CN109881548B - 基于复合材料的装配式重载交通道路路面铺装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合材料的装配式重载交通道路路面铺装结构，属于道路铺装技术领域。所述铺装结构包括基层，其特点是基层顶面自下而上铺筑有沥青胶砂层、装配式复合材料结构层，所述的装配式复合材料结构层由若干块复合材料路面预制块拼装铺筑而成，预制块与沥青胶砂层之间通过0.5‑1cm乳化沥青粘油层进行粘结，预制块之前通过聚氨酯复合材料进行粘结，所述复合材料路面预制块由基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料预制而成。与现有技术相比，本发明的路面铺装结构厚度低、抗车辙性能显著，施工工期短、养护便捷等方面具有很好的推广应用价值。

Description

基于复合材料的装配式重载交通道路路面铺装结构

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体地说是一种基于复合材料的装配式道路路面铺装结构。

背景技术

我国高速公路设计寿命为15年，通常10年即出现路面结构性损坏(车辙、疲劳开裂已成为我国高等级公路的主要病害)，需要周期性大修改建，按照10年大修周期计算，每年将产生3亿吨废料，造成巨大的资金和环境压力。近些年伴随着严酷荷载与极端高低温天气频现条件下的特殊道路(如长大纵坡公路、大容量公交专用道与港湾、港区公路与港口专用道、重载桥面铺装及机场跑道等)大量建设，因此对路面的材料提出了更高的要求。

由于沥青混凝土路面在重载或高温条件下易产生辙槽，影响路面的平整度，以及沥青混凝土路面的可燃性、对温度和低频荷载的敏感性不宜用于隧道、加油站和停车场等路段，现有技术中往往是通过以下两种方法解决车辙问题：一、在沥青路面的中面层的沥青混合料中添加抗车辙剂形成抗车辙层；二、直接用水泥混凝土路面。然而，这两种形式的沥青路面结构都存在着各自的缺点。第一种方法中，由于市面上各种抗车辙剂种类繁杂，且相当大部分随着时间会产生老化现象，因此，在冬季低温下，沥青会变硬，表现出脆性。如果采用第二种方式，直接用刚性比较大的水泥混凝土路面，虽然能够提供良好的抗车辙性能，但却存在接缝处理困难、维修费用高、噪音大和易起灰尘等缺点。另外，在社会快速发展的今天，传统或当前的沥青路面施工存在粉尘，噪声，烟气等多种污染，也不利于道路建设的顺利展开。

为了解决上述现有技术中的不足，本领域技术人员已经开始尝试在沥青路面的中面层采用沥青和水泥路面相结合的一种方式，兼顾刚性和柔性的两种路面的优点，同时摒弃两者的缺点。在沥青路面的中面层抗车辙层采用在大空隙沥青混合料中灌入水泥基的聚合物胶乳，但是这种传统的单一水泥基材料浆体的流动性差，灌浆的饱满度差，同时需要机械设备的辅助灌浆，施工不方便，费时费力费工，很难保证施工的质量，同时传统的技术需要养生时间在3天到7天之间，开放的交通比较慢，不利于重载车辙路段的快速修复。另外，由于这种材料用于中面层起到抗车辙的作用，它与上面层和下面层的材料之间容易产生层间的滑移和分层，使其抗车辙以及抗疲劳性能大大降低。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构。

本发明所述黄金尾矿指矿石提取黄金精矿后所排出的废渣。

本发明的技术任务是按以下方式实现的：一种基于复合材料的重载交通道路路面铺装结构，包括基层，其特点是基层顶面自下而上铺筑有沥青胶砂层、装配式复合材料结构层，所述的装配式复合材料结构层由若干块复合材料路面预制块拼装铺筑而成，预制块与沥青胶砂层之间通过乳化沥青粘油层(优选为0.5-1cm)进行粘结，预制块之前通过聚氨酯复合材料进行粘结，所述复合材料路面预制块由基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料预制而成。

所述基层优选为水泥稳定碎石基层，以使上侧道路结构层与基层具有良好的层间粘结性能。

进一步的，所述复合材料路面预制块的预制方法包括：

a、铺筑灌浆

在洒铺的乳化沥青的基板上铺筑基体高粘性弹性沥青混合料，待基体高粘性弹性沥青混合料冷却后，灌注聚氨酯复合材料，并除去表面浮浆；

b、成型

灌注完毕后，经养生、切割，得到复合材料路面预制块。

步骤a的铺筑灌浆工序优选在室内完成，室内温度控制在20-40℃，地面铺设水泥混凝土，以承担实施荷载。所述的基板优选为金属板，如镀锌板，起到隔离沥青混合料与水泥混凝土地面的作用。

