第41卷第3期2022年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.41㊀No.3March,2022
半柔性路面用水泥基灌浆材料的
矿物掺合料协同优化研究
牟长江1,2，程㊀凯2，刘㊀瑞2，贾恩达2，孙㊀浩2，牛㊀腾3,
卢晓磊1，杜㊀鹏1，叶正茂3
(1.济南大学山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室，济南㊀250022;2.中化学交通建设集团有限公司，济南㊀250101;
3.济南大学材料科学与工程学院，济南㊀250022)摘要：矿物掺合料是半柔性路面用水泥基灌浆材料的重要组成部分，各矿物掺合料协同优化对灌浆材料流动性能和力学性能的提升发挥重要作用㊂本文选用矿粉㊁微珠和硅灰三种矿物掺合料，通过正交试验研究了三种矿物掺合料协同优化对路面用灌浆材料流动性能和力学性能的影响规律，并借助XRD㊁SEM 等表征方法分析了灌浆材料硬化浆体的水化产物组成与形貌㊂结果表明，三种矿物掺合料协同优化对灌浆材料流动性能和力学性能的影响顺序为微珠㊁硅灰和矿粉，其中微珠对灌浆材料流动性能改善效果最为显著，硅灰和矿粉对灌浆材料力学性能提升效果明显
㊂以灌浆材料的流动性能和早期强度为评价指标，微珠㊁硅灰和矿粉协同优化灌浆材料的最佳掺量分别为15%㊁1.5%和5%(均为质量分数)㊂此外，三种矿物掺合料协同掺加对灌浆材料早期水化产物组成与形貌影响较小，表明矿物掺合料协同主要是通过物理填充作用提高了硬化浆体材料的密实度，从而改善灌浆材料早期力学性能㊂
关键词：半柔性路面；灌浆材料；微珠；矿粉；硅灰；流动性能；力学性能
中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2022)03-1102-11
收稿日期:2021-10-11；修订日期:2021-12-25
基金项目：国家重点研发计划(2020YFB0312100ZL)；国家自然科学基金(51772129)；山东省自然科学基金(ZR2020QE047)；济南大学博
士基金(XBS2004)；企业委托攻关项目(W2021028)
作者简介：牟长江(1973 )，男，高工㊂主要从事道路与桥梁方面的研究㊂E-mail:
通信作者：卢晓磊，博士，讲师㊂E-mail:m_luxl@ujn.edu
hehCooperative Optimization of Mineral Admixtures of Cement-Bad Grouting Materials for Semi-Flexible Pavement
MU Changjiang 1,2,CHENG Kai 2,LIU Rui 2,JIA Enda 2,SUN Hao 2,NIU Teng 3,
LU Xiaolei 1,DU Peng 1,YE Zhengmao 3
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Preparation and Measurement of Building Materials,University of Jinan,Jinan 250022,China;2.China National Chemical Communications Construction Group Co.,Ltd,Jinan 250101,China;3.School of Materials Science and Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,China)Abstract :Mineral admixtures are important part of cement-bad grouting materials for mi-flexible pavement.The coordination of mineral admixtures plays an important role in improving the fluidity and mechanical properties of grouting materials.In this paper,blast furnace slag powder,cenosphere and silica fume were lected.The effects of the three mineral admixtures on the fluidity and mechanical properties of grouting materials for pavement were investigated by the orthogonal experimental design method,and the hydration product composition and morphology of hardened paste of grouting materials were analyzed by means of XRD and SEM.The results show that the order of influencing factors of the cooperative opti
mization of three mineral admixtures on the fluidity and mechanical properties of grouting materials is cenosphere,silica fume and blast furnace slag powder.Among them,cenosphere has the most significant effect on improving the fluidity of grouting materials,and silica fume and blast furnace slag powder have the obvious effect on promoting the mechanical properties of grouting materials.According to the evaluating indicator of the fluidity and early strength of grouting materials,
㊀第3期牟长江等：半柔性路面用水泥基灌浆材料的矿物掺合料协同优化研究1103 the optimum content of cenosphere,silica fume,and blast furnace slag powder is15.0%,1.5%and5.0%(both are mass fraction)respectively.In addition,the synergistic addition of three mineral admixtures has little effect on the composition and morphology of early hydration products of grouting materials.It shows that the improvement of early mechanical properties of grouting materials by three mineral admixtures is mainly caud by the improvement of hardened slurry materials compactness through physical filling.
