不同細(xì)砂粉含量對堿激發(fā)灌漿材料流變性能的影響

摘 要：為研究半柔性路面（SFP）裂縫修補(bǔ)材料的基本工作性能，基于堿激發(fā)礦渣灌漿材料（OAASGM），本文通過試驗(yàn)系統(tǒng)評價(jià)了不同細(xì)砂粉含量對OAASGM的流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、流變性能以及力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論。1）細(xì)砂粉能有效延長凝結(jié)時(shí)間，改善OAASGM的流變性能，當(dāng)摻加量為10%（OAASGM-10）時(shí)，流動(dòng)性為14s，當(dāng)操作時(shí)間為45min時(shí)，初始屈服應(yīng)力為0.699Pa，塑性黏度為1.997Pa·s。2）OAASGM具有剪切變稀的特點(diǎn)，水分流失量較少。3）本文提出的堿激發(fā)礦渣灌漿材料滿足半柔性路面（SFP）的技術(shù)要求，可替代水泥成為SFP的灌漿材料。

關(guān)鍵詞：堿激發(fā)礦渣灌漿材料；半柔性路面；流變學(xué)；凝結(jié)時(shí)間

中圖分類號：U 41" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

半柔性路面（SFP）是一種新型的路面結(jié)構(gòu)形式，將水泥漿注入孔隙率為20%～28%的瀝青基層中形成。試驗(yàn)表明，SFP具有優(yōu)異的高低溫性能和耐久性，適用于城市公交車站、十字路口、高速公路收費(fèi)站、隧道出入口、港口道路進(jìn)出碼頭和機(jī)場水道等基礎(chǔ)設(shè)施。堿激發(fā)膠凝材料是一種由活性硅酸鋁（火山灰、礦渣、粉煤灰和偏高嶺土等）與堿激發(fā)劑反應(yīng)制備的新型綠色無機(jī)膠凝材料[1]，具有硬化快、早期強(qiáng)度高、流動(dòng)性與化學(xué)穩(wěn)定性良好和施工簡單等特點(diǎn)。堿激發(fā)膠凝材料的二氧化碳排放量僅為水泥的10%～20%，研究表明，堿激發(fā)水泥基材料作為一種新型黏結(jié)劑，可以在建筑領(lǐng)域取代或部分取代水泥[2]。

目前，關(guān)于堿激發(fā)水泥基材料在半柔性路面灌漿材料中的應(yīng)用研究較少，主要是基于兩組份或多組份灌漿材料與堿激發(fā)劑混合使用。本研究以礦渣為主要膠凝材料，以固體水玻璃為堿激發(fā)劑，制備了單組分堿激發(fā)礦渣灌漿材料。通過添加細(xì)砂粉作為無機(jī)填料，調(diào)整其凝結(jié)時(shí)間和流變性能，可以滿足半柔性灌漿材料的技術(shù)要求。通過結(jié)果驗(yàn)證單組分堿礦渣細(xì)砂注漿材料在SFP中的實(shí)際應(yīng)用性能，例如灌漿漿飽和度、馬歇爾穩(wěn)定性等參數(shù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料

試驗(yàn)中采用的細(xì)砂粉為河砂篩分球磨制成。礦渣和細(xì)砂粉詳情見表1。

1.2 試件制備

試驗(yàn)通過添加不同含量細(xì)砂粉，研究單組分堿礦渣灌漿材料的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性、流變性和力學(xué)性能。OAASGM中固體水玻璃與礦渣的比例為20∶100，水膠比為0.4，將CMS-Na作為保水劑，摻量為膠凝材料的0.25%。乳膠粉可以改善漿料的分散性，摻量為膠凝材料的0.05%。利用砂漿攪拌機(jī)，速度保持在1000r/min以上，用2/3的水混合攪拌干粉2min后，加入剩余的水?dāng)嚢?min?；旌媳壤姳?。

1.3 測試方法

1.3.1 流動(dòng)性

在SFP施工中，只有流動(dòng)性好的灌漿材料才能充分灌注瀝青基層的空隙。根據(jù)要求，試驗(yàn)中采用流動(dòng)錐法測定漿料的流動(dòng)性。

