具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，更具体地，涉及半柔性路面材料技术领域，特别是指一种具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料及其制备方法。

背景技术

截止到2020年底，我国的公路建设总里程达519.81万公里，高速公路达16.1万公里。其中，由于沥青路面的平整度较好，行车舒适度较高，使得沥青路面占高速公路路面形式的90％及以上。

但沥青路面由于所用的沥青胶结料是一种感温性材料，在高温下其抗荷载变形的能力较差，因此经常导致沥青路面在重载作用下出现车辙病害。同时，由于我国的沥青路面大都使用半刚性基层，不可避免地会有反射裂缝出现，并由于反射裂缝的进一步发展导致路面出现沉陷、坑槽、松散等病害。

沥青路面在长期荷载作用下出现严重的损坏后，一般会采用铣刨重铺的方式对其进行修复，一方面会产生大量的废弃沥青混合料，造成环境破坏，同时目前对于废弃沥青混合料的处理也大都是将其作为路面基层使用，造成了石料资源的极大浪费。另一方面，采用沥青混合料进行重铺后，沥青路面在高温和重载作用下抗车辙性能不足的问题依然存在，同时基层的裂缝仍然会继续向上发展，最终造成短期内再次破坏需重新加罩的问题。

因此，为了消耗沥青路面铣刨产生的废弃沥青混合料，同时减少路面反射裂缝、车辙等病害的发生以延长维修周期，有必要发明一种兼具环保特性、高耐久性、高体积稳定性的路面材料。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺点，本发明的一个目的在于提供一种具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料，其能够实现废弃沥青混合料的二次利用，同时明显减少路面的病害，提高路面的耐久性，适于大规模推广应用。

本发明的另一目的在于提供一种具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料的制备方法，其设计巧妙，操作简便快捷，成本低，适于大规模推广应用。

为达到以上目的，在本发明的第一方面，提供了一种具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料，其特点是，包括大空隙沥青混凝土基体骨架和高性能水泥基灌浆材料，所述高性能水泥基灌浆材料灌装在所述大空隙沥青混凝土基体骨架中，其中：

所述大空隙沥青混凝土基体骨架包括以下原料：

0mm～4.75mm集料8重量份～15重量份；4.75mm～9.5mm集料36重量份～44重量份；9.5mm～13.2mm集料26重量份～43重量份；13.2mm～16mm集料6重量份～12重量份；SBS改性沥青胶结料2重量份～3重量份；矿粉1.5重量份～2重量份；其中所有集料均为铣刨沥青路面产生的废弃沥青混合料经筛网筛分后得到；

所述高性能水泥基灌浆材料包括以下组分：

水泥50重量份～60重量份；水25重量份～35重量份；细砂3重量份～5重量份；水性环氧树脂改性剂2重量份～3重量份；膨胀剂0.5重量份～1重量份；减水剂0.5重量份～1重量份；消泡剂0.5重量份～1重量份。

较佳地，所述SBS改性沥青胶结料由基质沥青和SBS改性剂组成，所述SBS改性剂的加入量为所述基质沥青的4％重量～6％重量。

较佳地，所述水泥是P.C 42.5复合硅酸盐水泥。

较佳地，所述细砂是0.3mm～0.6mm细砂。

较佳地，所述水性环氧树脂改性剂由等质量的水性E-51环氧树脂乳液和二乙烯三胺固化剂组成。

较佳地，所述膨胀剂为U型膨胀剂。

较佳地，所述减水剂为萘系减水剂。

较佳地，所述消泡剂为有机硅消泡剂。

在本发明的第二方面，提供了一种上述的具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料的制备方法，其特点是，包括：

(1)将所述大空隙沥青混凝土基体骨架的所有原料分别加热，然后先将所有集料混合并搅拌均匀，再加入所述SBS改性沥青胶结料搅拌均匀，接着加入所述矿粉搅拌均匀，然后压实冷却，得到所述大空隙沥青混凝土基体骨架；

