半柔性路面地聚合物材料性能研究

吴 平

(中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000 )

半柔性路面一般是指在空隙率25%左右的大空隙沥青混合料中灌注水泥浆液，而后养护成型的一种路面形式。刚性的水泥浆体与沥青混合料共同承受路面荷载，共同作用［1］，从而使得半柔性路面既有柔性的沥青路面的行车舒适、美观、修补方便等优点［2］，又具有刚性水泥路面的高承载能力、良好抗车辙能力、良好的抗疲劳性能、良好的抗剪切冲击性能［3］的优点，且最大程度上对两种路面的缺点进行了弥补［4］。从前述可以得出结论半柔性路面是一种区别于传统路面类型的新型复合路面,路面性能刚柔并济，但是随着半柔性路面的发展，常规的采用普通水泥浆灌注的半柔性路面也暴露出一些不足之处，归纳起来主要有三点：(1)采用普通水泥浆液作为灌注材料会造成地下水及施工区域周围污染［5］；(2)采用普通水泥浆灌注会产生流动性与路面强度不能兼顾的问题［6］；(3)柔性沥青界面与养护成型的刚性材料相接触的界面强度相差较大,不能很好地共同受力［7］。因此，道路材料研究人员尝试使用新型的更环保、强度更大、与沥青材料融合性更好的地聚合物灌浆材料代替水泥作为半柔性路面中的灌浆材料,对半柔性路面的发展具有一定意义。

1 地聚合物的强度机理

地聚合物是以天然矿物、固体废弃物以及人工硅铝化合物等为原材料,通过强碱作用和晶格重构等聚合作用而形成的以无机硅氧四面体和铝氧八面体为主要成分,同时在空间上具有三维网状结构的新型胶凝材料［8］。地聚合物的形成过程按照先后顺序大致可分为四个步骤:首先,硅铝酸盐固体氧化物原材料在碱激发剂的碱激发作用下溶解解体，分解成为单体或低聚物［9］;其次,溶解产物-低聚体或单体硅铝酸盐原材料扩散至碱激发剂中，并且在碱激发作用下解构的单体或低聚物重新聚合［10］；再次，在碱激发剂的作用下，重新聚合的低聚物发生缩聚反应，此过程中碱激发剂中的水以结合水和结构水的形式参与反应［11］。最后，重新聚合后的聚合物脱水，硅铝酸盐聚合物相互交联形成三维立体网状结构的凝胶物质，形成物理化学形式稳定具有强度的地聚合物［12］。硅铝酸盐在碱激发作用下产生的聚合物，其分子间的的作用力是有共价键提供，因此物理化性性质稳定，分子间作用力强，宏观表现为力学性能优越［13］。并且由于共聚物是三维立体网状分子结构，结构稳定胶体内部的结晶水并不会发何时能失水情况，从而表现为抗变形性能良好［14］。由于SiO4与AlO4四面体单元相互间结合稳定，材料内部不存在易与介质起化学反应的水化物，因此其耐侵蚀耐腐蚀性能良好［15］；用于制备地聚合物的硅铝酸盐原材料来源非常广泛,工业废弃物如赤泥、粉煤灰、矿渣、Na+尾矿、K+尾矿或者含硅、含铝的自然矿物例如偏高岭土、长石、方解石等均可用于制备地聚合物，上述材料来源广泛，硅铝碱活性高,与各类碱激发剂能够良好相互作用，充分反应［16］。

2 灌注地聚合物的材料性能

2.1 赤泥地聚合物

赤泥地聚合物的主要矿物组成为方解石、硅酸盐物质、铝硅酸盐物质［17］，主要采用水玻璃以及氢氧化钠进行碱激活，水化反应是铝硅酸盐原料聚合反应，水化反应产物为碱激活条件下溶解、水解、缩聚和固化四个过程产生的SiO2-Al2O3-CaO-Na2O共聚物［18］。在试验室标养条件下，养护成型的赤泥地聚合物的在自然环境下抗碳化性能优于普通水泥混凝土［19］，且抗氯离子渗透性能优越，适宜用于海边滩涂地带。

