本发明属于材料技术领域，具体涉及一种施工简单，具有低温柔韧性、高温稳定性及与基体粘结性能优良的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料及其制备方法和应用。
背景技术：
既有铁路桥梁作为我国铁路系统的重要枢纽，在我国铁路运输事业中发挥着极其重要的作用。然而由于大多数铁路桥梁建造年代久远及其服役环境恶劣等因素，目前许多既有铁路桥梁存在安全隐患问题。其中，因既有铁路桥梁步行板工作缝引发的安全问题不容小觑。既有铁路桥梁步行板工作缝失效易引发桥梁避车台两片梁结合处人行道步行板顶死，从而致使部分人行道步行板损坏，对桥梁伸缩产生阻力，进而影响桥梁的正常使用，并对人身安全造成安全隐患。为此，为了保障既有铁路桥梁的安全运行，必须避免其步行板工作缝的失效。
在既有铁路桥梁步行板工作缝中填充适宜的材料是避免其失效的有效方法。所谓适宜的材料即指该材料具有优良的基层粘结性、抗腐蚀性、高弹性及能在高低温等外界恶劣环境下不开裂等优良的耐久性。目前可用于既有铁路桥步行板工作缝的填充材料主要包括常规沥青类、水泥类及有机高分子类等。常规沥青类填缝材料具有成本低廉的优势，但其施工工艺复杂，需将沥青加热到160℃以上、石料加热到180℃以上加热后才能使用。此外，常规沥青类材料存在温度适应性较差、易开裂离缝及高环境污染等问题。水泥类填缝材料主要以水泥为胶凝材料，属于刚性材料，因而弹性变性能力很弱。当其遭受列车长期动荷载和横向力的协同作用时，易出现变形开裂，使用寿命较短。有机高分子填缝材料例如硅酮类，虽具有施工便捷、变形性良好和耐老化性能优异等优点，但在既有铁路桥梁这种工作缝宽度偏大、所需用填充材料体积量较大的情况下时，存在造价成本昂贵等问题。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种施工简单，具有低温柔韧性、高温稳定性及与基体粘结性能优良的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料及其制备方法和应用，该填充材料的施工工艺简单，适宜推广应用，生产成本低。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，按照质量份数计，由以下组分组成：冷补沥青液3.8～5.0份；砂石混合料88～92份；无机活性添加剂2～6份；有机增强剂0.5～3份。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述冷补沥青液按照质量百分比计包括基质沥青85％～90％；热稳定剂0.5％～1.0％；稀释剂8％～12％；抗松散剂1％～2％；增润剂0.5％～1.0％。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述基质沥青选自70#沥青或90#沥青中的一种。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述的热稳定剂选自线型苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述稀释剂选自煤油或柴油中的一种。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述抗松散剂按质量百分比计由如下组分组成：
所述抗松散剂按质量百分比计由如下组分组成：325目的白石粉92～97％；硅质纳米材料3～8％。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述增润剂选自52#粗石蜡或54#粗石蜡中的一种。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述砂石混合料选自最大体积粒径不超过3mm的石灰岩或花岗岩中的一种。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述无机活性添加剂按质量百分比计由如下组分组成：
非晶态铝酸盐矿物88～92％；偏高岭土8～12％。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述有机增强剂为有机硅乳液。
优选的，前述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其中所述填充材料的初始强度为4.12kn-5.99kn，成型强度为10.25kn-12.42kn，最大弯拉应变介于2589.6με-2779.2με，质量损失率为7.9％-9.0％，残留稳定度为93.3％-98.4％，动稳定度(60℃)为3871-5462次/mm，冻融劈裂抗拉强度比为90.9％-94.7％。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的制备方法，包括如下步骤：
将配方量的砂石混合料、无机活性添加剂和有机增强剂加入配方量的冷补沥青液中，搅拌混合均匀，即得所述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料；所述搅拌转速为15～22r/min、搅拌时间为15～25min。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的使用方法，包括以下步骤：
将上述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料按照每3cm～5cm深度分层摊铺，并人工压实至压实度达到93％以上、修补完的工作缝材料表面光洁、平整，其四个边角压实并无松散现象时，施工完成即可通车使用。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明所述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其对温度环境、修补基体界面等无特殊要求，被填充部位经表面简单的清理即可。