作为优选，可利用扫地机去除表面浮浆，露出表面的石料，以增加表面的构造深度，时间控制在30分钟之内完成。

步骤b的成型工序中，养生时间优选为0.5-2天。复合材料路面预制块的厚度与装配式复合材料结构层的设计厚度一致。长度和宽度根据路面的实际尺寸情况决定，长度可以是3.5-10m，优选为3.75m，宽度可以是3.5-4m，优选为3.75m。

进一步的，复合材料路面预制块中，基体高粘性弹性沥青混合料与聚氨酯复合材料的重量配比优选为75～85:15～25。特别是当基体高粘性弹性沥青混合料与聚氨酯复合材料的重量配比为78～82:18～28时，铺装结构能够达到最佳的抗车辙性能。

作为设置于基层上方的唯一承受荷载的结构层，所述装配式复合材料结构层的厚度可以是10-20cm，包括10-16cm，优选为13～16cm，如13cm、14cm、15cm或者16cm。

基体高粘性弹性沥青混合料的设计空隙率优选为27～36％。以各粒径矿料的通过百分率计，级配范围优选为19mm筛孔通过率为100％，16.0mm筛孔通过率为95％～100％、13.2mm筛孔通过率为72％～95％、9.5mm筛孔通过率为14％～65％、4.75mm筛孔通过率为5％～25％，2.36mm筛孔通过率为5％～15％，0.6mm筛孔通过率为3％～8％，0.3mm筛孔通过率为2％～6％，0.15mm筛孔通过率为2％～4％，0.075mm筛孔通过率为1％～5％。

为了提高复合材料的低温抗裂性，所述基体高粘性弹性沥青混合料优选采用PG分级为82-22的高粘弹性复合改性沥青作为沥青胶结料，且其粘度为2.5～4.5Pa.s，软化点大于80℃。

进一步的，为了增加和基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料之间界面的粘结性，可以在基体高粘性弹性沥青混合料拌合时加入适量纤维，纤维的添加量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的0.3-0.6％，优选为0.3-0.4％。所述纤维优选为木质素纤维。

基体高粘性弹性沥青混合料的拌合方式优选为：先将粗集料和高粘弹复合沥青拌合，拌合0.5-1.5min后加矿粉，继续拌合0.5～1.5min，再加入细集料拌合均匀，最后加入纤维拌合0.5～1.5min。

作为优选，所述聚氨酯复合材料包括硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液及水，硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液与水的重量比为(25～35):(10～25):(20～30):(3～5):(15～22)，优选为(28～32):(15～22):(23～27):(3.5～4.5):(18～22)。

细微颗粒改性乳化沥青(固体形态乳化沥青)遇水后产生乳化过程，可以更好地促进基体高粘性弹性沥青混合料和灌注料之间的粘合作用，促进两种不同物质的界面更好地联结，而黄金尾矿的加入，可进一步增加聚氨酯复合材料的流动性，增强复合材料结构层的强度。

所述黄金尾矿的粒径优选为120-150目，最佳粒径为130-140目。

作为优选，所述聚氨酯乳液为异氰酸酯和多元醇的混合液，异氰酸酯和多元醇的重量比为1:(0.9-1.1)。所述异氰酸酯优选为二苯基甲烷二异氰酸酯；多元醇优选为聚醚型多元醇。

进一步的，所述聚氨酯复合材料还可以包括膨胀剂、减水剂、引气剂、消泡剂、碱性矿粉及稳定剂，膨胀剂、减水剂、引气剂、消泡剂、碱性矿粉、稳定剂与硅酸盐水泥的重量比为(3～5):(0.2～0.4):(0.2～0.5):(0.2～1.5):(10～25):(0.003～0.006):(25～35)，优选为(3.5～4.5):(0.25～0.35):(0.25～0.35):(0.5～1.2):(15～22):(0.004～0.006):(28～32)。