(2)将所述水泥、所述细砂、所述膨胀剂、所述减水剂和所述消泡剂混合搅拌均匀，加入所述水搅拌均匀，再加入所述水性环氧树脂改性剂搅拌均匀，得到所述高性能水泥基灌浆材料；

(3)将所述高性能水泥基灌浆材料灌入所述大空隙沥青混凝土基体骨架中并经养生形成所述的具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料。

较佳地，在所述步骤(1)中，所述加热到的温度是175℃～180℃；所述搅拌在拌锅中进行；搅拌所述所有集料的速度为50r/min～80r/min，时间为90s～180s；搅拌所述SBS改性沥青胶结料的速度为50r/min～80r/min，时间为90s；搅拌所述矿粉的速度为50r/min～80r/min，时间为90s；

在所述步骤(2)中，所述搅拌在拌合锅中进行；搅拌所述水泥、所述细砂、所述膨胀剂、所述减水剂和所述消泡剂的速度为300r/min～500r/min，时间为120s～180s；搅拌所述水的速度为500r/min～1000r/min，时间为120s～180s；搅拌所述水性环氧树脂改性剂的速度为500r/min～1000r/min，时间为60s～120s；

在所述步骤(3)中，所述养生的时间为7d。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料包括大空隙沥青混凝土基体骨架和高性能水泥基灌浆材料，高性能水泥基灌浆材料灌装在大空隙沥青混凝土基体骨架中，其中大空隙沥青混凝土基体骨架包括以下原料：0mm～4.75mm集料8重量份～15重量份；4.75mm～9.5mm集料36重量份～44重量份；9.5mm～13.2mm集料26重量份～43重量份；13.2mm～16mm集料6重量份～12重量份；SBS改性沥青胶结料2重量份～3重量份；矿粉1.5重量份～2重量份；其中所有集料均为铣刨沥青路面产生的废弃沥青混合料经筛网筛分后得到；高性能水泥基灌浆材料包括以下组分：水泥50重量份～60重量份；水25重量份～35重量份；细砂3重量份～5重量份；水性环氧树脂改性剂2重量份～3重量份；膨胀剂0.5重量份～1重量份；减水剂0.5重量份～1重量份；消泡剂0.5重量份～1重量份，因此，其能够实现废弃沥青混合料的二次利用，同时明显减少路面的病害，提高路面的耐久性，适于大规模推广应用。

2、本发明的具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料的制备方法包括：(1)将大空隙沥青混凝土基体骨架的所有原料分别加热，然后先将所有集料混合并搅拌均匀，再加入SBS改性沥青胶结料搅拌均匀，接着加入矿粉搅拌均匀，然后压实冷却，得到大空隙沥青混凝土基体骨架；(2)将水泥、细砂、膨胀剂、减水剂和消泡剂混合搅拌均匀，加入水搅拌均匀，再加入水性环氧树脂改性剂搅拌均匀，得到高性能水泥基灌浆材料；(3)将高性能水泥基灌浆材料灌入大空隙沥青混凝土基体骨架中并经养生形成具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料，因此，其设计巧妙，操作简便快捷，成本低，适于大规模推广应用。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明得以充分体现，并可通过说明书中特地指出的方法、手段和它们的组合得以实现。

具体实施方式

为了消耗沥青路面铣刨产生的废弃沥青混合料，同时减少路面反射裂缝、车辙等病害的发生，本发明提供了一种具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料，包括大空隙沥青混凝土基体骨架和高性能水泥基灌浆材料，所述高性能水泥基灌浆材料灌装在所述大空隙沥青混凝土基体骨架中，其中：

所述大空隙沥青混凝土基体骨架包括以下原料：

0mm～4.75mm集料8重量份～15重量份；4.75mm～9.5mm集料36重量份～44重量份；9.5mm～13.2mm集料26重量份～43重量份；13.2mm～16mm集料6重量份～12重量份；SBS改性沥青胶结料2重量份～3重量份；矿粉1.5重量份～2重量份；其中所有集料均为铣刨沥青路面产生的废弃沥青混合料经筛网筛分后得到；

