一种外加剂、应用该外加剂的水稳基层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种外加剂、应用该外加剂的水稳基层及其制备方法，属于公路路面施工
技术领域
。背景技术
水稳基层是水泥稳定碎石层的简称，即采用水泥固结级配碎石，通过压实、养护完成。《公路路面基层施工技术规范》(JT J034-2000)对水泥稳定粒料的加水拌和到碾压终了之间的延迟时间进行了规定：采用集中厂拌的不超过2h，采用路拌的不超过3～4h。这对一些施工设备和组织管理条件不理想的单位来说是很难达到的。特别是水泥ISO标准的实施，在水泥的强度等级提高的情况下，细度较细、混合材料掺量降低，水化速度更快，很容易出现延迟碾压导致水稳料的强度富裕系数不够、压实度低、芯样完整性较差、抗冲刷性能差等问题。此外，随着国家对环保的要求越来越高，水泥的价格也节节攀升，导致水泥稳定碎石的单方成本增加约5～10元。
在现有的碾压混凝土类技术中，有采用粉煤灰或其他具有火山灰活性的掺合料替代水泥的方法，降低水泥用量，能够在一定程度上减缓水泥水化，通过利用粉煤灰等掺合料密度比水泥小、火山灰效应及经济廉价的特性，以实现水稳料的高密实性、高后期强度、高耐久性及低成本的优点，达到技术和经济的双赢。然而，粉煤灰等掺合料在水泥稳定碎石中的应用效果未能达到上述预期，主要表现在：水泥稳定碎石7d强度的要求限制了粉煤灰的掺量，由于粉煤灰早期活性低，在水泥稳定碎石层中只能作为低掺量的填充料使用，没有发挥其火山灰效应，且经济效益也有限。
目前，有研究通过添加各种化学试剂来激发粉煤灰的早期活性，但激发效果并不理想，粉煤灰的最大掺量仅能达到30～50％，且在该掺量下还需同时增加水泥用量，也削弱了用粉煤灰等掺合料替代水泥所产生的经济效益。因此，现有的水泥稳定碎石中用粉煤灰等掺合料替代水泥，仍存在粉煤灰掺量低、早期强度差、从搅拌生产到碾压完成的可施工时间短、保湿养护7d后在火山灰效应发生及后期活性反应中仍需养护、水泥稳定碎石收缩变形大易开裂等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种外加剂、应用该外加剂的水稳基层及其制备方法。
本发明的第一个目的是提供一种外加剂，按照重量份数计，包括以下原料：10～20份的水化抑制缓释型吸水树脂、30～50份的氧化镁、5～10份的氧化钙、5～10份的氢氧化钠、10～20份的硫酸钠、0.1～0.6份的缓凝剂、0～5份的溴化钠、0～10份的纳米硅酸钙和0～10份的纳米二氧化硅。
本发明通过采用水化抑制缓释型吸水树脂与缓凝剂配合，能够抑制水泥颗粒中C3A的水化速率，抑制水泥颗粒中C3S在1～2d龄期内的水化速率，有效调控在纳米硅酸钙和纳米二氧化硅作用下的水泥水化加速期历程，在延缓早期水化速率的同时不影响纳米硅酸钙和纳米二氧化硅对3～7d水化程度的促进作用。
同时，将本发明的外加剂应用于低量水泥、大掺量掺合料的水稳料低胶材凝胶体系中，缓凝剂在碱性溶液环境中不断溶解、吸附，对水泥、纳米硅酸钙和纳米二氧化硅起分散作用，纳米硅酸钙和纳米二氧化硅消耗碱性溶液中的氢氧化钙，加快水化产物的形成以提供3～7d早期强度，以弥补大掺量掺合料、低水泥的胶材体系早期水化程度不足的缺陷。且碱性溶液中的碱类与盐类成分共同作用激发掺合料的潜在活性：由溶液中的OH-使原先聚合度较高的玻璃态网络中的部分Si-O键、Al-O键断裂，形成不饱和活性键，促使网络解聚和硅铝的溶解扩散，形成水化产物，然后由盐类来加速水化产物的生成，以促进掺合料对凝胶体系早期和后期性能的发展。
进一步的，所述水化抑制缓释型吸水树脂按照质量百分数计，由40％～60％的玉米淀粉糊精与40％～60％的多孔丙烯酸吸水树脂在熔融状态下混合搅拌，通过喷雾冷却，选出75μm以下的部分得到。
