本发明涉及路面材料,具体涉及一种α石膏基灌浆料及石膏基冷拌半柔性路面材料。
背景技术：
1、目前现代交通运输结构中，物流运输类车辆增长速度较快，导致交通荷载向重型化、大型化方向发展，再加上驾驶人员的不规范驾驶行为如汽车超载、超速等，最终导致车辙成为高速公路沥青路面的主要病害之一。车辙病害的出现，严重影响了沥青路面的服务质量和使用寿命，对路面及驾驶人员造成了诸多不便与危害。同时车辙不仅发生在道路表面，还会由于雨水、荷载等影响，逐渐深入到道路中下面层，从而使车辙维修更为困难。因此，公路技术人员将研究重点从车辙病害的养护维修转向了车辙的防治。针对重载交通的车辙问题取得了诸多研究进展，通过将水泥基材料灌注入空隙率高达20-28％的大空隙基体沥青混合料的空隙中形成半柔性路面，具有无缝施工、高强度、高耐久性、抗渗性好等优点，可大面积用于交通荷载量极大的路段。
2、然而为了确保该种水泥基材料浆体能够在大空隙基体沥青混合料中较为容易灌入，在实际工程施工中对该种浆体的流动性具有严格的要求，因而在进行配合比设计时常需较高的拌合用量水。但是随着水泥基材料水化反应的持续进行，浆体中的自由水不断与活性水泥颗粒发生反应生成水化硅酸钙、氢氧化钙等大量水化产物，导致浆体中占据极大体积比重的自由水转变为体积较小的水化产物，进而导致灌浆料材料的绝对体积不断减小，演变为化学收缩。其次，当水泥基材料浆体的水化反应进行到一定程度时，由其引起的化学收缩将导致在半柔性路面灌浆料内部无规则地形成一系列不同尺寸的微小孔隙，该种孔隙内部湿度相对较小，易在毛细管压力作用下引起自收缩。此外，当外界环境处于干燥条件下，灌浆料内部占据较大体积比重的自由水将不断地被蒸发、流失，进而引起体积减小，产生干燥收缩现象。以上由水泥基灌浆料材料引起的一系列收缩，将导致水泥基半柔性路面材料易形成非荷载型裂缝，严重影响了半柔性路面的耐久性，进而制约半柔性路面的推广应用。而水泥在生产过程中将伴有大量的二氧化碳等有害气体的生成，环保性非常差。
3、综上所述，半柔性路面材料的硅酸盐水泥灌浆料存在收缩大、易开裂、环保性差等问题；半柔性路面材料常采用热拌沥青作为结合料，也存在污染重、能耗高、受天气影响大等弊端。与此同时，工业副产石膏是重工业生产过程中的典型工业废渣，据统计我国目前工业副产石膏的总体堆积量已经高达10亿余吨，大量石膏副产品的堆积，不仅大面积地占用限制空地，其内部含有的酸性污染物同时易对土地造成不可逆转的危害，对工业副产石膏的大量消纳处理和资源化利用迫在眉睫。
技术实现思路
1、(一)要解决的技术问题
2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种α石膏基灌浆料及石膏基冷拌半柔性路面材料，将α石膏部分取代硅酸盐水泥灌浆料中的水泥制作灌浆料，实现对石膏的消纳和资源化利用，并减少水泥的使用，提升灌浆料抗收缩性能；以灌浆料和冷拌基体沥青混合料所制备的石膏基冷拌半柔性路面材料，具有低收缩、低污染、低能耗和受天气影响较小等特点。
3、(二)技术方案
4、第一方面，本发明提供一种α石膏基灌浆料，其包含：石膏、水泥、s95矿渣粉、硅灰、可再分散性乳胶粉、外加剂和水；所述外加剂包括聚羧酸减水剂、消泡剂、植物蛋白类缓凝剂、羟丙基甲基纤维素醚；
5、其中，石膏和水泥质量比为9：1-6∶4；水灰比为0.40-0.55；
6、硅灰的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的4-10％；
7、s95矿渣粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的5-11％；
8、可再分散性胶乳粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的1-1.9％；
9、聚羧酸减水剂的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的0.5-1.0％，消泡剂的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的0.02-0.06％，缓凝剂的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的0.01-0.05％；羟丙基甲基纤维素醚在α石膏基灌浆料中的含量为0.1-0.5％。
10、优选地，聚羧酸减水剂为高性能聚羧酸减水剂，掺入比例为水泥与α石膏质量之和的0.8％；缓凝剂为hg高效石膏，掺入比例为水泥与α石膏质量之和的0.02％；羟丙基甲基纤维素醚为20万粘度hpmc；可再分散性乳胶粉(rpp)其具有较强的黏合性，既可以提高石膏基材料的内聚力，改善流动性、防止泌水和离析，又能提升α石膏基灌浆料的抗裂性能，增加浆体材料的强度和憎水性；消泡剂优选为粉末状有机硅消泡剂，掺入比例为水泥与α石膏质量之和的0.04％。所述硅灰为球状的硅灰颗粒。硅灰是由超细球状的矿物粉末组成，平均粒径约为水泥的0.01倍，具有微集料滚珠效应，填补较大水泥颗粒之间的孔隙，减小球状水泥颗粒的摩擦效果，提升灌浆料材料的工作性能，还能填充硬化水泥浆体的孔隙中，使得浆体结构内部形成致密的结构，提升灌浆料的强度。
