包惠明, 湯銘鋒

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

灌注式半柔性路面一般是指在開級(jí)配大孔隙瀝青混合料中灌注膠漿形成的復(fù)合式路面，它兼具瀝青混凝土和水泥混凝土的優(yōu)點(diǎn).一方面，灌注式半柔性路面可以解決夏季高溫條件下瀝青材料高溫穩(wěn)定性不佳造成的車轍問題，尤其是在重載地區(qū)，可以減少擁包、推擠、波浪、坑槽，以及路面整體的塑性變形等道路病害；另一方面，也可避免水泥混凝土路面接縫復(fù)雜、養(yǎng)護(hù)條件嚴(yán)格、養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)及行車舒適性不佳等問題[1].

半柔性路面灌漿材料復(fù)合砂漿的組成及配合比是重要的影響因素[2]，灌漿材料可分為有機(jī)、無機(jī)、有機(jī)無機(jī)復(fù)合3種類型[3].近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)半柔性路面灌漿材料的研究頗多[4-8]，但主要針對(duì)水泥砂漿(OPC)進(jìn)行研究，對(duì)地聚物砂漿(GP)的研究很少.然而，地聚物砂漿作為一種新型的灌漿材料，比水泥更加節(jié)能環(huán)保，無需高溫煅燒，在常溫下即可進(jìn)行反應(yīng),且地聚物的來源十分廣泛[9-10]，主要應(yīng)用于水泥混凝土路面的快速修補(bǔ)及基層注漿加固等方面[11-17].徐建軍等[18]研究粉煤灰、礦渣通過堿激發(fā)劑的作用，制備用于道路修復(fù)加固的地聚物注漿材料，較好地解決了傳統(tǒng)水泥注漿材料耐久性差、使用壽命短等問題.宋魯俠[19]的研究表明，粉煤灰取代率和堿激發(fā)劑摻量是影響礦渣基地聚物凈漿抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素，粉煤灰可以提高礦渣基地聚物凈漿的力學(xué)性能.基于此，本文對(duì)地聚物砂漿半柔性路面材料的路用性能進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)材料

1.1 集料和填料

粗集料、細(xì)集料均為廣西桂林市瓦窯采石場(chǎng)的石灰?guī)r，石灰?guī)r表面多為灰色，紋理較好，片狀較低，

表1 瀝青的檢測(cè)指標(biāo)Tab.1 Test indexes of asphalt

質(zhì)地堅(jiān)硬，棱角性較好.填料采用石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，表觀密度為2.71 g·cm-3,各項(xiàng)指標(biāo)均符合JTG E 42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》的要求.

1.2 瀝青

瀝青采用“東海牌”70#A級(jí)道路石油瀝青(中國(guó)石化股份有限公司廣東茂名分公司)，各指標(biāo)均符合JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求.瀝青的檢測(cè)指標(biāo),如表1所示.

1.3 砂漿

水泥砂漿采用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥符合JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的要求；采用標(biāo)準(zhǔn)砂(福建省廈門市艾思?xì)W有限公司)，其細(xì)度模數(shù)和粒徑均符合ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).水泥砂漿膠凝材料的質(zhì)量為粉煤灰、礦粉、水泥的質(zhì)量之和.水泥砂漿配合比的水膠比、砂膠比、礦粉摻量、粉煤灰摻量分別為0.6，0.2，10%，10%.

圖1 地聚物砂漿的制備流程Fig.1 Preparation process of geopolymer mortar

地聚物砂漿的制備流程，如圖1所示.

地聚物砂漿采用一級(jí)F類粉煤灰(河南省鞏義市鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司)，密度為2.1 g·cm-3,比表面積為393 m2·kg-1；采用S95級(jí)礦粉(廣東省韶關(guān)市鋼鐵集團(tuán)有限公司)，密度為2.96 g·cm-3,比表面積為697 m2·kg-1；堿激發(fā)劑的配制采用工業(yè)級(jí)水玻璃(湖南省湘潭市荷塘化工有限公司).地聚物砂漿主要由粉煤灰、礦粉、砂和堿激發(fā)劑組成，其中，堿激發(fā)劑為水玻璃和氫氧化鈉調(diào)配成模數(shù)為1.5的水溶液.

