刚性基层聚氨酯混合料路面结构及其铺装方法与流程

本发明涉及道路工程领域，具体提供一种多碎石聚氨酯混合料、刚性基层聚氨酯混合料路面结构及铺装方法。

背景技术：

1、沥青材料因具有良好的黏结力、可靠的耐磨性、优异的防水性等，在道路工程中被广泛应用，但因其温度敏感性较高，在温度-荷载耦合作用下易产生车辙、裂缝、松散等病害。采用聚氨酯替代沥青制备聚氨酯混合料，应用于路面结构铺装中，可以降低施工能耗和排放，提高混合料的力学性能、耐久性、温度稳定性等路用性能，延长路面结构使用寿命。聚氨酯混合料路面使用较多的基层为半刚性基层、柔性基层和聚氨酯类复合式基层，然而，半刚性基层温缩和干缩裂缝将会影响聚氨酯混合料路面结构耐久性；常规柔性基层材料与聚氨酯类材料之间的粘结问题导致路面结构层间稳定性差；聚氨酯类复合式基层成本较高。

2、中国专利cn112832086b公开了一种组合式超薄长寿命路面结构及其施工方法，所述路面结构由上到下依次包括2～5cm抗滑磨耗层、6～10cm耐久性承重层、5～6cm抗疲劳层和高强度复合式基层，其中高强度复合式基层其构成自上而下为水泥稳定碎石底基层、水泥稳定碎石基层、大孔隙聚氨酯碎石基层。

3、中国专利cn112726321b公开了一种全厚式超薄长寿命路面结构及其施工方法，该路面结构由下而上依次包括：6～15cm复合式联结层、5～9cm抗疲劳层、6～12cm承重层、1～3mm高强粘结层和3～6cm抗滑磨耗层，其中复合式联结层包括底层和上层，底层为级配碎石层，上层为开级配大粒径透水性聚氨酯碎石混合料层。

4、中国专利cn116122098a公开了一种低碳耐久路面结构及其施工方法，该路面结构包括自下而上依次摊铺的路基过渡承重层，透层，复合功能层，抗剪切变形层以及封水抗滑层，且上述结构层中含有聚氨酯成分。

5、可见，现有技术聚氨酯混合料主要应用于长寿命路面结构，面层采用骨架密实结构或者骨架空隙结构聚氨酯混合料，基层采用大孔隙聚氨酯碎石或者开级配大粒径透水性聚氨酯碎石混合料与无机结合料稳定类材料组成的复合式功能层，主要存在以下不足：(1)路面结构材料成本相对较高，不适用于常规路面结构铺装；(2)聚氨酯混合料作为一种黏弹塑性多相非均质材料，其内部结构的不规则性以及内部成分的复杂力学性质导致内部应力的传递过程、应变协同发展过程极其复杂，骨架空隙结构聚氨酯混合料存在水稳定性差，悬浮密实结构聚氨酯混合料体积膨胀大，压实控制困难等问题。

技术实现思路

1、本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种模量和抗疲劳特性、水稳定性优异的多碎石聚氨酯混合料。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：多碎石聚氨酯混合料，以矿料、聚氨酯为原料，采用多碎石沥青混凝土设计方法进行多碎石聚氨酯混合料设计：

3、矿料关键控制筛孔的通过百分率应满足：公称最大粒径通过百分率为100％，4.75mm筛孔通过率为15-25％，0.075mm筛孔通过率为4-7％；

4、进行混合料设计时，采用马歇尔试件养生时间为4d，飞散损失率小于15％，冻融劈裂强度比大于80％，2d劈裂抗拉强度大于2mpa为指标确定聚氨酯用量，所述聚氨酯为单组分聚氨酯胶结料。

5、本发明采用调整后的多碎石沥青混凝土设计方法进行多碎石聚氨酯混合料设计，4.75mm筛孔通过率为15-25％，0.075mm筛孔通过率为4-7％条件下，可以满足多碎石聚氨酯混凝土中粗集料形成足够的骨架嵌挤结构，从而减少聚氨酯固化过程中体积膨胀，有效保障多碎石聚氨酯混凝土强度的形成，配合特定控制指标下的聚氨酯用量，能够大幅提高聚氨酯混合料面层材料的耐久性、水稳定性和施工可操作性。

