外加劑對半柔性路面用早強型水泥基灌漿料工作性能的調控

張洪剛，蔣逸雯，陳 杰，趙忠忠，焦曉東，黎碧云，劉文歡，李 輝

(1.廣西交科集團有限公司，南寧 530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，南寧 530007；3.高等級公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心，南寧 530007；4.西安建筑科技大學材料科學與工程學院，西安 710055)

0 引 言

瀝青路面作為現代公路的主要組成部分，具有表面平整、無接縫、行車舒適、振動小、噪音低、耐磨、不揚塵、易清洗、施工期短、養護維修簡便等優點[1]。但是瀝青路面也存在一定的缺點:溫度穩定性差，冬季易脆裂，夏季易軟化；耐水性差，易產生水損壞[2-3]；耐老化性差，耐久性不易保證；材料軟化后易形成車轍等[4-6]。半柔性路面灌漿料就是為了解決瀝青路面各種缺點而研發的產品，可與瀝青路面有機結合成為新型半柔性路面[7-8]。

半柔性路面是在母體瀝青混合料(空隙率高達20%～28%)中灌入水泥基灌漿材料而形成的一種剛柔相濟的新型路面[9]，其強度由骨料之間的相互嵌擠作用、水泥膠漿的膠結作用以及瀝青的粘結力共同組成[10-11]。半柔性路面既具有柔性路面平整、抗滑、易修復的優點，又兼具水泥路面的高強度、高模量特點。這類路面的高溫穩定性、抗水損害、抗剪切及抗滑耐磨性能等均優于普通瀝青混凝土路面[12-15]。隨著我國道路建設工程的迅猛增加，對高性能半柔性路面水泥基灌漿料的需求也日益增加。不少研究人員對半柔性路面水泥基灌漿材料的配比設計，不同因素對灌漿料泌水性、流動度性能的影響等開展了初步的試驗研究。成志強等[16]研究了水膠比、粉煤灰、膨脹劑等對半柔性路面水泥基灌漿料泌水率的影響規律，并初步提出了各因素的推薦摻量及范圍。程磊和郝培文[17]研究了半柔性路面水泥膠漿的最佳配合比，提出了影響水泥膠漿性能的主要因素是水灰比和礦粉用量。顧曉燕等[18]研究了不同因素對水泥膠漿流動度的影響規律，分析了水泥基材流動度與灌注率之間的關系，并給出了各因素的合理摻量。王巍等[19]進行了灌注式水泥膠漿配合比優化設計，以最優化理論構建了半柔性路面用水泥膠漿配合比的優化設計原則。但目前研究人員開發并實際應用的半柔性水泥基灌漿料，容易出現流動度不達標、早期強度不夠、干縮開裂等問題[20-22]，或者流動度達到要求但早期強度不達標的問題。同時，冬季受到溫度的影響，水泥基灌漿料的性能會大大降低[23-25]。以上問題都制約著該類灌漿材料的發展和應用，因此研發高性能的半柔性路面水泥基灌漿材料具有很強的現實意義。

綜上所述，本文結合現有研究，從半柔性路面水泥基灌漿料性能要求著手，通過正交試驗和復摻試驗，研究不同水泥體系的最佳摻量，采用礦物摻和料以及新型外加劑，最終制備出可以根據不同工程需要控制凝結時間,具有早強、高強、高流動度等優良性能的半柔性路面用水泥基灌漿材料。

1 實 驗

1.1 試劑與材料

(1)水泥

試驗選用海螺牌P·O 42.5硅酸鹽水泥和淄博云鶴牌R·SAC 42.5快硬硫鋁酸鹽水泥。按照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011)中規定的步驟測量水泥標準稠度用水量和凝結時間。水泥的物理性能指標見表1，試驗所采用的P·O 42.5硅酸鹽水泥符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)標準的要求，所采用的R·SAC 42.5快硬硫鋁酸鹽水泥符合《硫鋁酸鹽水泥》(GB 20472—2006)標準的要求，可以用于試驗。

