含玻璃微珠的低導熱灌注式水泥基材料設計與性能評價

鄧 甲

(南京鐵路建設投資有限責任公司 南京市 210000)

為了減少路面高溫病害現象[1]的出現，可以采取一定的方法來改變瀝青路表對熱量的吸收特性與傳遞特性[2]，將輻射熱量阻擋在外部空間，減少路面內熱量的積累，控制路面溫度[3-4]。故針對瀝青路面的熱傳遞方式，基于大空隙半柔性瀝青路面，將漿體熱阻材料應用于路面表層，減少外部熱量進入瀝青路面內來阻止路面溫度的升高，達到路面降溫的目的。在此基礎上選用空心玻璃微珠[5]來制備低導熱灌注式水泥基材料，灌入半柔性瀝青路面中以形成上面層隔熱層，阻擋外部熱量的進入，最終達到瀝青路面降溫的效果[6-7]。

1 配合比設計

1.1 選用的配合比

在進行相關力學及熱學性能測定試驗前，先要找出適宜的配合比，使得水泥基中的空心玻璃微珠能夠均勻分布，并且同時滿足一定的流動度要求。本試驗采用空心玻璃微珠作為水泥基材料中的低導熱填料，以快硬硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，選用0.5、0.48、0.45、0.42、0.40和0.38的水灰比，每組水灰比下以微珠質量分數分別為0%、0.5%、1%、1.5%和2%制備各組試件，硅灰質量分數均為5%，減水劑摻量均為1.5%。

1.2 結果分析

通過對空心玻璃微珠水泥漿進行的配合比設計及流動度測定試驗可知，當水泥漿的流動性較大時，空心玻璃微珠會慢慢上浮至試塊的上表面，并在試塊上表面形成一層強度較弱的白色層，導致上下層的強度差異極大，不能滿足水泥基材料的要求；然而，當降低水灰比時，水泥漿體的流動性也會下降，但空心玻璃微珠的上浮情況逐漸好轉，由之前的大部分微珠都分布在上表面慢慢變為較為均勻地分布在試塊的各個部分，試塊上表面的強度逐漸增大，強度分布更加合理，滿足一定的要求。因此，采用較低的水灰比來進行制備空心玻璃微珠水泥基灌漿料才能滿足要求。

2 流動性研究

以日本提出的有關規范為參照，使用容量為1725mL的流動度測試儀。圖1為測定的各組水泥基復合材料的流動度大小。

圖1 不同水灰比下水泥基復合材料的流動度

通過分析折線圖可得出，試驗所選用的三種配合比的流動度大小均在20s左右，并且玻璃微珠的加入可減小水泥灌漿料的流動度，即提高水泥漿體的流動性。究其原因為試驗所用水灰比較小，導致了流動性的減弱，使得測定結果偏大。同時空心玻璃微珠本身為球狀空心結構，具有光滑的表面，添加到漿體中能增強顆粒之間的滾動效應[8]，進而提高水泥漿體的流動性。得出了空心玻璃微珠的摻入可加強水泥基材料的流動性，主要原因為微珠加強了漿體顆粒的滾動效應。但是試驗選用的水灰比較小，導致水泥漿體的流動性較低，其流動度保持在18～23s范圍內，大致滿足試驗要求，可進行下一步的研究。

3 力學性能實驗研究

3.1 試驗設備

本力學試驗選用水泥抗折試驗機測定水泥試塊的抗折強度，單杠桿及雙杠桿時的最大試驗力分別為1kN和6kN，加載速率為50N/s；抗壓強度選用電液伺服試驗機進行測定，電腦驅動儀器進行測定。

3.2 結果及分析

本實驗共選用三組水灰比，圖2為各組水灰比下的抗折強度測定結果，圖3為各組水灰比下的抗壓強度測定結果。

圖2 不同水灰比下水泥灌漿料試塊的抗折強度平均值

(1)抗折強度測定結果

通過三組折線圖，可發現在相同的微珠摻入質量分數下，三組水灰比的抗折強度變化不大，其原因可能為三組水灰比的大小相差不大；同時，增加玻璃微珠的摻入量，會導致水泥灌漿料試塊1d、3d和7d的抗折強度均呈現減小的趨勢，與現有的大量研究結果相同[9]，其中1d最小抗折強度為2.0MPa，滿足性能目標值。

(2)抗壓強度測定結果

圖3 不同水灰比下水泥灌漿料試塊的抗壓強度平均值

通過折線圖可得，三種水灰比的水泥灌漿料的抗壓強度均可滿足性能目標值。玻璃微珠摻入量對增大水泥灌漿料的抗壓強度表現出消極作用，可以看出，微珠摻量的增大會使材料的抗壓強度大致呈線性降低，符合試驗預期結果。

4 熱學性能試驗

本試驗采用DRE-2C導熱系數測試儀對不同配合比的水泥塊試件進行熱力學實驗，測定各組試件的導熱系數，對研制出的低導熱灌注式水泥基材料的導熱性能進行綜合評價。圖4展示了不同水灰比條件下，灌漿料試件的導熱系數與空心玻璃微珠質量分數的關系。

圖4 不同水灰比下水泥灌漿料試件的導熱系數

從三個折線圖中的曲線可以看出，正如試驗預測的一樣，在同一水灰比條件下，水泥基灌漿料的導熱系數隨著摻入玻璃微珠質量分數的增大而逐漸降低，并且呈現出一種非線性的降低，與已有的研究基本符合[10]。以水灰比0.40為例，空心玻璃微珠質量分數以間隔為0.5%的增量方式遞增，而水泥基灌漿料的導熱系數相對于微珠質量分數為0%的水泥基灌漿料導熱系數0.6549W/(m·K)而言，對應的各個質量分數的下降比例分別為4.8%、11.2%、18.7%和27.3%。總體來說，空心玻璃微珠因其自身特性，加入到水泥基灌漿料后，能夠起到降低灌漿材料導熱性能的效果，逐步體現出隔熱性能，并且微珠摻入量越多，灌漿料的導熱系數越低。通過對空心玻璃微珠水泥基灌漿料的熱學性能試驗可知，采用加入空心玻璃微珠來降低水泥基灌漿料的導熱性是可行的，能夠初步達到在半柔性瀝青路面上層形成隔熱層的最初目的。

5 結論

(1)本試驗采用0.42、0.40和0.38三組較低的水灰比制備的空心玻璃微珠水泥基材料，較好地改善了微珠上浮現象，并且水泥基材料的流動度保持在18～23s范圍內，能夠滿足形成路面上層隔熱層的流動度要求。

(2)隨著玻璃微珠摻入質量分數的增加，水泥基復合材料的兩項強度特性：抗折及抗壓強度均出現減小的趨勢。由于本試驗最大微珠摻入質量分數僅為2%，故制備出的低導熱灌注式水泥基材料強度均可滿足甚至遠大于設定要求。其中1d的最小抗折強度為2.0MPa，最小抗壓強度為16MPa，因此選用此灌漿料灌筑的半柔性瀝青路面有望在1d內實現通車。

(3)本試驗研制出的灌注式水泥基材料的導熱系數相比于普通灌漿料得到了降低，初步體現了較好的隔熱性能。同樣即使在試驗所選用的玻璃微珠質量分數較小的條件下，水泥基材料的導熱系數下降的最大幅度仍有27.3%，能夠達到在半柔性瀝青路面上層形成隔熱層的試驗目的。