所述高性能水泥基灌浆材料包括以下组分：

水泥50重量份～60重量份；水25重量份～35重量份；细砂3重量份～5重量份；水性环氧树脂改性剂2重量份～3重量份；膨胀剂0.5重量份～1重量份；减水剂0.5重量份～1重量份；消泡剂0.5重量份～1重量份。

所述SBS改性沥青胶结料可以具有任何合适的构成，较佳地，所述SBS改性沥青胶结料由基质沥青和SBS改性剂组成，所述SBS改性剂的加入量为所述基质沥青的4％重量～6％重量。制备方法为：将所述基质沥青加热后，向所述基质沥青中投放所述SBS改性剂，高速剪切即可制备得到所述SBS改性沥青胶结料。基质沥青可以采用普通的70#基质沥青，加热可以采用电热板，加热到的温度可以为175℃～185℃，高速剪切可以采用高速剪切机，可以采用3000r/min～4000r/min的速度，时间可以为四十五分钟至一个小时。

所有集料、所述矿粉的岩性均视废弃沥青混合料的石料的岩性确定。

所述水泥可以是任何合适的水泥，较佳地，所述水泥是P.C 42.5复合硅酸盐水泥。

所述细砂可以是任何合适的细砂，较佳地，所述细砂是0.3mm～0.6mm细砂。

所述水性环氧树脂改性剂可以具有任何合适的构成，较佳地，所述水性环氧树脂改性剂由等质量的水性E-51环氧树脂乳液和二乙烯三胺固化剂组成。其制备方法为将质量比1：1的水性E-51环氧树脂乳液和二乙烯三胺固化剂混合后进行搅拌，即可获得水性环氧树脂改性剂。搅拌速度可以为200r/min～300r/min，搅拌时间可以为150s～180s。

所述膨胀剂可以是任何合适的膨胀剂，较佳地，所述膨胀剂为U型膨胀剂。

所述减水剂可以是任何合适的减水剂，较佳地，所述减水剂为萘系减水剂。

所述消泡剂可以是任何合适的消泡剂，较佳地，所述消泡剂为有机硅消泡剂。例如P803有机硅粉末消泡剂。

本发明还提供了上述的具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料的制备方法，包括：

(1)将所述大空隙沥青混凝土基体骨架的所有原料分别加热，然后先将所有集料混合并搅拌均匀，再加入所述SBS改性沥青胶结料搅拌均匀，接着加入所述矿粉搅拌均匀，然后压实冷却，得到所述大空隙沥青混凝土基体骨架；

(2)将所述水泥、所述细砂、所述膨胀剂、所述减水剂和所述消泡剂混合搅拌均匀，加入所述水搅拌均匀，再加入所述水性环氧树脂改性剂搅拌均匀，得到所述高性能水泥基灌浆材料；

(3)将所述高性能水泥基灌浆材料灌入所述大空隙沥青混凝土基体骨架中并经养生形成所述的具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料。

在所述步骤(1)中，所述加热到的温度、所述搅拌采用的工具、所述搅拌的速度和所述搅拌的时间可以根据需要确定，较佳地，在所述步骤(1)中，所述加热到的温度是175℃～180℃；所述搅拌在拌锅中进行；搅拌所述所有集料的速度为50r/min～80r/min，时间为90s～180s；搅拌所述SBS改性沥青胶结料的速度为50r/min～80r/min，时间为90s；搅拌所述矿粉的速度为50r/min～80r/min，时间为90s。

在所述步骤(2)中，所述搅拌采用的工具、所述搅拌的速度和所述搅拌的时间可以根据需要确定，较佳地，在所述步骤(2)中，所述搅拌在拌合锅中进行；搅拌所述水泥、所述细砂、所述膨胀剂、所述减水剂和所述消泡剂的速度为300r/min～500r/min，时间为120s～180s；搅拌所述水的速度为500r/min～1000r/min，时间为120s～180s；搅拌所述水性环氧树脂改性剂的速度为500r/min～1000r/min，时间为60s～120s。