Key words:mi-flexible pavement;grouting material;cenosphere;blast furnace slag powder;silica fume;fluidity;
mechanical property
0㊀引㊀言
近年来，随着公路工程技术的不断发展，半柔性路面作为一种新型路面材料在市政路口㊁公交站台㊁机场港口等重载路段得到推广和应用[1-2]㊂半柔性路面是指将满足大流态㊁超早强与低收缩要求的水泥基灌浆材料灌入高度开放的多孔隙沥青混合料骨架(空隙率在25%~30%)内而得到的一种 刚柔并济 的新型路面材料[3-4]㊂该技术可以有效解决传统沥青柔性公路路面耐老化性差，温度稳定性差，及水泥混凝土路面柔韧性较差㊁易开裂等缺点，从而达到避免路面损害㊁延长路面寿命的效果[5-9]㊂
femme fatale
矿粉㊁硅灰㊁微珠等矿物掺合料可以取代部分水泥添加到半柔性路面用的水泥基灌浆材料中，从而改善灌浆材料工作性和力学性能[10-12]㊂近年来，已有许多学者对其应用进行了深入研究㊂孙雅珍等[13]研究发现掺入10%~15%(文中掺量均为质量分数)的矿粉可以大幅度提高灌浆材料流动性能，但不利于其强度发展，矿粉掺量为15%~20%时，灌浆材料后期强度有所提高，但流动性能明显下降㊂顾晓燕等[14]研究了粉煤灰对灌浆材料流动性能的影响规律，结果表明，粉煤灰可以显著提高低水胶比灌浆材料的流动性能，但对高水胶比灌浆材料的影响较小㊂Zhang等[15]研究表明，掺加10%粉煤灰和10%矿粉对半柔性路面用灌浆材料的流动性和力学性能均有改善作用，且粉煤灰相较矿粉对灌浆材料的流动度和强度影响更大㊂Memon等[16]研究发现硅灰能显著提高混凝土力学性能，添加10%硅灰时，混凝土抗折和抗压强度分别增加了11.5%和6.9%，坍落度降低了4.3%[16]㊂以上研究成果表明，矿粉㊁微珠和硅灰等矿物掺合料的含量对路面用水泥基灌浆材料的流动性能与力学性能影响显著，且
各矿物掺合料对灌浆材料流动性㊁强度发挥着不同的作用㊂半柔性水泥基灌浆材料的主要性能指标为大流态和超早强，而掺加单一矿物掺合料无法同时满足灌浆材料大流态和超早强的性能要求，因此需要多种矿物掺合料协同优化以改善灌浆材料性能㊂
预订英文当前就各矿物掺合料在路面灌浆材料中的协同优化研究相对较少，而探究掺合料的协同配伍对调控和优化水泥基灌浆材料的性能具有重要指导意义㊂基于此，本文选用矿粉㊁硅灰和微珠三种矿物掺合料，设计正交试验探究三种矿物掺合料的协同配伍对灌浆材料力学与流动性能的影响规律，同时利用SEM和XRD 等微观表征手段，分析各矿物掺合料协同配伍对硬化水泥基灌浆材料水化产物组成与微观形貌的影响规律，旨在为半柔性路面用水泥基灌浆材料的组成优化提供技术与数据支撑㊂审时度势意思
1㊀实㊀验
1.1㊀主要原材料
路面灌浆材料采用山东临朐胜潍特种水泥有限公司生产的快硬硫铝酸盐水泥(42.5级)，快硬硫铝酸盐水泥的物理性能如表1所示，主要化学成分如表2所示；路面灌浆材料所用矿粉㊁微珠和硅灰三种矿物掺合料由山东鲁冠混凝土有限公司提供，三种矿物掺合料的主要化学成分如表2所示，粒度分布图及SEM照片见图1㊁图2；路面灌浆材料所用细骨料为淡黄色的100~200μm的石英砂；所用的粉体减水剂由上海三瑞高分子材料有限公司生产；缓凝剂和早强剂均为国药集团化学试剂有限公司生产；纤维
素醚(HPMC)为山东赫达股份有限公司生产㊂
表1㊀快硬硫铝酸盐水泥物理性能sgo
Table1㊀Physical properties of rapid hardening sulphoaluminate cement
pent
Standard consistency/%Setting time/min Compressive strength/MPa
Initial tting Final tting1d3d28d
27.5112434.543.246.5
1104㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第41卷
honesty is the best policy
表2㊀原材料主要化学成分
Table2㊀Main chemical composition of raw materials
Raw material Mass fraction/%
