專利名稱：高韌性聚合物-橡膠粉-多孔水泥混凝土道路罩面材料和施工工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于建筑材料，具體涉及一種高韌性聚合物-橡膠粉-多孔水泥混凝土道路罩面材 料和施工工藝。
背景技術：
目前高級公路的罩面層材料主要有水泥混凝土和瀝青混凝土兩種。水泥混凝土罩面層 具有取材方便、施工簡單、路面強度高、穩定性好、耐久性好等優點，但行車舒適性較差、 罩面層與下層結構變形協調能力差、有接縫、容易破壞、噪音大等缺點。瀝青混凝土罩面 層具有表面平整、無接縫、行車舒適、耐磨、振動小、噪聲低、養護維修簡便等優點，但 路面強度和剛度較低，容易產生車轍、松散剝落、反射裂縫等破壞。
國內外開始進行了聚合物改性多孔水泥混凝土罩面材料的研究，研究表明這類材料 有很好的吸聲降噪和透水抗滑等功能，但是由于多孔混凝土的強度主要依靠集料接觸處漿體 的粘結作用而形成，表現出很強的脆性、在動荷載作用下容易松散剝落，通過聚合物改性后 其韌性和動穩定性明顯增強，但是其脆度系數(抗壓比抗折強度)仍然保持在0.3左右，進 一步增加聚合物雖然能降低脆度系數，但是也會降低抗壓和抗折強度，也大幅度增加了材料 的造價。
聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料，是在傳統的聚合物改性多孔水泥混凝土罩 面材料中，引入一定體積率的橡膠粉來代替礦物集料。在多孔水泥混凝土中摻入聚合物與 橡膠粉后，充分利用橡膠顆粒的柔性來改善混凝土韌性，使聚合物改性多孔水泥混凝土罩 面材料具有瀝青混凝土路面的高韌性，同時也具水泥混凝土的高抗壓強度的特點，還有耐 水性好、抗老化、耐腐蝕、溫度穩定性好，還有降噪、排水、減振、防滑等特點。隨著我 國汽車擁有量的增加，作為"黑色污染"的廢橡膠輪胎已成為我國目前十分嚴重的環境問 題。利用橡膠粉制備道路罩面材料也為大量利用廢棄橡膠提供了一條新的途徑。

發明內容
本發明的目的在于提供一種能有效消納廢橡膠粉、且具有強度高、變形性能好、耐久 性能好、抗裂性能優的高韌性聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土。這種混凝土能夠用于舊 水泥混凝土路面和瀝青碎石或混凝土路面的罩面材料，也可以做新建路面的上面層，也適宜 于其他場坪的罩面。進一步提高聚合物改性多孔水泥混凝土罩面材料的性能特別是韌性。
本發明的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料的配比是每立方米材料中水泥的用量為200 400kg，聚合物用量按它的固相量計為水泥質量的2 20﹪，通常每方用量 控制在20 75kg，水灰比控制在0.25 0.40之間，集料中粒度2.36mm以下細集料百分率≤20﹪，粒度4.75mm以上粗集料的百分率≥80﹪，或者由不超過50﹪體積率的橡膠粉取代礦物集料，添加0 5kg的其它助劑如增塑劑和/或消泡劑，添加0 100kg填料如粉煤灰、硅灰等。
本發明的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料中，所用水泥為硅酸鹽類水泥、鋁酸鹽水泥或硫鋁酸鹽類水泥，水泥或者由不超過40%的礦物摻和料等量或超量取代，用于取代水泥的礦物摻和料是礦渣粉、粉煤灰、石灰石粉、燒粘土或燒煤矸石。
為實現增加罩面材料韌性的目的本發明在傳統的聚合物改性多孔水泥混凝土罩面材 料引入了橡膠粉。其中的橡膠粉為工業通用的丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠中一種或幾
種混合，或者由廢棄橡膠粉代替，其粒徑在0.075 9.5mm之間，或者由幾種不同的粒徑通過級配合成后使用。
其中的聚合物是熱固性樹脂、焦油類樹脂、乙烯類樹脂中的一種或多種共混；或者 選用丁苯橡膠乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(VAE) 乳液中的一種或多種共混聚合物乳液；或者為所述的多種樹脂或乳液的共混，或者使用上 述聚合物制備的乳膠粉。
