抗水性自修复新型筑路材料研究及应用

摘要：该项目是江苏路业新材料有限公司柔性高强度路基增强材料自主研发成果，在固体废弃物（重点为废弃土壤）中加入柔性聚合物固化剂，替代传统石灰与水泥，实现公路基层铺设。在满足基层技术标准的前提下，大幅提升材料的机械强度与柔韧性，提高路基的抗损坏性能，并可大幅降低行车噪音。研究验证，聚合物微管技术可实现固化土壤自修复功能，将高效土壤黏合剂通过原位制备方式引入，密封于聚合物微管或微胶囊内，在服役过程中逐渐降解，缓慢释放出修复液，对产生的微裂纹完成填充和自我修复，防止因裂纹扩展引起强度下降。该技术大大减少传统碎石使用量，减少碎石开挖及运输成本，降低工程造价，特别对于能够就地取材的农村路建造具有十分重要的意义。关键词：道路工程；路基材料；聚合物固化剂；抗损坏；行车噪音1.技术概况近年来，随着道路工程建设的快速推进，采用传统方法修筑道路基层需要大量的砂、石等自然资源。多年来的开山取石、挖河采砂使生态环境遭到了严重破坏。同时，矿石资源的紧缺也提高了砂、石价格，增加了道路建设成本。土是地球上用之不竭，随处可取的经济性良好的工程材料，若能够在道路建设中将土作为道路基层材料，必能起到保护环境、节约资源、降低工程造价等作用。由于土的自身强度低、性能不稳定，不能直接作为城市道路基层的使用材料。在早期的工程实践中，工程研究人员多使用石灰、水泥等无机结合料对土进行加固。然而石灰固化土早期强度低、强度发展缓慢，水泥固化土往往收缩较大、开裂风险高，两种固化土均难以满足城市道路对基层材料的使用要求。柔性高强度路基增强材料技术是在固体废弃物（重点为废弃土壤）中加入柔性聚合物固化剂，实现公路基层铺设。该固化物可替代传统石灰与水泥稳定基层，在满足基层技术标准的前提下，大幅增加材料的机械强度与柔韧性，提高路基的抗损坏性能，并可大幅度降低行车噪音。研究验证，聚合物微管技术可实现固化土壤自修复功能，将高效土壤黏合剂通过原位制备方式引入，密封于聚合物微管或微胶囊内，在服役过程中逐渐降解，缓慢释放出修复液，对产生的微裂纹完成填充和自我修复，防止因裂纹扩展引起强度下降。2.技术原理固化类混合料是由土壤固化剂与土拌和而成。土壤固化剂适用于不同土质，是现代路面基层和底基层固化的新型化学材料，多数情况下与石灰或水泥等无机结合料共同使用可以改变土壤的组成和土体的工程性质，提高土质强度、改善土质压实性。相比于传统的道路基层材料，固化类混合料强度高、稳定性好，早期强度易于控制，并且施工与维护简单，原材料来源广泛，可以就地取材，从而能够节约资源，降低工程造价。随着生态环境变化与工业制造的发展，地球上每天都在“制造”着海涂淤泥、河道淤泥、工业淤泥……，固化类混合料可针对不同的土体调整固化体系，一方面可以节省能源，实现快速筑路，另一方面缓解了自然压力，促进生态环境可持续发展。因此，固化类混合料在城市道路基层中具有广阔的应用前景，其经济效益和社会效益非常显著。该项目拟采用新型柔性聚合物固化技术，将固体废弃物（重点为废弃土壤）应用于公路基层中，替代传统二灰碎石或水泥基层，在满足基层技术标准的基础上，大幅增加材料的柔韧性与抗压强度，并通过聚合物微管技术实现固化土壤自修复功能，利用毛细管作用将高效土壤黏合剂通过原位制备方式引入，密封于聚合物微管内，聚合物微管在服役过程中逐渐降解，缓慢释放出修复液，对产生的裂纹完成自我修复，防止裂纹扩展引起强度下降。实现固体废弃物资源化再生利用，降低工程造价。柔性高强度路基增强材料施工工艺流程见图1。图1施工工艺流程3.技术创新点（1）高效的固化反应特性固化材料综合聚合物乳液和无机离子型固化剂优势，针对不同土壤固化速度可控可调，工艺窗口宽，适合不同地域现场施工使用。（2）优异的柔韧性与机械性能有机硅改性树脂基体，提高了聚合物的柔韧性与附着力；无机离子同土壤中的含硅、含钙化合物发生反应，形成高强度复合基层，增强路基的抗震性能。根据各等级公路对基层的7d龄期无侧限抗压强度标准，可达到高速公路和一级公路标准水平。（3）自修复功能特性将修复黏合剂封闭于聚合物微管内，实现固化材料的自修复功能，服役过程中由于外力导致微管破裂和聚合物自然降解，实现裂纹修复。对比试验显示，同无修复功能固化材料相比，初始抗压强度提高10%，冲击后抗压强度恢复率97%，能够有效延长服役周期，抵御短时局部超负荷压力。4.技术可靠性该项技术适用于各类新建公路及城市道路的基层，目前已在江苏南通及周边地区进行了使用，各项指标均达到通车标准。应用该技术时所需具备的条件如下：（1）原材料的选择针对不同类别和不同性质的土进行土性试验，包括颗粒分析、液限和塑性指数、有机质含量、含水率、PH值及压碎值试验等；通过无侧限抗压强度试验确定最适宜的胶结材料和土壤固化剂种类。（2）固化类固体废弃物材料设计通过无侧限抗压强度试验对固化类混合料进行配合比设计，分析其各项性能指标随土壤固化剂和胶结材料掺量变化的规律，以确定最适宜的胶结材料和土壤固化剂掺量。（3）路用性能开展固化类混合料室内试验研究，包括回弹模量、浸水膨胀系数、承载比、无侧限抗压强度等物理力学性质试验。（4）施工工艺通过试验段铺筑，明确固化类混合料的施工工艺及施工质量控制要点，包括施工前准备、混合料拌和方法、混合料摊铺温度、碾压组合方式等，并建立施工质量控制及验收标准。（5）经济环境效益采用单位成本、运输成本及碳排放等指标，对比传统的水泥稳定类基层材料，评价固化类混合料应用于城市道路基层的经济、环境和社会效益。5.技术效益分析5.1节能低碳效益每使用一吨抗水性自修复新型筑路材料，可以减少7000多吨砂石使用，换算成碳排放近500吨。5.2经济效益传统水稳总造价约为400元/m³，抗