所述膨胀剂优选为UEA型膨胀剂；

所述减水剂为固体早强型醚类聚羧酸类减水剂；

所述引气剂优选烷基芳烃磺酸类引气剂；

所述消泡剂优选为固体聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂；

所述碱性矿粉优选为玄武岩粉。

所述稳定剂优选为羟基甲基丙基纤维素醚类稳定剂。

进一步的，所述沥青胶砂层由沥青胶砂铺筑而成，其厚度优选为2-4cm。

沥青胶砂层的沥青混合料空隙率优选为0～3％，矿料间隙率优选为15～17，沥青的饱和度优选为70～85，马歇尔稳定度不小于10KN。沥青混合料的级配范围为9.5mm筛孔通过率为100％，4.75mm筛孔通过率为90％～100％，2.36mm筛孔通过率为65％～85％，1.18mm筛孔通过率42％～65％，0.6mm筛孔通过率为26％～46％，0.3mm筛孔通过率为15％～32％，0.15mm筛孔通过率为10％～21％，0.075mm筛孔通过率为7％～12％；

沥青胶结料采用低标号沥青(如30号沥青等)，针入度为15～35，软化点大于78度。

本发明基于复合材料的装配式重载交通道路路面铺装结构的铺筑方法包括：

a、在基层铺筑沥青胶砂层；

b、以复合材料路面预制块铺筑装配式复合材料结构层：

用吊装设备把复合材料路面预制块铺设在沥青胶砂层(或乳化沥青粘油层)表面，相邻复合材料路面预制块之间的缝隙采用聚氨酯复合材料进行灌缝处理，保证预制板块之间的牢固粘结。

为了进一步增加各结构层之间的粘结性能，还可以在基层顶面与沥青胶沙层之间和/或沥青胶沙层与装配式复合材料结构层之间设置乳化沥青粘油层，使上下面层形成良好的联结。

与现有技术相比，本发明的基于复合材料的装配式的重载交通道路路面铺装结构具有以下突出地有益效果：

(一)聚氨酯复合材料(灌注料)属于自流平，具有良好的渗透性，无需振捣，灌注率即可达到95％以上，灌注深度可达18cm以上，远远大于传统的技术灌注深度，为实现本发明铺装结构提供了有利保障；

(二)聚氨酯复合材料(灌注料)的高渗透性配合特定的级配设计，使本发明复合材料结构层可以直接铺筑在基层上，形成一种整体性的路面结构，避免在高温、低温和重载作用下的传统技术的层间的滑移、分层，保证了路面结构的整体性，同时比传统的抗车辙路面结构的厚度减薄了13cm，节约了大量的石料，经济和社会效益显著；

(三)复合材料结构层3h强度可达到20Mpa以上，施工方便，施工结束后1—3h就可以直接开放交通。同时这种复合型的材料的路面后期基本无收缩，避免了水泥混凝土路面的温缩和干缩的产生。

(四)所述黄金尾矿为矿石提取黄金精矿后所排出的废渣，一方面增强了混合料的强度，另外一方面可以替代细砂，解决工业废料的问题。

(五)所述聚氨酯乳液，可以有效的解决沥青材料和水泥基材料界面之间的粘合，使其整体的高温抗车辙性以及低温抗裂性增强。同时可以使石料的类型不仅仅局限于石灰岩，花岗岩和大理岩也可以用于公路建设中，解决了现阶段石料紧张的问题；

(六)设置有沥青胶砂层，可以有效的防止基层的反射裂缝向上发展，破坏复合材料层，沥青胶砂层起到了一部分的缓冲作用，同时起到了主要的找平作用，使预制的复合材料板更加平稳，防止预制板的应力集中。

(七)装配式路面结构可以有效地缩短施工时间，同时对于预制块出现病害后，可以快速将破损的预制块切除，替换成新的路面预制块，从而实现路面的快速养护，快速的恢复交通。

(八)装配式路面把沥青混合料生产部分成功转移到工厂内，消除了沥青路面施工存在粉尘，噪声，烟气等多种污染，是一种绿色环保的技术，具有显著的社会效益。

附图说明

附图1是实施例二基于复合材料的装配式重载交通道路路面铺装结构示意图。

具体实施方式

参照说明书附图以具体实施例对本发明的基于复合材料的装配式重载交通道路路面铺装结构作以下详细地说明。

实施例一：

【复合材料路面预制块的制备】

在地面铺设水泥混凝土的厂房内，室内温度控制在25-35℃条件下完成复合材料路面预制块的预制具体的预制方法如下：

1.铺筑灌浆

1.1在厂房内部的水泥混凝土地面上铺设镀锌板，起到隔离沥青混合料与水泥混凝土地面的作用；

1.2在镀锌板上洒铺乳化沥青；

1.3铺筑基体高粘性弹性沥青混合料，待基体高粘性弹性沥青混合料冷却后，灌注聚氨酯复合材料。所述基体高粘性弹性沥青混合料与所述聚氨酯复合材料的重量配比为80％:20％。

