半柔性路面用水泥基灌漿材料的礦物摻合料協同優化研究

牟長江，程 凱，劉 瑞，賈恩達，孫 浩，牛 騰，盧曉磊，杜 鵬，葉正茂

(1.濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術重點實驗室，濟南 250022；2.中化學交通建設集團有限公司，濟南 250101；3.濟南大學材料科學與工程學院，濟南 250022)

0 引 言

近年來，隨著公路工程技術的不斷發展，半柔性路面作為一種新型路面材料在市政路口、公交站臺、機場港口等重載路段得到推廣和應用[1-2]。半柔性路面是指將滿足大流態、超早強與低收縮要求的水泥基灌漿材料灌入高度開放的多孔隙瀝青混合料骨架(空隙率在25%～30%)內而得到的一種“剛柔并濟”的新型路面材料[3-4]。該技術可以有效解決傳統瀝青柔性公路路面耐老化性差，溫度穩定性差，及水泥混凝土路面柔韌性較差、易開裂等缺點，從而達到避免路面損害、延長路面壽命的效果[5-9]。

礦粉、硅灰、微珠等礦物摻合料可以取代部分水泥添加到半柔性路面用的水泥基灌漿材料中，從而改善灌漿材料工作性和力學性能[10-12]。近年來，已有許多學者對其應用進行了深入研究。孫雅珍等[13]研究發現摻入10%～15%(文中摻量均為質量分數)的礦粉可以大幅度提高灌漿材料流動性能，但不利于其強度發展，礦粉摻量為15%～20%時，灌漿材料后期強度有所提高，但流動性能明顯下降。顧曉燕等[14]研究了粉煤灰對灌漿材料流動性能的影響規律，結果表明，粉煤灰可以顯著提高低水膠比灌漿材料的流動性能，但對高水膠比灌漿材料的影響較小。Zhang等[15]研究表明，摻加10%粉煤灰和10%礦粉對半柔性路面用灌漿材料的流動性和力學性能均有改善作用，且粉煤灰相較礦粉對灌漿材料的流動度和強度影響更大。Memon等[16]研究發現硅灰能顯著提高混凝土力學性能，添加10%硅灰時，混凝土抗折和抗壓強度分別增加了11.5%和6.9%，坍落度降低了4.3%[16]。以上研究成果表明，礦粉、微珠和硅灰等礦物摻合料的含量對路面用水泥基灌漿材料的流動性能與力學性能影響顯著，且各礦物摻合料對灌漿材料流動性、強度發揮著不同的作用。半柔性水泥基灌漿材料的主要性能指標為大流態和超早強，而摻加單一礦物摻合料無法同時滿足灌漿材料大流態和超早強的性能要求，因此需要多種礦物摻合料協同優化以改善灌漿材料性能。

當前就各礦物摻合料在路面灌漿材料中的協同優化研究相對較少，而探究摻合料的協同配伍對調控和優化水泥基灌漿材料的性能具有重要指導意義。基于此，本文選用礦粉、硅灰和微珠三種礦物摻合料，設計正交試驗探究三種礦物摻合料的協同配伍對灌漿材料力學與流動性能的影響規律，同時利用SEM和XRD等微觀表征手段，分析各礦物摻合料協同配伍對硬化水泥基灌漿材料水化產物組成與微觀形貌的影響規律，旨在為半柔性路面用水泥基灌漿材料的組成優化提供技術與數據支撐。

1 實 驗

1.1 主要原材料

路面灌漿材料采用山東臨朐勝濰特種水泥有限公司生產的快硬硫鋁酸鹽水泥(42.5級)，快硬硫鋁酸鹽水泥的物理性能如表1所示，主要化學成分如表2所示；路面灌漿材料所用礦粉、微珠和硅灰三種礦物摻合料由山東魯冠混凝土有限公司提供，三種礦物摻合料的主要化學成分如表2所示，粒度分布圖及SEM照片見圖1、圖2；路面灌漿材料所用細骨料為淡黃色的100～200 μm的石英砂；所用的粉體減水劑由上海三瑞高分子材料有限公司生產；緩凝劑和早強劑均為國藥集團化學試劑有限公司生產；纖維素醚(HPMC)為山東赫達股份有限公司生產。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥物理性能