SiO2Al2O3CaO SO3MgO R2O Loss Cement9.6021.6445.210.73 1.28 1.50 6.35 Blast furnace slag powder32.8716.0236.93 2.118.360.550.28 Cenosphere56.4826.52 4.770.65 1.34 3.510.12
Silica fume92.89 1.480.690.130.93 2.420.12
图1㊀三种矿物掺合料粒度分布图
Fig.1㊀Size distribution diagrams of three mineral admixtures
图2㊀三种矿物掺合料SEM照片
Fig.2㊀SEM images of three mineral admixtures
1.2㊀试验方案设计
水泥基灌浆材料的基础配比为：硫铝酸盐水泥掺量80%，石英砂掺量20%㊂外加剂掺量均按水泥基灌
㊀第3期牟长江等：半柔性路面用水泥基灌浆材料的矿物掺合料协同优化研究1105浆材料总质量计，分别为：粉体聚羧酸减水剂掺量0.2%，早强剂掺量0.024%，缓凝剂掺量0.13%，纤维素醚(HPMC)掺量0.03%，水料比0.3㊂
采用正交试验，利用极差分析法探究其最佳掺量范围，系统研究矿粉㊁微珠和硅灰三种矿物掺合料的协同作用对水泥基灌浆料流动性能与力学性能的影响规律㊂选用正交表L9(33)，以矿粉㊁微珠和硅灰三种矿物掺合料为正交试验的三个因素，用以替代硫铝酸盐水泥开展正交试验㊂根据前期试验探索，设计合适的3个水平，水平以矿物掺合料占粉体整体质量的百分比表示㊂分别测试5min㊁20min流动度和扩展度以及2h㊁3d㊁28d抗压强度㊂具体的正交试验因素与水平如表3所示，灌浆材料配合比如表4所示㊂
表3㊀正交试验因素水平
Table3㊀Orthogonal test factor levels
Level Mass fraction/%
Silica fume(A)Cenosphere(B)Blast furnace slag powder(C)
wd 1 1.0105
2 1.51510
3 2.02015
表4㊀灌浆材料配合比
Table4㊀Mix proportion of grouting materials
Group Mass fraction/%
Cement Silica fume Cenosphere Blast furnace slag powder Sand Superplasticizer Retarder Early strength agent HPMC 164.0 1.0105200.20.130.0240.03 254.0 1.01510200.20.130.0240.03 344.0 1.02015200.20.130.0240.03 458.5 1.51010200.20.130.0240.03 548.5 1.51515200.20.130.0240.03 653.5 1.5205200.20.130.0240.03 753.0 2.01015200.20.130.0240.03 858.0 2.0155200.20.130.0240.03 948.0 2.02010200.20.130.0240.03保加利亚语
1.3㊀分析和测试
1.3.1㊀水泥基灌浆材料流出时间测试
依据JT/T946 2014‘公路工程预应力孔道灌浆料(剂)“对路面用灌浆材料进行流出时间测试㊂首先将(1725ʃ5)mL水注入倒锥内，测试流出时间，校准流动锥，然后将搅拌均匀的1725mL灌浆材料浆体注入倒锥内，开启底部阀门，使灌浆材料自由流出，记录浆体全部流出所需时间，记为灌浆材料流出时间，精确至0.1s，分别测定5min和20min流出时间㊂
1.3.2㊀水泥基灌浆材料流动度测试
依据GB/T8077 2012‘混凝土外加剂匀质性试验方法“，测定水泥基灌浆材料的5min和20min流动度㊂首先采用砂浆搅拌机拌和水泥基灌浆材料，然后将拌和均匀的砂浆倒入圆锥试模中，装满后提起圆锥试模，使灌浆材料在水平玻璃板上缓慢流动，确保灌浆料在没有外力干扰的条件下自由流动至30s，用直尺量取互相垂直的两个方向的最大直径，计算两个方向上的平均值，精确至1mm㊂
1.3.3㊀水泥基灌浆材料强度测试
