CN1948622A - 聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构及施工方法，涉及道路工程等铺面工程。在底层4上，喷涂粘结层3，在粘结层3上，利用混合的聚合物与水泥形成浆体作为胶结料粘结碎石、砂，形成富含孔隙的聚合物改性水泥孔隙混凝土，摊铺、整平、振实，形成聚合物改性水泥孔隙混凝土层2，最后喷洒表面处理层1。掺入聚合物后，混合料中的粒料与浆体粘结更加牢固，粘结层的采用使路面结构与底层形成一个整体，路面结构具有强度高，抗裂性好、耐水性好、抗老化、耐腐蚀性好的特点；采用间断级配或者单一级配，孔隙大，使路面结构能够透水、降噪，聚合物用量少，经济性强；表面处理层使路面表面性能显著提高；根据不同的运用情况，可以使聚合物改性水泥孔隙混凝土面层呈现刚性或者柔性性质。本发明采用摊铺机或人工摊铺、整平、振实，具有施工简单方便，适用面广。

Description

聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构及施工方法

一、技术领域

本发明涉及道路工程等铺面工程及其施工方法，尤其是聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构及施工方法。

二、背景技术

1、水泥混凝土材料及其施工方法

1.1水泥混凝土和现行的聚合物改性水泥混凝土

水泥混凝土材料是一种家喻户晓的建筑材料，混凝土的发展虽然只有100多年的历史，如今已成为世界范围内应用最广、用量最大、几乎随处可见的建筑材料。水泥混凝土以无机材料的水泥浆体作为胶粘材料，粘结碎石和砂。塑态的水泥混凝土具有一定的流动性，为了保证凝固后的混凝土内部密实，浇注塑态混凝土时一般采用振捣工艺进行施工，水泥浆凝固后形成坚硬如同石料的混凝土。它具有取材方便、施工简单、强度高、可以做成任意形状的特点。然而水泥混凝土材料有其自身不可克服的弱点：凝固初期收缩量大，内部易产生初始缺陷；适应变形能力差，易开裂，因此长期以来人们一直致力于水泥混凝土改性的研究。

近年来，聚合物改性水泥混凝土的出现——混凝土的有机化——又使混凝土这种材料走上了一个新的发展阶段。聚合物改性水泥混凝土以聚合物或者聚合物乳液改性水泥，并以聚合物水泥浆或者聚合物乳液改性水泥浆作为胶粘材料，粘结碎石和砂。聚合物改性水泥混凝土的抗压、抗拉、抗冲击强度均有大幅度提高，具有高抗腐蚀的特点，而且具有变形能力适应性强的显著特点，因而得到了较为广泛的应用。

目前聚合物改性水泥混凝土主要用作混凝土修补材料、装饰材料和房屋地面铺筑材料，在结构工程、路面和桥面中也有零星的运用。聚合物改性水泥混凝土的施工工艺有两种：①当其中的集料粒径较大时，采用和普通水泥混凝土施工相同的工艺：要求聚合物改性水泥混凝土有较大的流动性，塌落度一般在3-5cm，浇注后振捣密实，一般铺筑厚度为2-4cm；②当其中集料的粒径较小时，同样要求聚合物改性水泥混凝土(也称作聚合物水泥砂浆)具有较大的流动性，采用类似于刷涂料的方式，分层涂刷到结构物表面，一般厚度为0.5-2cm。前一种施工方式用于房屋地面的铺筑，后一种则用于修补、装饰等。

现行的聚合物改性水泥混凝土材料在使用中存在以下主要问题：当采用上述第一种工艺时，由于聚合物改性水泥混凝土的收缩一般总大于普通水泥混凝土，即使收缩性能最好的聚合物改性水泥混凝土其收缩量也仅和普通混凝土相同，因此聚合物改性水泥混凝土铺面时必须设置收缩补偿缝，不能连续铺设。当采用第二种施工工艺时，为了保证聚合物改性水泥混凝土不开裂，单位体积聚合物改性水泥混凝土中聚合物材料用量较大、造价昂贵，另外，分层涂刷的工艺一次形成的厚度较小(不大于1cm)，因此第二种施工工艺一般不能用于大面积、且具有一定厚度要求的道路路面(一般均在4cm以上)铺设。。