11、根据本发明的较佳实施例，所述α石膏为短柱状α型半水石膏，其平均细度为2000目。α石膏是由脱硫石膏在蒸压釜内高温、高压、转晶、干燥后得到，α半水石膏的主要矿物相成分为半水硫酸钙，ph值约为6.5。相比细长纤维状的晶须型α半水石膏，粗而短的短柱状α半水石膏晶体结构致密更能提升建筑胶凝材料的强度等物理力学性能。
12、根据本发明的较佳实施例，所述α半水石膏的颗粒粒径呈明显的正态分布趋势，主要处于1-40微米之间，边界粒径d10为2.121微米，平均颗粒粒径d50为8.673微米，边界粒径d90为28.942微米，至少存在有90％的α半水石膏颗粒粒径均小于28.942微米。
13、根据本发明的较佳实施例，所述水泥为p.o42.5普通硅酸盐水泥。
14、根据本发明的较佳实施例，所述α石膏基灌浆料的水灰比为0.45、石膏：水泥比为6∶4、硅灰的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的10％，s95矿渣粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的9％，可再分散性胶乳粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的1.6％；此时α石膏基灌浆料具有最大的7d抗压强度；或者，
15、所述α石膏基灌浆料的水灰比为0.45、石膏：水泥比为7∶3、硅灰的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的4％，s95矿渣粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的5％，可再分散性胶乳粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的1.3％；此时α石膏基灌浆料具有最大的7d抗折强度；或者，
16、所述α石膏基灌浆料的水灰比为0.55、石膏：水泥比为8∶2、硅灰的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的8％，s95矿渣粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的11％，可再分散性胶乳粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的1.6％；此时α石膏基灌浆料具有最优的流动度；或者，
17、所述α石膏基灌浆料的水灰比为0.40、石膏：水泥比为9∶1、硅灰的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的8％，s95矿渣粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的9％，可再分散性胶乳粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的1.6％；此时α石膏基灌浆料具有最好的干燥收缩性能，具备优异的抗收缩性能，干燥收缩率低。
18、为获得一种低收缩、高流动度和高力学强度的石膏基灌浆料，需兼顾力学强度、流动度(灌浆材料流动度要求在12-14s之间)和低收缩率，更优选地，所述α石膏基灌浆料的水灰比为0.45，石膏与水泥的质量比为8∶2，硅灰的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的8％，s95矿渣粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的9％，可再分散性胶乳粉的掺入比例为水泥与α石膏质量之和的1.6％。在该配合比下制得的α石膏基灌浆料，其7d抗压强度为24.3mpa，流动度为13.2s(满足规范要求)，7d抗折强度为7.8mpa，7d干缩率为0.27‰。此时，所述石膏基灌浆料的各项性能都十分优异。
19、第二方面，本发明提供一种石膏基冷拌半柔性路面材料，其包含上述任一实施例的α石膏基灌浆料和冷拌大空隙基体沥青混合料；冷拌大空隙基体沥青混合料包含反应型常温液体沥青rla、粗集料、细集料、石灰岩矿粉和硅酸盐水泥(作固化剂)；冷拌大空隙基体沥青混合料的设计空隙率为21-27％；
20、所述反应型常温沥青rla是在50-60质量份的经高温加热后呈流动态的基质沥青中添加20-30质量份反应型液化剂、10-20质量份水性环氧树脂乳液改性剂和10-20重量份的偶联剂，经剪切搅拌混合制得；
21、所述反应型液化剂是以不饱和脂肪酸为液化剂基体材料，加入烷基二甲基甜菜碱和苯酚多聚物搅拌混合制得；其中，不饱和脂肪酸：烷基二甲基甜菜碱：苯酚多聚物质量比为15-25:5-10:1-5；所述不饱和脂肪酸为肉豆蔻油酸、反式油酸、油酸、亚油酸、芥酸、棕榈油酸、蓖麻油酸中的至少一种；所述烷基二甲基甜菜碱为c10-20烷基二甲基甜菜碱；所述苯酚多聚物三-(二甲胺甲基)苯酚多聚物。