在所述步骤(3)中，所述养生的时间可以根据需要确定，较佳地，在所述步骤(3)中，所述养生的时间为7d。

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下实施例中采用的集料为隧道股份上海公路(桥梁)集团有限公司道路材料公司生产；SBS改性剂为中国石化集团资产经营管理有限公司巴陵石化分公司生产；水泥为华新水泥股份有限公司生产的P.C 42.5复合硅酸盐水泥；细砂为杭州锐辰建材有限公司生产的0.3mm～0.6mm细砂；水性环氧树脂改性剂为沈阳东岩涂料有限公司生产的E-51环氧树脂及二乙烯三胺固化剂；膨胀剂为济南浩宇化工有限公司生产的U型膨胀剂(UEA-H)；减水剂为北京艺高世纪科技股份有限公司生产的萘系减水剂；消泡剂为江苏斯科特科技有限公司生产P803有机硅粉末消泡剂。

实施例1

SBS改性沥青胶结料：用电热板将70#基质沥青加热到175℃后，向基质沥青中投放质量相当于基质沥青质量的6％的SBS改性剂，采用高速剪切机，以4000r/min的速度高速剪切一个小时。

水性环氧树脂改性剂：将质量比1：1的水性E-51环氧树脂乳液和二乙烯三胺固化剂混合后，以300r/min的搅拌速度搅拌180s。

根据配比称取大空隙沥青混凝土基体骨架所需原料：0mm～4.75mm集料8重量份；4.75mm～9.5mm集料44重量份；9.5mm～13.2mm集料35重量份；13.2mm～16mm集料9重量份；SBS改性沥青胶结料2重量份；矿粉1.8重量份；其中所有集料均为铣刨沥青路面产生的废弃沥青混合料经筛网筛分后得到；将上述各个规格的集料加热到175℃，放入拌锅中进行搅拌，搅拌速度60r/min，时间为180s，直至各规格集料在拌锅中均匀分布，然后加入已加热到175℃的SBS改性沥青胶结料，搅拌速度80r/min，搅拌90s后，再加入已加热到175℃的矿粉，搅拌速度70r/min，继续搅拌90s，直到SBS改性沥青胶结料和矿粉均匀分布在每个集料的表面，然后对其进行压实，待冷却后即可得到具有高体积稳定性的大空隙沥青混凝土基体骨架；

根据配比称取高性能水泥基灌浆材料所需组分：水泥60重量份；水30重量份；细砂3重量份；水性环氧树脂改性剂2重量份；膨胀剂0.7重量份；减水剂0.5重量份；消泡剂0.5重量份；将水泥、细砂、膨胀剂、减水剂和消泡剂依次放入拌合锅中以300r/min的速度拌合120s直至各类外加剂均匀分布于水泥颗粒中，然后加入水，按照1000r/min的速度搅拌180s，最后再加入水性环氧树脂改性剂，按照500r/min的速度搅拌60s，即可得到拌和均匀的高性能水泥基灌浆材料；

再将高性能水泥基灌浆材料灌入到大空隙沥青混凝土基体骨架中，养生7d后即可形成具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料。

实施例2

SBS改性沥青胶结料：用电热板将70#基质沥青加热到180℃后，向基质沥青中投放质量相当于基质沥青质量的4％的SBS改性剂，采用高速剪切机，以3500r/min的速度高速剪切45分钟。