堿激發(fā)劑摻量為堿激發(fā)劑的固態(tài)質(zhì)量占總膠凝材料質(zhì)量的比率.地聚物砂漿膠凝材料的質(zhì)量為粉煤灰、礦渣的質(zhì)量與堿激發(fā)劑的固含量之和，地聚物砂漿配合比的礦灰比、堿激發(fā)劑摻量、水玻璃模數(shù)、水膠比、砂膠比分別為0.43，14%，1.5，0.45,0.2.

表2 地聚物砂漿和水泥砂漿的技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indexs of geopolymer mortar and cement mortar

地聚物砂漿和水泥砂漿的技術(shù)指標(biāo)，如表2所示.表2中：L為流動(dòng)度；R為7 d抗壓強(qiáng)度；Rb為7 d抗折強(qiáng)度；η1為泌水率；η2為干縮率.兩種砂漿均符合D51-01—2019《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》的要求.

2 基體瀝青混合料的設(shè)計(jì)

以主骨料間隙填充(CAVF)法的設(shè)計(jì)思想為主導(dǎo)，為保證灌漿質(zhì)量，選用間斷性開級(jí)配，設(shè)定目標(biāo)空隙率為24%.參考DB44/T 1296—2014《專用砂漿半柔性路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的推薦級(jí)配范圍，調(diào)整粗、細(xì)集料用量，使基體瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)符合D51-01—2019《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》的要求.將該基體瀝青混合料作為灌漿母體，其密度、空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、流值的實(shí)測(cè)值分別為1.97 g·cm-3，23.4%，4.4 kN，2.3 mm，均符合規(guī)范要求.瀝青用量為3%，篩孔孔徑為16，13.2，9.5，4.75，2.36，0.075 mm的質(zhì)量通過率分別為100.0%,97.6%,13.9%,10.0%,8.2%,3.0%.

圖2 兩種類型砂漿的灌注效果Fig.2 Grouting effect of two types of mortar

3 路用性能評(píng)價(jià)

3.1 灌注方法及灌注效果

采用振動(dòng)下滲的方法對(duì)基體瀝青混合料進(jìn)行兩種砂漿的灌注，灌注完成后，用刮板刮出表面多余的漿料，直至露出瀝青混合料表面的粗集料，取養(yǎng)護(hù)成型的部分試件進(jìn)行切割處理，觀察基體瀝青混合料的灌注效果及內(nèi)部漿料的填充情況.

兩種類型砂漿的灌注效果，如圖2所示.由圖2可知：在瀝青混合料之間包裹了兩種砂漿，淡黃色部分為水泥砂漿，暗灰色部分為地聚物砂漿，這與材料的顏色與用量有關(guān)；試件絕大部分空隙被兩種砂漿填滿，只有極少部分閉合空隙未被填充，這表明地聚物砂漿與水泥砂漿的流動(dòng)性和可灌性較好.

3.2 馬歇爾穩(wěn)定度

地聚物砂漿和水泥砂漿作為剛性材料，灌注率(δ)對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度有較大的影響，文獻(xiàn)[20-21]的研究表明:灌注率越高，半柔性路面材料的力學(xué)強(qiáng)度越大，但過高的灌注率對(duì)路面的抗滑性能不利，半柔性路面適宜的漿體灌注率為85%～95%.以灌注率為控制變量，分別制備灌注率為85%，90%，95%的兩種類型(水泥砂漿型、地聚物砂漿型)的半柔性路面材料(圖3).標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，測(cè)得半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度(SM)和流值(s)，如圖4所示.

