水泥混凝土路面嵌缝材料开发研究报告.pdf

通用型水泥混凝土路面嵌缝材料的应用技术开发 研 究 报 告 黑龙江省交通科学研究所 通用型水泥混凝土路面嵌缝材料的应用技术开发 第一章 项 目 背 景 黑龙江省交通科学研究所 1.1项目简介 本研究项目由雪乡公路工程建设指挥部委托开发。雪乡公路是我省著名的“红色旅游”公路之一，是通往中国雪乡景区最便捷的交通要道。它的特点是公路的起讫点间海拔高差大，道路所处的自然气候环境相差悬殊，因此，开发可应用于不同气候环境下的通用型水泥混凝土路面嵌缝材料有着重要的意义。以往的气象资料表明，雪乡公路的起点五常市山河镇，与其终点中国雪乡的日最大温差可达 20 余度。冬季日最低温度达-38，夏日最高气温达 34，这就对路用材料提出了更高的要求。不但要保证高温不流淌、低温不脆裂及足够的粘结力和弹性，还要保证在最大日温差 70左右的环境下，填缝材料仍能正常使用。1.2项目背景 目前，我省水泥混凝土路面灌缝用的材料主要有改性沥青，沥青橡胶类、玛蹄脂、聚氯乙烯胶泥等材料。我们对应用上述材料的路段进行了大量的实地调查和性能分析（结果见表 1）表 1 粘结强度（Mpa）脆点温度 （）维护周期 使用方式 使用温度 （）优质SBS改性沥青 0.2-28 1 年 2 3次 加 热 5 45 再生胶 0.1-20 1 年 1 2次 加 热 8-60 双组份 聚胺酯 0.1-0.3-30 1 年 1 次 现场掺配 10-20 丙烯酸酯 0.1-0.2-24 1 年 常温 1230 硅酮密 封 胶 0.40.6-33 3 年 1 次 常 温 8 25 环氧树脂 0.02-1.2-20-32 2 年 1 次 常温 1035 统计和分析数据表明，在常用的灌缝材料中，硅酮密封胶的性能是最好的，但其低温脆点只为-33，仍不能满足此路日最低温38的要求。其使用温度范围在 5 到 25之间，温度在 0 以下无法施工，而雪乡公项 目 名 称 路在灌缝施工的秋季，山上路段白天最低气温在-4左右，而在山脚白天最高温度 22左右，温差达 26。所以，此时，无法满足施工要求。总结起来，现用的灌缝材料主要缺点表现在：抗冻性能差，使用温度范围小，耐候性能差，不适合在雪乡公路这样一条昼夜温差大、季节温差大、路段间温差大的公路上使用。1.3开展此项研究的优势条件 开展此项研究的课题组成员全部由国家寒地专家及公路养护专业研究人员组成，在此项目之前，我课题组已经做了大量的调查和研究工作，曾承担过寒区水泥砼路面灌缝料的研制等课题的研究，并获奖。可以说，承担此项目研究的技术储备是成熟的。在硬件方面，本项目的研究依托黑龙江省交通科学研究所寒地中心试验室的先进试验仪器和设备，并有专业人员做数据分析和处理，具备开发此项目的必要条件。通用型水泥混凝土路面嵌缝材料的应用技术开发 第二章 研 究 过 程 黑龙江省交通科学研究所 2.1研究目标的确定 根据我国目前公路常用的嵌缝材料和雪乡公路的实际情况，制定了研究目标：1、所研究开发的材料必须为防水材料，应达到规范中所规定的：渗水性 0.1Mpa30min不透水。这样才能有效的防止路面水进入路基，避免板底因水浸而使基础强度降低而引发的开裂和损坏。2、所研究开发的材料必须有较强的温度稳定性。达到高温不流淌、低温不脆裂，能适宜各种复杂的气候环境。据气象部门了解到，近十年来雪乡公路冬季日最低温度达到-38，路面温度达到-46左右，日最高气温达到 34，路面达 60左右。我们考虑到近年来气候变化较异常，容易出现极端气候，决定开发出的材料低温性能应略高于近十年的最低温度，因此，将新材料的技术指标定为47不脆裂，且此时的延伸率450，弹性复原率93，粘结能力在1Mpa以上，在高温情况下达到 120不流淌，在紫外线 163（250h）处理情况下密封正常。另外，根据甲方要求，表干时间应控制在 7-9个小时。2.2材料配比优选过程 2.2.1基材的选定 根据需要，我们选用了氯丁橡胶、丁脂橡胶、聚硫橡胶三种材料作为研究基材。此三种材料共同特点是抗温能力较强，但粘结能力和低温延伸率较差。为此，我们选用硅树脂和聚醋酸乙烯酯的聚合物对其改性，使其充分反应，分别生成三种橡胶树脂复合材料A1、A2、A3。对其性能进行简单比较，配比表和性能对比表如下：三组配方的配比 表 2 配方名称 材料质量比 K1 W:A1 36.5：100 K2 W:A2 33：100 K3 W:A3 37.9：100 注：硅树脂和聚醋酸乙烯酯的聚合物为 W 三种橡胶树脂复合材料性能对比表 表 3 拉伸粘接强度（Mpa）断 裂 拉伸 强 度（Mpa）延伸率（%）0.1Mpa 30min不透水 脆点温度（）163 250h 紫外线处理强度、流动度（mm）表干 时间 (h)K1 0.5 0.7 80 不透水-20 减弱 0.01 9 K2 0.4 0.8 70 不透水-28 减弱 0.02 8 K3 0.6 0.8 55 不透水-35 不变 0 14 2.2.2改性试配 通过对比分析，我们选择了配方 K3 继续试验。