝土中存在的泡孔，确保混合料胶结后的力学性能不受气泡影响，延长使用寿命。本发明中，消泡剂可以选用有机硅类消泡剂，聚醚改性有机硅消泡剂等，具体不做限定。例如，消泡剂的添加量可以是0.03-0.1重量份。

21、综上，本发明提供的大粒径碎石无缝长寿命基层，通过低碳抗裂的粒化高炉矿渣粉和粉煤灰复配作为高强胶凝材料替代水泥，将工业废渣变废为宝，激发粒化高炉矿渣粉活性，可降低水泥稳定类材料干缩与温缩裂缝，提高其结构的承载能力和疲劳性能；向原料中加入水性聚合物乳液、消泡剂、微膨胀剂和纤维，可进一步提高基层抗裂性能。

22、第二方面，本发明提供一种无缝长寿命大粒径碎石基层材料的制备方法，按以上任一项所述的无缝长寿命大粒径碎石基层材料的原料配比进行混合，混合后的含水率为4-10％，粘结性系数为0.90以上。

23、本发明中，粘结性系数为生产时，大粒径混合料中53-73mm大粒径包裹的质量与试验室配合比中9.5mm以下胶凝材料的质量的比例。

24、第三方面，本发明提供一种路面结构，包括以上任一项所述的无缝长寿命大粒径碎石基层材料，或者由以上所述的制备方法制得的无缝长寿命大粒径碎石基层材料铺设而成的道路层。

25、进一步的，路面结构铺设方法包括以下步骤：

26、s1、对下承层预处理：包括将下承层路面清理干净；采集下承层的性能数据进行验收，验收合格后进行施工；所述性能数据包括压实度、弯沉、回弹模量、横坡度、平整度、宽度、标高、强度；

27、s2、拌和：将大粒径碎石、填充料、高炉矿渣粉、粉煤灰与水搅拌后得到混合料；

28、s3、摊铺：使下承层的表面保持湿润状态，使用摊铺机按预设摊铺厚度将所述混合料均匀摊铺于下承层上；其中，松铺系数为1.3-1.4，摊铺速度为1-2m/分钟；

29、s4、碾压：对s3摊铺好的路面依次采用14吨位的双钢轮振动压路机静压1-2遍，26吨位或30吨位的振动压路机碾压3-5遍，胶轮压路机静压2-3遍，最后使用14吨位的双钢轮压路机碾压消除轮迹；

30、s5、养护：碾压结束后，对基层洒水养护1-3天，即得所述路面结构。

31、本发明的有益效果如下：

32、本发明提供的无缝长寿命大粒径碎石基层材料，以粒化高炉矿渣粉和粉煤灰为胶结材料，以大粒径碎石为主骨架，采用细集料对主骨架的间隙进行稳定填充，大粒径碎石间的骨架嵌锁作用赋予其高强度，细集料与胶结材料形成稳固主骨架嵌锁作用，从而可降低水泥稳定类材料干缩与温缩裂缝，提高其结构的承载能力和疲劳性能。具体如下：

33、1、无基层收缩裂缝

34、采用粒化高炉矿渣粉、粉煤灰形成的胶凝材料，可减小半刚性材料收缩，降低基层材料的收缩裂缝；水性聚合物乳液、消泡剂、微膨胀剂和纤维的加入进一步降低基层材料收缩，使得基层基本不会出现收缩裂缝。

35、2、承载能力强

36、一般普通水泥稳定碎石上基层7天无侧限强度在3-4mpa，而本发明提供的大粒径碎石无缝长寿命基层结构7天抗压强度达到5mpa以上。该结构不仅具有无收缩裂缝的特点，其抗裂能力、承载能力超过了传统水泥稳定碎石基层。

37、3、抗变形能力强

38、该结构以大粒径碎石为骨架结构，细集料填充大粒径碎石间隙，由粒化高炉矿渣粉、粉煤灰形成的胶凝材料包裹细集料和大粒径骨料凝固成型，具有一定的刚度。通过压路机碾压成型，形成骨架嵌锁结构，胶凝材料形成填充料填充空隙并凝固成型，阻止了骨架位移并形成一定的强度，使基层具有较强的抗变形能力。

39、4、抗渗性能好

40、大粒径碎石无缝长寿命基层由高炉矿渣粉、粉煤灰、0.01-4.75mm石屑和4.75-9.5小碎石以及9.5-19mm的中碎石形成的填充材料能有效凝固，与大粒径碎石形成的基层结构，密实性能好，强度高。经验证，该结构能实现无渗水要求，基本实现无水损害的预期效果。

41、5、施工工艺简单，施工效率高

42、无缝长寿命大粒径碎石基层采用的是传统的拌和碾压施工工艺，对机械设备没有特别要求。通过控制用水量，使大粒径碎石无缝长寿命基层混合料具有粘结性能好，无离析状态，让胶凝材料基本包裹大粒径碎石骨料为最佳(如图1所示)，这样摊铺的基层不仅不会离析，且大粒径碎石分布均匀，嵌锁紧密。采用该结构基层能提前开放交通，有效缩短养护周期，一般3天后即可开放交通，养护时间可缩短至3天，3天即可取芯验收检测各项技术指标进行下道工序。

43、6、节能环保、节约成本

44、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰均属于钢铁厂、发电厂的废炉渣，废物利用，不仅达到节能环保要求，且经济成本也低廉。通过测算，采用该新型材料，能有效节约成本。