半柔性路面地聚合物材料性能研究

吳 平

( 中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000 )

半柔性路面一般是指在空隙率25% 左右的大空隙瀝青混合料中灌注水泥漿液，而后養護成型的一種路面形式。剛性的水泥漿體與瀝青混合料共同承受路面荷載，共同作用［1］，從而使得半柔性路面既有柔性的瀝青路面的行車舒適、美觀、修補方便等優點［2］，又具有剛性水泥路面的高承載能力、良好抗車轍能力、良好的抗疲勞性能、良好的抗剪切沖擊性能［3］的優點，且最大程度上對兩種路面的缺點進行了彌補［4］。從前述可以得出結論半柔性路面是一種區別于傳統路面類型的新型復合路面,路面性能剛柔并濟，但是隨著半柔性路面的發展，常規的采用普通水泥漿灌注的半柔性路面也暴露出一些不足之處，歸納起來主要有三點：(1) 采用普通水泥漿液作為灌注材料會造成地下水及施工區域周圍污染［5］；(2) 采用普通水泥漿灌注會產生流動性與路面強度不能兼顧的問題［6］；(3) 柔性瀝青界面與養護成型的剛性材料相接觸的界面強度相差較大, 不能很好地共同受力［7］。因此，道路材料研究人員嘗試使用新型的更環保、強度更大、與瀝青材料融合性更好的地聚合物灌漿材料代替水泥作為半柔性路面中的灌漿材料, 對半柔性路面的發展具有一定意義。

1 地聚合物的強度機理

地聚合物是以天然礦物、固體廢棄物以及人工硅鋁化合物等為原材料, 通過強堿作用和晶格重構等聚合作用而形成的以無機硅氧四面體和鋁氧八面體為主要成分,同時在空間上具有三維網狀結構的新型膠凝材料［8］。地聚合物的形成過程按照先后順序大致可分為四個步驟:首先, 硅鋁酸鹽固體氧化物原材料在堿激發劑的堿激發作用下溶解解體，分解成為單體或低聚物［9］; 其次, 溶解產物-低聚體或單體硅鋁酸鹽原材料擴散至堿激發劑中，并且在堿激發作用下解構的單體或低聚物重新聚合［10］；再次，在堿激發劑的作用下，重新聚合的低聚物發生縮聚反應，此過程中堿激發劑中的水以結合水和結構水的形式參與反應［11］。最后，重新聚合后的聚合物脫水，硅鋁酸鹽聚合物相互交聯形成三維立體網狀結構的凝膠物質，形成物理化學形式穩定具有強度的地聚合物［12］。硅鋁酸鹽在堿激發作用下產生的聚合物，其分子間的的作用力是有共價鍵提供，因此物理化性性質穩定，分子間作用力強，宏觀表現為力學性能優越［13］。并且由于共聚物是三維立體網狀分子結構，結構穩定膠體內部的結晶水并不會發何時能失水情況，從而表現為抗變形性能良好［14］。由于SiO4與AlO4四面體單元相互間結合穩定，材料內部不存在易與介質起化學反應的水化物，因此其耐侵蝕耐腐蝕性能良好［15］；用于制備地聚合物的硅鋁酸鹽原材料來源非常廣泛, 工業廢棄物如赤泥、粉煤灰、礦渣、Na+尾礦、K+尾礦或者含硅、含鋁的自然礦物例如偏高嶺土、長石、方解石等均可用于制備地聚合物，上述材料來源廣泛，硅鋁堿活性高, 與各類堿激發劑能夠良好相互作用，充分反應［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礦物組成為方解石、硅酸鹽物質、鋁硅酸鹽物質［17］，主要采用水玻璃以及氫氧化鈉進行堿激活，水化反應是鋁硅酸鹽原料聚合反應，水化反應產物為堿激活條件下溶解、水解、縮聚和固化四個過程產生的SiO2-Al2O3-CaO-Na2O 共聚物［18］。在試驗室標養條件下，養護成型的赤泥地聚合物的在自然環境下抗碳化性能優于普通水泥混凝土［19］，且抗氯離子滲透性能優越，適宜用于海邊灘涂地帶。