本发明所述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其主要由冷补沥青液、无机活性添加剂以及有机增强剂三元体系组成，因而不但克服了常规沥青类材料需加热后使用的缺点，可以袋装密封形式储存直接使用，而且由于无机、有机材料的协同作用，使得其具有强度高、低温柔韧性、高温稳定性及与基层粘结性能好等优点。
本发明所述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其采用有机增强剂能显著改善填充材料的抗渗性能，延长材料的生命周期。
本发明所述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其采用无机添加剂能降低冷补沥青对水分的敏感性，增强沥青与集料表面及沥青内部的粘聚力，从而克服普通冷补沥青材料长期抗水性能差的问题。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
以下材料或试剂，如非特别说明，均为购买。
本发明提供了一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，按照质量份数计，由以下组分组成：冷补沥青液3.8～5.0份；砂石混合料88～92份；无机活性添加剂2～6份；有机增强剂0.5～3份。
具体实施时，所述冷补沥青液按照质量百分比计包括基质沥青85％～90％；热稳定剂0.5％～1.0％；稀释剂8％～12％；抗松散剂1％～2％；增润剂0.5％～1.0％。
具体实施时，所述基质沥青可以为70#沥青或90#沥青，优选为70#沥青，这是因为70#沥青具有较小的干燥收缩和温度收缩，可使材料密实度、收缩性和防水性能提高。
具体实施时，所述热稳定剂可以为线型苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，其可以增加沥青的粘结性能。
具体实施时，所述稀释剂可以为煤油或柴油中的一种，优选为0#柴油，这是因为0#柴油可较好地改善材料的和易性，使材料在不同的环境温度下均具有的良好的施工性能。
具体实施时，所述抗松散剂按质量百分比计由如下组分组成：所述抗松散剂按质量百分比计由如下组分组成：325目的白石粉92～97％；硅质纳米材料3～8％；所述抗松散剂的主要作用是防止材料在高温环境下的松散和变形。
具体实施时，所述增润剂可以为52#粗石蜡和54#粗石蜡中的一种，优选为52#粗石蜡；其主要作用是可改善材料的润滑度，以促进材料在微小缝隙中的流动。
具体实施时，所述砂石混合料可以为最大体积粒径不超过3mm的石灰岩或花岗岩中的一种；该体积粒径的砂石混合料可较好的满足工作缝填缝的空间需求，同时石灰岩和花岗岩质地的砂石具有较高的强度，易于成型。
具体实施时，所述无机活性添加剂按质量百分比计由如下组分组成：非晶态铝酸盐矿物88～92％；偏高岭土8～12％；所述无机活性添加剂的主要作用是降低冷补沥青对水分的敏感性，并增强沥青与集料表面及沥青内部的粘聚力。
具体实施时，所述有机增强剂为有机硅乳液，其主要作用是改善填充材料的抗渗性能。
具体实施时，所述填充材料的初始强度介于4.12kn-5.99kn之间，成型强度介于10.25kn-12.42kn之间，最大弯拉应变介于2589.6με-2779.2με之间，质量损失率介于7.9％-9.0％之间，残留稳定度介于93.3％-98.4％之间，动稳定度(60℃)介于3871-5462次/mm之间，冻融劈裂抗拉强度比介于90.9％-94.7％之间。
此外，本发明还提供了上述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的制备方法，包括如下步骤：
将配方量的砂石混合料、无机活性添加剂和有机增强剂加入配方量的冷补沥青液中，搅拌混合均匀，即得所述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料；所述搅拌转速为15～22r/min、搅拌时间为15～25min。
此外，本发明还提供了上述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的使用方法，包括以下步骤：
将上述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料按照每3cm～5cm深度分层摊铺，并人工压实至压实度达到93％以上、修补完的工作缝材料表面光洁、平整，其四个边角压实并无松散现象时，施工完成即可通车使用。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本实施例提供了一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，按照质量份数计，由以下组分组成：冷补沥青液3.8份(其中以冷补沥青液的质量计，70#基质沥青占比87％，线性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物占比0.7％，0#柴油占比10％，325目的白石粉占比1.42％，硅质纳米材料占比0.08％，52#粗石蜡占比0.8％)；砂石混合料(其可以为最大体积粒径不超过3mm的花岗岩)91份；无机活性添加剂4份(其中以无机活性添加剂的质量计，非晶态铝酸盐矿物占比90％，偏高岭土占比10％)；有机增强剂(其为有机硅乳液)1.2份。
上述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的制备方法包括以下步骤：将配方量的砂石混合料、无机活性添加剂和有机增强剂加入配方量的冷补沥青液中，搅拌混合均匀(搅拌转速为17r/min、搅拌时间为20min)，即得所述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料。
实施例2
