高速铁路路基沥青级配碎石及其制备方法
技术领域
本发明属于铁路工程材料制备技术领域。具体地，本发明涉及高速铁路路基沥青级配碎石及其制备方法。
背景技术
目前我国铁路基床结构主要由基床表层和基床底层组成，其中基床表层采用级配碎石，可细分为Ⅰ型级配碎石和Ⅱ型级配碎石。运营高速铁路路基的多种病害(如冻胀、翻浆冒泥、湿陷下沉、膨胀上拱等)，与水的影响密切相关，其产生和恶化与水分侵入路基存在直接和间接关系。我国高速铁路普遍采用以级配碎石或掺水泥级配碎石为基床表层的基床结构，该级配碎石层在服役过程中易形成裂缝且自身有一定渗透性，地表降水将沿裂缝侵入基床结构，容易产生冻胀、翻浆冒泥等病害。沥青级配碎石具有防水效果好、抗裂性能优良、变形适应性强等特点，是铁路路基面防水封闭的新方案。
CN107881858A中公开了“一种新型的铁路基床表层结构及其铺设方法”，在无砟轨道结构支承层与基床底层之间铺设由上至下包括沥青碎石排水层、粘结层、全断面密实沥青混凝土防水抗冻层。该专利申请仅面向无砟轨道结构，其主要采用透水性(空隙率较大，通常在7～15％)沥青混凝土使表水迅速下渗，在通过全断面密实沥青混凝土防水抗冻层向两侧排水。在使用过程中，空隙率过大会加剧沥青混凝土的水损害和老化现象，即出现松散、剥落等病害；此外，随着服役年限的增加，原本用于表水快速下渗的大空隙，会被灰尘、土等杂物封堵，造成排水效果减弱，进而影响铁路的防排水效果，甚至严重威胁列车的安全运营。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善铁路路基的受力、提高路基的承载能力和防排水能力的高速铁路路基沥青级配碎石。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。
在本发明的上下文中，术语“骨料”是指包括细骨料和粗骨料的粒料，其在混合料中起骨架和填充作用，包括碎石、砾石、机制砂、石屑、砂等。所述粗骨料是指粒径大于2.36mm的碎石、破碎砾石、筛选砾石和矿渣等；所述细骨料是指粒径小于2.36mm的天然砂、人工砂(包括机制砂)及石屑等。
在本发明上下文中，术语“沥青增强剂”是申请号为201711236017.7的专利申请中公开的“沥青混凝土用骨料界面增强剂”，其通过引用整体并入本文。
第一方面，本发明提供一种高速铁路路基沥青级配碎石，其包含以下组分：
以高速铁路路基沥青级配碎石的总质量为准基，85％-90％的骨料、3％-8％的石灰石粉、3.5％-6.0％的SBS改性沥青和/或SBR改性沥青、0.1％-1％的沥青增强剂。
第二方面，本发明提供一种制备本发明的高速铁路路基沥青级配碎石的方法，其包括以下步骤：
(1)将SBS改性沥青和/或SBR改性沥青、骨料、石灰石粉分别预热，得到预热的SBS改性沥青和/或SBR改性沥青、预热的骨料、预热的石灰石粉；
(2)将沥青增强剂和所述预热的骨料混合均匀；
(3)然后，加入所述预热的SBS改性沥青和/或SBR改性沥青，继续混合均匀；
(4)然后，加入所述预热的石灰石粉，继续混合均匀得到高速铁路路基沥青级配碎石。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(1)中的将SBS改性沥青和/或SBR改性沥青预热所采用的条件是：预热温度为155～175℃，预热时间为1～4h。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(1)中的将骨料预热所采用的条件是：预热温度为175～195℃，预热时间为1～4h。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(1)中的将石灰石粉预热所采用的条件是：预热温度为175～195℃，预热时间为1～4h。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的将沥青增强剂和所述预热的骨料混合均匀所采用的条件是：混合温度为160～190℃，优选地，混合温度为170～180℃，更优选地，混合温度为175～180℃；混合时间为10～30s，优选地，混合时间为15～25s，更优选地，混合时间为20～25s。