1.2碾压水泥混凝土

碾压水泥混凝土是近三十年来发展起来的一种新型混凝土。它具有独特的性能，未凝固前碾压混凝土的性能完全不同于常规混凝土，未凝固的碾压混凝土稠度很干，比工民建的干硬混凝土还要干，是一种塌落度为零的超干硬混凝土，它可以使推土机、压路机在其上工作而不下陷，凝固后又与常规混凝土的性能非常接近。碾压混凝土通过振动力的作用，使石子克服摩阻力占居空间形成骨架，孔隙被水泥砂浆填充并包裹，形成密实体。

碾压水泥混凝土具有施工机械容量大、速度快、大面积作业的特点。它具有强度高、耐久性好、节约水泥、干缩小的优点。

碾压水泥混凝土在水工坝体的修筑和高等级公路路面的修筑方面有较多的应用。碾压水泥混凝土路面从材料性质上看，仍然属于常规水泥混凝土的范畴，其变形适应性差、脆性大、抗裂性差。如果不设伸缩缝，路面中常会出现裂缝，因此目前在路面施工时，常常在路面中设置伸缩缝。

2、路面工程等其它铺面工程

高等级公路的路面结构类型主要有两种，即水泥混凝土路面和沥青混凝土路面。水泥混凝土路面通常称为刚性路面，沥青路面通常称为柔性路面。水泥混凝土路面面层刚度大，强度高，混凝土板的弹性模量和强度远远大于基层和土基的弹性模量和强度，路面具有“刚性”；沥青路面面层的弹性模量与基层相差不大，沥青混凝土面层变形能力好，能适应基层和土基的变形，路面具有“柔性”。

水泥混凝土路面包括普通水泥混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、预应力混凝土、装配式混凝土、钢纤维混凝土等面层板和基层所组成的路面。目前采用最广泛的是就地浇筑的普通水泥混凝土路面。水泥混凝土路面具有取材方便，施工简单、路面强度高、稳定性好、耐久性好等优点，但行车舒适性较差、面层与基层变形协调能力差、有接缝、容易破坏、难于修复等缺点。水泥混凝土路面面层厚度较大，一般均在20cm以上。

沥青路面是用沥青材料作结合料粘结石子等矿物料修筑面层，与基层所组成的路面结构，其面层可由单层、双层或三层混合料组成，各层混凝土的组成设计应根据其层厚和层位、气温和降雨量等气候条件、交通量等因素确定。沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪声低、养护维修简便等优点，但沥青施工要求高，路面水稳定性、温度稳定性、耐化学老化性较差，路面强度不高，容易产生车辙、松散剥落、反射裂缝等破坏。沥青路面的面层厚度较水泥混凝土路面薄，一般最小厚度为2cm，最大厚度为18cm。

3、存在的问题

常规的聚合物水泥混凝土、水泥混凝土路面、碾压水泥混凝土路面均采用密实结构，施工中对路面的质量控制也要求结构密实。对于水泥基材料，由于水泥水化中体积收缩，因此必须锯缝。

对于常规的沥青路面，也采用密实结构，由于沥青材料的强度低，老化性、温变性差，因此常导致车辙、老化开裂、温度开裂等病害。

对于现在刚出现不久的沥青开级配磨耗层(Open Grade FrictionConcrete)，内部含有孔隙，因此具有透水、降噪功能，但是由于沥青材料的使用使得其强度远远小于密实型沥青混凝土的强度，更易发生结构破坏。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，施工方便，采用聚合物改性水泥孔隙混凝土材料所形成的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构及施工方法。