本实施例提供了一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，按照质量份数计，由以下组分组成：冷补沥青液4.0份(其中以冷补沥青液的质量计，70#基质沥青占比88％，线性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物占比0.75％，0#柴油占比9％，325目的白石粉占比1.42％，硅质纳米材料占比0.08％，52#粗石蜡占比0.75％)；砂石混合料(其可以为最大体积粒径不超过3mm的石灰岩)88份；无机活性添加剂5.2份(其中以无机活性添加剂的质量计，非晶态铝酸盐矿物占比91％，偏高岭土占比9％)；有机增强剂(其为有机硅乳液)2.8份。
上述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的制备方法包括以下步骤：将配方量的砂石混合料、无机活性添加剂和有机增强剂加入配方量的冷补沥青液中，搅拌混合均匀(搅拌转速为19r/min、搅拌时间为20min)，即得所述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料。
实施例3
本实施例提供了一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，按照质量份数计，由以下组分组成：冷补沥青液4.2份(其中以冷补沥青液的质量计，70#基质沥青占比89％，线性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物占比0.8％，0#柴油占比8％，325目的白石粉占比1.44％，硅质纳米材料占比0.06％，52#粗石蜡占比0.7％)；砂石混合料(其可以为最大体积粒径不超过3mm的石灰岩)90份；无机活性添加剂3份(其中以无机活性添加剂的质量计，非晶态铝酸盐矿物占比89％，偏高岭土占比11％)；有机增强剂(其为有机硅乳液)2.8份。
上述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的制备方法包括以下步骤：将配方量的砂石混合料、无机活性添加剂和有机增强剂加入配方量的冷补沥青液中，搅拌混合均匀(搅拌转速为21r/min、搅拌时间为20min)，即得所述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料。
实施例4
本实施例提供了一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，按照质量份数计，由以下组分组成：冷补沥青液4.4份(其中以冷补沥青液的质量计，70#基质沥青占比88.5％，线性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物占比0.7％，0#柴油占比9.2％，325目的白石粉占比0.96％，硅质纳米材料占比0.04％，52#粗石蜡占比0.6％)；砂石混合料(其可以为最大体积粒径不超过3mm的石灰岩)89份；无机活性添加剂5份(其中以无机活性添加剂的质量计，非晶态铝酸盐矿物占比90％，偏高岭土占比10％)；有机增强剂(其为有机硅乳液)1.6份。
上述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的制备方法包括以下步骤：将配方量的砂石混合料、无机活性添加剂和有机增强剂加入配方量的冷补沥青液中，搅拌混合均匀(搅拌转速为22r/min、搅拌时间为23min)，即得所述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料。
实施例5
本实施例提供了一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，按照质量份数计，由以下组分组成：冷补沥青液4.7份(其中以冷补沥青液的质量计，70#基质沥青占比88.5％，线性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物占比0.6％，0#柴油占比9.4％，325目的白石粉占比0.95％，硅质纳米材料占比0.05％，52#粗石蜡占比0.5％)；砂石混合料(其可以为最大体积粒径不超过3mm的花岗岩)92份；无机活性添加剂2.5份(其中以无机活性添加剂的质量计，非晶态铝酸盐矿物占比88％，偏高岭土占比12％)；有机增强剂(其为有机硅乳液)0.8份。
上述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的制备方法包括以下步骤：将配方量的砂石混合料、无机活性添加剂和有机增强剂加入配方量的冷补沥青液中，搅拌混合均匀(搅拌转速为23r/min、搅拌时间为25min)，即得所述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料。
实施例6
本实施例提供了一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，按照质量份数计，由以下组分组成：冷补沥青液4.9份(其中以冷补沥青液的质量计，70#基质沥青占比86.8％，线性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物占比0.55％，0#柴油占比10.9％，325目的白石粉占比1.05％，硅质纳米材料占比0.05％，52#粗石蜡占比0.65％)；砂石混合料(其可以为最大体积粒径不超过3mm的花岗岩)89份；无机活性添加剂5.6份(其中以无机活性添加剂的质量计，非晶态铝酸盐矿物占比92％，偏高岭土占比8％)；有机增强剂(其为有机硅乳液)0.5份。
上述既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的制备方法包括以下步骤：将配方量的砂石混合料、无机活性添加剂和有机增强剂加入配方量的冷补沥青液中，搅拌混合均匀(搅拌转速为25r/min、搅拌时间为25min)，即得所述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料。
上述实施例1～6中重量份计、质量比的单位为kg。
