灌注式半柔性路面用CA砂浆配合比优化设计

赵 炜

(新疆交通科学研究院 乌鲁木齐市 830001)

灌注式半柔性路面当中所用的水泥砂浆大多为普通水泥砂浆，由于其造价低、易制备等优点被广泛应用于实际工程中。但是通过实际应用后发现，普通水泥砂浆的干缩性能、韧性、抗裂性能等方面欠佳，不能很好地满足工程上的需要,因此非常有必要对普通水泥砂浆进行改性，使其能够在复合路面中发挥出更大的优势。

1 灌浆材料设计原则

(1)工作性能

灌浆材料需具有良好的流动性，灌浆材料能够充分灌入基体沥青混合料中形成整体；良好的泌水性，保证砂浆分布均匀，不出现分层、离析等现象。本研究以流动度指标评价灌浆材料的流动性，泌水率表征砂浆的均匀性。

(2)力学性能

灌浆材料需具有一定的抗压强度和抗弯拉强度，与基体沥青混合料共同承受外界荷载，才能达到理想的效果。本研究以抗折强度、抗压强度评价灌浆材料的力学性能。

(3)体积稳定性

砂浆的温缩与干缩现象，再加上行车荷载以及自然环境因素的作用，会影响灌注材料与基体沥青混合料之间的粘结性、整体性。因此，应在保证灌浆材料力学性能的前提下尽量降低灌浆材料的收缩率，本研究中以体积收缩率评价砂浆的体积稳定性。

(4)环保性

自我国可持续发展战略实施以来，“环保”、“绿色”、“以人为本”等理念就一直贯穿在材料开发、应用过程中，故本研究中充分贯彻这几项原则。

灌浆材料设计原则如表1所示。

表1 灌浆材料指标表

2 试验方案及过程

本研究中CA砂浆组成材料主要有水泥、砂、粉煤灰、矿粉、水、乳化沥青、橡胶粉，以及减水剂、膨胀剂等助剂材料。首先采用正交试验制备并筛选出综合性能最佳的一组普通水泥砂浆作为基础配合比，然后以橡胶粉、乳化沥青作为改性剂，掺量作为变量逐步优化筛选出最佳性能的CA砂浆，作为最终的灌浆材料。

2.1 普通水泥砂浆配合比优化

在试配试验的前提下，初步确定了普通水泥砂浆水灰比在0.60左右，粉煤灰合理掺量在10%左右，矿粉合理掺量在10%左右，特细砂掺量在20%左右。膨胀剂合理用量在8%～10%之间，减水剂合理用量在0.8%～1%之间(各掺量均以水泥质量为基数)。采用正交试验法，在合理范围附近取值，以水灰比、粉煤灰掺量、矿粉掺量以及特细砂掺量作为变量，膨胀剂取8%，减水剂取0.8%，最终根据正交试验确定了普通水泥砂浆最佳配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶特细砂∶膨胀剂∶减水剂∶水=100∶15∶10∶30∶8∶0.8∶55。各项性能指标如表2所示。

表2 灌浆材料指标表

2.2 橡胶粉—水泥砂浆配合比优化

普通水泥砂浆里掺加橡胶粉，由于橡胶粉与特细砂的密度相差太大，宜采用等体积置换的方式，即用等体积的橡胶粉替换特细砂。已有的橡胶粉水泥砂浆的研究中，结果都表明橡胶粉存在最佳掺加比例，但随着目数的不同，最佳掺加比例也会发生变化，但总体都是在5%～15%之间。如于立刚等[1]在橡胶粉改性水泥砂浆的研究中得出随着橡胶粉掺量的增加，橡胶粉水泥胶浆的强度减小幅度明显；但当橡胶粉掺量超过15%时，橡胶粉水泥胶浆的强度减小幅度放缓；牛文[2]详细探究了橡胶粉的目数和掺量对橡胶粉水泥砂浆的影响，得出当橡胶粉掺量超过15%时，橡胶粉水泥砂浆的力学强度与耐磨性均开始大幅度下降，而且橡胶粉在相同掺量下，目数越大各方面性能越好，但改善幅度不大。

为详细探究橡胶粉掺量对水泥砂浆性能的影响规律，本研究将已经配制出的普通水泥砂浆作为基础配合比，橡胶粉掺量作为变量，分别取10%、15%、20%、25%，通过试验探究其对水泥砂浆性能的影响。试验结果如表3所示。