本发明的水化抑制缓释型吸水树脂与水结合产生自然膨胀，由于水化抑制缓释型吸水树脂中淀粉糊精对凝胶状态中水分子的束缚作用进一步提高，使凝胶中水分难以失去，增强了该水化抑制缓释型吸水树脂在碱性溶液中的储水稳定性，使其内部形成微型的蓄水库，然后在环境温度和空气的作用下缓慢地蒸发释放。这样一方面能够保证水泥浆得到内部的潮湿养护，抑制水泥浆的干缩，另一方面可以在干燥条件下提供氧化镁及掺合料水化需要的水，以加速水化产物的生成。氧化镁在后期水化过程中可使凝胶体系产生微膨胀，且其水化产物氢氧化镁能够有效填充空隙及微裂缝，使体系后期体积稳定性好，有效补偿温缩变形，有利于防止温缩裂缝的出现。
进一步的，所述氧化镁采用粗颗粒氧化镁，烧成温度为700～800℃，粉磨后取50～200目的颗粒。
进一步的，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、硼酸中的任意一种或者多种。
本发明的第二个目的是提供上述的外加剂的应用，用于掺合料替代水泥率在50％～80％的水泥稳定碎石层中。通过应用于高掺量掺合料替代水泥的水泥稳定碎石层中，大量掺合料替代水泥有利于降低凝胶体系本身的早期水化速率，配合缓凝剂及水化抑制缓释型吸水树脂等抑制水泥颗粒中C3S在1～2d龄期内的水化速率。
进一步的，外加剂用量为水泥稳定碎石层中掺合料重量的2％～5％。
进一步的，外加剂中的水化抑制缓释型吸水树脂、氧化镁、氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、缓凝剂和溴化钠组成固体组分，纳米硅酸钙和纳米二氧化硅组成液体组分；外加剂添加时，先将固体组分与掺合料混合，形成固体混合物，再将固体混合物与液体组分混合。
本发明的第三个目的在于提供一种应用上述的外加剂的水稳基层，按照重量份数计，由以下原料组成：100份的集料、2.5～4份的掺合料、0.05～0.2份的外加剂、1～2.5份的水泥和5～6.5份的水。
进一步的，所述外加剂的用量为掺合料用量的2％～5％。
本发明的第四个目的在于提供一种应用上述的外加剂的水稳基层的制备方法，包括以下步骤：
S1、将外加剂中的固体原料与掺合料混合均匀，得到固体混合料；将外加剂中的液体原料与部分水混合均匀，得到液体混合料。
S2、将固体混合料与液体混合料混合并搅拌均匀，得到外加掺合料。
S3、将外加掺合料和水泥及剩余的水混合，搅拌均匀后加入集料，搅拌均匀即得。
本发明的有益效果是：
1)本发明的外加剂能够激发掺合料的早期活性，在保证7d强度满足要求的同时，适当延长从搅拌生产到碾压完成的可施工时间，在该可施工期间内，掺合料的凝胶体系基本不水化或者少量水化。同时，能够为水泥稳定碎石后期的火山灰效应和后期活性反应提供水分，使添加了本发明外加剂的大掺量掺合料的凝胶体系具有后期自养护功能。此外，本发明的外加剂能够提高水泥稳定碎石的体积稳定性，减少其收缩变形和开裂。
2)本发明的外加剂主要应用于掺合料替代水泥率在50％～80％的水泥稳定碎石层中，在满足其7d强度要求的同时，提高了掺合料对水泥的替代率，有利于降低水泥稳定碎石层的造价成本，提高其经济效益。
3)本发明采用该外加剂的水稳基层的碾压成型时间可放宽至4h，其7d无侧限抗压强度超过纯水泥稳定碎石10％以上，压实度提高1％以上、芯样完整率提高1％以上，且单方成本降低5～10元，具有长龄期高劈裂强度、高弯拉强度、高抗冲刷性及低收缩变形等优点，有利于延长道路的使用寿命，同时实现固废利用、成本低廉和环保经济。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种外加剂：按照重量份数计，包括以下原料：10～20份的水化抑制缓释型吸水树脂、30～50份的氧化镁、5～10份的氧化钙、5～10份的氢氧化钠、10～20份的硫酸钠、0.1～0.6份的缓凝剂、0～5份的溴化钠、0～10份的纳米硅酸钙和0～10份的纳米二氧化硅。其中，水化抑制缓释型吸水树脂按照质量百分数计，由40％～60％的玉米淀粉糊精与40％～60％的多孔丙烯酸吸水树脂在熔融状态下混合搅拌，在40～80r/min的搅拌速度下搅拌15min，然后通过喷雾急速冷却，选出75μm以下的部分而得。
