一种钢纤维轻骨料水泥稳定碎石及制备工艺

1.本发明涉及路基材料技术领域，更确切地说，它涉及一种抗裂性水泥稳定碎石及其制备工艺。


背景技术：

2.截至2020年末，我国公路总里程达到519.81万公里，比上年末增加18.56万公里，公路密度54.15公里/百平方公里，增加1.94公里/百平方公里。其中，二级及以上等级公路里程70.24万公里，占公路总里程比重为13.5％，高速公路里程16.10万公里，增加1.14万公里；高速公路车道里程72.31万公里，增加5.36万公里。国家高速公路里程11.30万公里，增加0.44万公里。可见，随着交通强国战略的制定与部署，我国公路建设依然如火如荼，高等级公路的建设更是重中之重。沥青路面作为一种平整性好，低噪声，施工养护简单方便的路面结构，在世界各地被广泛应用。在我国，90％以上的新建与拟建的高速公路采用沥青路面。另一方面，随着我国道路建设事业的快速发展，半刚性基层沥青路面以其承载力高、造价低的特点，成为了我国高等级路面的主流结构类型，经过全国道路工作者的共同探索与努力，半刚性基层沥青路面结构体系不断完善。
3.半刚性基层作为道路结构的主要承重层，其良好的力学性能是实现“强基薄面”路面结构形式的基础。无机结合料稳定基层材料具有稳定性好、抗冻性强、结构本身自成板体等特点，但其耐磨性差，因此广泛用于修筑路面结构的基层和底基层。无机结合料稳定材料种类较多，其物理、力学性质各异，比较常用的有水泥稳定类、石灰稳定类和石灰粉煤灰稳定类材料。
4.水泥稳定碎石材料除了具有强度高、稳定性好、刚性大、板体性好等半刚性基层的优点外，而且原材料易获得，有利于机械化施工，工程造价低，可以满足重交通发展需求。因此，水泥稳定碎石材料现在被广泛应用于高等级公路。但是，在强度形成及后期服役过程中，易产生干燥收缩裂缝和温度收缩裂缝，进而延伸到面层形成反射裂缝，影响路面的稳定性与耐久性，使得结构的整体性降低、使用寿命下降，甚至危及行车安全。
5.根据水泥稳定碎石收缩与开裂机理可知，目前采取的水泥稳定碎石抗开裂性能研究基本上基于两个方面，一是减少其早期收缩，二是缓解裂缝的扩展。水泥稳定碎石材料的早期收缩主要是干燥收缩，而预吸水轻骨料材料可以预先吸水，在水泥稳定碎石硬化过程中由于适度梯度的存在而释水，向水泥石毛细孔中补水以平衡水泥水化耗水，从而提高毛细孔的水饱和度，对混合料具有“保水“功能，可以大大减缓早期收缩。纤维材料对于水泥稳定碎石具有”加筋“作用，可以减缓后期裂缝的再次发展。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供一种钢纤维轻骨料水泥稳定碎石，目的在于解决目前水泥稳定碎石基层存在地耐久性、稳定性问题，通过添加钢纤维以及轻骨料改性水泥稳定碎石，提高其抗收缩开裂能力。
7.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
8.一种钢纤维轻骨料水泥稳定碎石，其组分按重量份数计包括：集料100份、水泥4.0-5.5份和水4.0-5.5份，钢纤维0.05-0.1份；集料的组成比例按重量百分数计包括：粒径为20-30mm的1#料20-28％、粒径为10-20mm的2#料12-18％、粒径为5-10mm的3#料25-33％、粒径为0-5mm的4#料20-26％、粒径为0-5mm的5#料15-20％；所述的1#料、2#料、3#料、4#料为石灰岩集料，5#料为粘土陶粒。
9.在可选的实施方式中，所述集料经所述1#料、所述2#料、所述3#料、所述4#料和所述5#料混合后的合成级配满足：
