阅读说明：本技术 一种剑麻纤维增强水泥基复合材料路面道路 (Sisal fiber reinforced cement-based composite material pavement road ) 是由 陈伟宏 陈世伟 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种剑麻纤维增强水泥基复合材料路面道路,其路面结构从上到下依次为高延性水泥基复合材料面层、基层和底基层。所述基层采用具有柔性特点的级配稳定碎石。所述面层由混凝土搅拌机生产,经由搅拌运输车运输至施工现场,在进行施工时采用滑模式水泥混凝土摊铺机进行摊铺,摊铺后水泥基复合材料自密实,无需进行振捣。构造措施与水泥混凝土路面相同。所述高延性水泥基复合材料的主要成分是水泥、粉煤灰、细砂、高效减水剂、粘合剂和剑麻纤维,使用该材料作为面层材料,可改善混凝土路面由于自身脆性导致的断板,冲断现象,而且其优异的裂缝控制能力非常有利于混凝土路面对于裂缝宽度控制的要求,避免宽大裂缝出现,提高路面耐久性。(The invention provides a sisal fiber reinforced cement-based composite material pavement road, which is characterized in that a pavement structure comprises a high-ductility cement-based composite material surface layer, a base layer and a subbase layer from top to bottom in sequence. The base course adopts graded stabilized macadam with flexible characteristic. The surface course is produced by concrete mixer, transports to the job site via the stirring transport vechicle, adopts slipform cement concrete paver to pave when carrying out the construction, and cement base composite material is self-compaction after paving, need not to vibrate. The construction measures are the same as those of a cement concrete pavement. The main components of the high-ductility cement-based composite material are cement, fly ash, fine sand, a high-efficiency water reducing agent, an adhesive and sisal fibers, the material is used as a surface layer material, the phenomena of plate breakage and impact fracture of a concrete pavement caused by self brittleness can be improved, the excellent crack control capability of the material is very favorable for meeting the requirement of the concrete pavement on crack width control, wide cracks are avoided, and the durability of the pavement is improved.)

一种剑麻纤维增强水泥基复合材料路面道路

技术领域

本发明涉及一种剑麻纤维增强水泥基复合材料路面道路，采用这种具有高弯拉强度、高延展性、以及多缝开裂特点的高延展性水泥基复合材料作为路面层，基层采用水泥稳定砂砾，通过在设计年限内，满足各级公路相应的承载能力、耐久性、舒适性、安全性的要求。

背景技术

水泥混凝土路面具有刚度大、承载能力高、耐久性强、经济性能好、使用寿命长等优点，并且不会出现车辙、拥包等现象，加之我国优质路用沥青资源的不足和水泥资源相对丰富，修筑水泥混凝土路面具有广阔的前景。截至2016年底，我国已经建成水泥混凝土路面总里程达到约226万km，占铺装路面总里程的70%以上。

水泥混凝土路面在我国开始使用时间较早，应用范围很广，高速公路、城市道路、机场跑道、车站码头、乡间道路等处均铺设水泥混凝土。在我国的高等级公路中水泥混凝土路面（高速公路、一级公路）约占25%，二级以下公路所占比例约为40%，其设计基准期为20年，然而实际上很多水泥路面在使用3~4年后便出现裂缝、断板、错台、露骨、板底脱空等病害，影响了道路的正常使用功能，增加了交通安全隐患，严重制约了地方经济的发展。同时，水泥混凝土路面比沥青混凝土路面的养护难度大、养护费用高，如果水泥路面病害问题频繁势必会増加养护次数和养护费用，体现不出水泥路面寿命长、费用低的优点。

水泥混凝土之所以耐久性有限，主要是因为：一、水泥混凝土水分蒸发而产生的干缩和温度降低产生的温缩使路面产生横向裂缝。二、车辆荷载作用引起混凝土板的横向应力增加，重复轴载作用增加了混凝土板的疲劳，当累积疲劳超过了疲劳强度，水泥混凝土产生纵向开裂，即产生冲断。因此，研究耐久性优良的水泥路面材料对于提高路面使用性能、延长使用寿命、减少维修次数以及降低养护费用都具有重要意义。目前，主要通过合理配筋使水泥混凝土产生适当的横向裂缝来释放由于温度和湿度变化引起的应力，并使裂缝宽度较小来保持结构在横向裂缝处的连续性。另外一种方法是在混凝土的拌合过程中加入纤维，形成纤维増强混凝土或高性能纤维増强水泥基复合材料。硬化混凝土开裂后裂纹间的纤维起到桥联作用，抑制裂缝扩展。但是混凝土本身存在脆性大、抗拉强度低的固有缺陷，其极限拉应变只有0.01%，易开裂且裂缝宽度难以控制，上述方法无法从根本上解决耐久性问题。