2.2 礦渣地聚合物的材料性質

礦渣地聚合物的聚合固化反應速度快，從而表現為早期強度上升速度快，早期強度高［20］；并且礦渣地聚合物的熱穩定性好、耐高溫［21］，具有優越的防火性能，并且耐酸解腐蝕性能好；聚合物形變率低，具有極低的收縮率和膨脹率。這主要是由于礦渣地聚合物特有的-CS-H- 結構以及-Al-O-Si- 基本單元結構［22］，這兩種基本單元相互搭接交聯構成三維硅鋁網格結構，這種特殊的三維網絡結構使得地聚合物材料具有良好的耐高溫、耐腐蝕、不易形變等優越的物理力學性能。另外，礦渣地聚合物生產能耗低，制備工藝簡單，無有害氣體排放［23］，同時工業固廢的再利用。

2.3 粉煤灰地聚合物

粉煤灰地聚合物的干縮性能以及抗裂性能優于普通粉煤灰水泥混凝土［24］，這主要是由于粉煤灰在堿激發劑作用下發生聚合反應，反應內容為粉煤灰中的玻璃質與堿激發劑發生解聚-縮聚反應，產物為N-A-S-H 聚合物，并為粉煤灰地聚合物提供強度［25］。在粉煤灰地聚合物中采用普通硅酸鹽水泥置換一部分粉煤灰能夠提高粉煤灰地聚合物的抗壓強度［26］。在對粉煤灰地聚合物進行堿激發時，適當的增加堿激發劑的含水量可以有效促進粉煤灰地聚合物的聚合反應并且聚合物養護濕度與普通水泥混凝土不同，宜控制在70%～80% 區間范圍內［27］。堿激發劑的摻量、粉煤灰的細度能夠顯著影響粉煤灰地聚合物的力學性能和收縮性能［28］。

2.4 偏高嶺土地聚合物

偏高嶺土地聚合物是應用最為廣泛的地聚合物，偏高嶺土地聚合物的反應過程有四個明顯特征階段分別是硅鋁離子釋出、硅鋁離子重構、聚合物相互凝結、聚合物整體硬化［29］。偏高嶺土地聚合物的常用堿激發劑為水玻璃- 氫氧化鈉復合溶液，經過激發的聚合物的力學性能基本不受溫度的影響［30］，并且增加堿激發劑的用水量能夠顯著提高地聚合物的力學性能；并且偏高嶺土地聚合物能夠提供更好的粘結性能，能夠更好地與瀝青混合料粘結成一個整體共同承擔荷載。影響偏高嶺土力學性能和奶奶接性能的主要因素有Si/Al( 摩爾比)、水/ 固體(質量比)、Al/Na(摩爾比)和H2O/Na2O(摩爾比)［31］。

2.5 纖維地聚合物

纖維地聚合物為復合地聚合物，一般為在基質硅鋁酸原料地聚合物的基礎上復配纖維材料，從而達到材料性能耦合的目的［32］。鋼纖維復配粉煤灰基地聚合物，能夠提高粉煤灰基地聚合物的抗壓強度［33］；且能降低粉煤灰基地聚合物的孔隙率、有害離子吸收率，從而改善粉煤灰基地聚合物的耐久性［34］。鋼纖維復配赤泥基地聚合物，能夠較好地改善赤泥基地聚合物的斷裂韌性，但是高溫環境下，赤泥基地聚合物的斷裂韌性較低溫環境下的斷裂韌性有所降低［35］。鋼纖維與聚丙烯纖維混合后對赤泥基地聚合物的抗彎強度、斷裂韌性的改善效果優于單一纖維的改善結果［36］，這主要是由于兩種不同種類的纖維的橋接效果優于單一纖維的橋接效果。

3 結語

我國目前正處于經濟發展模式從資源性經濟轉向為環境友好型經濟發展模式階段，這就要求推廣使用更加環保高效節能的新材料投入到道路建設當中。地聚合物作為一種新材料，取材廣泛，甚至可以作為工業固廢消納途徑之一；生產耗能少，常溫下即可制備，產物無毒無害無污染；性能優越，具有更好的力學性能、抗腐蝕性能、抗形變性能和粘結性能。用于半柔性路面灌注，能夠做到強度和流動性兼顧，與瀝青混合料良好粘結，值得更廣泛的推廣和使用。