1.3.1基体高粘性弹性沥青混合料

混合料设计空隙率为31％。

合成级配以各粒径矿料通过标准尺寸筛孔百分率计，19mm筛孔通过率为100％，16.0mm筛孔通过率为97.4％、13.2mm筛孔通过率为76.7％、9.5mm筛孔通过率为38.8％、4.75mm筛孔通过率为10.6％，2.36mm筛孔通过率为8.7％，0.6mm筛孔通过率为5.4％，0.3mm筛孔通过率为4.2％，0.15mm筛孔通过率为3.9％，0.075mm筛孔通过率为3.3％。

沥青胶结料采用PG分级为82-22的高粘弹性复合改性沥青，其粘度为3.5Pa.s，软化点为88℃，其用量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的4.2％，纤维的添加量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的0.35％。

基体高粘性弹性沥青混合料的拌合方法：

先将粒度为10-15mm和5-10mm的粗集料玄武岩颗粒与沥青胶结料拌合1min，然后再加矿粉拌合0.5min，再加入粒度为0-3mm的细集料玄武岩拌合1.5min至拌合均匀，最后加入纤维拌合1min，总拌合4min。

其中，10-15mm粗集料、5-10mm粗集料、0-3mm细集料与矿粉的重量比为75:15:8:2；纤维其用量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的0.35％。

1.3.2聚氨酯复合材料

聚氨酯复合材料由普通硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿(140目)、聚氨酯乳液、UEA型膨胀剂、早强型醚类聚羧酸类减水剂、烷基芳烃磺酸类引气剂、固体聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂、玄武岩矿粉、羟基甲基丙基纤维素醚类稳定剂和水拌合而成，各物质的重量配比为30:20:25:4:4:0.3:0.3:1:20:0.005:20。

聚氨酯乳液为异氰酸酯和多元醇的混合液，异氰酸酯和多元醇的重量比为1:1。

1.4灌注料灌注完毕后，用扫地机将表面的浮浆去除，时间控制在30分钟之内完成，露出表面的石料，以增加表面的构造深度。

2.复合材料路面预制块切割

灌注完毕后，在室内条件下养生1天后，采用切割机，切割成3.75m×3.75m×0.16m的预制块。

实施例二：

【铺装结构】

如附图1所示，本实施例的重载交通道路路面铺装结构由基层1、沥青胶砂层2及复合材料结构层3构成。沥青胶砂层2、复合材料结构层3自下而上铺筑在基层1顶面。

1.基层1采用水泥稳定碎石基层。

2.沥青胶砂层2的厚度为3cm，采用沥青胶砂铺设而成。

沥青胶砂混合料空隙率为2.8％，矿料间隙率为17.2％，沥青的饱和度为82.6％，马歇尔稳定度不小于10kN。

沥青胶砂混合料的合成级配以各粒径矿料通过标准尺寸筛孔百分率计，为9.5mm筛孔通过率为100％，4.75mm筛孔通过率为98.5％，2.36mm筛孔通过率为74.7％，1.18mm筛孔通过率48.3％，0.6mm筛孔通过率为28.2％，0.3mm筛孔通过率为17.2％，0.15mm筛孔通过率为14.6％，0.075mm筛孔通过率为11.2％；