表1 水泥的物理性能指標

(2)粉煤灰

試驗所用粉煤灰為西安某熱電廠煤粉爐產生的一級粉煤灰，所用粉煤灰為西安某熱電廠一級灰，D10=2.13 μm，D50=9.83 μm，D99=76.20 μm，燒失量為4.64%(質量分數)，其化學組成如表2所示，礦物組成如圖1所示，粒度分布如圖2所示。該粉煤灰性能符合《高強高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736—2002)要求，主要礦物相為石英和莫來石，顆粒粒徑比試驗用水泥要小。粉煤灰具有比水泥更多的球形顆粒，作為礦物摻合料，可以起到改善流動性的作用，可以使灌漿材料具備更好的流動性和可泵性，可以提高灌漿材料的強度和抗化學侵蝕的能力，減少漿體凝結硬化后的收縮。

表2 粉煤灰化學組成

圖1 粉煤灰礦物組成

圖2 粉煤灰粒度分布

(3)硅灰

試驗采用西安某廠家生產的硅灰，其粒度情況為D10=2.28 μm，D50=5.50 μm，D90=10.02 μm。其化學組成如表3所示，礦物組成如圖3所示，粒度分布如圖4所示。該硅灰性能符合《高強高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736—2002)要求，在水泥中加入具有較小顆粒粒徑特征的硅灰，可以減小水泥顆粒間的空隙率，利用硅灰和水泥加水拌合后生成膠凝產物的特點，可以顯著改善灌漿材料的抗滲、抗折以及抗壓強度。

圖3 硅灰礦物組成

圖4 硅灰粒度分布

表3 硅灰化學組成

(4)拜耳法赤泥

試驗用拜耳法赤泥的化學組成如表4所示。

表4 赤泥化學組成

(5)細砂

試驗所用的細砂為西安某廠家生產的40～70目(粒徑0.380～0.212 mm)烘干砂和70～130目(粒徑0.380～0.113 mm)烘干砂。

(6)外加劑

為了制備出性能合格的半柔性路面用水泥基灌漿料，試驗采用了瑞士西卡聚羧酸高效減水劑、河北石家莊某廠家生產的可分散性乳膠粉、江西某廠家生產的工業級碳酸鋰早強劑和天津某廠家生產的緩凝劑等外加劑進行早強型水泥基灌漿料的工作性能調控。

1.2 性能調控要求及分析測試方法

半柔性路面用早強型水泥基灌漿料主要研發技術指標如表5所示。

表5 半柔性路面水泥基灌漿料主要技術指標

根據《水泥基灌漿料應用技術規范》(GB/T 50448—2015)，采用倒錐法通過測量流秒時間來測量灌漿料的流動度；根據《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011)，采用DL-AWK型自動維卡儀測定灌漿料的凝結時間；根據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)，測定灌漿料不同齡期的抗壓強度；根據《水泥膠砂干縮試樣方法》(JC/T 603—2004)，測定灌漿料的干縮率。

2 結果與討論

2.1 早強型水泥基灌漿料基礎配比

首先通過早強型水泥基灌漿料的凝結時間和抗壓強度兩個約束性指標來確定快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥的最優配比。初步設定灌漿料配比：水膠比0.35，膠砂比0.30，膠凝材料由硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥組成，早強劑、減水劑、膠粉的初步摻量分別為硫鋁酸鹽-普通硅酸鹽復合水泥質量的0.08%、0.1%、1%(下文含量均為質量分數)。圖5(a)、(b)為不同摻量硫鋁酸鹽水泥對灌漿料凝結時間和抗壓強度的影響。

由圖5(a)得出，隨著快硬硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，半柔性道路灌漿料的初、終凝時間不斷縮短。這是因為快硬硫鋁酸鹽水泥的水化產物主要是水化硫鋁酸鈣(AFt、AFm)、水化硅酸鈣和鋁膠，其水化和凝結速度快。當快硬硫鋁酸鹽水泥摻量≥50%時，初凝時間滿足0.5～1.5 h，終凝時間滿足≤2 h，可以達到早強型灌漿料技術要求。