表2 原材料主要化學成分

圖1 三種礦物摻合料粒度分布圖

圖2 三種礦物摻合料SEM照片

1.2 試驗方案設計

水泥基灌漿材料的基礎配比為：硫鋁酸鹽水泥摻量80%，石英砂摻量20%。外加劑摻量均按水泥基灌漿材料總質量計，分別為：粉體聚羧酸減水劑摻量0.2%，早強劑摻量0.024%，緩凝劑摻量0.13%，纖維素醚(HPMC)摻量0.03%，水料比0.3。

采用正交試驗，利用極差分析法探究其最佳摻量范圍，系統研究礦粉、微珠和硅灰三種礦物摻合料的協同作用對水泥基灌漿料流動性能與力學性能的影響規律。選用正交表L9(33)，以礦粉、微珠和硅灰三種礦物摻合料為正交試驗的三個因素，用以替代硫鋁酸鹽水泥開展正交試驗。根據前期試驗探索，設計合適的3個水平，水平以礦物摻合料占粉體整體質量的百分比表示。分別測試5 min、20 min流動度和擴展度以及2 h、3 d、28 d抗壓強度。具體的正交試驗因素與水平如表3所示，灌漿材料配合比如表4所示。

表3 正交試驗因素水平

表4 灌漿材料配合比

1.3 分析和測試

1.3.1 水泥基灌漿材料流出時間測試

依據JT/T 946—2014《公路工程預應力孔道灌漿料(劑)》對路面用灌漿材料進行流出時間測試。首先將(1 725±5) mL水注入倒錐內，測試流出時間，校準流動錐，然后將攪拌均勻的1 725 mL灌漿材料漿體注入倒錐內，開啟底部閥門，使灌漿材料自由流出，記錄漿體全部流出所需時間，記為灌漿材料流出時間，精確至0.1 s，分別測定5 min和20 min流出時間。

1.3.2 水泥基灌漿材料流動度測試

依據GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》，測定水泥基灌漿材料的5 min和20 min流動度。首先采用砂漿攪拌機拌和水泥基灌漿材料，然后將拌和均勻的砂漿倒入圓錐試模中，裝滿后提起圓錐試模，使灌漿材料在水平玻璃板上緩慢流動，確保灌漿料在沒有外力干擾的條件下自由流動至30 s，用直尺量取互相垂直的兩個方向的最大直徑，計算兩個方向上的平均值，精確至1 mm。

1.3.3 水泥基灌漿材料強度測試

參照國家標準GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行。試驗材料采用砂漿攪拌機攪拌成型，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，然后將成型試件放入溫度為(20±2) ℃和相對濕度為95%的標準養護箱內養護至2 h拆模，并測試其力學性能；其余試件放置于溫度為(20±1) ℃水中養護至3 d和28 d齡期，測定水泥基灌漿材料的抗壓和抗折強度。

1.3.4 微觀分析測試

激光粒度分析儀(Winner3003，濟南微納顆粒儀器有限公司)用于測試礦粉、微珠、硅灰的粒度分布；X射線熒光分析儀(Bruker S8 TIGERTM 2，德國布魯克公司)用于測試水泥、礦粉、微珠和硅灰的化學成分；X射線衍射儀(Bruker AXS D8-Advance，德國布魯克公司)用于表征水化硬化水泥基材料的物相組成；掃描電子顯微鏡(Carl Zeiss Jena EVO LS15，德國蔡司公司)用于觀察三種礦物摻合料和硬化水泥基材料的微觀形貌。

2 結果與討論

根據表4的灌漿材料配合比方案測試路面灌漿材料的流動性能和力學性能，包括5 min和20 min時的流出時間、流動度以及2 h、3 d、28 d的抗折強度和抗壓強度，正交試驗結果如表5所示。