上述配方中的氧化镁和氧化钙均采用粗粒产品，氧化镁烧成温度为700～800℃，通过球磨方式粉磨后取50～200目的颗粒。这样得到的氧化镁颗粒为具多边形类球形的形状，其膨化反应时间主要集中在3～180d。粗粒氧化钙的粒度在100～300目之间，主要水化反应时间在6～24h。本发明采用的缓凝剂为葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、硼酸中的任意一种或者多种，缓凝剂的掺量按照水稳基层配方中水泥铝酸三钙或者铁铝酸四钙的1％～3％掺入。同时，氢氧化钠、溴化钠和硫酸钠均采用固体片状或者粗粒颗粒状的工业级产品，含量不低于98％，且完全溶解所需时间超过4h。配方中的纳米硅酸钙和纳米二氧化硅为液体或溶胶状，两者的固含量均在20％～40％范围内，纳米硅酸钙的水化反应时间为6h～7d。
本发明还提供上述的外加剂的应用，用于掺合料替代水泥率在50％～80％的水泥稳定碎石层中。外加剂用量为水泥稳定碎石层中掺合料重量的2％～5％。使用方法为：先将固体组分与掺合料混合，形成固体混合物，再将固体混合物与液体组分混合。
本发明另外提供一种应用上述的外加剂的水稳基层，按照重量份数计，由以下原料组成：100份的集料、2.5～4份的掺合料、0.05～0.2份的外加剂、1～2.5份的水泥和5～6.5份的水。其中，保持外加剂的用量为掺合料用量的2％～5％。配方中的集料按骨料密实型结构设计，各粒径集料比例为：19.0～31.5mm：9.5～19.0mm：4.75～9.5mm：0.075～4.75mm：0～0.075mm＝14％～32％：28％～48％：16％～36％：22％～32％：0％～3％。
配方中的掺合料为具有火山灰活性的掺合料，包括粉煤灰、矿粉、磷渣粉等中的任意一种或多种。其中，掺合料采用粉煤灰时，粉煤灰可以是Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰、Ⅲ级粉煤灰及品质更低的锅底灰、湿排灰或放置多年的粉煤灰均可，其SiO2含量不低于20％，密度为1900～2800kg/m3；7d活性指数＞50％，28d活性指数＞50％，90d活性指数＞60％。掺合料采用矿粉时，矿粉可以是铁矿渣、钒钛渣、锰矿渣、锂矿渣、锆矿渣等金属提炼后，残渣加工后的产品。SiO2含量不低于40％、比表面积为200～1000m2/kg，颗粒形貌应主要为多边形立方体或类球形体；7d活性指数＞50％，28d活性指数＞60％，90d活性指数＞70％。掺合料采用的磷渣粉为生产黄磷提炼后的附属产品，磷渣熔浆在饱和石灰水中水萃冷却后，粉磨和风选所得，其P2O5含量为0.5％～1.5％，活性组分含量不低于60％，比表面积为250～600m2/kg，密度为2600～3000kg/m3；7d活性指数＞50％，28d活性指数＞50％，90d活性指数＞60％。
本发明最后提供一种应用上述的外加剂的水稳基层的制备方法，包括以下步骤：
S1、将外加剂中的固体原料与掺合料混合均匀，得到固体混合料；将外加剂中的液体原料与部分水混合均匀，得到液体混合料。
S2、将固体混合料与液体混合料混合并搅拌均匀，得到外加掺合料。
S3、将外加掺合料和水泥及剩余的水混合，搅拌均匀后加入集料，搅拌均匀即得。
实施例一
本实施例提供一种外加剂，分别称取60g的水化抑制缓释型吸水树脂、180g的氧化镁、30g的氧化钙、30g的氢氧化钠、60g的硫酸钠、0.6g的缓凝剂，本实施例采用的水化抑制缓释型吸水树脂由40％的玉米淀粉糊精和60％的多孔丙烯酸吸水树脂熔融状态下混合搅拌，喷雾冷却后选出75μm以下的部分得到。本实施例的氧化镁和氧化钙均采用粗粒产品，缓凝剂采用葡萄糖酸钠。将配方中的各组分混合均匀后得到外加剂产品。
实施例二