(a) 水泥砂漿型 (b) 地聚物砂漿型 圖3 兩種類型的半柔性路面材料 圖4 半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度和流值 Fig.3 Two types of semi-flexible pavement materials Fig.4 Marshall stability and flow values of semi-flexible pavement materials

由圖4可得以下3點(diǎn)結(jié)論.1) 相較于基體瀝青混合料，水泥砂漿和地聚物砂漿半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度提高約3～4倍，這是因?yàn)榛w瀝青混合料的結(jié)構(gòu)類型為骨架空隙型，隨著灌注率從85%提高到95%，水泥砂漿和地聚物砂漿半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度不斷提高，灌注砂漿后空隙得到充分填充，骨架空隙型轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌苊軐?shí)型，試件的毛體積密度增大，粘聚力和內(nèi)摩擦角均有提高，從而使強(qiáng)度得到極大地提高.2) 地聚物砂漿半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度大于水泥砂漿半柔性路面材料，在3種灌注率條件下，地聚物砂漿半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度比水泥砂漿半柔性路面材料分別提高了9.8%，21.6%，14.9%，這可能是因?yàn)榈鼐畚锷皾{的力學(xué)強(qiáng)度大于水泥砂漿，而灌漿后的材料流值又未明顯增加，故地聚物砂漿的抗變形能力優(yōu)于水泥砂漿.3) 當(dāng)同種類型半柔性路面材料的灌注率由85%提高到90%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度的增幅最大，說明灌注率為90%的基體瀝青混合料的填充效果較好.

3.3 高溫穩(wěn)定性

(a) 水泥砂漿型 (b) 地聚物砂漿型圖5 車轍板試件Fig.5 Rut plate specimens

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的測(cè)試方法，采用輪碾法制備車轍板試件(300 mm×300 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬×高)).通過振動(dòng)臺(tái)，采用振動(dòng)下滲法進(jìn)行膠漿灌注成型(圖5)；在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d后，將試件放入60 ℃的恒溫干燥箱中，保溫8 h.在試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪碾壓力為0.7 MPa的條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn).車轍深度(h)與灌注率的變化關(guān)系，如圖6所示.圖6中：t為輪碾時(shí)間.動(dòng)穩(wěn)定度(Sd)與灌注率的變化關(guān)系，如圖7所示.

(a) δ=85% (b) δ=90% (c) δ=95% 圖6 車轍深度與灌注率的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between rut depth and grouting rate

圖7 動(dòng)穩(wěn)定度與灌注率的變化關(guān)系Fig.7 Relationship between dynamic stability and grouting rate

由圖6可知：車轍深度隨輪碾時(shí)間的增加而不斷增大，但是最大車轍深度都未超過1.3 mm，說明兩種類型的半柔性路面材料都具有較好的抗車轍能力；兩種類型的半柔性路面材料車轍深度的變化都是由快到慢，最后趨于平穩(wěn)；水泥砂漿和地聚物砂漿半柔性路面材料10 min的車轍深度分別達(dá)到總車轍深度的74.6%,71.8%；兩者的車轍深度在前10 min變化明顯，在20 min后趨于平穩(wěn)，這可能是因?yàn)樵谲囕v荷載作用下，試驗(yàn)前期混合料內(nèi)未灌注膠漿的部分閉合空隙被壓實(shí)擠密.

由圖6，7可知：隨著灌注率的增加，兩種類型的半柔性路面材料的車轍深度減小，動(dòng)穩(wěn)定度增加；當(dāng)灌注率從85%提高到90%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度的增幅較為明顯.此外，在相同灌注率半柔性路面材料的車轍試驗(yàn)中，水泥砂漿半柔性路面材料60 min的車轍變形最大；地聚物砂漿半柔性路面材料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于水泥砂漿半柔性路面材料，前者約為后者的1.1～1.2倍，且遠(yuǎn)大于規(guī)范要求(Sd=10 000 次·mm-1).

綜上可知，地聚物砂漿半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于水泥砂漿半柔性路面材料，可能是因?yàn)榈鼐畚锷皾{具有更高的強(qiáng)度、更好的耐高溫性能，這與馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)的結(jié)論一致.