通过沥青增强剂与骨料的混合搅拌，可以改善骨料表面微孔结构，进而提高骨料与改性沥青的黏附性，实现改善沥青级配碎石性能的目的。当混合温度和混合时间不在本申请的要求范围内或沥青增强剂未按本申请要求的顺序添加时，对沥青级配碎石的性能几乎无改善作用，甚至会降低沥青级配碎石的性能。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(3)中的加入所述预热的SBS改性沥青和/或SBR改性沥青继续混合均匀所采用的条件是：混合温度为160～190℃，优选地，混合温度为170～180℃，更优选地，混合温度为175～180℃；混合时间为60～90s，优选地，混合时间为70～80s，更优选地，混合时间为70～75s。
加入SBS改性沥青和/或SBR改性沥青进行混合的温度时间相对重要。温度太低，沥青黏度很大，无法拌合均匀；温度太高，沥青容易老化，沥青混凝土的性能会下降。在本发明要求的混合温度和混合时间下，能够实现更好的均匀性，同时保证了混合质量。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(4)中的加入所述预热的石灰石粉继续混合均匀所采用的条件是：混合温度为160～190℃，混合时间为60～90s。
第三方面，本发明提供本发明的高速铁路路基沥青级配碎石或者本发明的方法制得的高速铁路路基沥青级配碎石在铁路基床表层中的应用。
第四方面，本发明提供一种高速铁路路基沥青级配碎石基床，其由上至下包括基床表层和基床底层，其中，所述基床表层包括由本发明的高速铁路路基沥青级配碎石或者本发明的方法制得的高速铁路路基沥青级配碎石构成的表面层。
第五方面，本发明提供一种制备本发明的高速铁路路基沥青级配碎石基床的方法，包括如下步骤：
将本发明的高速铁路路基沥青级配碎石或者本发明的方法制得的高速铁路路基沥青级配碎石铺筑于铁路基床表层的表面，形成高速铁路路基沥青级配碎石基床的基床表层的表面层，进而得到高速铁路路基沥青级配碎石基床。
优选地，在本发明的方法中，所述高速铁路路基沥青级配碎石全断面设置于铁路基床表层的表面；
优选地，在本发明的方法中，所述铺筑是通过全自动机械设备进行的。
本发明具有如下有益效果：
沥青级配碎石具有防水效果好、抗裂性能优良、变形适应性强等特点，将沥青级配碎石用于铁路路基结构中，可改善轨道-路基的刚度匹配，降低基床的应力水平，为我国路基及轨道结构的优化提供有利条件。此外，沥青级配碎石基床还具有良好的防排水能力，可减少水对基床的不良影响，保障铁路路基的稳定。也就是说，本发明的高速铁路路基沥青级配碎石用于铁路基床结构，能够改善铁路路基的受力，提高路基的承载能力和防排水能力。本发明的高速铁路路基沥青级配碎石具有明显的经济和社会效益。
本发明的沥青级配碎石可适用于无砟轨道结构体系和有砟轨道结构体系。本发明的沥青级配碎石可充分发挥沥青级配碎石防水效果好、抗裂性能优良、变形适应性强等特点，避免了水损害和老化现象，保证了沥青级配碎石的服役性能和寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
在本发明中，对于原材料如骨料、石灰石粉、SBS改性沥青和/或SBR改性沥青没有特别的限定，市售的能够符合JTG%20F40-2004公路沥青路面施工技术规范的标准即可；对于原材料如沥青增强剂使用申请号为201711236017.7的专利申请中公开的方法制备即可。
以下给出优选的实施方案。
实施例1
1.原材料检测
