趙 煒

(新疆交通科學(xué)研究院 烏魯木齊市 830001)

灌注式半柔性路面當(dāng)中所用的水泥砂漿大多為普通水泥砂漿，由于其造價(jià)低、易制備等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。但是通過實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，普通水泥砂漿的干縮性能、韌性、抗裂性能等方面欠佳，不能很好地滿足工程上的需要,因此非常有必要對(duì)普通水泥砂漿進(jìn)行改性，使其能夠在復(fù)合路面中發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)。

1 灌漿材料設(shè)計(jì)原則

(1)工作性能

灌漿材料需具有良好的流動(dòng)性，灌漿材料能夠充分灌入基體瀝青混合料中形成整體；良好的泌水性，保證砂漿分布均勻，不出現(xiàn)分層、離析等現(xiàn)象。本研究以流動(dòng)度指標(biāo)評(píng)價(jià)灌漿材料的流動(dòng)性，泌水率表征砂漿的均勻性。

(2)力學(xué)性能

灌漿材料需具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度，與基體瀝青混合料共同承受外界荷載，才能達(dá)到理想的效果。本研究以抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)灌漿材料的力學(xué)性能。

(3)體積穩(wěn)定性

砂漿的溫縮與干縮現(xiàn)象，再加上行車荷載以及自然環(huán)境因素的作用，會(huì)影響灌注材料與基體瀝青混合料之間的粘結(jié)性、整體性。因此，應(yīng)在保證灌漿材料力學(xué)性能的前提下盡量降低灌漿材料的收縮率，本研究中以體積收縮率評(píng)價(jià)砂漿的體積穩(wěn)定性。

(4)環(huán)保性

自我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施以來，“環(huán)保”、“綠色”、“以人為本”等理念就一直貫穿在材料開發(fā)、應(yīng)用過程中，故本研究中充分貫徹這幾項(xiàng)原則。

灌漿材料設(shè)計(jì)原則如表1所示。

表1 灌漿材料指標(biāo)表

2 試驗(yàn)方案及過程

本研究中CA砂漿組成材料主要有水泥、砂、粉煤灰、礦粉、水、乳化瀝青、橡膠粉，以及減水劑、膨脹劑等助劑材料。首先采用正交試驗(yàn)制備并篩選出綜合性能最佳的一組普通水泥砂漿作為基礎(chǔ)配合比，然后以橡膠粉、乳化瀝青作為改性劑，摻量作為變量逐步優(yōu)化篩選出最佳性能的CA砂漿，作為最終的灌漿材料。

2.1 普通水泥砂漿配合比優(yōu)化

在試配試驗(yàn)的前提下，初步確定了普通水泥砂漿水灰比在0.60左右，粉煤灰合理?yè)搅吭?0%左右，礦粉合理?yè)搅吭?0%左右，特細(xì)砂摻量在20%左右。膨脹劑合理用量在8%～10%之間，減水劑合理用量在0.8%～1%之間(各摻量均以水泥質(zhì)量為基數(shù))。采用正交試驗(yàn)法，在合理范圍附近取值，以水灰比、粉煤灰摻量、礦粉摻量以及特細(xì)砂摻量作為變量，膨脹劑取8%，減水劑取0.8%，最終根據(jù)正交試驗(yàn)確定了普通水泥砂漿最佳配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶特細(xì)砂∶膨脹劑∶減水劑∶水=100∶15∶10∶30∶8∶0.8∶55。各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 灌漿材料指標(biāo)表

2.2 橡膠粉—水泥砂漿配合比優(yōu)化

普通水泥砂漿里摻加橡膠粉，由于橡膠粉與特細(xì)砂的密度相差太大，宜采用等體積置換的方式，即用等體積的橡膠粉替換特細(xì)砂。已有的橡膠粉水泥砂漿的研究中，結(jié)果都表明橡膠粉存在最佳摻加比例，但隨著目數(shù)的不同，最佳摻加比例也會(huì)發(fā)生變化，但總體都是在5%～15%之間。如于立剛等[1]在橡膠粉改性水泥砂漿的研究中得出隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠粉水泥膠漿的強(qiáng)度減小幅度明顯；但當(dāng)橡膠粉摻量超過15%時(shí)，橡膠粉水泥膠漿的強(qiáng)度減小幅度放緩；牛文[2]詳細(xì)探究了橡膠粉的目數(shù)和摻量對(duì)橡膠粉水泥砂漿的影響，得出當(dāng)橡膠粉摻量超過15%時(shí)，橡膠粉水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度與耐磨性均開始大幅度下降，而且橡膠粉在相同摻量下，目數(shù)越大各方面性能越好，但改善幅度不大。

為詳細(xì)探究橡膠粉摻量對(duì)水泥砂漿性能的影響規(guī)律，本研究將已經(jīng)配制出的普通水泥砂漿作為基礎(chǔ)配合比，橡膠粉摻量作為變量，分別取10%、15%、20%、25%，通過試驗(yàn)探究其對(duì)水泥砂漿性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 橡膠粉水泥砂漿性能表

分析數(shù)據(jù)可知：

(1)橡膠粉摻量的增加對(duì)水泥砂漿流動(dòng)度的影響不大。

(2)橡膠粉水泥砂漿的泌水率隨著橡膠粉摻量的增加而減小，并且在橡膠粉摻量超過15%以后，泌水率趨于平緩。

(3)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度隨著橡膠粉摻量的增加整體呈降低趨勢(shì)，而且加入橡膠粉后對(duì)7d齡期水泥砂漿的抗折強(qiáng)度影響較大，在橡膠粉摻量超過15%后，抗折強(qiáng)度降低幅度不明顯。