由圖5(b)得出，灌漿料的各齡期抗壓強度均隨著快硬硫鋁酸鹽水泥摻量的增加先增大后減小，當快硬硫鋁酸鹽水泥的摻量達到85%時，3 h、1 d、7 d、28 d的抗壓強度均達到峰值。其原因主要為，硫鋁酸鹽水泥主要礦物成分為硫鋁酸鈣和硅酸二鈣，硫鋁酸鈣的水化速度與漿體中的堿度呈正相關，如果灌漿料體系中堿度越大，則水化速度越快。而普通硅酸鹽水泥主要成分為硅酸二鈣、硅酸三鈣，水化后生成氫氧化鈣，所以隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加，漿體堿度也隨之增大，硫鋁酸鹽水泥的水化速度也隨之提高，大大縮短了凝結時間，提高了早期抗壓強度，因此普通硅酸鹽水泥摻量從0%提高到15%(即硫鋁酸鹽水泥摻量為85%)時，灌漿料各齡期抗壓強度就達到了峰值。但是當普通硅酸鹽水泥摻量從15%再持續增加時，灌漿料體系內硫鋁酸鹽水泥摻量逐漸變少，硫鋁酸鈣含量也變低，導致整體水化速度降低，使凝結時間延長，早期抗壓強度(3 h、1 d)下降非常明顯，后期抗壓強度(7 d、28 d)下降比較緩慢。當硫鋁酸鹽水泥摻量≥70%時，灌漿料均能滿足3 h抗壓強度≥10 MPa、1 d抗壓強度≥15 MPa、7 d抗壓強度≥20 MPa、28 d抗壓強度≥25 MPa的技術指標要求，且凝結時間也能滿足技術指標要求，綜合考慮灌漿料經濟成本因素，最終確定硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的比例(質量比)為7∶3。

圖5 不同摻量硫鋁酸鹽水泥對灌漿料凝結時間和抗壓強度的影響

本研究研發的為早強型水泥基灌漿料，故以3 h、1 d抗壓強度作為約束性指標進行正交試驗。設定灌漿料體系中m(快硬硫鋁酸鹽水泥)∶m(普通硅酸鹽水泥)=7∶3，水膠比0.40，膠砂比0.25，早強劑、減水劑、膠粉的摻量分別為0.08%、0.1%、1%，采用粉煤灰、硅灰、赤泥三種礦物摻合料進行三因素三水平進行了正交試驗，正交因素水平表如表6所示，試驗結果如表7所示。

表6 正交試驗因素水平

表7 正交試驗設計及性能測試結果

由正交試驗得出，初、終凝時間均能滿足研發指標要求，因此可以不作為約束指標。鑒于本文要開發一種早強型高性能半柔性水泥基灌漿料，對3 h、1 d早期抗壓強度要求較高，所以把3 h、1 d抗壓強度作為約束性指標，分別計算各因素對應的K值和極差R值，計算結果見表8。

表8 抗壓強度K值與極差R統計表

對于灌漿料的3 h和1 d抗壓強度，三因素極差的大小順序均為C>A>B，即影響強弱次序為赤泥摻量>粉煤灰摻量>硅灰摻量。同時，根據正交試驗結果，可確定A3B1C1對應的灌漿料具有最佳3 h和1 d的抗壓強度，即粉煤灰摻量9%、硅灰摻量6%、赤泥摻量3%。在灌漿料其他配比不變的情況下，對礦物摻合料最佳配比開展了驗證性試驗，結果如表9所示。由表9得出，該配比下灌漿料的初終凝時間和各齡期的抗壓強度均滿足研發指標要求。

表9 礦物摻合料最佳配比試驗結果

2.2 外加劑對半柔性路面水泥基灌漿料工作性能的調控

2.2.1 減水劑對灌漿料工作性能的影響

基于前述研究結果，研究減水劑對灌漿料性能的影響。采用的灌漿料體系中m(快硬硫鋁酸鹽水泥)∶m(普通硅酸鹽水泥)=7∶3，水膠比0.40、膠砂比0.25，粉煤灰、硅灰、赤泥摻量分別為硫鋁酸鹽-普通硅酸鹽復合水泥質量的9%、6%、3%，早強劑、膠粉摻量分別為膠凝材料質量的0.08%、1%。試驗采用聚羧酸高效減水劑，其與水泥的適應性更好，在較低摻量時對水泥的凝結時間等性能影響較小。不同減水劑摻量對半柔性路面用灌漿料的性能試驗結果見圖6。