鉴于工程中水泥混凝土路面的耐久性问题，东南大学李昶教授提出一种专利（申请公布号：CN 109235174 A），将纤维增强型水泥基复合材料作为罩面层材料铺设于普通水泥混凝土面层上方，所述罩面层采用全断面摊铺的形式进行铺筑。该专利与本专利具有如下三处不同点：第一，两者价格差别很大。该专利采用的是PVA纤维，价格昂贵，而本专利采用剑麻纤维，其成本更加低廉；第二，两者的结构层次不同。该专利是由水泥基复合材料作为罩面层（厚度仅6-8cm）铺设于原有水泥混凝土面层上方形成的组合面层，而本专利是采用单一面层的形式，其面层材料仅采用高延性水泥基复合材料；第三，面层耐久性不同。该专利虽然能消除水泥混凝土路面表观宽大缝隙，但是其面层材料仍为水泥混凝土，仍会因为干缩和温缩出现开裂破坏，局部甚至会因罩面层传下来的车辆荷载作用出现断板。同样，针对水泥混凝土路面现有的裂缝耐久性等问题，长安大学申爱琴教授提出了一种减缩抗裂路面水泥混凝土路面材料专利（申请公布号：CN 109020384 A），所述的减缩抗裂路面水泥混凝土由水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂制备而成。南昌大学鲁亚提出一种UHPC材料作为路面材料的道路的发明设计（申请公布号：CN 108558304 A）。上述两个专利与本专利由如下几点不同：第一、两个路面的面层材料仍属于混凝土范畴，而混凝土是脆性材料，其韧性差、抗拉强度和黏结强度较低、弹性模量高而变形能力差，容易因材料的脆性特征导致混凝土路面出现断板、冲断现象。而本专利使用剑麻纤维水泥基复合材料作为面层材料，该材料是以水泥砂浆为基体（不含粗骨料），以剑麻纤维为增强体，加入细砂、粉煤灰、化学助剂和水经复合工艺构成的复合材料，由于其制备成分中没有掺入粗骨料，因此该材料有别于传统的混凝土，属于水泥类范畴。相比传统混凝土，该水泥基复合材料韧性以及抗拉强度等力学性能均有所提高；第二、相比水泥混凝土路面，两个路面的最大裂缝宽度均有所减小，但是，因为碎石的存在，裂缝宽度仍为厘米级，仍远大于本专利的最大裂缝宽度50μm；第三、由于玄武岩纤维和钢纤维价格远高于剑麻纤维，所以这两个路面的成本高于本专利。针对工程中水泥混凝土路面耐久性不足的问题，本专利提供了一种剑麻纤维增强水泥基复合材料路面道路，该路面结构从上到下依次包括高延性水泥混凝土面层、基层和底基层。采用这种具有高弯拉强度、高延展性、抗疲劳、耐腐蚀以及微裂缝自愈合能力的高延展性水泥基复合材料作为面层材料，基层采用具有柔性特点的级配稳定碎石，能够抑制反射裂缝、改善上下层材料温湿状态，提高了基层材料的抗裂性能，抑制了工后路面反射裂缝的出现。能够有效改善传统水泥混凝土路面由于材料脆性导致的混凝土路面开裂现象，而且其优异的裂缝控制能力非常有利于混凝土路面对于裂缝宽度控制的要求，在提高路面结构的安全性、耐久性方面有着极为重要的意义。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供种剑麻纤维增强水泥基复合材料路面道路，所述高延性水泥基复合材料具有如下特点：

第一，其具有独特的应变—硬化性能和超强的韧性，其拉应变值大于3%，显著改变了传统水泥混凝土的脆性特征，克服了材料脆性导致的诸多缺陷，能够有效改善传统水泥混凝土路面由于材料脆性导致的混凝土路面断板、冲断现象；