在測試前，流動(dòng)度測試模具的內(nèi)壁須完全濕潤，首先，將混合漿料倒入流動(dòng)錐測試模具中，漏斗用橡膠塞封閉。其次，拔出橡膠塞，待泥漿流出并開始計(jì)時(shí)，最后，當(dāng)漿料完全流出或漿料不能連續(xù)流出時(shí)停止計(jì)時(shí)。試驗(yàn)過程重復(fù)3次，時(shí)間精確到0.1s。

1.3.2 凝結(jié)時(shí)間

使用凝結(jié)時(shí)間測定儀確定灌漿材料的凝結(jié)時(shí)間，加水時(shí)開始計(jì)時(shí)，將混合漿液注射到測試裝置中。調(diào)整初始設(shè)定針接觸泥漿的表面，讓初凝試針自由下降。當(dāng)試針沉入底板附近4mm±1mm并且不再沉入時(shí)，記錄初始凝結(jié)時(shí)間。將測試模具翻轉(zhuǎn)到180°，并更換終凝試針。重復(fù)上述步驟，當(dāng)終凝試針沉入樣品（0.5mm）時(shí)，記錄終凝時(shí)間，終凝時(shí)間為從加水到測試結(jié)束。

1.3.3 抗折和抗壓強(qiáng)度

將制備的OAASGM注入40mm×40mm×160mm（寬×高×長）的塑料模具中，在振動(dòng)臺上振搗1min，然后用塑料膜覆蓋，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24h后拆模，將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定測試齡期（3d、7d和28d）。用DNS100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試，加載速率為0.5mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時(shí)間

圖1為細(xì)砂粉含量與凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系，可以看出，OAASGM的凝結(jié)時(shí)間隨細(xì)砂粉含量的增加而增加。含有5%細(xì)砂粉的OAASGM初始凝結(jié)時(shí)間為35min，最終凝結(jié)時(shí)間為50min。當(dāng)細(xì)砂粉含量增至20%時(shí)，OAASGM的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別增至74min和90min。由此表明，細(xì)砂粉可以有效地延長凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)細(xì)砂粉含量增加時(shí)，漿料中固體水玻璃的比例降低。由于固體水玻璃的溶解和放熱作用逐漸減弱，因此導(dǎo)致渣溶和硅膠聚合生成Ca2+的吸熱反應(yīng)緩慢。另外，漿料中分散的細(xì)砂粉較多，顆粒尺寸較小，阻礙了硅鋁單體結(jié)合。凝結(jié)時(shí)間短阻礙了泥漿的順利填充。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（初凝時(shí)間≥45min，終凝時(shí)間≤85min），細(xì)砂粉的推薦含量為10%～15%。

2.2 流動(dòng)性和流變性分析

細(xì)砂粉對OAASGM的流動(dòng)性有負(fù)面影響，新鮮漿料的流動(dòng)性隨著細(xì)砂粉的加入而降低。當(dāng)細(xì)砂粉含量為5%時(shí)，新鮮泥漿的流動(dòng)性為13.075s。新鮮漿料的流動(dòng)性為17.24s。當(dāng)細(xì)砂粉含量為20%時(shí)，細(xì)砂粉含量從5%增至20%，新鮮OAASGM的流動(dòng)性下降31.8%。漿料的大流動(dòng)性說明穩(wěn)定性差，容易出血和分離。低流動(dòng)性的泥漿具有高黏度性，不能靠自身的重力達(dá)到高灌漿飽和度。當(dāng)細(xì)砂粉含量為10%時(shí)，新漿料的流動(dòng)性為14s，符合10s～14s的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。隨后測試OAASGM的流變特性，以此驗(yàn)證細(xì)砂粉對流動(dòng)性的影響[3-5]。