這種罩面材料的施工工藝是將聚合物與水泥、碎石、橡膠粉、砂、填料等放入攪拌機拌合均勻，在攪拌過程中或者加入適量的水、助劑拌合，將得到的聚合物改性橡膠粉多孔水泥 混凝土罩面材料混合料，運抵至現場后采用機械或者人工攤鋪的方法均勻地鋪在舊水泥混凝 土路面或基層等下部結構之上，再采用振動設備將混合料振實；采用瀝青攤鋪機攤鋪時，則 在攤鋪過程中利用攤鋪機的熨平板將其振搗成型或用壓路機碾壓成型；成型后的罩面材料采 用薄膜封閉養生，養生期1 7d，在開放交通之前或者暴露干燥1 2天，在封閉養生期間 不需要補充水分。
本發明的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料的性能與優勢
(1) 聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料能夠大量消納廢橡膠粉，從而減少廢 輪胎對環境的不利影響。
廢舊橡膠是一種在自然條件下難以分解的高分子彈性材料。它不溶于水，難溶于有機溶 劑，且不易腐爛，大量的堆積極易引起火災，按傳統的方法進行處理，費用昂貴，因此對廢 舊橡膠的處理己關系到全球環境保護及資源利用等問題。據中國橡膠協會2005年公布的數 據顯示，我國2004年廢舊輪胎橡膠的產量己達272萬噸，其中約有40%的輪胎沒有得到回 收利用，對環境造成了巨大的威脅，同時也是一種嚴重的資源浪費。由此可見，聚合物改性 橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料具有良好的應用前景。
(2) 聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料的變形性能強。
加入橡膠粉后，由于橡膠粉具有保水作用。混凝土的泌水作用得到有效改善，粘聚性 得到增強。橡膠粉顆粒可當作非常粗糙，重量輕且容易變形的細砂集料，其作為分布在混 凝土內部微小的可伸縮顆粒群，會截住混凝土的微觀裂縫，從而阻止或減慢微觀裂紋合成 宏觀裂縫而導致混凝土快速斷裂破壞的現象，并且橡膠粉容易變形的特性可以幫助減低由 濕度或溫度等變化而在混凝土內部產生的應力。
加入聚合物后，在水泥漿與骨料之間形成具有較高粘結力的膜，從而使水泥石結構形 態發生改變，經過聚合物改性后水泥混凝土可以在大幅度提高混凝土抗折強度的同時降低
其抗壓強度，混凝土的脆性降低而柔韌性增加，逐漸向一種柔韌性材料轉化。并且聚合物 的摻入改變了混凝土內部的孔結構，改善了水泥漿體與骨料的粘結，減少了硬化水泥漿體 中的微裂紋，從而改善了水泥混凝土的物理力學性能
(3) 聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料，具備了瀝青混凝土罩面層材料的優 點，并克服了瀝青混凝土罩面層材料的缺點。
從變形性能方面看，水泥混凝土罩面層與瀝青混凝土罩面層是兩種力學性能截然不同的 罩面層結構。對于聚合物改性橡膠粉多孔混凝土罩面材料，由于聚合物、橡膠粉和助劑的品 種、含量可以調節，合理配制的聚合物改性橡膠粉多孔混凝土罩面材料可以得到非常高的變 形性能，因此，變形性能適度的聚合物改性橡膠粉多孔混凝土罩面材料，具有類似瀝青混凝 土罩面層的優良變形性能，顯著提高傳統剛性罩面層的韌性，從而使水泥混凝土罩面層柔性 化，路面力學性能顯著提高。
由于瀝青混凝土罩面層材料的穩定性和抗老化能力差，因此，瀝青混凝土罩面層水穩 定性差、溫度穩定性差、耐化學老化性能差、容易產生車轍、松散剝落、反射裂縫等病害。 而合理配制的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料，在保持了水泥混凝土高強度的同 時，還克服了瀝青混凝土穩定性、耐久性差的缺點，因此聚合物改性橡膠粉多孔混凝土罩面 材料，具有瀝青混凝土罩面層所無法達到的優良的水穩定性、溫度穩定性及耐化學老化性的
力學性能。
(4) 聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料具有透水、降噪、防滑等表面功能。
作為多孔混凝土，聚合物改性橡膠粉多孔混凝土罩面材料具有較大的空隙率及構造深
度，從而使其具有普通水泥混凝土罩面材料所不能比擬的透水、降噪、防滑等表面功能，大 幅度提高了罩面層的路用性能。
(5) 聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料經濟性能好。
采用聚合物改性橡膠粉多孔混凝土罩面材料，可以大量消納廢橡膠粉，從而大幅度節約
