灌注式半柔性路面用CA砂漿配合比優(yōu)化設計

趙 煒

(新疆交通科學研究院 烏魯木齊市 830001)

灌注式半柔性路面當中所用的水泥砂漿大多為普通水泥砂漿，由于其造價低、易制備等優(yōu)點被廣泛應用于實際工程中。但是通過實際應用后發(fā)現，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,因此非常有必要對普通水泥砂漿進行改性，使其能夠在復合路面中發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。

1 灌漿材料設計原則

(1)工作性能

灌漿材料需具有良好的流動性，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，不出現分層、離析等現象。本研究以流動度指標評價灌漿材料的流動性，泌水率表征砂漿的均勻性。

(2)力學性能

灌漿材料需具有一定的抗壓強度和抗彎拉強度，與基體瀝青混合料共同承受外界荷載，才能達到理想的效果。本研究以抗折強度、抗壓強度評價灌漿材料的力學性能。

(3)體積穩(wěn)定性

砂漿的溫縮與干縮現象，再加上行車荷載以及自然環(huán)境因素的作用，會影響灌注材料與基體瀝青混合料之間的粘結性、整體性。因此，應在保證灌漿材料力學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價砂漿的體積穩(wěn)定性。

(4)環(huán)保性

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

灌漿材料設計原則如表1所示。

表1 灌漿材料指標表

2 試驗方案及過程

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，粉煤灰合理摻量在10%左右，礦粉合理摻量在10%左右，特細砂摻量在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(各摻量均以水泥質量為基數)。采用正交試驗法，在合理范圍附近取值，以水灰比、粉煤灰摻量、礦粉摻量以及特細砂摻量作為變量，膨脹劑取8%，減水劑取0.8%，最終根據正交試驗確定了普通水泥砂漿最佳配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶特細砂∶膨脹劑∶減水劑∶水=100∶15∶10∶30∶8∶0.8∶55。各項性能指標如表2所示。

表2 灌漿材料指標表

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砂。已有的橡膠粉水泥砂漿的研究中，結果都表明橡膠粉存在最佳摻加比例，但隨著目數的不同，最佳摻加比例也會發(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度減小幅度明顯；但當橡膠粉摻量超過15%時，橡膠粉水泥膠漿的強度減小幅度放緩；牛文[2]詳細探究了橡膠粉的目數和摻量對橡膠粉水泥砂漿的影響，得出當橡膠粉摻量超過15%時，橡膠粉水泥砂漿的力學強度與耐磨性均開始大幅度下降，而且橡膠粉在相同摻量下，目數越大各方面性能越好，但改善幅度不大。

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

表3 橡膠粉水泥砂漿性能表

分析數據可知：

(1)橡膠粉摻量的增加對水泥砂漿流動度的影響不大。

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

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

(5)在各個齡期內水泥砂漿的體積收縮隨著橡膠粉摻量的增加而減小，說明橡膠粉對于水泥砂漿的干縮現象有一定的改善作用，改善效果在橡膠粉摻量為15%時最明顯。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

對于原材料乳化瀝青的選擇：根據已有CA砂漿的研究成果，可知陽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度。并且有研究表明陽離子乳化瀝青改善復合材料低溫性能的能力明顯強于陰離子乳化瀝青。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。根據需要本研究自主制備出了符合條件所需的陽離子乳化瀝青，性能如表4所示。

表4 乳化瀝青性能

為詳細探究乳化瀝青摻量對橡膠粉水泥砂漿性能的影響規(guī)律，本研究將已經配制出的橡膠粉水泥砂漿作為基礎配合比，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要將乳化瀝青中的水計算到水灰比當中，試驗結果如表5所示。

選取最佳乳化瀝青用量時，應綜合考慮CA砂漿力學性能、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砂漿的流動度、泌水率、體積穩(wěn)定性就越好；從力學性能分析，當聚灰比大于0.4后，CA砂漿的抗折抗壓強度下降明顯，已經不能滿足性能指標要求。并且考慮到成本因素，乳化瀝青用量越多也會導致砂漿成本增大。而當聚灰比為0.3時，CA砂漿的工作性能得到了較大的改善，而且力學性能也遠遠超過指標要求。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砂漿強度形成機理分析

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

當乳化瀝青用量較大時，整個膠凝體系中固化瀝青對CA砂漿強度起主導作用，而且其直徑隨著水化反應的進一步進行而增大。硬化完成后水泥的水化產物由瀝青包裹，膠凝結構強度較低，受力后容易發(fā)生破壞；當乳化瀝青用量較小時，水泥水化的產物對CA砂漿強度起主導作用，硬化后膠凝體系強度較高，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 結論

(1)通過正交實驗法確定了普通水泥砂漿的配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶特細砂∶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%對水泥砂漿工作性能以及力學性能的影響規(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對砂漿力學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。