半柔性路面地聚合物材料性能研究

吳 平

( 中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)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(yǎng)護(hù)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(bǔ)方便等優(yōu)點(diǎn)［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(yōu)點(diǎn)，且最大程度上對(duì)兩種路面的缺點(diǎn)進(jìn)行了彌補(bǔ)［4］。從前述可以得出結(jié)論半柔性路面是一種區(qū)別于傳統(tǒng)路面類型的新型復(fù)合路面,路面性能剛?cè)岵?jì)，但是隨著半柔性路面的發(fā)展，常規(guī)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(lái)主要有三點(diǎn)：(1) 采用普通水泥漿液作為灌注材料會(huì)造成地下水及施工區(qū)域周圍污染［5］；(2) 采用普通水泥漿灌注會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)性與路面強(qiáng)度不能兼顧的問(wèn)題［6］；(3) 柔性瀝青界面與養(yǎng)護(hù)成型的剛性材料相接觸的界面強(qiáng)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(huán)保、強(qiáng)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(duì)半柔性路面的發(fā)展具有一定意義。

1 地聚合物的強(qiáng)度機(jī)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(guò)強(qiáng)堿作用和晶格重構(gòu)等聚合作用而形成的以無(wú)機(jī)硅氧四面體和鋁氧八面體為主要成分,同時(shí)在空間上具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型膠凝材料［8］。地聚合物的形成過(guò)程按照先后順序大致可分為四個(gè)步驟:首先, 硅鋁酸鹽固體氧化物原材料在堿激發(fā)劑的堿激發(fā)作用下溶解解體，分解成為單體或低聚物［9］; 其次, 溶解產(chǎn)物-低聚體或單體硅鋁酸鹽原材料擴(kuò)散至堿激發(fā)劑中，并且在堿激發(fā)作用下解構(gòu)的單體或低聚物重新聚合［10］；再次，在堿激發(fā)劑的作用下，重新聚合的低聚物發(fā)生縮聚反應(yīng)，此過(guò)程中堿激發(fā)劑中的水以結(jié)合水和結(jié)構(gòu)水的形式參與反應(yīng)［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(lián)形成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠物質(zhì)，形成物理化學(xué)形式穩(wěn)定具有強(qiáng)度的地聚合物［12］。硅鋁酸鹽在堿激發(fā)作用下產(chǎn)生的聚合物，其分子間的的作用力是有共價(jià)鍵提供，因此物理化性性質(zhì)穩(wěn)定，分子間作用力強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為力學(xué)性能優(yōu)越［13］。并且由于共聚物是三維立體網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定膠體內(nèi)部的結(jié)晶水并不會(huì)發(fā)何時(shí)能失水情況，從而表現(xiàn)為抗變形性能良好［14］。由于SiO4與AlO4四面體單元相互間結(jié)合穩(wěn)定，材料內(nèi)部不存在易與介質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)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(lái)源非常廣泛, 工業(yè)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(zhǎng)石、方解石等均可用于制備地聚合物，上述材料來(lái)源廣泛，硅鋁堿活性高, 與各類堿激發(fā)劑能夠良好相互作用，充分反應(yīng)［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(zhì)、鋁硅酸鹽物質(zhì)［17］，主要采用水玻璃以及氫氧化鈉進(jìn)行堿激活，水化反應(yīng)是鋁硅酸鹽原料聚合反應(yīng)，水化反應(yīng)產(chǎn)物為堿激活條件下溶解、水解、縮聚和固化四個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的SiO2-Al2O3-CaO-Na2O 共聚物［18］。在試驗(yàn)室標(biāo)養(yǎng)條件下，養(yǎng)護(hù)成型的赤泥地聚合物的在自然環(huán)境下抗碳化性能優(yōu)于普通水泥混凝土［19］，且抗氯離子滲透性能優(yōu)越，適宜用于海邊灘涂地帶。

