一种水泥稳定碎石外加剂及其制备方法与流程

本发明涉及水泥外加剂，具体涉及一种水泥稳定碎石外加剂及其制备方法。

背景技术：

1、水泥稳定碎石基层是我国高等级公路、市政道路及机场道面工程中应用最为广泛的路面结构层形式之一。该技术通过将水泥、碎石、水按一定比例拌和、碾压及养护，使水泥水化产物胶结石骨料形成具有一定强度和整体性的板体结构，从而为上部路面结构提供均匀的支撑。

2、然而，传统水泥稳定碎石技术在实际工程应用中长期面临以下技术瓶颈：（1）界面粘结薄弱：水泥水化产物与碎石骨料之间的界面过渡区是材料力学性能的薄弱环节。碎石表面化学惰性强，水泥浆体对其主要依靠物理包裹和范德华力附着，界面粘结强度通常仅为水泥石本体强度的30~50%。在交通荷载反复作用下，界面区易产生微裂缝并逐步扩展，导致基层整体强度衰减；（2）收缩开裂严重：水泥水化过程中化学收缩、干燥收缩及温度收缩叠加，使水泥稳定碎石基层产生大量收缩裂缝。研究表明，传统水泥稳定碎石的90天干缩系数通常达800~1500με，裂缝间距3~5m，缝宽3~10mm。这些裂缝不仅削弱结构整体性，还为水分和侵蚀性介质侵入提供通道，加速基层劣化；（3）耐久性不足：在冻融循环、硫酸盐侵蚀、干湿循环等复杂服役环境下，水泥稳定碎石基层的性能衰减速率显著加快。特别是在寒区及沿海地区，冻融破坏和盐蚀破坏已成为制约基层使用寿命的关键因素。传统技术主要依赖增加水泥用量或掺入粉煤灰等被动措施，难以从根本上解决界面劣化和内部损伤累积问题；（4）自修复能力缺失：水泥基材料一旦产生裂缝，传统技术缺乏有效的自修复机制，裂缝将持续扩展直至需要人工修补或重建，全寿命周期维护成本高。

3、针对上述问题，目前开发了多种水泥外加剂，主要包括以下几类：（1）减水剂类：聚羧酸减水剂、萘系减水剂等通过分散水泥颗粒、降低水胶比来提高密实度和强度。但该类外加剂主要作用于水泥浆体本体，对水泥-骨料界面粘结的改善作用有限，且过量掺入易导致泌水、离析等问题；（2）膨胀剂类：氧化镁类、硫铝酸钙类及氧化钙类膨胀剂通过水化体积膨胀补偿收缩。但膨胀时机难以精准控制，早期膨胀不足则收缩补偿效果差，早期膨胀过度则可能引起结构破坏。此外，膨胀剂与水泥的适应性差，工程应用中常出现膨胀不均或膨胀失效现象；（3）晶种类：纳米caco3、纳米sio2及水化硅酸钙（c-s-h）晶种等通过提供异相成核位点加速水泥水化、细化水化产物。但现有晶种多为单一功能设计，仅关注早期强度提升，缺乏对界面区长期性能演化的调控能力，且纳米颗粒易团聚、分散稳定性差；（4）聚合物改性类：乳胶粉、环氧树脂等通过有机高分子膜改善柔韧性和粘结性。但有机组分与无机水泥基体的相容性差，界面结合不牢固，且有机材料耐老化性能不足，长期服役后易降解失效；（5）自修复类：微胶囊技术、微生物矿化技术等通过预设修复剂实现裂缝自愈合。但微胶囊壁材与水泥基体界面粘结弱，破裂后修复剂释放不可控；微生物技术对环境条件要求苛刻，工程化难度大。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：本发明旨在克服现有水泥稳定碎石外加剂界面粘结薄弱的技术缺陷，提供一种水泥稳定碎石外加剂。

2、技术方案：一种水泥稳定碎石外加剂，所述外加剂包括以下重量份组分：

3、缺钙型托贝莫来石纳米晶/埃洛石复合材料25~35份，聚羧酸减水剂0.5~0.8份，纳米水化硅酸钙晶种10~15份，偏铝酸钠1~5份，羟丙基甲基纤维素0.3~0.5份，粉煤灰32~54份；

4、所述缺钙型托贝莫来石纳米晶/埃洛石复合材料采用含环氧基硅烷的缺钙型托贝莫来石纳米晶和氨基功能化埃洛石缩合反应制得，所述缺钙型托贝莫来石纳米晶化学式：ca5-xna2xsi6o16(oh)2·nh2o （x = 0.3~1.0），其中ca/si = 0.667~0.783。