第二，该剑麻纤维水泥基复合材料呈现出多缝开裂的特点，其裂缝自控能力是通过纤维的桥连作用实现的。当水泥基复合材料中的拉应力达到水泥基体的抗拉强度时即产生裂缝，此时开裂面的全部荷载便施加到横跨裂缝的纤维上，通过纤维与水泥基体的界面剪切黏结，纤维又将此荷载传递给裂缝两侧未开裂的水泥基体，直到达到其抗拉强度时又产生新的裂缝。如此往复，直至水泥基体被分成若干小块体。当纤维传递的应力不能使基体再产生新的裂缝时，多缝开裂过程结束，在此过程中，纤维的连接作用和界面应力传递作用至关重要，其饱和状态的多点开裂裂缝宽度小于50μm，因此其优异的裂缝控制能力非常有利于混凝土路面对于裂缝宽度控制的要求。

第三，由于水泥基复合材料的配比中剑麻纤维替代钢纤维、PVA纤维等起桥联作用，大大降低水泥基复合材料成本。故本专利提出一种价格稍高于普通水泥混凝土的高延性水泥基复合材料作为路面材料，可以在道路工程中大规模使用，在提高路面结构的安全性、耐久性方面有着极为重要的意义。

为达此目的，本发明提供一种剑麻纤维增强水泥基复合材料路面道路，该路面结构从上到下依次包括，高延性水泥基复合材料面层，基层和底基层。

所述面层材料为高延性水泥基复合材料，厚度为20cm。

作为本发明的进一步改进，所述的面层采用具有应变-硬化性能和超强的韧性，及多缝开裂的特点的剑麻纤维水泥基复合材料；所述的高延性水泥基复合材料的原料及用量包括:水280-300kg/m³；水泥310-330kg/m³；细砂680-700kg/m³；粉煤灰680-700kg/m³；剑麻纤维24-28kg/m³；高效减水剂10-15kg/m³；粘合剂0.15-0.18kg/m³。

其中，水泥选用P.Ⅱ.42.5R ;

粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不大于12%，需水量比不大于95%，主要活性化学成分是SiO₂与Al₂O₃，与水泥水化产生的氢氧化巧可反应生成胶凝产物，起到密实填充混凝土的作用。

高效减水剂选用聚羧酸减水剂，减水率大于20%，其作用是通过表面物理化学作用使水泥颗粒分散，从而改善基质的流动性、降低用水量。

细砂级配为：尺寸为1.18mm的方孔筛，石英砂通过率为100%，尺寸为0.6mm的方孔筛，细砂通过率为44 .6%，尺寸为0.3mm的方孔筛，细砂通过率为10 .8%，尺寸为0 .15mm的方孔筛，细砂通过率为0%；

粘合剂选用羟丙基甲基纤维素；

剑麻纤维选择直径为150~300μm，长度为10~20mm的材料，材料的弹性模量15~30GPa，延伸率为6%~8%。

所述高延性水泥基复合材料的制备方法为：首先在搅拌机中依次投入水泥、粉煤灰和细砂, 预搅拌2min；然后将粘合剂羟丙基甲基纤维素粉末均匀的洒在经预搅拌的拌料中, 边搅拌边洒粉末，搅拌5min；将水和减水剂逐渐加入干混合物中，直至产生均匀的混合物；逐渐加入剑麻纤维再继续混合3min，直至纤维均匀分散即可。

作为本发明的进一步改进，所述的面层由混凝土搅拌机生产，经由搅拌运输车运输至施工现场，在进行施工时采用滑模式水泥混凝土摊铺机进行摊铺，摊铺后高延性水泥基复合材料自密实，无需进行振捣。构造措施与水泥混凝土路面相同。

作为本发明的进一步改进，所述基层采用水泥稳定碎石，基层厚度为16-24cm，厚度数值根据交通量等级来选用，各材料的要求应参照相关规范；所述底基层为经过碎石化处理的旧沥青路面或旧水泥混凝土路面，或者为新建公路的级配碎石底基层。

针对现有技术，本专利的优点如下：能够有效改善传统水泥混凝土路面由于材料脆性导致的混凝土路面开裂现象，而且其优异的裂缝控制能力非常有利于混凝土路面对于裂缝宽度控制的要求，在提高路面结构的安全性、耐久性方面有着极为重要的意义。剑麻纤维增强水泥基复合材料是一种更绿色更环保的路面材料，可以减少资源损耗和环境污染，降低路面工程对生态系统、人类健康的影响。

附图说明

图1为本发明一种应用于重交通量干线公路的高耐久型路面结构；

图2为本发明剑麻纤维增强水泥基复合材料路面道路呈现出的多缝开裂图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