以下对实施例1-6所制备的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的各项性能进行了测试，测试结果见表1。
表1：既有铁路桥梁步行板工作缝填充材料的性能指标
注：对比例为市购的常规沥青类混合料。
从表1的数据可以看出，本发明实施例1-6所制备的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料通过马歇尔强度试验测试的初始强度为4.12kn-5.99kn，成型强度为10.25kn-12.42kn；通过粘聚性试验测试的质量损失率为7.9％-9.0％。这些值明显优于对比例，表明本发明用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料具有较高强度和较高粘聚性能。详细来说，在本发明的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料中，沥青在较细集料和无机活性增粘剂的复合作用下，整个材料通过被沥青高度包裹于集料间的相互嵌挤而形成一个坚固的骨架结构，同时无机活性增粘剂也填充在空隙中，故整个体系的粘性较大，整体密实度高，从而使得该用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的初始和成型稳定度均能达到较大值，具有较高粘聚性。通过低温弯曲试验测试的最大弯拉应变为2589.6με-2779.2με，这满足《公路沥青路面施工技术规范(jtgf40-2004)》和热拌沥青混合料在低温弯曲试验中所对应的破坏应变的技术要求。这是因为无机活性增粘剂的掺入，其能与沥青膜之间相互交织形成空间网状结构并存在于集料颗粒的周围，将集料紧紧地包裹在一起。同时，液体沥青中的有机改性剂改善了沥青的低温性能。因此，使得该用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料具有了符合技术要求的低温抵抗变形能力。通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂实验来表征该填充材料的抗水损伤能力，其测试的残留稳定度为93.3％-98.4％，冻融劈裂抗拉强度比为90.9％-94.7％；该值也远高于对比例，表明该用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料具有优异的水稳定性，该性能与材料中掺入无机添加剂和有机增强剂密切相关。无机添加剂降低了冷补沥青对水分的敏感性，进一步增强了沥青与集料表面及沥青内部的粘聚力，从而解决了普通冷补沥青材料抗水性能较差的问题。同时，由于有机增强剂的加入显著改善了材料的抗渗性能，因而使得该用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料整体的水稳定性明显提高。通过高温稳定性试验测试的动稳定度(60℃)为3871-5462次/mm；该值远超过《公路沥青路面施工技术规范(jtgf40—2004)》中对于沥青混合料动稳定度所规定的应大于3000次/mm的技术要求，也超过对比例。可见实施例1-6的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料均具有较高的动稳定度，这表明该填充材料形成了一个高弹性的整体体系，可抵御列车动荷载和横向力的协同作用，从而延长材料的使用寿命。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
1.一种用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料，其特征在于，按照质量份数计，由以下组分组成：冷补沥青液3.8～5.0份；砂石混合料88～92份；无机活性添加剂2～6份；有机增强剂0.5～3份。
2.如权利要求1所述的填充材料，其特征在于，所述冷补沥青液按照质量百分比计包括基质沥青85％～90％；热稳定剂0.5％～1.0％；稀释剂8％～12％；抗松散剂1％～2％；增润剂0.5％～1.0％。
3.如权利要求2所述的填充材料，其特征在于，所述基质沥青选自70#沥青或90#沥青中的一种。
4.如权利要求2所述的填充材料，其特征在于，所述热稳定剂为线型苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
5.如权利要求2所述的填充材料，其特征在于，所述稀释剂选自煤油或柴油中的一种。
6.如权利要求2所述的填充材料，其特征在于，所述抗松散剂按质量百分比计由如下组分组成：325目的白石粉92～97％；硅质纳米材料3～8％。
7.如权利要求2所述的填充材料，其特征在于，所述增润剂选自52#粗石蜡或54#粗石蜡中的一种。
8.如权利要求1所述的填充材料，其特征在于，所述砂石混合料选自最大体积粒径不超过3mm的石灰岩或花岗岩中的一种。
9.如权利要求1所述的填充材料，其特征在于，所述无机活性添加剂按质量百分比计由如下组分组成：
非晶态铝酸盐矿物88～92％；偏高岭土8～12％。
10.如权利要求1所述的填充材料，其特征在于，所述有机增强剂为有机硅乳液。
11.一种权利要求1-10任一项所述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将配方量的砂石混合料、无机活性增粘剂和有机增强剂加入配方量的冷补沥青液中，搅拌混合均匀，即得所述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料；所述搅拌转速为15～22r/min、搅拌时间为15～25min。
12.一种权利要求1-10任一项所述的用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
将上述用于既有铁路桥梁步行板工作缝的填充材料按照每3cm～5cm深度分层摊铺，并人工压实至压实度达到93％以上、修补完的工作缝材料表面光洁、平整，其四个边角压实并无松散现象时，施工完成即可通车使用。
技术总结