集料成本，并且采用上述工藝施工成型的多孔水泥混凝土罩面層，能夠在顯著減少聚合物摻 量的情況下，使路面保持現行聚合物水泥混凝土優良的力學性能。從而顯著減少了單位體積 混凝土中的聚合物加入量，大幅度減小了聚合物混凝土的成本。
另一方面盡管瀝青混凝土罩面層材料強度顯著低于水泥混凝土罩面層，但由于瀝青罩 面層韌性好，瀝青混凝土罩面層的厚度卻比強度更高的水泥混凝土罩面層更薄。對于聚合物 改性橡膠粉多孔混凝土罩面材料，材料在保持較高強度的同時，還具有類似于瀝青混凝土罩 面層的高變形性能，因此同等情況下，其路面厚度可以比通常的瀝青路面更薄，罩面層單位 面積的材料成本不高，呈現出了較強的經濟性能優勢。
(6) 聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料改善了傳統罩面層的施工工藝
傳統水泥混凝土罩面層由于材料收縮量大、路面厚度大、且需要振搗成型，因此施工速
度慢、必須鋸伸縮縫、且表面平整度難以保證，致使路面不連續、行車舒適性差。瀝青混凝 土罩面層工藝復雜，且施工溫度高。而聚合物改性橡膠粉多孔混凝土罩面材料厚度較小，材 料收縮小，采用攤鋪機碾壓工藝后，可以大幅度加快施工速度，路面連續性好，平整容易得
到保證。
本發明的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料中的水泥漿，通過聚合物、橡膠粉 改性，增強混凝土的韌性，其多孔的內部結構保證了其吸聲降噪和透水能力、也減少混凝土 收縮。它能夠同時具有水泥混凝土罩面層與瀝青混凝土罩面層的優點并克服其缺點。這種罩 面材料可以象水泥混凝土一樣成型，也可以象瀝青混凝土一樣攤鋪成型，并且不需要碾壓， 是一種利用廢品，經濟而且使用方便的罩面材料。
具體實施例方式
(一) 聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料的配制及性能
本發明中的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料，由混合后的聚合物與水泥形成
的漿體作為膠結料，與橡膠粉、集料等均勻混合后形成。
膠結料由聚合物材料(聚合物或聚合物乳液或它們的共混體)、水泥、助劑、混凝土外 加劑、填料等組成。聚合物材料是熱固性樹脂、焦油類樹脂、乙烯類樹脂等中的一種或多 種共混，或者為聚合物乳液，如丁苯橡膠乳液、氯丁橡膠乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳 液、苯丙乳液、VAE乳液等的一種或多種共混，或者為多種樹脂或乳液的共混；橡膠粉是 丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠等工業通用橡膠中的任一種，其粒徑在0.075 9.5mm之 間。水泥是硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥、粉煤灰水泥等硅酸鹽類水泥，或者 是鋁酸鹽和硫鋁酸鹽水泥；助劑為適宜于聚合物樹脂材料、聚合物乳液或乳膠粉的消泡劑、 增粘劑或分散劑；混凝土外加劑為混凝土早強劑、減水劑等；填料為粉煤灰、硅灰等。聚 合物或聚合物乳液的品種和劑量，應根據最終聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料 所使用的場合和要求進行試配確定，通過水灰比的調節控制混合料的工作性。
按照一定的配合比，將一定數量的聚合物或聚合物乳液或聚合物與乳液復配物、水泥、 水、外加劑、偶聯劑等首先攪拌均勻，然后再將其和橡膠粉、集料放入拌合機中攪拌，攪拌 均勻后，形成的產物即為聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料混合料。
(二) 、聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料的攤鋪
將聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料混合料運至施工現場，采用機械或者人工
攤鋪的方法，將其攤鋪在下承層上。下承層是適宜于在其上修筑現行水泥混凝土路面或瀝青 混凝土路面的基層，或者是舊道路如水泥混凝土路面，或者是瀝青混凝土路面。罩面材料 直接鋪設在經過濕水的下承層上，或者鋪設在設置有瀝青或者聚合物粘層的下承層上，或者 鋪設在頂面鋪設土工隔柵的基礎或舊路面上。