圖6 減水劑對灌漿料流動度、抗壓強度和凝結時間的影響

由圖6(a)得出，灌漿料初始和20 min流動度值總體上隨減水劑摻量的增加呈下降趨勢。減水劑摻量為0.25%時，初始流動度剛好滿足要求(10 s≤t≤14 s)，但20 min的流動度值為65 s，不符合技術要求(t≤20 s)。由圖6(b)得出，3 h抗壓強度隨減水劑摻量的變化上下波動，無明顯規律，在摻量0.20%時達到最高抗壓強度13.72 MPa。1 d抗壓強度隨著減水劑摻量提高先上升后下降，當摻量為0.30%時，抗壓強度達到最大值為19.10 MPa。7 d抗壓強度的變化趨勢與1 d的相似，抗壓強度隨著減水劑摻量的增加先上升后下降，減水劑摻量為0.30%時，抗壓強度達到最大值為22.91 MPa。由圖6(c)得出，灌漿料初凝、終凝時間隨著減水劑摻量增加呈上升趨勢。當減水劑摻量為0.35%時，初凝時間為57 min，終凝時間為60 min，滿足相應技術要求(初凝：0.5 h≤t≤1.5 h;終凝時間：t≤2 h)。

因此，當減水劑摻量為0.35%時，初始流動度滿足要求，20 min流動度最接近性能指標要求，該摻量對應的抗壓強度和凝結時間也滿足要求，所以初步確定灌漿料體系里減水劑最佳摻量為0.35%。

2.2.2 膠粉對灌漿料工作性能的影響

可分散性乳膠粉可以提高灌漿材料的黏結性能和內聚力，降低成型的彈性模量，增強灌漿材料的彈性和抗彎曲強度，提高材料的耐沖擊性，確保灌漿料與瀝青黏結效果更好。基于前述研究結果，采用的灌漿料體系中m(快硬硫鋁酸鹽水泥)∶m(普通硅酸鹽水泥)=7∶3，水膠比0.40，膠砂比0.25，粉煤灰、硅灰、赤泥摻量分別為硫鋁酸鹽-普通硅酸鹽復合水泥質量的9%、6%、3%，早強劑、減水劑摻量分別為膠凝材料質量的0.08%、0.35%。試驗設定膠粉在半柔性路面水泥基灌漿料中的摻量為1.5%～3%，不同膠粉摻量對半柔性路面用灌漿料的性能試驗結果見圖7。

圖7 膠粉對灌漿料流動度、抗壓強度和凝結時間的影響

由圖7(a)得出，隨著乳膠粉摻量的增加，初始流動度值變化不明顯，但對20 min流動度影響較大。當可分散性乳膠粉摻量從1.5%增加到2.0%時，20 min流動度從26 s急劇增大到63 s，隨著可分散乳膠粉摻量的繼續增加，20 min流動度平緩減小。這主要是因為可分散性乳膠粉作為和易性調節劑，當摻量為2.0%時，增大了漿體的黏度，黏度變大導致流動度下降明顯，此時漿體的流動度損失較大。乳膠粉的加入可以保證灌漿料初始流動度滿足性能要求，20 min流動度有待于進一步調控。

由圖7(b)得出，3 h抗壓強度隨膠粉摻量的提高呈現先增加后降低的趨勢，當摻量為2.0%時，抗壓強度最大為13.61 MPa。1 d抗壓強度隨膠粉摻量的提高呈現出先降低后增加的趨勢。7 d抗壓強度隨著膠粉摻量的增加呈現先降低后增加再降低的趨勢，當膠粉摻量為2.5%時，抗壓強度達到最大為20.63 MPa，其余膠粉摻量的7 d抗壓強度均不滿足技術要求。當膠粉摻量在1.5%～3.0%之間變化時，28 d抗壓強度比技術要求略低。由圖7(c)得出，隨著膠粉摻量的增加，初凝和終凝時間都呈上升趨勢，均符合凝結時間的要求。因此，綜合考慮膠粉對灌漿料性能的影響，確定膠粉最佳摻量2.5%。