10.通过筛孔尺寸为31.5mm的百分率为100％、通过筛孔尺寸为26.5mm的百分率为95-100％、通过筛孔尺寸为19.0mm的百分率为68-86％、通过筛孔尺寸为9.5mm的百分率为44-62％、通过筛孔尺寸为4.75mm的百分率为27-42％、通过筛孔尺寸为2.36mm的百分率为18-30％、通过筛孔尺寸为0.6mm的百分率为8-15％、通过筛孔尺寸为0.075mm的百分率为0-4.5％。
11.在可选的实施方式中，所述水泥为p
·
42.5水泥。
12.在可选的实施方式中，所述5#料粘土陶粒为预吸水陶粒，，表观密度1600-2000kg/m3，1h吸水率＞5.0％。
13.在可选的实施方式中，所述钢纤维长度为12-20mm。
14.本发明还提供一种钢纤维轻骨料水泥稳定碎石的制备工艺包括以下步骤：
15.步骤一：将粘土陶粒预吸水，得到预吸水轻骨料；
16.步骤二：将石灰岩集料、硅酸盐水泥进行搅拌混合，得到混合料；
17.步骤三：在混合料中加入钢纤维，进行搅拌，得到基料；
18.步骤四：将水和步骤一中的预吸水轻骨料倒入基料中，且不断进行搅拌，搅拌时间不少于2min，得到钢纤维轻骨料水泥稳定碎石混合料。
19.在可选的实施方式中，所述步骤一具体设置为，将粘土陶粒在水溶液中放置24h，取出后放置一段时间并将表面擦干。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.1.本发明通过在水泥稳定碎石中掺入一定量的钢纤维，能大幅增强水泥稳定碎石材料的抗拉应变能力，同时钢纤维具有很好的力学传递性，当水泥稳定碎石材料因荷载作用出现裂缝时，纤维能提高其裂缝的扩展能力。钢纤维形成的桥接网络也能够很好的阻止水泥稳定碎石材料因温度和干燥收缩受阻而开裂，因此能够从整体上提高水泥稳定碎石材料的抗变形能力，减缓开裂；
22.2.本发明中的粘土陶粒，因为其特有的多孔结构，可以预先吸水，当水泥稳定碎石强度形成过程中，混合料内部水分散失，形成湿度差，陶粒开始释水。这使得混合料内部相对湿度为100％的阶段延长，并且有效减缓相对湿度降低的阶段。保证水泥稳定碎石在强度形成早期有充足的相对湿度，而当相对湿度开始下降时，混合料已经具有一定强度，从而减缓其收缩应变，提高早期抗收缩性能。
23.3.本发明中陶粒的掺入方法为用0-5mm的陶粒替代部分0-5mm的石灰岩，一方面，陶粒的掺入可以有效增强混合料的保水能力，提高其早期抗收缩性能；另一方面，因陶粒本身强度相对于石灰岩较低，过多的掺入会导致水泥稳定碎石整体强度降低，但在水泥稳定
碎石中粒径较大的骨料起主要支撑作用，本发明只是用0-5mm的陶粒替代了部分石灰岩，在可以改善水泥稳定碎石早期抗收缩能力的同时，又保证了混合料的整体强度，从而延长道路使用寿命。
附图说明
24.图1为本发明中一种钢纤维轻骨料水泥稳定碎石及制备工艺的流程图。
25.具体实施方法
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
27.请参见图1，本发明提供了一种钢纤维轻骨料水泥稳定碎石，其组分按重量份数计包括：集料100份、水泥4.0-5.5份和水4.0-5.5份，钢纤维0.05-0.1份；集料的组成比例按重量百分数计包括：粒径为20-30mm的1#料20-28％、粒径为10-20mm的2#料12-18％、粒径为5-10mm的3#料25-33％、粒径为0-5mm的4#料20-26％、粒径为0-5mm的5#料15-20％；
28.所述的1#料、2#料、3#料、4#料为石灰岩集料，5#料为粘土陶粒。
29.实施例1：
