抗水性自修復(fù)新型筑路材料研究及應(yīng)用

摘要：該項目是江蘇路業(yè)新材料有限公司柔性高強(qiáng)度路基增強(qiáng)材料自主研發(fā)成果，在固體廢棄物（重點(diǎn)為廢棄土壤）中加入柔性聚合物固化劑，替代傳統(tǒng)石灰與水泥，實現(xiàn)公路基層鋪設(shè)。在滿足基層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，大幅提升材料的機(jī)械強(qiáng)度與柔韌性，提高路基的抗損壞性能，并可大幅降低行車噪音。研究驗證，聚合物微管技術(shù)可實現(xiàn)固化土壤自修復(fù)功能，將高效土壤黏合劑通過原位制備方式引入，密封于聚合物微管或微膠囊內(nèi)，在服役過程中逐漸降解，緩慢釋放出修復(fù)液，對產(chǎn)生的微裂紋完成填充和自我修復(fù)，防止因裂紋擴(kuò)展引起強(qiáng)度下降。該技術(shù)大大減少傳統(tǒng)碎石使用量，減少碎石開挖及運(yùn)輸成本，降低工程造價，特別對于能夠就地取材的農(nóng)村路建造具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞：道路工程；路基材料；聚合物固化劑；抗損壞；行車噪音1.技術(shù)概況近年來，隨著道路工程建設(shè)的快速推進(jìn)，采用傳統(tǒng)方法修筑道路基層需要大量的砂、石等自然資源。多年來的開山取石、挖河采砂使生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞。同時，礦石資源的緊缺也提高了砂、石價格，增加了道路建設(shè)成本。土是地球上用之不竭，隨處可取的經(jīng)濟(jì)性良好的工程材料，若能夠在道路建設(shè)中將土作為道路基層材料，必能起到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、降低工程造價等作用。由于土的自身強(qiáng)度低、性能不穩(wěn)定，不能直接作為城市道路基層的使用材料。在早期的工程實踐中，工程研究人員多使用石灰、水泥等無機(jī)結(jié)合料對土進(jìn)行加固。然而石灰固化土早期強(qiáng)度低、強(qiáng)度發(fā)展緩慢，水泥固化土往往收縮較大、開裂風(fēng)險高，兩種固化土均難以滿足城市道路對基層材料的使用要求。柔性高強(qiáng)度路基增強(qiáng)材料技術(shù)是在固體廢棄物（重點(diǎn)為廢棄土壤）中加入柔性聚合物固化劑，實現(xiàn)公路基層鋪設(shè)。該固化物可替代傳統(tǒng)石灰與水泥穩(wěn)定基層，在滿足基層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，大幅增加材料的機(jī)械強(qiáng)度與柔韌性，提高路基的抗損壞性能，并可大幅度降低行車噪音。研究驗證，聚合物微管技術(shù)可實現(xiàn)固化土壤自修復(fù)功能，將高效土壤黏合劑通過原位制備方式引入，密封于聚合物微管或微膠囊內(nèi)，在服役過程中逐漸降解，緩慢釋放出修復(fù)液，對產(chǎn)生的微裂紋完成填充和自我修復(fù)，防止因裂紋擴(kuò)展引起強(qiáng)度下降。2.技術(shù)原理固化類混合料是由土壤固化劑與土拌和而成。土壤固化劑適用于不同土質(zhì)，是現(xiàn)代路面基層和底基層固化的新型化學(xué)材料，多數(shù)情況下與石灰或水泥等無機(jī)結(jié)合料共同使用可以改變土壤的組成和土體的工程性質(zhì)，提高土質(zhì)強(qiáng)度、改善土質(zhì)壓實性。相比于傳統(tǒng)的道路基層材料，固化類混合料強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，早期強(qiáng)度易于控制，并且施工與維護(hù)簡單，原材料來源廣泛，可以就地取材，從而能夠節(jié)約資源，降低工程造價。隨著生態(tài)環(huán)境變化與工業(yè)制造的發(fā)展，地球上每天都在“制造”著海涂淤泥、河道淤泥、工業(yè)淤泥……，固化類混合料可針對不同的土體調(diào)整固化體系，一方面可以節(jié)省能源，實現(xiàn)快速筑路，另一方面緩解了自然壓力，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，固化類混合料在城市道路基層中具有廣闊的應(yīng)用前景，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益非常顯著。