3.4 水穩(wěn)定性

表3 凍融劈裂的試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of freeze-thaw splitting test

由表3可知：在相同灌注率的條件下，地聚物砂漿半柔性路面材料的凍融劈裂強(qiáng)度比均高于水泥砂漿半柔性路面材料；當(dāng)灌注率為90%時(shí)，地聚物砂漿半柔性路面材料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比是水泥砂漿半柔性路面材料的107.4%，說明地聚物砂漿半柔性路面材料的水穩(wěn)定性較好，這是由于抗凍融性能與砂漿中的空氣含量及氣泡間距因子有關(guān)[20]，地聚物砂漿的粉煤灰細(xì)度比水泥砂漿的水泥低，且地聚物砂漿的孔隙率、吸水率較低，結(jié)構(gòu)致密度和均勻性較好，抗壓強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)相對(duì)難以冷凍和飽和[21].研究表明，用NaOH和Na2SiO3溶液復(fù)合激發(fā)的地聚物具有優(yōu)異的抗凍融性[22-24].

由表3還可知：當(dāng)灌注率從85%提高到95%時(shí)，水泥砂漿半柔性路面材料的凍融劈裂強(qiáng)度比不斷提高，而地聚物砂漿半柔性路面材料的凍融劈裂強(qiáng)度比先升高后下降；當(dāng)灌注率90%時(shí)，地聚物砂漿半柔性路面材料的水穩(wěn)定性最佳，可能是由于灌注率從90%提升到95%，地聚物砂漿凍融組的劈裂抗拉強(qiáng)度比相對(duì)于水泥砂漿的增長(zhǎng)并不明顯，而非凍融組劈裂抗拉強(qiáng)度明顯增加，故凍融劈裂強(qiáng)度比變??；地聚物砂漿半柔性路面材料的劈裂抗拉強(qiáng)度低于水泥砂漿半柔性路面材料,這可能是由于地聚物砂漿的壓折比高于水泥砂漿，在劈裂過程中更容易脆斷，故地聚物砂漿半柔性路面材料的韌性較差.

3.5 低溫抗裂性

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的試驗(yàn)方法進(jìn)行小梁低溫彎曲實(shí)驗(yàn).將輪碾成型后的試件切割成250 mm×30 mm×35 mm(長(zhǎng)×寬×高)的棱柱體小梁，跨徑為200 mm；將切割后的小梁置于恒溫冰箱，溫度為-10 ℃；采用加載速率為50 mm·min-1的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試.

表4 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of low temperature bending test

低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示.表4中：RB為抗彎拉強(qiáng)度；εB為最大彎拉應(yīng)變；SB為彎曲勁度模量.

由表4可知：隨著灌注率的提高，兩種類型的半柔性路面材料的抗彎拉強(qiáng)度先增加后減少；當(dāng)灌注率為90%時(shí)，兩者的抗彎拉強(qiáng)度最大，低溫抗裂性較好，這可能是由于灌注過少的砂漿(剛性材料)，抗彎拉強(qiáng)度還存在提升的空間，灌注過多的剛性材料又會(huì)使韌性降低；地聚物砂漿半柔性路面材料的抗彎拉強(qiáng)度低于水泥砂漿半柔性路面材料，灌注率為85%，90%，95%的條件下，地聚物砂漿半柔性路面材料的抗彎拉強(qiáng)度分別只有水泥砂漿半柔性路面材料的72.0%，70.7%，70.0%，可能是由于地聚物砂漿的抗折強(qiáng)度低于水泥砂漿，材料的壓折比較大，脆性也較大.由表4還可知：地聚物砂漿半柔性路面材料的彎曲勁度模量大于水泥砂漿半柔性路面材料，說明其韌性相對(duì)較差.

綜上可知，在不同灌注率的條件下，地聚物砂漿半柔性路面材料的低溫抗裂性能均劣于水泥砂漿.

4 路用性能綜合分析及經(jīng)濟(jì)適用性

不同砂漿類型和灌注率的半柔性路面材料的路用性能也不相同，因此，采用權(quán)重指標(biāo)對(duì)路用性能進(jìn)行綜合分析.