2.2.3 緩凝劑對灌漿料工作性能的影響

緩凝劑用于調整灌漿材料的凝結性能，用于保持漿體的20 min流動度，使灌漿材料可以在長時間內能保持極高流動度，方便施工。基于前述研究結果，灌漿料體系中m(快硬硫鋁酸鹽水泥)∶m(普通硅酸鹽水泥)=7∶3，水膠比0.40，膠砂比0.25，粉煤灰、硅灰、赤泥摻量分別為硫鋁酸鹽-普通硅酸鹽復合水泥質量的9%、6%、3%，早強劑、減水劑、膠粉摻量分別為膠凝材料質量的0.08%、0.35%、2.5%。不同緩凝劑摻量對半柔性路面用灌漿料的性能調控試驗結果見圖8。本文用硼酸和硼砂復摻作為緩凝劑，兩者的質量比例為6∶4，初步確定緩凝劑的摻量為0.05%～0.25%。

圖8 緩凝劑對灌漿料流動度、抗壓強度、凝結時間和干縮率的影響

由圖8(a)得出，當緩凝劑摻量為0.05%，初始流動度>14 s，不符合要求，其余摻量的初始流動度均<14 s，滿足技術要求。20 min流動度值隨緩凝劑摻量的增加呈下降趨勢，當緩凝劑摻量為0.20%時，達到20 min流錐流動度技術指標要求(<20 s)。由圖8(b)得出，當緩凝摻量在0%～0.25%之間時，3 h、1 d、7 d、28 d的抗壓強度均滿足技術指標要求，且緩凝劑摻量的增加對灌漿料的抗壓強度無顯著的影響。由圖8(c)得出，當緩凝摻量在0%～0.25%之間時，初終、凝時間隨緩凝劑摻量的增加而增加，且均符合技術指標要求。由圖8(d)得出，當緩凝及摻量為0.20%時，灌漿料的7 d干縮率達到最小值為0.18%。因此，綜合考慮緩凝劑對灌漿料性能的影響，確定緩凝劑最佳摻量為0.20%。

本文在水泥基灌漿料基礎配比的基礎上，通過外加劑對半柔性路面用水泥基灌漿料的工作性能進行了調控，制備得到了符合指標要求的早強型水泥基灌漿料，其具體材料配比如表10所示，其具體性能指標見表11，在滿足研發指標的配比下，初始和20 min流動度分別為13 s和19 s，初凝和終凝時間分別為62 min和65 min，3 h、1 d、7 d和28 d的抗壓強度分別為17.08 MPa、18.13 MPa、24.59 MPa和26.19 MPa，7 d干縮率為0.18%。成品試塊圖見圖9。

表10 滿足研發指標的灌漿料配比

表11 早強型高新能灌漿料性能指標

圖9 半柔性路面用早強型灌漿料灌注效果實物圖

3 結 論

(1)高效減水劑可以減小水泥膠凝材料顆粒間的摩擦阻力，使包裹在絮狀結構水泥中的自由水釋放而出，摻量的增大能明顯改善灌漿料的流動性能。減水劑對灌漿料早期強度促進作用不大，對后期強度提高比較明顯。和易性調節劑-可分散性乳膠粉用于漿體和易性調節，改善漿體的狀態，確保漿體不會過早出現分層離析現象。可分散性乳膠粉對初始流動度改善較為明顯，對灌漿料抗壓強度改變不明顯。

(2)緩凝劑可以延長水泥水化誘導期，從而延長灌漿材料的初凝、終凝時間，減小灌漿料的流動度和泌水率。初凝和終凝時間均隨緩凝劑摻量的增大而增大，對初始流動度的改善效果比乳膠粉要差，對20 min流動度影響較為明顯。

(3)半柔性路面用早強型水泥基灌漿料的合理配比為：m(快硬硫鋁酸鹽水泥)∶m(普通硅酸鹽水泥)=7∶3，水膠比為0.40，砂膠比為0.25，粉煤灰、硅灰、赤泥摻量分別為復合水泥質量的9%、6%、3%，早強劑、膠粉、減水劑、緩凝劑摻量分別為膠凝材料質量的0.08%、2.5%、0.35%、0.20%，該配比下灌漿料的各項性能均達到預期研發指標要求。所研發的半柔性路面用早強型水泥基灌漿料具有較好的工程應用價值。