(1)改性沥青
选用SBS改性沥青，其实测技术指标与技术要求如表1所示。
表1%20SBS改性沥青技术要求
(2)骨料
粗、细骨料性能测试结果见表2与3。
表2粗骨料实测性能与技术要求
表3细骨料实测性能与技术要求
(3)使用的石灰石粉实测性能与技术要求见表4。
表4石灰石粉实测性能与技术要求
2.骨料级配设计
根据沥青级配碎石中的骨料级配范围与相应规格骨料的筛分情况，通过反复试拌与试配试验，所确定合成骨料的比例，如表5所示。
表5骨料级配
3.最佳SBS改性沥青用量的确定
为确定最佳SBS改性沥青用量，分别以4.7％、4.94％、5.21％、5.48％、5.75％五个SBS改性沥青用量配制试件，每组四个试件，分别测试其体积参数与稳定度试验指标，各项指标以四个试件的算术平均值作为最终结果，如表6。根据试验结果确定沥青混凝土的最佳SBS改性沥青用量为4.94％。
表6 SBS改性沥青用量马歇尔试验结果汇总表
4.制备方法
以上选取的原料按照以下方法进行制备高速铁路路基沥青级配碎石：
以高速铁路路基沥青级配碎石的总质量为准基，
(1)将4.94％的SBS改性沥青预热至155℃，预热时间为2h；86.96％的骨料预热至175℃，预热时间为2h；8％的石灰石粉预热至175℃，预热时间为2h；
(2)将0.1％沥青增强剂和所述预热的骨料混合均匀，混合温度为160℃，拌和时间为10s；
(3)然后，加入所述预热的SBS改性沥青，继续混合均匀，混合温度为160℃，拌和时间为60s；
(4)然后，加入所述预热的石灰石粉，继续混合均匀得到高速铁路路基沥青级配碎石，混合温度为160℃，拌和时间为60s。
5.性能评价见表7
表7性能评价
由上表可以看出，高速铁路路基沥青级配碎石比常规的SBS改性沥青级配碎石的各项性能均优异，说明其具有良好的防水、高温抗变形、低温抗开裂、承载、抗疲劳等性能。
实施例2
除了改性沥青选为SBR改性沥青，其余的原料选择与实施例1中相同的原材料和级配，仅改变施工工艺和增强剂用量。
制备方法：
选用SBS改性沥青，其实测技术指标与技术要求如表8所示。
表8 SBR改性沥青技术要求
以高速铁路路基沥青级配碎石的总质量为准基，
(1)将4.94％的SBR改性沥青预热至175℃，预热时间为5h；86.06％骨料预热至195℃，预热时间为5h；8％的石灰石粉预热至195℃，预热时间为5h；
(2)将1％的沥青增强剂和所述预热的骨料混合均匀，混合温度为190℃，拌和时间为30s；
(3)然后，加入所述预热的SBS改性沥青，继续混合均匀，混合温度为190℃，拌和时间为90s；
(4)然后，加入所述预热的石灰石粉，继续混合均匀得到高速铁路路基沥青级配碎石，混合温度为190℃，拌和时间为90s。
性能评价见表9
表9性能评价
由上表可以看出，高速铁路路基沥青级配碎石比常规的SBR改性沥青级配碎石的各项性能均优异，说明其具有良好的防水、高温抗变形、低温抗开裂、承载、抗疲劳等性能。
实施例3
选择与实施例1中相同的原材料和级配，仅改变施工工艺和增强剂用量。
制备方法：
以高速铁路路基沥青级配碎石的总质量为准基，
(1)将6.0％的SBS改性沥青预热至170℃，预热时间为4h；88.2％的骨料预热至190℃，预热时间为4h；5％石灰石粉预热至190℃，预热时间为4h；
(2)将0.8％的沥青增强剂和所述预热的骨料混合均匀，混合温度为185℃，拌和时间为15s；
(3)然后，加入所述预热的SBS改性沥青，继续混合均匀，混合温度为185℃，拌和时间为85s；
(4)然后，加入所述预热的石灰石粉，继续混合均匀得到高速铁路路基沥青级配碎石，混合温度为185℃，拌和时间为85s。
性能评价见表10
表10性能评价
由上表可以看出，高速铁路路基沥青级配碎石比常规的SBS改性沥青级配碎石的各项性能均优异，说明其具有良好的防水、高温抗变形、低温抗开裂、承载、抗疲劳等性能。