本实施例提供一种外加剂，分别称取100g的水化抑制缓释型吸水树脂、250g的氧化镁、50g的氧化钙、50g的氢氧化钠、100g的硫酸钠、3g的缓凝剂、25g的溴化钠、50g的纳米硅酸钙和50g的纳米二氧化硅。本实施例采用的水化抑制缓释型吸水树脂由60％的玉米淀粉糊精和40％的多孔丙烯酸吸水树脂熔融状态下混合搅拌，喷雾冷却后选出75μm以下的部分得到。本实施例的氧化镁和氧化钙均采用粗粒产品，缓凝剂采用柠檬酸钠。将配方中水化抑制缓释型吸水树脂、氧化镁、氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠和缓凝剂混合均匀形成固体组分，再将纳米硅酸钙和纳米二氧化硅混合形成液体组分。
实施例三
本实施例提供一种外加剂，分别称取75g的水化抑制缓释型吸水树脂、200g的氧化镁、40g的氧化钙、40g的氢氧化钠、75g的硫酸钠、2g的缓凝剂、15g的溴化钠、25g的纳米硅酸钙和25g的纳米二氧化硅，本实施例采用的水化抑制缓释型吸水树脂由40％的玉米淀粉糊精和60％的多孔丙烯酸吸水树脂熔融状态下混合搅拌，喷雾冷却后选出75μm以下的部分得到。本实施例的氧化镁和氧化钙均采用粗粒产品，缓凝剂采用葡萄糖酸钠和硼酸按1：1复配的产物。将配方中水化抑制缓释型吸水树脂、氧化镁、氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠和缓凝剂混合均匀形成固体组分，再将纳米硅酸钙和纳米二氧化硅混合形成液体组分。
实施例四
本实施例提供一种水稳基层，先分别称取50kg的集料、1.25kg的粉煤灰、25g的外加剂、1.25kg的水泥和2.75kg的水，然后按照如下步骤进行制备：
S1、将外加剂中的固体组分与掺合料混合均匀，得到固体混合料；将外加剂中的液体组分与部分水混合均匀，得到液体混合料。
S2、将固体混合料与液体混合料混合并搅拌均匀，得到外加掺合料。
S3、将外加掺合料和水泥及剩余的水混合，搅拌均匀后加入集料，搅拌均匀即得。
本实施例采用的外加剂为实施例三制备的外加剂，粉煤灰为电厂干排粉煤灰，低活性，等外灰，其具体性能见表1。
表1粉煤灰性能检测结果
实施例五
本实施例与实施例四的区别在于：本实施例的水稳基层配方为：50kg的集料、2kg的矿粉、100g的外加剂、0.5kg的水泥和3.15kg的水。本实施例采用的矿粉性能检测结果见表2。
表2矿粉性能检测结果
实施例六
本实施例与实施例四的区别在于：本实施例的水稳基层配方为：50kg的集料、1.5kg的磷渣粉、60g的外加剂、1kg的水泥和3kg的水。本实施例的磷渣粉性能检测结果见表3。
表3磷渣粉性能检测结果
对比例一
本对比例与实施例四的区别主要在于：本对比例的水稳基层配方为：50kg的集料、2.5kg的水泥和3kg的水；不添加外加剂。
对实施例四至六及对比例一制备的水稳基层的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度及劈裂回弹模量、弯拉强度、干缩和抗冲刷性能进行试验，试验结果如表4-8所示。
表4无侧限抗压强度试验结果
表5劈裂抗拉强度及劈裂回弹模量试验结果
表6弯拉强度试验结果
表7干缩试验结果
表8抗冲刷试验结果
方案
90d冲刷量(g)
90d冲刷质量损失(％)
与基准相比
对比例一
9.6
0.15
100％
实施例1
6.4
0.10
67％
实施例2
7.1
0.11
73％
实施例3
6.2
0.10
67％
由表4-8可见，本发明各实施例制备的水稳基层(水泥-高掺掺合料稳定碎石)比对比例一(纯水泥稳定碎石)的性能更优异，在无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度及劈裂回弹模量、弯拉强度、干缩和抗冲刷性能方面都明显优于纯水泥稳定碎石的性能。可见，本发明通过外加剂与掺合料的配合，实现了价格低廉、性能优异的水泥-高掺掺合料稳定碎石的制备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