如果是用瀝青攤鋪機攤鋪，混合料可以利用攤鋪機的熨平板進行振搗密實。如果采用人 工攤鋪，可以使用三輥軸或一些混凝土路面的振搗設備和整平設備來施工。或者采用碾壓成 型，但通常不推薦使用碾壓成型。成型后的罩面材料采用薄膜封閉養生，養生期l 7d，在 開放交通之前應酌情暴露干燥1 2天，即可開放交通，在封閉養生期間不需要補充水分。
實施例1
材料組成每立方水泥用量300kg， 4. 75 9. 5mm粗集料1586. 6kg， 丁苯膠乳為水泥重 量的8%,水灰比0. 33，廢棄橡膠粉取代集料的體積率為15%，制備的罩面材料3天抗折強度2.60MPa，抗壓強度7. 75MPa，折壓比為0. 335;制備的罩面材料7天抗折強度3. 60MPa， 抗壓強度10.89MPa，折壓比為0.331;制備的罩面材料28天抗折強度5. 05MPa，抗壓強度
14. 82MPa，折壓比為0. 341。
實施例2
材料組成每立方水泥用量360kg， 4. 75 9. 5mm粗集料1557. 2kg， 丁苯膠乳為水泥重 量的8%，水灰比0.33，廢棄橡膠粉取代集料的體積率為15%，制備的罩面材料3天抗折強 度3. 43MPa，抗壓強度10. 2MPa，折壓比為0. 336;制備的罩面材料7天抗折強度4. 91MPa， 抗壓強度14.7MPa，折壓比為0.334;制備的罩面材料28天抗折強度6. 25MPa,抗壓強度 17. 9MPa，折壓比為0. 349。
實施例3
材料組成每立方水泥用量300kg， 4.75 9. 5mm粗集料1586.7kg，苯丙乳液為水泥重 量的8%，水灰比0. 32，廢棄橡膠粉取代集料的體積率為18%，制備的罩面材料3天抗折強 度1.43MPa，抗壓強度3. 59MPa，折壓比為0. 398;制備的罩面材料7天抗折強度2. 47MPa， 抗壓強度6.86MPa，折壓比為0.360;制備的罩面材料28天抗折強度5. 43MPa，抗壓強度
15. 12MPa，折壓比為0. 359。
實施例4
材料組成每立方水泥用量360kg， 4. 75 9. 5mm粗集料1557. 2kg，苯丙乳液為水泥重 量的8%，水灰比0.32，廢棄橡膠粉取代集料的體積率為18%，制備的罩面材料3天抗折強 度2.27MPa，抗壓強度6.21MPa，折壓比為0.365;制備的罩面材料7天抗折強度4. 75MPa， 抗壓強度12. 7MPa，折壓比為0.374;制備的罩面材料28天抗折強度6. 08MPa，抗壓強度 15. 9MPa，折壓比為0. 382。
實施例5
材料組成每立方水泥用量400kg， 4.75 9. 5mm粗集料1109.2kg，苯丙乳液為水泥重 量的8%，水灰比0.32，廢棄橡膠粉取代集料的體積率為50%，制備的罩面材料3天抗折強 度3. 43MPa，抗壓強度18. 81MPa，折壓比為0. 268;制備的罩面材料7天抗折強度4. 02MPa， 抗壓強度14.9MPa，折壓比為0.270;制備的罩面材料28天抗折強度6. 16MPa，抗壓強度 22. 9MPa，折壓比為0. 269。
實施例6
材料組成每立方水泥用量300kg，粉煤灰用量100kg， 4. 75 9. 5mm粗集料1109. 2kg， 苯丙乳液為水泥重量的10%，水灰比0.31，廢棄橡膠粉取代集料的體積率為50%，制備的罩 面材料3天抗折強度2. 42MPa，抗壓強度9. 02MPa，折壓比為0. 268;制備的罩面材料7天 抗折強度3.07MPa，抗壓強度11.7MPa，折壓比為0.263;制備的罩面材料28天抗折強度 5.21MPa，抗壓強度19.3MPa，折壓比為0.270。
實施例7
材料組成每立方水泥用量200kg，硅灰20kg， 4. 75 9.5mm粗集料1326.9kg， 丁苯膠 乳為水泥重量的15%，水灰比0.35，廢棄橡膠粉取代集料的體積率為25%，制備的罩面材料3天抗折強度3. 62MPa，抗壓強度9. 13MPa,折壓比為0. 396;制備的罩面材料7天抗折強度 5. 57MPa,抗壓強度14. 6MPa，折壓比為0. 381;制備的罩面材料28天抗折強度5. 78MPa， 抗壓強度14. 9MPa,折壓比為0. 388。抗沖擊韌性達到13. 96kN.m。
權利要求