2.2 礦渣地聚合物的材料性質(zhì)

礦渣地聚合物的聚合固化反應(yīng)速度快，從而表現(xiàn)為早期強(qiáng)度上升速度快，早期強(qiáng)度高［20］；并且礦渣地聚合物的熱穩(wěn)定性好、耐高溫［21］，具有優(yōu)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(jié)構(gòu)以及-Al-O-Si- 基本單元結(jié)構(gòu)［22］，這兩種基本單元相互搭接交聯(lián)構(gòu)成三維硅鋁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這種特殊的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(yōu)越的物理力學(xué)性能。另外，礦渣地聚合物生產(chǎn)能耗低，制備工藝簡(jiǎn)單，無(wú)有害氣體排放［23］，同時(shí)工業(yè)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(yōu)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(fā)劑作用下發(fā)生聚合反應(yīng)，反應(yīng)內(nèi)容為粉煤灰中的玻璃質(zhì)與堿激發(fā)劑發(fā)生解聚-縮聚反應(yīng)，產(chǎn)物為N-A-S-H 聚合物，并為粉煤灰地聚合物提供強(qiáng)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(qiáng)度［26］。在對(duì)粉煤灰地聚合物進(jìn)行堿激發(fā)時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾訅A激發(fā)劑的含水量可以有效促進(jìn)粉煤灰地聚合物的聚合反應(yīng)并且聚合物養(yǎng)護(hù)濕度與普通水泥混凝土不同，宜控制在70%～80% 區(qū)間范圍內(nèi)［27］。堿激發(fā)劑的摻量、粉煤灰的細(xì)度能夠顯著影響粉煤灰地聚合物的力學(xué)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(yīng)用最為廣泛的地聚合物，偏高嶺土地聚合物的反應(yīng)過(guò)程有四個(gè)明顯特征階段分別是硅鋁離子釋出、硅鋁離子重構(gòu)、聚合物相互凝結(jié)、聚合物整體硬化［29］。偏高嶺土地聚合物的常用堿激發(fā)劑為水玻璃- 氫氧化鈉復(fù)合溶液，經(jīng)過(guò)激發(fā)的聚合物的力學(xué)性能基本不受溫度的影響［30］，并且增加堿激發(fā)劑的用水量能夠顯著提高地聚合物的力學(xué)性能；并且偏高嶺土地聚合物能夠提供更好的粘結(jié)性能，能夠更好地與瀝青混合料粘結(jié)成一個(gè)整體共同承擔(dān)荷載。影響偏高嶺土力學(xué)性能和奶奶接性能的主要因素有Si/Al( 摩爾比)、水/ 固體(質(zhì)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(fù)合地聚合物，一般為在基質(zhì)硅鋁酸原料地聚合物的基礎(chǔ)上復(fù)配纖維材料，從而達(dá)到材料性能耦合的目的［32］。鋼纖維復(fù)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(qiáng)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(fù)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(huán)境下，赤泥基地聚合物的斷裂韌性較低溫環(huán)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(duì)赤泥基地聚合物的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性的改善效果優(yōu)于單一纖維的改善結(jié)果［36］，這主要是由于兩種不同種類的纖維的橋接效果優(yōu)于單一纖維的橋接效果。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)目前正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式從資源性經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向?yàn)榄h(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式階段，這就要求推廣使用更加環(huán)保高效節(jié)能的新材料投入到道路建設(shè)當(dāng)中。地聚合物作為一種新材料，取材廣泛，甚至可以作為工業(yè)固廢消納途徑之一；生產(chǎn)耗能少，常溫下即可制備，產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)害無(wú)污染；性能優(yōu)越，具有更好的力學(xué)性能、抗腐蝕性能、抗形變性能和粘結(jié)性能。用于半柔性路面灌注，能夠做到強(qiáng)度和流動(dòng)性兼顧，與瀝青混合料良好粘結(jié)，值得更廣泛的推廣和使用。