水性环氧树脂改性剂：将质量比1：1的水性E-51环氧树脂乳液和二乙烯三胺固化剂混合后，以200r/min的搅拌速度搅拌170s。

根据配比称取大空隙沥青混凝土基体骨架所需原料：0mm～4.75mm集料12重量份；4.75mm～9.5mm集料40重量份；9.5mm～13.2mm集料43重量份；13.2mm～16mm集料6重量份；SBS改性沥青胶结料3重量份；矿粉1.5重量份；其中所有集料均为铣刨沥青路面产生的废弃沥青混合料经筛网筛分后得到；将上述各个规格的集料加热到180℃，放入拌锅中进行搅拌，搅拌速度50r/min，时间为120s，直至各规格集料在拌锅中均匀分布，然后加入已加热到180℃的SBS改性沥青胶结料，搅拌速度60r/min，搅拌90s后，再加入已加热到180℃的矿粉，搅拌速度80r/min，继续搅拌90s，直到SBS改性沥青胶结料和矿粉均匀分布在每个集料的表面，然后对其进行压实，待冷却后即可得到具有高体积稳定性的大空隙沥青混凝土基体骨架；

根据配比称取高性能水泥基灌浆材料所需组分：水泥55重量份；水25重量份；细砂4重量份；水性环氧树脂改性剂2.5重量份；膨胀剂1重量份；减水剂0.7重量份；消泡剂1重量份；将水泥、细砂、膨胀剂、减水剂和消泡剂依次放入拌合锅中以400r/min的速度拌合180s直至各类外加剂均匀分布于水泥颗粒中，然后加入水，按照500r/min的速度搅拌150s，最后再加入水性环氧树脂改性剂，按照1000r/min的速度搅拌120s，即可得到拌和均匀的高性能水泥基灌浆材料；

再将高性能水泥基灌浆材料灌入到大空隙沥青混凝土基体骨架中，养生7d后即可形成具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料。

实施例3

SBS改性沥青胶结料：用电热板将70#基质沥青加热到185℃后，向基质沥青中投放质量相当于基质沥青质量的5％的SBS改性剂，采用高速剪切机，以3000r/min的速度高速剪切50分钟。

水性环氧树脂改性剂：将质量比1：1的水性E-51环氧树脂乳液和二乙烯三胺固化剂混合后，以250r/min的搅拌速度搅拌150s。

根据配比称取大空隙沥青混凝土基体骨架所需原料：0mm～4.75mm集料15重量份；4.75mm～9.5mm集料36重量份；9.5mm～13.2mm集料26重量份；13.2mm～16mm集料12重量份；SBS改性沥青胶结料2.5重量份；矿粉2重量份；其中所有集料均为铣刨沥青路面产生的废弃沥青混合料经筛网筛分后得到；将上述各个规格的集料加热到178℃，放入拌锅中进行搅拌，搅拌速度80r/min，时间为90s，直至各规格集料在拌锅中均匀分布，然后加入已加热到178℃的SBS改性沥青胶结料，搅拌速度50r/min，搅拌90s后，再加入已加热到178℃的矿粉，搅拌速度50r/min，继续搅拌90s，直到SBS改性沥青胶结料和矿粉均匀分布在每个集料的表面，然后对其进行压实，待冷却后即可得到具有高体积稳定性的大空隙沥青混凝土基体骨架；

根据配比称取高性能水泥基灌浆材料所需组分：水泥50重量份；水35重量份；细砂5重量份；水性环氧树脂改性剂3重量份；膨胀剂0.5重量份；减水剂1重量份；消泡剂0.7重量份；将水泥、细砂、膨胀剂、减水剂和消泡剂依次放入拌合锅中以500r/min的速度拌合150s直至各类外加剂均匀分布于水泥颗粒中，然后加入水，按照800r/min的速度搅拌120s，最后再加入水性环氧树脂改性剂，按照800r/min的速度搅拌100s，即可得到拌和均匀的高性能水泥基灌浆材料；

再将高性能水泥基灌浆材料灌入到大空隙沥青混凝土基体骨架中，养生7d后即可形成具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料。

实施例4

采用与实施例1相同的原料、组分和制备方法，按下表(1)和(2)组配大空隙沥青混凝土基体骨架和高性能水泥基灌浆材料：

表(1)大空隙沥青混凝土基体骨架原料(单位：重量份)