6、作为优选，本发明多碎石聚氨酯混合料可用于道路面层铺筑，混合料最大公称粒径可采用13.2mm或者16mm或者26.5mm。

7、作为优选，本发明多碎石聚氨酯混合料用于面层铺筑，且面层以上不设置磨耗层时，多碎石聚氨酯混合料的最大公称粒径为13.2mm或者16mm。

8、作为优选，本发明多碎石聚氨酯混合料用于面层铺筑，且面层以上设置磨耗层时，多碎石聚氨酯混合料的最大公称粒径为16mm或者26.5mm。

9、作为优选，最大公称粒径13.2mm多碎石聚氨酯混合料矿料级配范围，标准筛孔13.2mm通过率范围为100％，标准筛孔9.5mm通过率范围为50～70％，标准筛孔4.75mm通过率范围为15～25％，标准筛孔2.36mm通过率范围为13～23％，标准筛孔1.18mm通过率范围为11～20％，标准筛孔0.6mm通过率范围为9～17，标准筛孔0.3mm通过率范围为8～14％，标准筛孔0.15mm通过率范围为7～10％，标准筛孔0.075mm通过率范围为4-6％。

10、作为优选，最大公称粒径16mm多碎石聚氨酯混合料矿料级配范围，标准筛孔16mm通过率范围为100％，标准筛孔13.2mm通过率范围为75～90％，标准筛孔9.5mm通过率范围为55～70％，标准筛孔4.75mm通过率范围为15～25％，标准筛孔2.36mm通过率范围为13～23％，标准筛孔1.18mm通过率范围为11～20％，标准筛孔0.6mm通过率范围为9～17，标准筛孔0.3mm通过率范围为8～14％，标准筛孔0.15mm通过率范围为7～10％，标准筛孔0.075mm通过率范围为4-6％。

11、作为优选，最大公称粒径26.5mm多碎石聚氨酯混合料矿料级配范围，标准筛孔26.5mm通过率范围为100％，标准筛孔19mm通过率范围为60～82％，标准筛孔16mm通过率范围为62～74％，标准筛孔13.2mm通过率范围为55～68％，标准筛孔9.5mm通过率范围为35～53％，标准筛孔4.75mm通过率范围为15～25％，标准筛孔2.36mm通过率范围为13～23％，标准筛孔1.18mm通过率范围为11～20％，标准筛孔0.6mm通过率范围为9～17，标准筛孔0.3mm通过率范围为8～14％，标准筛孔0.15mm通过率范围为7～10％，标准筛孔0.075mm通过率范围为4-7％。

12、本发明进一步的技术任务是提供一种刚性基层聚氨酯混合料路面结构。

13、刚性基层聚氨酯混合料路面结构，主要由刚性基层、多碎石聚氨酯混凝土面层组成，刚性基层、多碎石聚氨酯混凝土面层自下而上依次铺筑在路基上，

14、所述刚性基层为多孔改性水泥混凝土基层，主要由集料、水泥、水和水性聚氨酯乳液充分混合并固结而成，空隙率>18％；

15、所述多碎石聚氨酯混凝土面层由上述本发明的多碎石聚氨酯混合料铺筑而成。

16、本发明上述路面结构中，首先，通过将水性聚氨酯乳液引入多孔水泥混凝土体系中，可以构建水性聚氨酯聚合固化和水泥水化硬化相协同的复合效应，能发挥有机组分-水性聚氨酯柔韧抗拉和无机组分-水泥高强耐久抗压的优点，并弥补彼此不足，从而形成寿命长、粘结强、延性好的多孔混凝土材料；其次，多孔改性水泥混凝土基层与多碎石聚氨酯混凝土层都具有较高的模量和抗疲劳特性，路面结构承载力高，能够满足重载、极重交通需求，路面结构适用范围广；第三，在多碎石聚氨酯混凝土面层和多孔改性水泥混凝土基层之间，多碎石聚氨酯混凝土中的聚氨酯胶浆可以深入到多孔混凝土基层中，与水、聚氨酯乳液进一步发生固化反应，使两者形成整体，并且，聚氨酯胶结料与水泥基改性材料间具有较好的联结性，多碎石聚氨酯混凝土与多孔混凝土材料之间弹性模量、膨胀系数等指标相似，协同变形效果显著，可进一步提升路面结构的整体性。

17、作为优选，本发明刚性基层聚氨酯混合料路面结构还包括设置在多碎石聚氨酯混凝土面层上的抗滑磨耗层。由于多碎石聚氨酯混凝土面层表面粗构造较大，在其上施工抗滑磨耗层时，可以增加两层间的摩阻力，提高层间抗剪强度。

18、所述抗滑磨耗层可采用现有技术任意一种磨耗层材料，特别优选为高黏高弹改性沥青混合料。抗滑磨耗层的厚度为0.1～4cm，优选为3～4cm。

19、作为优选，多孔改性水泥混凝土基层的原料还包括矿物掺合料和/或减水剂，以进一步提高水泥浆和骨料间的界面强度性能和多孔改性混凝土的早期强度。

20、作为优选，多孔改性混凝土基层的厚度为15～25cm，特别优选为20～25cm。

21、作为优选，多孔改性混凝土基层的渗透系数>1.0cm/s，7d抗压强度大于7.0mpa，28d抗弯拉强度>4.0mpa。

22、作为优选，多孔改性水泥混凝土基层的集料包括粗集料和/或细集料，所述粗集料优选为玄武岩、花岗岩和/或安山岩；所述细集料优选为机制砂。集料级配可采用现有技术多孔改性混凝土基层常规级配。