2.2 矿渣地聚合物的材料性质

矿渣地聚合物的聚合固化反应速度快，从而表现为早期强度上升速度快，早期强度高［20］；并且矿渣地聚合物的热稳定性好、耐高温［21］，具有优越的防火性能，并且耐酸解腐蚀性能好；聚合物形变率低，具有极低的收缩率和膨胀率。这主要是由于矿渣地聚合物特有的-CS-H-结构以及-Al-O-Si-基本单元结构［22］，这两种基本单元相互搭接交联构成三维硅铝网格结构，这种特殊的三维网络结构使得地聚合物材料具有良好的耐高温、耐腐蚀、不易形变等优越的物理力学性能。另外，矿渣地聚合物生产能耗低，制备工艺简单，无有害气体排放［23］，同时工业固废的再利用。

2.3 粉煤灰地聚合物

粉煤灰地聚合物的干缩性能以及抗裂性能优于普通粉煤灰水泥混凝土［24］，这主要是由于粉煤灰在碱激发剂作用下发生聚合反应，反应内容为粉煤灰中的玻璃质与碱激发剂发生解聚-缩聚反应，产物为N-A-S-H聚合物，并为粉煤灰地聚合物提供强度［25］。在粉煤灰地聚合物中采用普通硅酸盐水泥置换一部分粉煤灰能够提高粉煤灰地聚合物的抗压强度［26］。在对粉煤灰地聚合物进行碱激发时，适当的增加碱激发剂的含水量可以有效促进粉煤灰地聚合物的聚合反应并且聚合物养护湿度与普通水泥混凝土不同，宜控制在70%～80%区间范围内［27］。碱激发剂的掺量、粉煤灰的细度能够显著影响粉煤灰地聚合物的力学性能和收缩性能［28］。

2.4 偏高岭土地聚合物

偏高岭土地聚合物是应用最为广泛的地聚合物，偏高岭土地聚合物的反应过程有四个明显特征阶段分别是硅铝离子释出、硅铝离子重构、聚合物相互凝结、聚合物整体硬化［29］。偏高岭土地聚合物的常用碱激发剂为水玻璃-氢氧化钠复合溶液，经过激发的聚合物的力学性能基本不受温度的影响［30］，并且增加碱激发剂的用水量能够显著提高地聚合物的力学性能；并且偏高岭土地聚合物能够提供更好的粘结性能，能够更好地与沥青混合料粘结成一个整体共同承担荷载。影响偏高岭土力学性能和奶奶接性能的主要因素有Si/Al(摩尔比)、水/固体(质量比 )、Al/Na(摩尔比 )和 H2O/Na2O(摩尔比 )［31］。

2.5 纤维地聚合物

纤维地聚合物为复合地聚合物，一般为在基质硅铝酸原料地聚合物的基础上复配纤维材料，从而达到材料性能耦合的目的［32］。钢纤维复配粉煤灰基地聚合物，能够提高粉煤灰基地聚合物的抗压强度［33］；且能降低粉煤灰基地聚合物的孔隙率、有害离子吸收率，从而改善粉煤灰基地聚合物的耐久性［34］。钢纤维复配赤泥基地聚合物，能够较好地改善赤泥基地聚合物的断裂韧性，但是高温环境下，赤泥基地聚合物的断裂韧性较低温环境下的断裂韧性有所降低［35］。钢纤维与聚丙烯纤维混合后对赤泥基地聚合物的抗弯强度、断裂韧性的改善效果优于单一纤维的改善结果［36］，这主要是由于两种不同种类的纤维的桥接效果优于单一纤维的桥接效果。

3 结语

我国目前正处于经济发展模式从资源性经济转向为环境友好型经济发展模式阶段，这就要求推广使用更加环保高效节能的新材料投入到道路建设当中。地聚合物作为一种新材料，取材广泛，甚至可以作为工业固废消纳途径之一；生产耗能少，常温下即可制备，产物无毒无害无污染；性能优越，具有更好的力学性能、抗腐蚀性能、抗形变性能和粘结性能。用于半柔性路面灌注，能够做到强度和流动性兼顾，与沥青混合料良好粘结，值得更广泛的推广和使用。