表(2)高性能水泥基灌浆材料组分(单位：重量份)

将大空隙沥青混凝土基体骨架的组合1分别与高性能水泥基灌浆材料的组合1～8结合后成型的最终的半柔性路面材料1～8的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性能等进行测试，结果如表(3)所示。

表(3)为大空隙沥青混凝土基体骨架的组合1分别与高性能水泥基灌浆材料的组合1～8结合后成型的最终的半柔性路面材料1～8的各项性能测试结果。

由表(3)可知，各半柔性路面材料的各项性能均满足相关规范的要求。同时，水性环氧树脂改性剂的掺量增加后，半柔性路面材料的低温抗裂性能和水稳定性均有明显的提高，特别是低温抗裂性能，其增长幅度达12％及以上；膨胀剂的掺量增加后，其抗水损害各项性能得的增幅均达3％及以上；减水剂的掺量增加后，其水稳定性和低温抗裂性能的增幅分别达4％、11％；此外，消泡剂的掺量的增加同样使半柔性路面材料的水稳定性和低温抗裂特性增长了3％、7％。可见本发明中在水泥基灌浆材料中掺加的水性环氧树脂改性剂、膨胀剂、减水剂、消泡剂等均起到了较为明显的提升半柔性路面材料路用性能的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明将沥青路面在铣刨过程中产生的废弃沥青混合料作为半柔性路面材料的基体骨架，实现了废弃沥青混合料的再生利用，减少了路面建设过程中的资源和能源消耗，同时降低了路面的建设成本；

2)本发明所使用的减水剂能吸附在水泥粒子表面，并形成带负电的强电场，使水泥凝体产生分散，使水泥浆体的流动性大大提高，从而保证了水泥基灌浆材料在大空隙沥青混凝土基体骨架中能具有较高的灌入率，从而可避免空隙的存在对半柔性路面材料的水稳定性和抗裂性能造成不利影响；

3)本发明通过膨胀剂的加入可在水泥硬化过程中，由膨胀剂与水反应生成的膨胀微晶体(如钙矾石)起到填充、切断毛细孔缝作用，使大孔变小孔，总孔隙率减小，从而改善水泥基灌浆材料的孔结构，提高其抗渗性能和力学性能；

4)本发明将消泡剂加入到水泥基灌浆材料内部，可有效减少水泥基灌浆材料在强度形成过程中产生的孔洞，从而提高水泥基灌浆材料的耐水损害性、耐腐蚀性和强度特性；

5)本发明通过向水泥基灌浆材料中加入水性环氧树脂改性剂、一方面可提高水泥基灌浆材料的韧性，另一方面可以增强水泥基灌浆材料与沥青混凝土基体骨架之间的粘结特性，从而更好的保护沥青混凝土基体骨架，最大程度减缓其老化，保证沥青混凝土基体骨架对水泥石的嵌锁功能，即保证半柔性路面材料的各项路用性能和力学性能。

5)本发明的具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料可适用于包括高温、低温、雨水充沛等多种复杂的路用环境和新建路面、路面大中修改造等多种应用场景。

因此，本发明的具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料主要是由大空隙的沥青混凝土基体骨架和高性能的水泥基灌浆材料组成，由于该材料同时包含了沥青和水泥这两种不同的胶结料类型，因此本发明的半柔性路面材料将同时具有柔性和刚性材料的优点，既具有较高的强度和体积稳定性，同时由于沥青混凝土基体骨架对水泥石的收缩限制又避免了传统的水泥混凝土材料易收缩开裂的缺点。基于以上，本发明的半柔性路面材料应用到路面将实现废弃沥青混合料的二次利用，同时明显减少路面的病害，提高路面的耐久性。

综上所述，本发明的具有环保特性、高耐久性、高体积稳定性的半柔性路面材料能够实现废弃沥青混合料的二次利用，同时明显减少路面的病害，提高路面的耐久性，适于大规模推广应用。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书应被认为是说明性的而非限制性的。