該項目擬采用新型柔性聚合物固化技術(shù)，將固體廢棄物（重點(diǎn)為廢棄土壤）應(yīng)用于公路基層中，替代傳統(tǒng)二灰碎石或水泥基層，在滿足基層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，大幅增加材料的柔韌性與抗壓強(qiáng)度，并通過聚合物微管技術(shù)實現(xiàn)固化土壤自修復(fù)功能，利用毛細(xì)管作用將高效土壤黏合劑通過原位制備方式引入，密封于聚合物微管內(nèi)，聚合物微管在服役過程中逐漸降解，緩慢釋放出修復(fù)液，對產(chǎn)生的裂紋完成自我修復(fù)，防止裂紋擴(kuò)展引起強(qiáng)度下降。實現(xiàn)固體廢棄物資源化再生利用，降低工程造價。柔性高強(qiáng)度路基增強(qiáng)材料施工工藝流程見圖1。圖1施工工藝流程3.技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)（1）高效的固化反應(yīng)特性固化材料綜合聚合物乳液和無機(jī)離子型固化劑優(yōu)勢，針對不同土壤固化速度可控可調(diào)，工藝窗口寬，適合不同地域現(xiàn)場施工使用。（2）優(yōu)異的柔韌性與機(jī)械性能有機(jī)硅改性樹脂基體，提高了聚合物的柔韌性與附著力；無機(jī)離子同土壤中的含硅、含鈣化合物發(fā)生反應(yīng)，形成高強(qiáng)度復(fù)合基層，增強(qiáng)路基的抗震性能。根據(jù)各等級公路對基層的7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，可達(dá)到高速公路和一級公路標(biāo)準(zhǔn)水平。（3）自修復(fù)功能特性將修復(fù)黏合劑封閉于聚合物微管內(nèi)，實現(xiàn)固化材料的自修復(fù)功能，服役過程中由于外力導(dǎo)致微管破裂和聚合物自然降解，實現(xiàn)裂紋修復(fù)。對比試驗顯示，同無修復(fù)功能固化材料相比，初始抗壓強(qiáng)度提高10%，沖擊后抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率97%，能夠有效延長服役周期，抵御短時局部超負(fù)荷壓力。4.技術(shù)可靠性該項技術(shù)適用于各類新建公路及城市道路的基層，目前已在江蘇南通及周邊地區(qū)進(jìn)行了使用，各項指標(biāo)均達(dá)到通車標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用該技術(shù)時所需具備的條件如下：（1）原材料的選擇針對不同類別和不同性質(zhì)的土進(jìn)行土性試驗，包括顆粒分析、液限和塑性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量、含水率、PH值及壓碎值試驗等；通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗確定最適宜的膠結(jié)材料和土壤固化劑種類。（2）固化類固體廢棄物材料設(shè)計通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗對固化類混合料進(jìn)行配合比設(shè)計，分析其各項性能指標(biāo)隨土壤固化劑和膠結(jié)材料摻量變化的規(guī)律，以確定最適宜的膠結(jié)材料和土壤固化劑摻量。（3）路用性能開展固化類混合料室內(nèi)試驗研究，包括回彈模量、浸水膨脹系數(shù)、承載比、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)試驗。（4）施工工藝通過試驗段鋪筑，明確固化類混合料的施工工藝及施工質(zhì)量控制要點(diǎn)，包括施工前準(zhǔn)備、混合料拌和方法、混合料攤鋪溫度、碾壓組合方式等，并建立施工質(zhì)量控制及驗收標(biāo)準(zhǔn)。（5）經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益采用單位成本、運(yùn)輸成本及碳排放等指標(biāo)，對比傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定類基層材料，評價固化類混合料應(yīng)用于城市道路基層的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益。5.技術(shù)效益分析5.1節(jié)能低碳效益每使用一噸抗水性自修復(fù)新型筑路材料，可以減少7000多噸砂石使用，換算成碳排放近500噸。5.2經(jīng)濟(jì)效益?zhèn)鹘y(tǒng)水穩(wěn)總造價約為400元/m3，抗