1.一種聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土路面罩面材料，其特征是所述的罩面材料的組成為每立方米材料中水泥的用量為200～400kg，聚合物乳液用量按它的固相量計為水泥質量的2～20％，水灰比0.25～0.40，集料中2.36mm以下細集料百分率不大于20％，4.75mm以上粗集料的百分率不小于80％，由不超過50％體積率的橡膠粉取代礦物集料，添加0～5kg增塑劑和/或消泡劑，水泥或者由不超過40％的礦物摻和料取代。
2. 根據權利要求1所述的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料，其特征 是，所用水泥為硅酸鹽類、鋁酸鹽或硫鋁酸鹽類水泥。
3. 根據權利要求1所述的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料，其特征 是，用于取代水泥的礦物摻和料是礦渣粉、粉煤灰、石灰石粉、燒粘土或燒煤奸石。
4. 根據權利要求1所述的的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料，其特 征在于，所述的聚合物是熱固性樹脂、焦油類樹脂、乙烯類樹脂中的一種或多種 共混；或者為選自丁苯橡膠乳液、丙烯酸乳液、丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、醋酸乙 烯-乙烯共聚乳液中的一種或多種共混聚合物乳液；或者為所述的多種樹脂或乳液 的共混，或者為使用上述聚合物制備的乳膠粉。
5. 根據權利要求1所述的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料，其特征 在于，所述的橡膠粉為工業通用的丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠中一種或幾種混 合，或者由廢棄橡膠粉代替，其粒徑在0.075 9.5mm之間，或者由幾種不同的粒 徑通過級配合成后使用。
6. 根據權利要求1所述的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料，其特征 在于，該罩面材料的主要技術參數為抗壓強度^15MPa、抗折強度》5MPa;抗滑 構造深度》lmm;空隙率18 22%、透水系數》1.5mm/s;吸聲系數》0.30和降噪 效果》5dB。
7. 權利要求1所述的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料的施工工藝， 其特征是，用小型機具、三輥軸和瀝青攤鋪機進行施工。
8..權利要求1所述的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土罩面材料的施工工藝， 其特征是，將聚合物與橡膠粉、水泥、碎石、砂、填料放入攪拌機拌合均勻，在攪 拌過程中加入水、或者加入助劑拌合，將得到的聚合物改性橡膠粉多孔水泥混凝土 混合料運至工地，采用機械或者人工攤鋪的方法，均勻的鋪在舊水泥混凝土路面或 基層下部結構上，再采用振動設備將混合料振實；采用瀝青攤鋪機攤鋪時，則在攤 鋪過程中利用樊平板將其振搗成型，或用壓路機碾壓成型；成型后的灶面材料采用 薄膜封閉養生，養生期l 7d，或者再暴露干燥1 2天，再開放交通，在封閉養生 期間不需要補充水分。
全文摘要
一種具有高韌性的聚合物改性橡膠粉多孔混凝土罩面材料和施工工藝，每立方米該混凝土中聚合物用量20～75kg，水泥用量200～400kg，水灰比在0.25～0.40之間，集料中細集料量不大于20％，粗集料量不小于80％，添加0～5kg增塑劑和/或消泡劑，用不超過50％的體積率的橡膠粉取代天然集料，水泥或者由不超過40％的礦物摻和料取代。本罩面材料用小型機具、三輥軸和瀝青攤鋪機進行施工。本聚合物改性橡膠粉多孔混凝土罩面材料的主要技術參數為抗壓強度≥15MPa、抗折強度≥5MPa；抗滑構造深度≥2.0mm；空隙率18～22％、透水系數≥1.5mm/s；吸聲系數≥0.30和降噪效果≥5dB。本發明的罩面材料能綜合利用廢棄橡膠、具有高韌性、抗滑和吸聲降噪等功能，適應于公路、市政道路和場坪的罩面。
文檔編號C04B38/00GK101343162SQ200810048960
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月25日 優先權日2008年8月25日
發明者周明凱, 濤 張, 方 徐, 威 曾, 李北星, 沈衛國, 智 蔡 申請人:武漢理工大學