從圖2和圖3可以看出，細(xì)河砂的含量從5%增至20%，新拌灌漿的剪應(yīng)力從0.43Pa增至1.49Pa，塑性黏度從0.1997Pa·s增至0.214Pa·s，細(xì)砂粉對OAASGM的流動(dòng)性和流變性能具有相同的影響。引起變化的原因主要有2個(gè)。1）由于細(xì)砂粉的比表面積大于礦渣的比表面積，濕潤細(xì)砂粉所須的水量增加，因此導(dǎo)致細(xì)砂粉和未溶解礦渣表面自由水形成的水膜變薄[6]。顆粒間更薄的水膜意味著存在更大的摩擦阻力。2）隨著細(xì)砂粉的用量增加，漿料中的凝膠比例變小，使凝膠形成的潤滑層不能完全覆蓋在礦渣和細(xì)砂粉表面，導(dǎo)致OAASGM的內(nèi)阻和屈服應(yīng)力增加。以上兩點(diǎn)也是OAASGM剪切變稀的原因，雖然OAASGM-5的初始屈服應(yīng)力最小，但是當(dāng)時(shí)間為19min時(shí)，OAASGM-10的初始屈服應(yīng)力低于OAASGM-5?？紤]適當(dāng)?shù)哪Y(jié)時(shí)間和流動(dòng)性，OAASGM的推薦用量為10%。

2.3 抗彎抗壓強(qiáng)度分析

圖4和圖5給出了3d、7d和28d不同養(yǎng)護(hù)齡期，含有不同細(xì)砂粉的OAASGM的斷裂模數(shù)和抗壓強(qiáng)度。OAASGM的斷裂模數(shù)和抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加，斷裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的趨勢，OAASGM的力學(xué)性能通過加入細(xì)砂粉而降低。圖4表明，隨著細(xì)砂用量從5%增至10%，養(yǎng)護(hù)28d后的斷裂模數(shù)分別為3.4MPa和3.35MPa。由圖5可以看出，養(yǎng)護(hù)3d、7d和28d后，隨著砂粉含量的增加，抗壓強(qiáng)度分別為38.8MPa～62.35MPa、32.67MPa～50.2MPa、31.5MPa～45.8MPa和26.67MPa～41.4MPa，所有OAASGM樣品的7d抗壓強(qiáng)度幾乎是自身28d抗壓強(qiáng)度的90%。凝膠含量降低，由于其是形成強(qiáng)度的主要來源，因此力學(xué)性能下降。由于凝膠含量降低，水化產(chǎn)物（C-S-H，C-A-S-H）不能完全包裹在細(xì)砂粉末表面，因此形成多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致抗彎、抗壓強(qiáng)度下降。

3 結(jié)論

本文制備了一種實(shí)用、具有高流動(dòng)性和一定觸變性的OAASGM，該材料可用于半柔性混凝土路面結(jié)構(gòu)裂縫修復(fù)，具有高自注漿飽和度和馬歇爾穩(wěn)定性。本文研究了細(xì)砂粉對OAASGM凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性、流變性和力學(xué)性能的影響。經(jīng)過研究，得出以下結(jié)論。1）細(xì)砂粉能有效延長OAASGM的凝結(jié)時(shí)間，改善其流變性能。當(dāng)細(xì)砂用量為10%（OAASGM-10）時(shí)，流動(dòng)性為14s，操作時(shí)間為45min。初始屈服應(yīng)力為0.699Pa，塑性黏度為1.997Pa·s。2）OAASGM的斷裂模數(shù)和抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長而增加，OAASGM樣品7d抗壓強(qiáng)度是其自身28d抗壓強(qiáng)度的90%。3）本文提出的細(xì)砂粉OAASGM滿足SFP的技術(shù)要求，當(dāng)用于實(shí)際路面工程時(shí)，細(xì)砂粉最優(yōu)摻量為10%。

參考文獻(xiàn)

[1]殷素紅，管海宇，胡捷，等.堿激發(fā)粉煤灰-礦渣灌漿材料的流變性與流動(dòng)性[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，47（8）：10.

[2]伍勇華，胡宇博，南峰，等.粉煤灰對堿激發(fā)礦渣膠凝材料耐鹽酸腐蝕性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào)，2019，38（4）：1166-117.

[3]黃法禮，李化建，易忠，等.環(huán)境溫度對新拌水泥基材料流變性能的影響研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2018，37（8）：8.

[4]相繼春，鄧笑波，李林鴻，等.石灰石粉對堿激發(fā)膠凝體系流變性能的影響[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，43（6）：8.

[5]張曉燕，成志強(qiáng)，孔繁盛.基于CA灌漿材料的半柔性路面低溫性能[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，43（8）：7.

[6]袁高明，劉全濤，楊天元.鋼渣集料半柔性路面材料的制備與性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2018，42（1）：5.