沥青胶砂胶结料采用30号沥青，针入度为31，软化点为88度，其沥青用量为7.2％。

3.复合材料结构层3的厚度为14cm，由若干块实施例一制得的复合材料路面预制块31拼装铺筑而成。

预制块31与沥青胶砂层之间通过0.5-1cm乳化沥青粘油层进行粘结，预制块31之前通过聚氨酯复合材料32进行粘结。

【铺筑方法】

A、清扫基层1表面干净，待表面晾干后，洒布乳化沥青或热沥青，使上下面层形成良好的联结。

B、铺筑沥青胶砂层，并在沥青胶砂层表面撒一层0.5-1cm的乳化沥青粘油层。

C、用吊装设备把若干预制块拼装铺设在乳化沥青粘油层表面。

D、拼装完毕后，用聚氨酯复合材料将预制块之间的缝进行灌注和填缝，固化2-3小时，道路可实现通行。

【性能测试】

测试对象为实施例二所述重载交通道路路面铺装结构。

对照对象采用目前水泥基灌浆料形成的路面结构(由实施例一所述基体高粘性弹性沥青混合料和普通水泥灌装料铺设而成)。

I.以标准方法(公路工程水泥及水泥混凝土试验规程T0553-2005)进行养生时间和强度测定，得到养生时间与强度关系。

由得到的养生时间与强度关系可以看出，在20℃、40℃条件下，复合材料结构层养生3小时后强度可达到15MPa和25MPa。在施工效率、强度等方面，显著优于水泥灌浆料结构层的施工效率和强度。

II.以路用性能评价的通用方法对实施例二道路结构进行性能参数测定，测定数据见表1。

表1灌注完路面材料的路用性能指标

Claims (9)

1.基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构，包括基层，其特征在于：基层顶面自下而上铺筑有沥青胶砂层、装配式复合材料结构层，所述的装配式复合材料结构层由若干块复合材料路面预制块拼装铺筑而成，预制块与沥青胶砂层之间通过乳化沥青粘油层进行粘结，预制块之间通过聚氨酯复合材料进行粘结，所述复合材料路面预制块由基体高粘性弹性沥青混合料和聚氨酯复合材料预制而成，

所述聚氨酯复合材料包括硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液及水，硅酸盐水泥、细微颗粒改性乳化沥青、黄金尾矿、聚氨酯乳液与水的重量比为(25～35):(10～25):(20～30):(3～5):(15～22)。

2.根据权利要求1所述的基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构，其特征在于：复合材料路面预制块的预制方法包括：

a、铺筑灌浆

在洒铺的乳化沥青的基板上铺筑基体高粘性弹性沥青混合料，待基体高粘性弹性沥青混合料冷却后，灌注聚氨酯复合材料，并除去表面浮浆；

b、成型

灌注完毕后，经养生、切割，得到复合材料路面预制块。

3.根据权利要求1或2所述的基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构，其特征在于：复合材料路面预制块中，基体高粘性弹性沥青混合料与聚氨酯复合材料的重量配比为75～85:15～25。

4.根据权利要求3所述的基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构，其特征在于：装配式复合材料结构层的厚度为10～16cm；基体高粘性弹性沥青混合料的设计空隙率为27～36％。

5.根据权利要求4所述的基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构，其特征在于：基体高粘性弹性沥青混合料的级配范围为19mm筛孔通过率为100％，16.0mm筛孔通过率为95％～100％、13.2mm筛孔通过率为72％～95％、9.5mm筛孔通过率为14％～65％、4.75mm筛孔通过率为5％～25％，2.36mm筛孔通过率为5％～15％，0.6mm筛孔通过率为3％～8％，0.3mm筛孔通过率为2％～6％，0.15mm筛孔通过率为2％～4％，0.075mm筛孔通过率为1％～5％。

6.根据权利要求4所述的基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构，其特征在于：基体高粘性弹性沥青混合料采用PG分级为82-22的高粘弹性复合改性沥青作为沥青胶结料，高粘弹性复合改性沥青的粘度为2.5～4.5Pa.s，软化点大于80℃。

7.根据权利要求6所述的基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构，其特征在于：基体高粘性弹性沥青混合料在拌合时加入适量纤维，纤维的添加量为基体高粘性弹性沥青混合料重量的0.3-0.6％。

8.根据权利要求1所述的基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构，其特征在于：聚氨酯复合材料还包括膨胀剂、减水剂、引气剂、消泡剂、碱性矿粉及稳定剂，膨胀剂、减水剂、引气剂、消泡剂、碱性矿粉、稳定剂与硅酸盐水泥的重量比为(3～5):(0.2～0.4):(0.2～0.5):(0.2～1.5):(10～25):(0.003～0.006):(25～35)。

9.根据权利要求2所述的基于复合材料装配式重载交通道路路面铺装结构，其特征在于：步骤a中利用扫地机去除表面浮浆，露出表面的石料，时间控制在30分钟之内完成。

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