本发明将水泥混凝土中的无机胶结料水泥浆通过聚合物或者聚合物乳液进行改性，使之有机化，增强混凝土的变形能力，或者说将聚合物改性水泥混凝土的配比进行调整，减少了聚合物改性水泥混凝土的收缩，在此基础上便可以得到一种新型的路面结构——聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构。

本发明的目的所采用的技术方案是，其结构：包括有底层、粘结层、聚合物改性水泥孔隙混凝土层、表面处理层，其底层表面设有粘结层，在粘结层上铺筑有聚合物改性水泥孔隙混凝土层，聚合物改性水泥孔隙混凝土层上有表面处理层。

本发明，底层为水泥稳定类基层。水泥稳定类基层起基础作用，承受、并分散面层传递下来的荷载。水泥稳定类基层可以为水泥稳定碎石基层、水泥稳定砂砾基层。

本发明，底层为已形成的水泥混凝土路面。

本发明，底层为沥青混凝土路面。

本发明，粘结层为聚合物改性水泥砂浆，按重量配比为——聚合物∶水∶水泥∶砂＝1∶0～5∶1～15∶0～5。其作用是将聚合物改性水泥孔隙混凝土层和底层牢固粘结。

本发明，聚合物改性水泥孔隙混凝土层由间断级配或者单一级配碎石、砂、水泥、聚合物、水组成，经拌合后互相粘结，按重量配比为——水泥∶碎石∶砂∶聚合物∶水＝150～400∶1200～2200∶0～500∶30～200∶0～120。由于采用了间断级配或者单一级配碎石，形成的聚合物改性水泥孔隙混凝土层含有较大的孔隙，使路面具有透水、降噪功能。

本发明，表面处理层为聚合物改性水泥砂浆，按重量配比为——聚合物∶水∶水泥∶砂＝1∶0～4∶0～12∶0～10。表面层能提高路面的耐磨性、抗滑性。

本发明，粘结层中的聚合物为热固性树脂、焦油类树脂、乙烯类树脂等中的一种，也可以为聚合物乳液，如丁苯橡胶乳液、氯丁橡胶乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、VAE乳液等的一种。

本发明，聚合物改性水泥孔隙混凝土层中的聚合物为热固性树脂、焦油类树脂、乙烯类树脂等中的一种，也可以为聚合物乳液，如丁苯橡胶乳液、氯丁橡胶乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、VAE乳液等的一种。

本发明，表面处理层中的聚合物为热固性树脂、焦油类树脂、乙烯类树脂等中的一种，也可以为聚合物乳液，如丁苯橡胶乳液、氯丁橡胶乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、VAE乳液等的一种。

本发明的施工方法：在清理过的底层的表面，采用机械或者人工的方法均匀拌和、喷洒或者涂刷聚合物改性水泥砂浆，形成粘结层，粘结层应在铺筑聚合物改性水泥孔隙混凝土层前72个小时内完成；采用水泥混凝土搅拌机，均匀搅拌形成聚合物改性水泥孔隙混凝土，采用摊铺机摊铺聚合物改性水泥孔隙混凝土，利用摊铺机或者人工实现对聚合物改性水泥孔隙混凝土的整平、压实，形成聚合物改性水泥孔隙混凝土层；聚合物改性水泥孔隙混凝土层采用薄膜覆盖养护，养护期1-7天；养护结束后，在聚合物改性水泥孔隙混凝土层的表面上，采用人工或者机械的方法均匀拌和、喷洒或者涂刷聚合物改性水泥砂浆，形成表面处理层。

本发明采用的聚合物改性水泥孔隙混凝土，与现行的聚合物改性水泥混凝土有着本质的差别，具体表现为：

(1)本发明的聚合物改性水泥孔隙混凝土与现行的聚合物改性水泥混凝土相比，配合比设计理论不同：本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土配合比设计时，采用断级配或者单一级配，以使聚合物改性水泥混凝土内部富含孔隙，其中聚合物的掺量大幅减少；同时本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土必须保证足够干硬，能够采用摊铺机或者人工摊平、振实施工。而现行的聚合物改性水泥混凝土必须具有一定的流动性，聚合物用量大，结构为密实结构。