表5 正交試驗結果

2.1 流動性能影響分析

2.1.1 流出時間影響分析

表6 流出時間極差分析結果

由表6的極差分析結果可知：對5 min流出時間而言，硅灰、微珠和礦粉摻量的正交試驗極差R分別為3.2、5.0、0.4。影響5 min流出時間的主次順序為B>A>C，微珠影響最為顯著，其次是硅灰，礦粉影響最小。對于5 min流出時間指標,三種摻合料摻量最優組合為A1B3C3，即摻入1%硅灰，20%微珠和15%礦粉。對20 min流出時間測試結果分析可知，影響因素的主次順序與5 min流出時間一致，但礦粉摻量的最優水平不同。三種影響因素的極差R分別為3.5、5.3、1.1。最優摻量組合為A1B3C2，即摻入1%硅灰，20%微珠和10%礦粉。

圖3為三種礦物摻合料協同對灌漿材料流出時間的影響。由圖3可直觀看出，隨微珠摻量增加，灌漿材料流出時間明顯下降，流動性能顯著增強。當微珠摻量為20%時，灌漿材料5 min和20 min流出時間為16.4 s、17.7 s，相比摻10%微珠時下降23.5%、22.9%。而當硅灰摻量增加時，灌漿材料流出時間顯著降低。硅灰摻量從1%增加到2%時，灌漿材料5 min和20 min流出時間分別為21.0 s、22.8 s，提高了18.4%和18.3%。相較于微珠和硅灰，隨著礦粉摻量增加，灌漿材料5 min和20 min流出時間波動變化不大。

圖3 三種礦物摻合料協同對灌漿材料流出時間的影響

以上測試結果表明，影響灌漿材料流出時間的主要因素為微珠和硅灰，其中微珠對改善灌漿材料的流動性能效果顯著，這是因為微珠微觀形貌為級配連續的光滑正球體，摻入灌漿材料中后會發揮其“滾珠效應”[17]。在微珠良好的潤滑能力下，灌漿材料漿體中自由水增多，吸附水減小，漿體黏度有效降低，宏觀表現為流動性能顯著提高。與微珠相比，硅灰對灌漿材料流動性能的作用效果截然相反。相較于漿體中膠凝材料和骨料顆粒，硅灰的粒徑更小，比表面積較大，表面需水量也隨之增大，因此會吸附大量自由水，從而導致灌漿材料流動性能降低[18]。

2.1.2 流動度影響分析

灌漿材料流動度極差分析結果如表7所示。礦物摻合料對灌漿材料流動度的影響趨勢如圖4所示。

圖4 三種礦物摻合料協同對灌漿材料流動度的影響

由表7的極差分析結果可知：硅灰對5 min流動度的影響最大，顯著降低了灌漿材料流動度；硅灰、微珠和礦粉三種礦物摻合料極差分析結果R分別為9.0、7.7、1.0。微珠與硅灰摻量對20 min流動度的影響程度一致，表明微珠可以有效抑制硅灰對流動度的負面影響，減少流動度損失。灌漿材料的5 min和20 min流動度最優因素水平選擇一致，即摻入1%硅灰、20%微珠和15%礦粉可以達到最佳優化效果。

表7 流動度極差分析結果

由圖4可知，灌漿材料的流動度隨微珠摻量提高而增大，隨硅灰摻量提高而減小。摻入10%、15%和20%微珠時，灌漿材料流動度分別為284 mm、287 mm、292 mm，流動度顯著提高。而摻入1%、1.5%和2%硅灰時，流動度從291 mm降低到282 mm，降低了3%。

由以上結果分析可知，各因素對灌漿材料流動度與流出時間的影響順序有所不同，硅灰對灌漿材料流動度的影響略高于微珠，這可能是由于兩種流動性能指標的測試標準不同，流動時間測試要求是砂漿在平面上緩慢流動30 s，而流動度測試是砂漿在重力作用下的快速流動，因此實際測試中出現流動度較大但流出時間較長的情況[19]。由于微珠具有良好的滾珠潤滑作用，在以流出時間為指標表征流動性能時，摻入微珠對灌漿材料的流動性能影響更大，而在以流動度為指標時，摻入硅灰影響更大。對比兩種流動性能測試結果，以流出時間衡量灌漿材料流動性能更為準確，并且可以更好地評估實際工程應用中灌漿材料的灌注能力。