23、作为优选，所述水性聚氨酯乳液为脂肪族聚氨酯水性乳液，固含量为50％～40％，粘度＜200mp.s。水性聚氨酯乳液与水泥之间的质量比为(5～15)：100，优选为(8～12)：100。

24、作为优选，所述矿物掺合料为矿渣微粉、微硅粉和/或粉煤灰。矿物掺合料与水泥之间的质量比为(10～20)：100，优选为(10～15)：100。

25、作为优选，所述减水剂为聚羧酸系减水剂。减水剂与水泥之间的质量比为(0.5～1)：100，优选为(0.7～0.9)：100。

26、作为优选，多碎石聚氨酯混凝土面层的厚度为8～14cm，特别优选为8～12cm。

27、本发明再进一步的技术任务是提供一种刚性基层聚氨酯混合料路面结构铺装方法。

28、刚性基层聚氨酯混合料路面结构铺装方法包括：(1)铺筑多孔改性水泥混凝土基层，并在养生结束的多孔改性水泥混凝土基层上洒水；(2)进行多碎石聚氨酯混合料的摊铺、压实，养生后得到厚度为8～14cm的多碎石聚氨酯混凝土面层。

29、本发明上述铺装方法中，多碎石聚氨酯混凝土面层能够一次成型，施工效率高，并且施工后，层间的水和渗入多孔改性混凝土基层上部的水，能够加快层间和深入基层上部的聚氨酯胶结料的固化反应速度，生成极性较大的脲基，使面层和基层联结为一个整体，避免出现层间问题。

30、作为优选，步骤(1)中多孔改性水泥混凝土基层的抗弯拉强度达到标准强度60～70％左右时，停止养生，通常为2d～4d。

31、作为优选，步骤(1)中水的洒布量为0.6～1.5kg/m2，特别优选为0.8～1.2kg/m2。

32、作为优选，在养生结束的多孔改性水泥混凝土基层上洒水后，直接进行多碎石聚氨酯混合料的摊铺。

33、作为优选，多碎石聚氨酯混凝土面层压实工序包括：

34、初压：采用胶轮碾紧跟摊铺机静压1-2遍，碾压速度为1-2m/min；

35、复压：采用双光轮碾振动碾压2-3遍和胶轮碾压2-3遍，碾压速度为2-3m/min；

36、收面：复压结束后4h，采用钢轮压路机进行1遍碾压收面，碾压速度为2-3m/min。

37、本发明的多碎石聚氨酯混合料、刚性基层聚氨酯混合料路面结构及其铺装方法和现有技术相比，具有以下突出的有益效果：

38、(一)以调整后的沥青混凝土的设计方法进行多碎石聚氨酯混凝土设计，通过改进设计参数，不仅能够满足多碎石聚氨酯混凝土中粗集料形成足够的骨架嵌挤结构，还能减少聚氨酯固化过程中体积膨胀，有效保障多碎石聚氨酯混凝土强度的形成，大幅度提高聚氨酯混合料面层材料的耐久性、水稳定性和施工可操作性；

39、(二)该路面结构整体稳定性好、无层间问题、抵抗疲劳荷载能力强、结构层数少、结构层厚度小、结构层间协同作用明显，可有效延长路面结构使用寿命，并可减少裂缝或延迟裂缝产生，基本解决当前困扰公路界的半刚性基层沥青路面反射裂缝的问题，解决建筑市场砂石料短缺、路面结构整体稳定性差、温度和湿度敏感性强等问题。

40、(三)多孔改性水泥混凝土基层具有较大的孔隙率，有利于排水，可以有效排出进入聚氨酯混合料路面内部的水分，有效减少水对聚氨酯混合料产生的不良影响，保证路面结构的稳定性，对防止水损害的早期发生，延长路面使用寿命具有实际意义；

41、(四)各结构层均可在常温下施工，无需进行集料和胶结料的加热，可以节约大量燃料消耗，减少碳排放，节能环保效益显著；

42、(五)该路面结构相对于常规高等级沥青路面结构厚度减薄5～10cm。刚性基层材料成本较低，结构厚度小，很好的弥补了多碎石聚氨酯混合料承重层的成本高问题。此外，面层和基层间无需设置透层，洒水处理，不仅节约透层费用，还能加快层间和深入基层上部的聚氨酯胶结料的固化反应速度、提升反应效果，使面层和基层联结为一个整体。