(2)本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土的强度形成机理不同于现行聚合物改性水泥混凝土强度形成机理：本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土的强度由聚合物改性水泥浆体的粘结力和集料之间的摩阻力组成；而现行的聚合物改性水泥混凝土的强度主要来自于聚合物水泥浆的粘结力，集料之间的摩阻力十分微弱(密实结构所致)。

(3)施工工艺明显不同。本发明申请的聚合物改性水泥混凝土主要采用摊铺机自摊平、自振实工艺施工，摊铺后无需采用压路机碾压，也不需要振动器振动使结构密实。而现行的聚合物改性水泥混凝土在施工时常采用振捣工艺施工；当采用涂刷工艺时，一次施工厚度小，难以适应道路路面的大规模施工。

本发明采用的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，与现行的普通水泥混凝土路面结构、碾压水泥混凝土路面结构、聚合物改性水泥混凝土铺面和沥青路面结构有着本质的差别，具体表现为：

(1)与现行普通水泥混凝土路面结构的不同

强度理论不同：普通水泥混凝土路面结构主要靠水泥浆凝固后的水泥石粘结集料形成强度；而本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构靠凝固后的聚合物水泥浆的粘结和集料之间的摩阻力形成强度。

材料性质不同：普通水泥混凝土路面结构的粘结料为无机材料；而本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构则含有一定数量的聚合物，使混凝土有机化。

施工工艺不同：普通水泥混凝土路面结构采用振捣工艺使混凝土密实；而本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构利用摊铺机或人工使混凝土密实。

设计理论不同：普通水泥混凝土路面结构设计时采用板底弯拉应力为指标控制设计；而聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构由于加入聚合物后变形能力增强，同时粘结层的采用，使得结构的受力发生了根本性的改变，因此采用变形指标控制设计，不再以强度指标控制设计。

(2)与现行碾压水泥混凝土结构的不同

材料性质不同：现行的碾压水泥混凝土路面结构的胶结料为无机材料；而本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构的材料实现了有机化。

材料内部结构不同：现行的碾压水泥混凝土内部结构仍为密实结构，而本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土由于粗集料采用了间断级配或者单一级配，因而内部富含孔隙，具有透水、降噪功能。

力学性质不同：现行的碾压水泥混凝土路面结构属于刚性路面结构，变形能力小、变形适应性差，抗裂性差；而本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构的变形能力大、变形适应性强，抗裂性好。

设计理论不同：现行的水泥混凝土路面结构设计时仍采用普通水泥混凝土路面的设计理论；而本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构则采用变形指标进行设计。

(3)与现行聚合物改性水泥混凝土铺面的不同

施工工艺不同：现行聚合物改性水泥混凝土铺面一般采用振捣工艺和涂刷工艺施工，一次成形厚度小，当采用振捣工艺时必须预设收缩缝，铺面不连续；当采用涂刷工艺时，需要涂刷多次才能达到较大的厚度；而本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构则采用摊铺机或人工整平、振实，无需碾压，便于大规模施工，施工速度快。

力学性质不同：现行聚合物改性水泥混凝土铺面的收缩量大，易开裂；聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构含有一定数量的聚合物，且富含孔隙，整平、振实后收缩量大幅下降，路面抗裂性好。

(4)与现行的沥青路面结构的不同

材料种类不同：现行沥青路面以沥青为粘结材料；而本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构则以人工合成的聚合物材料改性水泥为粘结材料。