2.2 力學性能影響分析

灌漿材料除具有良好的流動性能之外，還必須滿足較高的力學性能要求，尤其是早期力學性能。本文探究了三種礦物摻合料協同對灌漿材料各齡期力學性能的影響，分析其影響程度和影響趨勢，從而明確三種影響因素的最佳組合。

表8 2 h強度極差分析結果

由表8～表10可知，微珠顯著降低了灌漿材料各齡期的抗壓強度，微珠摻量與各齡期抗壓強度成反比。硅灰相較于微珠影響程度稍弱，礦粉的影響程度最小。三種礦物摻合料對灌漿材料抗折與抗壓強度的影響趨勢基本一致。對比抗壓和抗折強度極差分析結果可知，摻加硅灰更有利于灌漿材料抗壓強度發展，尤其是早期抗壓強度。三種摻合料最優組合為A3B1C1，即摻入2%硅灰，10%微珠和5%礦粉時對灌漿材料力學性能的發展最有利。

表10 28 d強度極差分析結果

由圖5可知，硅灰可以顯著提高灌漿材料的力學性能，當硅灰摻量從1%提高到2%時，灌漿材料2 h、3 d、28 d抗壓強度分別提高了18.0%、4.0%和9.2%。這是由于硅灰粒徑較小，大部分約在500 nm，因此可以填充到灌漿材料各種集料顆粒間隙中，提高灌漿材料密實度，宏觀表現為灌漿材料強度提高[20]。微珠和礦粉的添加均對灌漿材料的抗折強度和抗壓強度產生不利影響，其中微珠影響程度更大。摻加微珠后，灌漿材料各齡期的抗折和抗壓強度均產生不同程度的降低。與添加10%微珠相比，摻加20%微珠時灌漿材料2 h、3 d、28 d抗壓強度分別下降19.1%、19.4%和14.4%。隨著礦粉摻量增加，灌漿材料抗壓強度先降低后增加，但整體呈現降低趨勢，摻量為10%時強度最低，此時強度僅為33.8 MPa，相比5%礦粉摻量的灌漿材料強度降低了4.5%。這是由于微珠和礦粉的摻加取代了硫鋁酸鹽水泥，兩種礦物摻合料的水化活性較低，早期水化反應程度低，因此摻加微珠和礦粉均不利于灌漿材料早期強度的提高。其中微珠因其火山灰活性不如礦粉高，所以其影響程度更大。分析各齡期灌漿材料力學性能可知，礦粉對灌漿材料后期強度的影響高于早期強度，摻入5%和15%礦粉的灌漿材料的28 d抗壓強度較3 d分別提高了19.1%、21.6%，這是因為隨著養護齡期增加，硫鋁酸鹽水泥水化反應基本完成，此時礦粉的火山灰活性逐漸發揮作用，從而改善灌漿材料后期強度。

表9 3 d強度極差分析結果

圖5 三種礦物摻合料對灌漿材料各齡期力學性能影響趨勢

由以上結果分析可知，礦粉的摻加對灌漿材料后期強度影響較大，但整體強度呈現下降趨勢。硅灰的摻加可以顯著提高灌漿材料早期強度，但是不利于灌漿材料流動性能的改善。摻加微珠對灌漿材料流動性能改性效果最好。因此，將硅灰、礦粉、微珠三種礦物摻合料配伍，可以實現三種礦物摻合料對半柔性路面用灌漿材料性能的協同優化。在保證灌漿材料流動性能的基礎上，改善其各齡期的力學性能，綜合考慮三種礦物摻合料對灌漿材料的影響，得出其最佳摻量為硅灰1.5%、礦粉5%、微珠15%。