5、优选的，所述缺钙型托贝莫来石纳米晶/埃洛石复合材料的制备方法包括以下步骤：

6、s1. 将无定型二氧化硅分散于naoh碱液中，搅拌30~60min；

7、s2. 加入ca(oh)2，继续搅拌15~30min，得到混合浆料；

8、s3. 将混合浆料加入至反应釜中，进行水热反应，反应结束后自然冷却至室温，离心洗涤干燥，研磨过200目筛，得到缺钙型托贝莫来石纳米晶；

9、s4. 将缺钙型托贝莫来石纳米晶分散于无水乙醇中，缺钙型托贝莫来石纳米晶和无水乙醇的质量体积比1g:40~50ml，搅拌均匀后加入kh-560，超声分散20~60min后，进行加热回流反应，反应结束后自然冷却至室温，离心洗涤干燥，得到kh-560改性的缺钙型托贝莫来石纳米晶；

10、s5. 将埃洛石纳米管在120℃干燥活化2h后，分散于含有kh-540乙醇溶液中，调节溶液的ph=4~5，进行加热回流反应，反应结束后自然冷却至室温，离心洗涤干燥，得到氨基功能化埃洛石；

11、s6. 将kh-560改性的缺钙型托贝莫来石纳米晶和氨基功能化埃洛石按质量比1~3:1混合后，分散于无水乙醇中，加热反应，反应结束后自然冷却至室温，离心洗涤干燥，得到缺钙型托贝莫来石纳米晶/埃洛石复合材料。

12、优选的，所述无定型二氧化硅，ca(oh)2和naoh的摩尔比为1：(0.7~0.9)：(3.5~4.5)。

13、优选的，s3中所述水热反应的温度为160~200℃，时间为10~24h。

14、优选的，s4中所述kh-560与缺钙型托贝莫来石纳米晶的质量比为3~5:100，加热回流反应的温度为50~70℃，时间为4~6h。

15、优选的，s5中所述加热回流反应的温度为55~65℃，时间为4~6h。

16、优选的，s6中所述加热反应的温度为60-80℃，时间为1~4h。

17、上述的水泥稳定碎石外加剂的制备方法，包括以下步骤：

18、将缺钙型托贝莫来石纳米晶/埃洛石复合材料，聚羧酸减水剂，纳米水化硅酸钙晶种，偏铝酸钠，羟丙基甲基纤维素，粉煤灰依次加入到搅拌机中混合均匀，即可得到水泥外加剂。

19、优选的，所述混合均匀的转速为800~1000r/min，混合的时间为10~30min。

20、有益效果：本发明水泥稳定碎石外加剂具有以下优点：

21、本发明中采用环氧基硅烷和氨基硅烷分别修饰两种不同维度的纳米材料，再通过氨基-环氧缩合反应将它们连接，形成化学键合的复合功能单元，埃洛石独特的纳米纤维形态使其在水泥浆体中起到“微纤维”作用，纤维状结构均匀分散，可以穿插、桥接在不同区域，在水泥基体中形成一个微米级的三维骨架；而纳米晶填充在埃洛石网络和水泥浆体的孔隙中，通过这些成核点和填充点，使水化产物分布得更均匀，减少界面孔隙率，两种不同维度的纳米材料相结合，可形成有效的网络体系，增强力学性能和耐久性；

22、本发明中缺钙型托贝莫来石纳米晶的层间含有钠离子，这些钠离子可以与周围环境中的离子发生交换。在水泥水化的早期，na+被锁定在缺钙型托贝莫来石纳米晶中，对早期水化过程没有干扰。随着水化龄期延长，尤其是在基层产生微裂缝后，水分和侵蚀性离子渗入，改变局部离子环境，触发缺钙型托贝莫来石纳米晶层间的离子交换反应：层间na+溶出，ca2+嵌入层间，与水化产物生成新的c-s-h或钙矾石类矿物，对微裂缝进行原位填充修复；

23、本发明偏铝酸钠的引入提供了可溶性铝源。al3+进入c-s-h骨架后形成c-a-s-h凝胶，其结构更为致密、离子结合能力更强，进一步优化了界面过渡区的微观结构和耐久性能；粉煤灰在体系中兼具多重功能，首先作为分散载体，降低缺钙型托贝莫来石纳米晶/埃洛石复合材料的团聚倾向；其次作为活性矿物掺合料，后期发生火山灰反应，消耗界面区的ca(oh)2生成额外的c-s-h凝胶，持续密实界面；羟丙基甲基纤维素作为保水增稠剂，维持界面区的湿度环境，为缺钙型托贝莫来石纳米晶与埃洛石上的氨基-环氧网络提供充足水分，确保化学键合层的功能充分发挥。