力学性质不同：聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构中，混合后的聚合物与水泥形成的浆体具有更高的强度，更好的粘结性、热稳定性、水稳定性、抗老化性、耐久性好的优点。聚合物改性水泥浆的变形能力可以通过聚合物的品种和剂量进行调整，从而使修筑出的聚合物改性水泥混凝土呈现刚性性质或者柔性性质。

综上所述，本发明聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构是一种全新的不同于现有各种路面结构的新型路面结构。路面既具有水泥混凝土路面的高强度，又具有沥青路面的高柔性，既具有无机材料的稳定性，又具有有机材料的粘结能力，路面同时具有水泥混凝土路面与沥青路面的优点而各去其短。

本发明聚合物改性水泥混凝土路面结构可以在保证优良的路用前提下大幅降低路面面层的厚度，带来显著的经济性；聚合物改性水泥混凝土路面取材方便，施工简单、快捷。

四、附图说明

结合附图进一步说明本发明。

附图是本发明断面结构示意图。

图中：1——表面处理层                2——聚合物改性水泥孔隙混凝土层

      3——粘结层                    4——底层

五、具体实施方式

下面一个实施例：

其结构为，底层4、粘结层3、聚合物改性水泥孔隙混凝土层2、表面处理层1，底层4表面设有粘结层3，在粘结层3上铺筑有聚合物改性水泥孔隙混凝土层2，聚合物改性水泥孔隙混凝土层2上有表面处理层1。

本发明的具体实施方式为：首先清扫先期形成的水泥混凝土路面层4，然后在其上人工铺刷起粘结作用的聚合物水泥砂浆，形成粘结层3，粘结层3的重量配比为——聚合物为丁苯橡胶乳液∶水∶普通硅酸盐水泥PO 42.5∶砂＝1∶3∶4∶0；1小时后，用水泥混凝土搅拌机配制具有一定干稠度、适合于沥青摊铺机自整平、自振实工艺的聚合物改性水泥孔隙混凝土，其重量配比为——普通硅酸盐水泥PO 42.5∶碎石(单级配，粒径5-10mm)∶砂∶丙烯酸乳液聚合物∶水＝300∶1650∶50∶100∶20，将搅拌均匀的混合料用自卸汽车运至施工现场，用沥青摊铺机摊铺，采用摊铺机的自整平、自振实工艺实现聚合物改性水泥孔隙混凝土的整平、压实，形成聚合物改性水泥孔隙混凝土层2，无需碾压，也不需要振捣；薄膜覆盖养生3天，然后在聚合物改性水泥孔隙混凝土层2的表面喷涂聚合物改性水泥砂浆，形成表面层1，聚合物改性水泥砂浆，其重量配比为——苯丙乳液聚合物∶水∶普通硅酸盐水泥P0 42.5∶砂＝1∶2∶4.5∶0.2。

以下是聚合物改性水泥孔隙混凝土路面板的部分力学实验。

发明人在实验室试槽中进行了聚合物改性水泥孔隙混凝土路面板实验。试槽底部的土基厚度为一米，基层为水泥稳定级配碎石，基层和土基均用压路机压实，和实际道路的路基和基层完全一致。聚合物改性水泥孔隙混凝土路面的尺寸为800mm×450mm×40mm。

实验中用两块普通混凝土板作为对比；聚合物改性水泥孔隙混凝土路面板制作时采用了两种改性配方，聚合物加入量分别为水泥用量的15％和30％两种(单方聚合物水泥混凝土水泥用量为200公斤)，每种配方制作两块板，共制作改性柔性水泥孔隙混凝土路面板8块。普通混凝土板浇注、振捣密实、抹平表面后，按照养护标准进行养护；聚合物改性水泥孔隙混凝土路面板采用表面振动板振动密实，采用覆盖薄膜的养护方法进行养护。养护7天后，对各板进行加载。加载采用底面尺寸为450mm×100mm的刚性梁在板的中部加载。