以不同砂漿類型和灌注率的路用性能測(cè)試結(jié)果作為排序依據(jù)；以動(dòng)穩(wěn)定度作為高溫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，動(dòng)穩(wěn)定度區(qū)間為[10 000,15 000]，[15 000,20 000]，[20 000,25 000]，將兩者分別賦值為1，2，3；以凍融劈裂強(qiáng)度比作為水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將凍融劈裂強(qiáng)度比區(qū)間[70,80]，[80，90]，[90,100] 分別賦值為1，2，3；以彎曲勁度模量作為低溫抗裂性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將彎曲勁度模量的區(qū)間[4 800,5 200]，[4 400,4 800]，[4 000,4 400] 分別賦值為1，2，3.將各個(gè)路用性能的評(píng)分指標(biāo)相加，根據(jù)總值進(jìn)行綜合分析，總值越大，則半柔性路面材料的綜合路用性能越好.

表5 綜合路用性能的對(duì)比Tab.5 Comparison of comprehensive road performance

半柔性路面材料綜合路用性能的對(duì)比，如表5所示.考慮到實(shí)際工程中的經(jīng)濟(jì)適用性，結(jié)合廣西地區(qū)的市場(chǎng)價(jià)格，對(duì)材料價(jià)格進(jìn)行統(tǒng)計(jì).

兩種砂漿的價(jià)格對(duì)比，如表6所示.表6中：P為綜合單價(jià).

表6 兩種砂漿的價(jià)格對(duì)比Tab.6 Price comparison of two kinds of mortar

由表5，6可知：灌注率為90%的地聚物砂漿半柔性路面材料的綜合路用性能最佳；灌注率為90%，95%的水泥砂漿半柔性路面材料與灌注率為95%的地聚物砂漿半柔性路面材料的綜合路用性能較為接近；地聚物砂漿半柔性路面材料的綜合單價(jià)略高，但從綜合路用性能角度出發(fā)，灌注率為90%的地聚物砂漿半柔性路面材料的性價(jià)比最高，灌注率為90%的水泥砂漿半柔性路面材料次之.

5 結(jié)論

1) 兩種類型半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度比基體瀝青混合料提高約3～4倍，馬歇爾穩(wěn)定度隨著灌注率的增加而增加.當(dāng)灌注率為90%時(shí)，地聚物砂漿半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度比水泥砂漿半柔性路面材料提高了21.6%；當(dāng)灌注率從85%提高到90%時(shí)，兩種類型半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定的增幅最大；當(dāng)灌注率為90%時(shí)，地聚砂漿半柔性路面材料的高溫性能較優(yōu).

2) 當(dāng)灌注率相同時(shí)，地聚物砂漿半柔性路面材料的凍融劈裂強(qiáng)度比高于水泥砂漿半柔性路面材料；當(dāng)灌注率為90%時(shí)，地聚物砂漿半柔性路面材料的凍融劈裂強(qiáng)度比是水泥砂漿半柔性路面材料的107.4%，說明地聚物砂漿半柔性路面材料的水穩(wěn)定性較好.

3) 地聚物砂漿半柔性路面材料的抗彎拉強(qiáng)度較低，當(dāng)灌注率分別為85%，90%，95%時(shí)，地聚物砂漿半柔性路面材料的抗彎拉強(qiáng)度分別只有水泥砂漿半柔性路面材料的72.0%，70.7%，70.0%；地聚物砂漿半柔性路面材料的彎曲勁度模量較高，韌性較差，故其抗裂性較差.

4) 從綜合路用性能及經(jīng)濟(jì)適用性角度分析，灌注率為90%的地聚物砂漿半柔性路面材料的性價(jià)比最高，灌注率為90%的水泥砂漿半柔性路面材料次之，地聚物砂漿推薦配合比的礦灰比為0.43，堿激發(fā)劑摻量為14%，水玻璃模數(shù)為1.5，水膠比為0.45，砂膠比為0.2.