一种剑麻纤维增强水泥基复合材料路面道路，应用于重交通量的干线公路，该工程为改扩建工程，如图1所示为改建方案路面结构横断面设计图。

该路面结构从上到下依次包括高延性水泥基复合材料面层、基层和铺设在路基之上的底基层；

所述面层材料为高延性水泥基复合材料，为了满***通量的需求，该层厚度设为20cm。所述的高延性水泥基复合材料的原料配方为：水300kg/m³、42.5级普通硅酸盐水泥310kg/m³、细砂690kg/m³、粉煤灰690kg/m³、剑麻纤维24kg/m³、聚羧酸减水剂12kg/m³、粘合剂羟丙基甲基纤维素0.15kg/m³。

其中，水泥选用P.Ⅱ.42.5R ;

粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不大于12%，需水量比不大于95%，主要活性化学成分是SiO₂与Al₂O₃，与水泥水化产生的氢氧化巧可反应生成胶凝产物，起到密实填充混凝土的作用。

高效减水剂选用聚羧酸减水剂，减水率大于20%，其作用是通过表面物理化学作用使水泥颗粒分散，从而改善基质的流动性、降低用水量。

细砂级配为：尺寸为1.18mm的方孔筛，细砂通过率为100%，尺寸为0.6mm的方孔筛，细砂通过率为44 .6%，尺寸为0.3mm的方孔筛，细砂通过率为10.8%，尺寸为0.15mm的方孔筛，细砂通过率为0%；

粘合剂选用羟丙基甲基纤维素；

剑麻纤维选择直径为150~300μm，长度为10~20mm的材料，材料的弹性模量15~30GPa，延伸率为6%~8%。

所述高延性水泥基复合材料的制备方法为：首先在搅拌机中依次投入水泥、粉煤灰和细砂, 预搅拌2min；然后将粘合剂羟丙基甲基纤维素粉末均匀的洒在经预搅拌的拌料中, 边搅拌边洒粉末，搅拌5min；将水和减水剂逐渐加入干混合物中，直至产生均匀的混合物；逐渐加入剑麻纤维再继续混合3min，直至纤维均匀分散即可。

所述的面层由混凝土搅拌机生产，经由搅拌运输车运输至施工现场，在进行施工时采用滑模式水泥混凝±摊铺机进行摊铺，摊铺后水泥基复合材料自密实，无需进行振捣。构造措施与水泥混凝土路面相同。

所述基层采用水泥稳定碎石，基层厚度为20cm，厚度数值根据交通量等级来选用，各材料的要求应参照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）；

所述底基层为级配碎石底基层，层厚为20cm。

本发明采用剑麻纤维增强水泥基复合材料作为路面结构的面层，能够有效改善传统水泥混凝土路面由于材料脆性导致的混凝土路面开裂现象，而且其优异的裂缝控制能力非常有利于混凝土路面对于裂缝宽度控制的要求，在提高路面结构的安全性、耐久性方面有着极为重要的意义。剑麻纤维增强水泥基复合材料是一种更绿色更环保的路面材料，可以减少资源损耗和环境污染，降低路面工程对生态系统、人类健康的影响。

所述面层下方为水泥稳定碎石基层，所述基层采用具有柔性特点的级配稳定碎石，能够抑制反射裂缝、改善上下层材料温湿状态，提高基层材料的抗裂性能，抑制工后路面反射裂缝的出现。

所述基层下方为底基层，底基层可以是经过碎石化处理的旧沥青路面或者旧水泥混凝土路面，旧路面碎石化处理可以避免废料的产生，从而节约成本；另一方面旧路面作为底基层可以为路面提供足够的支撑，更好地发挥路面的性能。

实施例2

将高延性水泥基复合材料的原料配方修改为：水290kg/m³、42.5级普通硅酸盐水泥310kg/m³、细砂680kg/m³、粉煤灰680kg/m³、剑麻纤维27kg/m³、聚羧酸减水剂10kg/m³、粘合剂羟丙基甲基纤维素0.16kg/m³。

其余同实施例1。

实施例3

将高延性水泥基复合材料的原料配方修改为：水300kg/m³、42.5级普通硅酸盐水泥330kg/m³、细砂700kg/m³、粉煤灰700kg/m³、剑麻纤维28kg/m³、聚羧酸减水剂15kg/m³、粘合剂羟丙基甲基纤维素0.17kg/m³。

其余同实施例1。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。