加载过程中用电阻应变片观察板底拉应变。对普通混凝土板加载，当荷载达到3吨时，路面板开裂，对于聚合物改性孔隙水泥混凝土路面板，当荷载达到30吨时，路面板没有开裂现象。应变监测的结果与实验观察的现象一致。

实验中观察到，聚合物掺量达到30％时，加载点下缘混凝土有类似橡胶受压状态下的轻微凸出现象，说明随着聚合物掺量的增加，聚合物改性水泥孔隙混凝土柔性路面板的变形能力大幅度提高。

本次路面小板的实验结果见下表。

            路面板加载实验结果

路面板的类型		荷载(吨)	路面板的情况
				普通水泥混凝土		3	开裂
聚合物改性水泥混凝土柔性路面板1	掺量15％	30	无开裂
				掺量30％	30	无开裂，侧面有轻微凸出现象
	聚合物改性水泥混凝土柔性路面板2	掺量15％	30				无开裂
掺量30％				30	无开裂，侧面有轻微凸出现象

从以上实验可以看出：本发明申请的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面板性质稳定、承载力提高显著，是一种力学性能优良的路面结构。

Claims (10)

1、一种聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，包括有底层(4)、粘结层(3)、聚合物改性水泥孔隙混凝土层(2)、表面处理层(1)，其特征是：底层(4)表面设有粘结层(3)，在粘结层(3)上铺筑有聚合物改性水泥孔隙混凝土层(2)，聚合物改性水泥孔隙混凝土层(2)上有表面处理层(1)。

2、根据权利要求1所述的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，其特征是：底层(4)为水泥稳定类基层。

3、根据权利要求1所述的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，其特征是：底层(4)为已形成的水泥混凝土路面。

4、根据权利要求1所述的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，其特征是：底层(4)为沥青混凝土路面。

5、根据权利要求1所述的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，其特征是：粘结层(3)为聚合物改性水泥砂浆，按重量配比为——聚合物∶水∶水泥∶砂＝1∶0～5∶1～15∶0～5。

6、根据权利要求1所述的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，其特征是：聚合物改性水泥孔隙混凝土层(2)由间断级配或者单一级配碎石、砂、水泥、聚合物、水组成，经拌合后互相粘结，按重量配比为——水泥∶碎石∶砂∶聚合物∶水＝150～400∶1200～2200∶0～500∶30～200∶0～120，形成含有孔隙的聚合物改性水泥孔隙混凝土层(2)。

7、根据权利要求1所述的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，其特征是：表面处理层(1)为聚合物改性水泥砂浆，按重量配比为——聚合物∶水∶水泥∶砂＝1∶0～4∶0～12∶0～10。

8、根据权利要求5、6、7所述的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，其特征是：所述的聚合物为热固性树脂、焦油类树脂、乙烯类树脂等中的一种。

9、根据权利要求5、6、7所述的聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构，其特征是：所述的聚合物为聚合物乳液，如丁苯橡胶乳液、氯丁橡胶乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、VAE乳液等的一种。

10、一种聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构施工方法，其特征是：在清理过的底层(4)的表面，采用机械或者人工的方法均匀拌和、喷洒或者涂刷聚合物改性水泥砂浆，形成粘结层(3)，粘结层(3)应在铺筑聚合物改性水泥孔隙混凝土层(2)前72个小时内完成；采用水泥混凝土搅拌机，均匀搅拌形成聚合物改性水泥孔隙混凝土，采用摊铺机摊铺聚合物改性水泥孔隙混凝土，利用摊铺机或者人工实现对聚合物改性水泥孔隙混凝土的整平、压实，形成聚合物改性水泥孔隙混凝土层(2)；聚合物改性水泥孔隙混凝土层(2)采用薄膜覆盖养护，养护期1-7天；养护结束后，在聚合物改性水泥孔隙混凝土层(2)的表面上，采用人工或者机械的方法均匀拌和、喷洒或者涂刷聚合物改性水泥砂浆，形成表面处理层(1)。

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