22、优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂，最佳为c10-20烷基三乙氧基硅烷。关于反应型常温沥青的相关技术和反应型常温沥青混合料的制备方法，可参见申请人的在先专利cn108726924b或cn117585964a中所记载，为申请人自主研发的常温反应型常温沥青，属冷拌沥青，该沥青不仅能够固化形成高强度，而且无加热和碳排放。
23、优选地，当所述冷拌大空隙基体沥青混合料的空隙率为21％时，沥青用量为4.05-4.16％，最佳为4.1％；优选地，当所述冷拌大空隙基体沥青混合料的空隙率为23％时，沥青用量为3.75-3.85％，最佳为3.8％；优选地，当所述冷拌大空隙基体沥青混合料的空隙率为25％时，沥青用量为3.65-3.77％，最佳为3.7％；优选地，当所述冷拌大空隙基体沥青混合料的空隙率为23％时，沥青用量为3.45-3.55％，最佳为3.5％。最佳沥青用量是集体沥青混合料中，(基质)沥青与全部混合料(包括粗细集料、固化剂、矿粉等)的最优质量比。
24、石膏基冷拌半柔性路面材料的施工方法常采用灌入式，其主要分为大空隙基体沥青混合料的摊铺及流动浆体材料的灌注这两大部分。施工过程中，在常温下拌和制得大空隙基体沥青混合料，将大空隙基体沥青混合料进行摊铺和压实，再将α石膏基灌浆料搅合并灌注至大空隙基体沥青混合料的摊铺层中，进行路面振动或碾压使得灌浆料与大空隙基体沥青混合料能够“合二为一”，得到石膏基冷拌半柔性路面材料，即半柔性路面施工。所述大空隙基体沥青混合料的设计要求为：密度≥1.9g/cm3，击实次数/次为双面各50，稳定度≥3.0kn，流值为20-40mm。
25、灌注率为注入到基体沥青混合料中浆体体积与连通空隙体积的比值。通过制备α石膏基的冷拌石膏基冷拌半柔性路面材料试件的实际灌注率测定，可评价灌注效果。测定结果表明，不同目标空隙率的试件的浆体灌注率均达到95％以上。
26、优选地，所述冷拌大空隙基体沥青混合料的空隙率为23％。在该空隙率下制备的柔性路面材料，综合性能最优，其动稳定度为10862次/mm，最大弯拉应变为1517με，浸水残留稳定度为88.2％，冻融劈裂强度比为83.3％，摆值为71bpn，可适用于年极端最低气温＞0℃地区。
27、(三)有益效果
28、本发明的技术效果主要包括：
29、(1)本发明采用α石膏基灌浆料由α石膏、水泥、s95矿渣粉、硅灰、可再分散性乳胶粉、外加剂和水等混合制成，使用α石膏部分取代传统水泥灌浆料中的硅酸盐水泥，使得灌浆料硬化后产生钙矾石、水化硅酸钙凝胶(c-s-h)、二水石膏等三大类水化产物，其中钙矾石由水泥熟料中的铝酸三钙与石膏反应而来，可起到增强结构力学性能并产生体积微膨胀的作用；呈短柱状的α石膏与拌合水反应产生二水石膏，可用于提升硬化浆体材料的物理力学性能。硬化浆体材料中光滑板状的二水石膏晶体相互重叠，并且在表面附团簇状的c-s-h，填充于浆体的空隙内部，针柱状的钙矾石同样穿插在浆体材料的微小空隙中，上述两种物质在浆体材料空隙内部不断生长，使得空隙结构越发致密，发展到一定程度后产生微膨胀，用以弥补半柔性路面材料干燥收缩的问题；由于浆体内部空隙被c-s-h、二水石膏、针柱状的钙矾石等填充，使灌浆料硬化后其结构更加致密，结构更加密实，各项机械强度(抗压和抗折)得到提升。
30、此外，其中的超细球状的硅灰不均匀地分布在浆体材料内部，其具有的“微集料”效应可以减少浆体混合材中颗粒之间的摩擦，降低石膏基浆体材料的粘度，进而提升其工作性能，球状的硅灰颗粒还可以填充在硬化石膏基材料的空隙中，起到提升硬化浆体的强度与密度的效果。
31、(2)本发明使用工业副产石膏作为灌浆料中的主要组分，减少水泥用量，节省施工成本，减少水泥生产带来的能源消耗、碳排放和有害气体的排放，实现对工业副产石膏的资源化利用，且由于本发明的灌浆料中α石膏用量较大，因此具有快速消纳石膏的效果，减少占地面积和环境污染。本发明使用反应型常温液体沥青作为基体沥青混合料的结合料，可在常温下拌和基体沥青混合料，拌和过程污染小、能耗低、不受施工季节和天气的影响。
32、(3)本发明的α石膏基灌浆料在优化的配合比下，α石膏基灌浆料较α石膏净浆强度提升较大，具有良好的流动性和耐水性，且收缩率小于0.3‰(实际收缩率：7d干缩率为0.27‰)。在0-100℃进行热重分析，石膏基浆体材料质量损失率仅为2％，满足施工和路用要求。
33、(4)使用本发明的α-石膏基灌浆料对不同目标空隙率的冷拌大空隙基体沥青混合料进行灌注，在最佳沥青用量下，灌注率均超过95％，灌注率非常高，满足半柔性路面材料的要求。对不同目标设计空隙率的半柔性路面材料进行了路用性能评价，结果表明设计空隙率为23％时综合性能最优，其动稳定度为10862次/mm，最大弯拉应变为1517με，浸水残留稳定度为88.2％，冻融劈裂强度比为83.3％，摆值为71bpn，可适用于年极端最低气温＞0℃地区。