2.3 灌漿材料硬化漿體物相與形貌分析

XRD和SEM是分析灌漿材料水化產物組成和微觀形貌的重要表征手段，三種礦物摻合料單摻和協同優化的灌漿材料水化3 d的XRD譜如圖6所示，SEM照片如圖7所示。

圖6 單摻和復摻礦渣、硅灰和微珠的灌漿材料水化3 d的XRD譜

圖7 礦渣、硅灰和微珠協同優化的灌漿材料水化3 d時的SEM照片

從圖6可以看出單摻和復摻礦渣、硅灰和微珠的灌漿材料水化產物基本一致，主要為鈣礬石，同時還存在少量未水化的無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣礦物。其中無水硫鋁酸鈣礦物的特征衍射峰明顯降低，表明其在3 d水化齡期時大部分已水化完全，無水硫鋁酸鈣是硫鋁酸鹽水泥的最重要組成部分，其早期的充分水化也保障了灌漿材料的早期力學性能，表5中灌漿材料3 d到28 d強度增長緩慢也印證了XRD的試驗結果。單摻和復摻礦物摻合料時，水化3 d的灌漿材料均有部分水泥顆粒未水化，這說明礦物摻合料的存在對灌漿材料早期水化歷程基本沒有促進作用。對比單摻和復摻礦物摻合料的灌漿材料衍射峰可以發現，單摻和復摻礦物摻合料的灌漿材料并沒有新的水化產物生成，這說明礦物摻合料對灌漿材料的水化產物的種類幾乎沒有影響。水化齡期為3 d時，單摻和復摻礦物摻合料的灌漿材料水化產物的衍射峰差別較小，這表明礦物摻合料的不同摻加方式對灌漿材料早期水化產物組成影響較小。

圖7為三種礦物摻合料協同優化的灌漿材料水化3 d的SEM照片。從圖中可以看出灌漿材料水化產物主要為鈣礬石和C-S-H凝膠，此外還存在石英砂和部分未水化的水泥顆粒的混合物。縱橫交叉的針棒狀鈣礬石構成了灌漿材料硬化漿體的骨架，C-S-H凝膠緊密填充于鈣礬石骨架中。協同優化的灌漿材料的SEM測試結果與前文XRD測試結果基本吻合，即礦物摻合料協同優化的灌漿材料沒有新的水化產物生成。而從圖7還可以看出，灌漿材料硬化漿體整體結構比較致密，結合灌漿材料硬化漿體力學性能數據和已報到的文獻可知，硬化漿體抗壓強度的改善主要歸因于物理填充作用。由于各礦物摻合料的粒徑存在差異，尤其是硅灰和微珠等粒徑較小，能夠很好地填充到水化產物和骨架形成的間隙中，增加孔隙分形維數并優化孔徑分布參數，改善硬化漿體的孔結構，因此礦物摻合料協同優化對灌漿材料硬化漿體各齡期抗壓強度的提升有重要作用[21-22]。此外，在微珠和礦粉表面最初存在少量水化產物，表明二者在水化3 d齡期時已具備了一定的火山灰活性，這也對灌漿材料后期力學性能改善起到了良好的效果。

3 結 論

(1)三種礦物摻合料復合添加時，微珠相較于硅灰和礦粉對灌漿材料流動性能改善效果最顯著，當微珠摻量從10%增加到20%時，灌漿材料5 min和20 min流出時間分別縮短了23.5%和22.9%；硅灰和礦粉分別對灌漿材料早期和后期的力學性能提升效果明顯，當硅灰從1%增加到2%時，灌漿材料2 h抗壓強度提高了18.0%，摻5%礦粉時，灌漿材料28 d抗壓強度增長了19.1%。

(2)硅灰、微珠和礦粉三種礦物摻合料協同優化制備路面用水泥基灌漿材料時，分析其協同優化結果可知，各因素對流出時間和流動度的影響程度不同，流出時間相較于流動度，更適宜作為灌漿材料流動性能的評估手段；三種礦物摻合料協同優化對灌漿材料的流動性能和力學性能提升效果良好，其中硅灰、微珠和礦粉作為灌漿材料礦物摻合料的最佳摻量分別為1.5%、15%和5%，滿足了路面用水泥基灌漿材料對流動性和強度的技術指標。

(3)三種礦物摻合料協同對水泥基灌漿材料硬化漿體的水化產物物相組成與微觀形貌影響較小，水化產物主要為細棒狀鈣礬石和無定形水化C-S-H凝膠。硅灰主要是通過物理填充作用改善硬化漿體的孔結構，宏觀表現為灌漿材料硬化漿體的力學性能提升。