表3 橡胶粉水泥砂浆性能表

分析数据可知：

(1)橡胶粉掺量的增加对水泥砂浆流动度的影响不大。

(2)橡胶粉水泥砂浆的泌水率随着橡胶粉掺量的增加而减小，并且在橡胶粉掺量超过15%以后，泌水率趋于平缓。

(3)水泥砂浆的抗折强度随着橡胶粉掺量的增加整体呈降低趋势，而且加入橡胶粉后对7d龄期水泥砂浆的抗折强度影响较大，在橡胶粉掺量超过15%后，抗折强度降低幅度不明显。

(4)水泥砂浆的抗压强度随着橡胶粉掺量的增加整体呈降低趋势，而且加入橡胶粉后对7d龄期水泥砂浆的抗压强度影响较大，在橡胶粉掺量超过15%后，抗压强度降低幅度放缓。

(5)在各个龄期内水泥砂浆的体积收缩随着橡胶粉掺量的增加而减小，说明橡胶粉对于水泥砂浆的干缩现象有一定的改善作用，改善效果在橡胶粉掺量为15%时最明显。即最终橡胶粉水泥砂浆的配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶特细砂∶橡胶粉∶膨胀剂∶减水剂∶水=100∶15∶10∶30∶15∶8∶0.8∶55。

2.3 CA砂浆配合比优化

对于原材料乳化沥青的选择：根据已有CA砂浆的研究成果，可知阳离子乳化沥青与水泥的相容性最好[3]，砂浆终凝后具有较高的抗弯拉强度。并且有研究表明阳离子乳化沥青改善复合材料低温性能的能力明显强于阴离子乳化沥青。另外考虑到乳化沥青的破乳速度，宜选中裂或慢裂型的乳化剂，以满足灌浆所需要的条件。根据需要本研究自主制备出了符合条件所需的阳离子乳化沥青，性能如表4所示。

表4 乳化沥青性能

为详细探究乳化沥青掺量对橡胶粉水泥砂浆性能的影响规律，本研究将已经配制出的橡胶粉水泥砂浆作为基础配合比，聚灰比(乳化沥青∶水泥)作为变量，分别取0.2、0.3、0.4、0.5，采用不同的聚灰比时要将乳化沥青中的水计算到水灰比当中，试验结果如表5所示。

选取最佳乳化沥青用量时，应综合考虑CA砂浆力学性能、工作性能、体积收缩性以及成本等因素。从工作性能分析：聚灰比越大，CA砂浆的流动度、泌水率、体积稳定性就越好；从力学性能分析，当聚灰比大于0.4后，CA砂浆的抗折抗压强度下降明显，已经不能满足性能指标要求。并且考虑到成本因素，乳化沥青用量越多也会导致砂浆成本增大。而当聚灰比为0.3时，CA砂浆的工作性能得到了较大的改善，而且力学性能也远远超过指标要求。因此最终确定最佳聚灰比为0.3，即CA砂浆配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶特细砂∶橡胶粉∶乳化沥青∶膨胀剂∶减水剂∶水=100∶15∶10∶30∶15∶30∶8∶0.8∶43。

表5 CA砂浆性能表

3 CA砂浆强度形成机理分析

CA砂浆中水泥水化的产物与乳化沥青破乳后的沥青共同形成强度，其中水泥水化过程需水，乳化沥青破乳过程憎水，两者相互促进最终达到稳定状态。乳化沥青破乳后被水泥水化的产物所包裹，形成复合胶凝材料。

当乳化沥青用量较大时，整个胶凝体系中固化沥青对CA砂浆强度起主导作用，而且其直径随着水化反应的进一步进行而增大。硬化完成后水泥的水化产物由沥青包裹，胶凝结构强度较低，受力后容易发生破坏；当乳化沥青用量较小时，水泥水化的产物对CA砂浆强度起主导作用，硬化后胶凝体系强度较高，而且乳化沥青破乳后可增大CA砂浆柔性，改善CA砂浆性能。

4 结论

(1)通过正交实验法确定了普通水泥砂浆的配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶特细砂∶膨胀剂∶减水剂∶水=100∶15∶10∶30∶8∶0.8∶55。

(2)通过等体积替换特细砂的方法掺加橡胶粉，探究并得出了不同掺加比例5%、10%、15%、20%对水泥砂浆工作性能以及力学性能的影响规律，最终确定最佳掺加比例为15%，得出橡胶粉水泥砂浆最佳配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶特细砂∶橡胶粉∶膨胀剂∶减水剂∶水=100∶15∶10∶30∶15∶8∶0.8∶55。

(3)优化了CA砂浆的制作步骤，探究并得出了不同聚灰比0.2、0.3、0.4、0.5对砂浆力学性能以及工作性能的影响规律。最终确定最佳聚灰比为0.3，即最佳CA砂浆配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶特细砂∶橡胶粉∶乳化沥青∶膨胀剂∶减水剂∶水=100∶15∶10∶30∶15∶30∶8∶0.8∶43。