其优点主要是：低温脆点较低，高温不流淌 不足之处主要是：低温延伸率较低，表干时间较长，材料固化后有较多气泡。为了有效克服材料缺点，在保持优点的同时提高延伸率，我们选用了增塑剂对其改性，并通过调整掺量来确定最佳性能效果。通过试验得出，增塑剂与强度的关系曲线如下：增 塑 料 剂 掺断裂伸长率 指 标 编 号 为了减少气泡，调整表干时间，我们选择了消泡剂和另一种改性材料同时对其改性，试验结果如下：表 4 1.5%1.7%1.9%2.1%2.3%2.7%2.9%表干 时间(h)12 11.5 11 8 11 11.5 12 固 化 物含量%96.5 97 98.5 98 98 98 98 通过找出两种性能的最佳结合点，我们确定了消泡剂和改性剂的掺量为 2.1，表干时间确定为 8小时。通过增塑剂和消泡剂及其他改性剂与 K3 的互溶性试验后，选择了生成物 B配方作为拟定配方。根据交通行业标准 JT/T20395公路水泥砼路面接缝材料中 6.3常温施工式填缝材料试验方法，对 B配方进行了性能试验，测定了灌入温度、稠度、拉伸量、失粘时间，弹性复原率、耐温能力等指标，试验结果见表 5 掺 量 指 标 B材料配方与规范值对比表 表 5 -40拉伸量（mm）失粘 时间(h)弹性复原率（球针法）-401（）流动度（mm）B材料 15.7 8 97 0 规范值 15(-10 1 301)6-24 75 0 由上表可知，该材料性能完全符合规范要求，可以应用于试验路试验。2.3试验路试验 2.3.1试验路段选择 课题组于 2005年 6 月在雪乡公路不同路段选择了275条接缝进行了路用性能试验。这些接缝中包括山顶、坡面、山脚三个位置的路段。据近十年的气象资料显示，雪乡公路冬季日最低温度达到-42，路面温度达到-46左右，日最高气温达到 34，路面达 60左右。雪乡公路在灌缝施工的秋季，山上路段白天最低气温在-4左右，而在山脚白天最高温度 22左右，同一条路的两个路段间温差达 26，且此路地处山区，容易出现极端气候。指 标 名 称 2.3.2施工工艺的确定 根据材料自身特点及试验路情况，确定了施工工艺，如下：1、设置安全设施。2、用开槽机将缝内杂物清除干净 3、用高压气体清缝。4、在进行灌注前，用衬条将接缝填塞密实，上部留 1.5-2.5cm高度以备灌注。5、灌缝。灌注高度与板面平齐为止。2.3.3试验路试验 依照施工工艺，在雪乡公路三个不同路段，随机挑选了 275条缝进行了路用性能试验。2.3.4试验路观测 2005年 8月、10 月、11 月我们对试验路进行了三次观测。高温时末发现流淌现象，也末发现被车轮粘失现象。11 月在温度最低时没有发现胶体与路面板脱离现象，并且胶体表面无裂痕。通过三次观测，温度在变化，季节在变化，但嵌缝胶的密封效果始终如一，充分说明了该配方是适宜雪乡公路路况的。2.5效果分析 在试验路试验中所用的施工工艺和配方经试验结果证实，已经达到了预期研究目的，完全适合在雪乡公路上使用，并可根据情况在其它相似路段推广。所以，B配方确定为最终配方，试验路中所用施工工艺为 B配方的配套施工工艺。通用型水泥混凝土路面嵌缝材料的应用技术开发 第三章 生 产 工 艺 流 程 黑龙江省交通科学研究所 3.1反应原理 基材在硅树脂，醋乙烯酯单体和引发剂过硫酸铵，乳化剂聚乙烯醇、辛基苯酚聚氯乙烯醚的共同作用下发生聚合，最后加入增塑剂邻苯二甲酸二丁酯，在适宜的时间和温度下反应，即可生产成品。3.2生产流程图 基材聚乙 醋酸乙烯酯单体 碳酸氢钠 邻苯二甲酸二丁酯 烯醇水溶液 过硫酸铵 （增塑剂）硅树脂聚醋 消泡剂 酸乙烯酯 混合 并加乳化剂OP10 反应釜 加热 一定时间 调 PH 值 改性 成 品 3.3产品生产注意事项 1、反应釜应为国标专业化工生产工具。2、加热温度和时间严格按照规定执行。3、碳酸氢纳对皮肤易产生腐蚀，操作时需作好防护措施。4、消泡剂和增塑剂的比例及添加时间严格按规定执行，直接影响产品质量。5、成品为易燃产品，需加强安全防火措施。通用型水泥混凝土路面嵌缝材料的应用技术开发 第四章 施工机具的研发 黑龙江省交通科学研究所 4.1主要施工机具的研发 开槽机为本项目施工机具的研发重点，为了达到轻便，高效，易于操作的目标，我们研究了专用开槽机，主要部件构造图如下：4.2灌缝机选用了科研所已经研发的裂缝灌缝机，在关键部分进行了一些改进。