(4)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度隨著橡膠粉摻量的增加整體呈降低趨勢(shì)，而且加入橡膠粉后對(duì)7d齡期水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度影響較大，在橡膠粉摻量超過15%后，抗壓強(qiáng)度降低幅度放緩。

(5)在各個(gè)齡期內(nèi)水泥砂漿的體積收縮隨著橡膠粉摻量的增加而減小，說明橡膠粉對(duì)于水泥砂漿的干縮現(xiàn)象有一定的改善作用，改善效果在橡膠粉摻量為15%時(shí)最明顯。即最終橡膠粉水泥砂漿的配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶特細(xì)砂∶橡膠粉∶膨脹劑∶減水劑∶水=100∶15∶10∶30∶15∶8∶0.8∶55。

2.3 CA砂漿配合比優(yōu)化

對(duì)于原材料乳化瀝青的選擇：根據(jù)已有CA砂漿的研究成果，可知陽(yáng)離子乳化瀝青與水泥的相容性最好[3]，砂漿終凝后具有較高的抗彎拉強(qiáng)度。并且有研究表明陽(yáng)離子乳化瀝青改善復(fù)合材料低溫性能的能力明顯強(qiáng)于陰離子乳化瀝青。另外考慮到乳化瀝青的破乳速度，宜選中裂或慢裂型的乳化劑，以滿足灌漿所需要的條件。根據(jù)需要本研究自主制備出了符合條件所需的陽(yáng)離子乳化瀝青，性能如表4所示。

表4 乳化瀝青性能

為詳細(xì)探究乳化瀝青摻量對(duì)橡膠粉水泥砂漿性能的影響規(guī)律，本研究將已經(jīng)配制出的橡膠粉水泥砂漿作為基礎(chǔ)配合比，聚灰比(乳化瀝青∶水泥)作為變量，分別取0.2、0.3、0.4、0.5，采用不同的聚灰比時(shí)要將乳化瀝青中的水計(jì)算到水灰比當(dāng)中，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

選取最佳乳化瀝青用量時(shí)，應(yīng)綜合考慮CA砂漿力學(xué)性能、工作性能、體積收縮性以及成本等因素。從工作性能分析：聚灰比越大，CA砂漿的流動(dòng)度、泌水率、體積穩(wěn)定性就越好；從力學(xué)性能分析，當(dāng)聚灰比大于0.4后，CA砂漿的抗折抗壓強(qiáng)度下降明顯，已經(jīng)不能滿足性能指標(biāo)要求。并且考慮到成本因素，乳化瀝青用量越多也會(huì)導(dǎo)致砂漿成本增大。而當(dāng)聚灰比為0.3時(shí)，CA砂漿的工作性能得到了較大的改善，而且力學(xué)性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過指標(biāo)要求。因此最終確定最佳聚灰比為0.3，即CA砂漿配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶特細(xì)砂∶橡膠粉∶乳化瀝青∶膨脹劑∶減水劑∶水=100∶15∶10∶30∶15∶30∶8∶0.8∶43。

表5 CA砂漿性能表

3 CA砂漿強(qiáng)度形成機(jī)理分析

CA砂漿中水泥水化的產(chǎn)物與乳化瀝青破乳后的瀝青共同形成強(qiáng)度，其中水泥水化過程需水，乳化瀝青破乳過程憎水，兩者相互促進(jìn)最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。乳化瀝青破乳后被水泥水化的產(chǎn)物所包裹，形成復(fù)合膠凝材料。

當(dāng)乳化瀝青用量較大時(shí)，整個(gè)膠凝體系中固化瀝青對(duì)CA砂漿強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，而且其直徑隨著水化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行而增大。硬化完成后水泥的水化產(chǎn)物由瀝青包裹，膠凝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，受力后容易發(fā)生破壞；當(dāng)乳化瀝青用量較小時(shí)，水泥水化的產(chǎn)物對(duì)CA砂漿強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，硬化后膠凝體系強(qiáng)度較高，而且乳化瀝青破乳后可增大CA砂漿柔性，改善CA砂漿性能。

4 結(jié)論

(1)通過正交實(shí)驗(yàn)法確定了普通水泥砂漿的配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶特細(xì)砂∶膨脹劑∶減水劑∶水=100∶15∶10∶30∶8∶0.8∶55。

(2)通過等體積替換特細(xì)砂的方法摻加橡膠粉，探究并得出了不同摻加比例5%、10%、15%、20%對(duì)水泥砂漿工作性能以及力學(xué)性能的影響規(guī)律，最終確定最佳摻加比例為15%，得出橡膠粉水泥砂漿最佳配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶特細(xì)砂∶橡膠粉∶膨脹劑∶減水劑∶水=100∶15∶10∶30∶15∶8∶0.8∶55。

(3)優(yōu)化了CA砂漿的制作步驟，探究并得出了不同聚灰比0.2、0.3、0.4、0.5對(duì)砂漿力學(xué)性能以及工作性能的影響規(guī)律。最終確定最佳聚灰比為0.3，即最佳CA砂漿配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶特細(xì)砂∶橡膠粉∶乳化瀝青∶膨脹劑∶減水劑∶水=100∶15∶10∶30∶15∶30∶8∶0.8∶43。