30.集料100份、水泥4.0份和水4.0份，钢纤维0.08份；集料的组成比例按重量百分数计包括：粒径为20-30mm的1#料24％、粒径为10-20mm的2#料15％、粒径为5-10mm的3#料29％、粒径为0-5mm的4#料23％、粒径为0-5mm的5#料10％。
31.步骤一：将相应重量分数的粘土陶粒预吸水，得到预吸水轻骨料；
32.步骤二：将相应重量分数的石灰岩集料、硅酸盐水泥进行搅拌混合，得到混合料；
33.步骤三：在混合料中加入相应重量份数的钢纤维，进行搅拌，得到基料；
34.步骤四：将相应重量份数的水和步骤一中的预吸水轻骨料倒入基料中，且不断进行搅拌，搅拌时间不少于2min，得到钢纤维轻骨料水泥稳定碎石混合料。
35.实施例2：
36.集料100份、水泥4.0份和水4.0份，钢纤维0.08份；集料的组成比例按重量百分数计包括：粒径为20-30mm的1#料24％、粒径为10-20mm的2#料15％、粒径为5-10mm的3#料29％、粒径为0-5mm的4#料33％。
37.步骤一：将相应重量分数的石灰岩集料、硅酸盐水泥进行搅拌混合，得到混合料；
38.步骤二：在混合料中加入相应重量份数的钢纤维，进行搅拌，得到基料；
39.步骤三：将相应重量份数的水和步骤一中的预吸水轻骨料倒入基料中，且不断进行搅拌，搅拌时间不少于2min，得到钢纤维水泥稳定碎石混合料。
40.实施例3：
41.集料100份、水泥4.0份和水4.0份，钢纤维0.08份；集料的组成比例按重量百分数计包括：粒径为20-30mm的1#料24％、粒径为10-20mm的2#料15％、粒径为5-10mm的3#料29％、粒径为0-5mm的5#料33％。
42.步骤一：将相应重量分数的粘土陶粒预吸水，得到预吸水轻骨料；
43.步骤二：将相应重量分数的石灰岩集料、硅酸盐水泥进行搅拌混合，得到混合料；
44.步骤三：在混合料中加入相应重量份数的钢纤维，进行搅拌，得到基料；
45.步骤四：将相应重量份数的水和步骤一中的预吸水轻骨料倒入基料中，且不断进
行搅拌，搅拌时间不少于2min，得到钢纤维轻骨料水泥稳定碎石混合料。
46.对照组：
47.集料100份、水泥4.0份和水4.0份；集料的组成比例按重量百分数计包括：粒径为20-30mm的1#料24％、粒径为10-20mm的2#料15％、粒径为5-10mm的3#料29％、粒径为0-5mm的4#料33％。
48.步骤一：将相应重量分数的石灰岩集料、硅酸盐水泥进行搅拌混合，得到混合料；
49.步骤二：将相应重量份数的水和步骤一中的预吸水轻骨料倒入基料中，且不断进行搅拌，搅拌时间不少于2min，得到钢纤维轻骨料水泥稳定碎石混合料。
50.对于以上四个实施例，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge-51-2009)成型养护后，通过检测试件，得到以下试验数据：
[0051][0052]
从上述试验结果可以看出：只添加了钢纤维而没有用轻骨料代替部分石灰岩的水泥稳定碎石抗裂性能得到了提高，前期收缩影响不大，抗压强度有所下降；只用轻骨料部分替代了花岗岩而没有掺加钢纤维的水泥稳定碎石，前期抗收缩性能有所改善，劈裂抗拉强度影响不大；用轻骨料全部替代0-5mm的石灰岩集料时，收缩性能得到改善，但强度下降较多；而添加钢纤维并用轻骨料替代部分0-5mm石灰岩的水泥稳定碎石，抗裂性能和前期抗收缩性能得到有效改善，并且强度基本保持稳定。可以在保证强度的基础上，从整体提高水泥稳定碎石材料的抗收缩、抗裂缝扩展能力，从而延长道路使用寿命。
[0053]
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。