参照国家标准GB/T17671 1999‘水泥胶砂强度检验方法(ISO法)“进行㊂试验材料采用砂浆搅拌机搅拌成型，试件尺寸为40mmˑ40mmˑ160mm，然后将成型试件放入温度为(20ʃ2)ħ和相对湿度为95%的标准养护箱内养护至2h拆模，并测试其力学性能；其余试件放置于温度为(20ʃ1)ħ水中养护至3d和28d龄期，测定水泥基灌浆材料的抗压和抗折强度㊂
1.3.4㊀微观分析测试
激光粒度分析仪(Winner3003，济南微纳颗粒仪器有限公司)用于测试矿粉㊁微珠㊁硅灰的粒度分布;X射
1106㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第41卷线荧光分析仪(Bruker S8TIGERTM2，德国布鲁克公司)用于测试水泥㊁矿粉㊁微珠和硅灰的化学成分;X射线衍射仪(Bruker AXS D8-Advance，德国布鲁克公司)用于表征水化硬化水泥基材料的物相组成；扫描电子显微镜(Carl Zeiss Jena EVO LS15，德国蔡司公司)用于观察三种矿物掺合料和硬化水泥基材料的微观形貌㊂2㊀结果与讨论
根据表4的灌浆材料配合比方案测试路面灌浆材料的流动性能和力学性能，包括5min和20min时的流出时间㊁流动度以及2h㊁3d㊁28d的抗折强度和抗压强度，正交试验结果如表5所示㊂
表5㊀正交试验结果
Table5㊀Orthogonal test results
Group Outflow time/s Fluidity/mm Flexural strength/MPa Compressive strength/MPa 5min20min5min20min2h3d28d2h3d28d
120.322.6286281 3.8 6.78.419.732.936.9 218.419.7290284 3.4 6.17.217.729.033.2 314.615.5297295 2.9 5.5 6.015.124.930.5 420.721.2287286 3.6 6.07.319.029.735.2 519.121.728
8285 3.2 5.9 6.717.627.433.9 616.217.9293289 3.1 5.3 6.316.025.431.7 723.225.2279275 4.1 6.88.222.132.839.1 821.623.4282277 3.57.07.521.730.837.6 918.319.8285283 3.4 5.9 6.618.126.633.0
2.1㊀流动性能影响分析
2.1.1㊀流出时间影响分析
流出时间是路面用水泥基灌浆材料的主要性能指标㊂流出时间越小，灌浆材料的流动性能越好，将其应用到路面中时其灌注率也越高，从而保证灌浆材料具有良好的施工效果和路面耐久性能㊂根据正交试验测得的5min和20min流出时间数据，计算硅灰㊁微珠和矿粉掺量三种影响因素下灌浆材料流出时间的平均值 K㊁极差值R，并根据极差值R明确各影响因素对流出时间影响的主次顺序，选出最优掺量组合，以达到最佳协同优化效果㊂极差分析结果如表6所示㊂
表6㊀流出时间极差分析结果
Table6㊀Outflow time range analysis results
Range analysis
5min outflow time/s20min outflow time/s Silica fume Cenosphere Blast furnace
slag powder Silica fume Cenosphere
Blast furnace
slag powder
K153.364.258.157.869.063.9
K256.059.157.460.864.860.7
K363.149.156.968.453.262.4
K117.821.419.419.323.021.3护士英文
K218.719.719.120.321.620.2
K321.016.419.022.817.720.8
Best level133132 R 3.2 5.00.4 3.5 5.3 1.1 Primary and condary order B>A>C B>A>C
Best combination A1B3C3A1B3C2
㊀㊀注:K1~K4分别代表各因素在各水平的指标和㊂
由表6的极差分析结果可知：对5min流出时间而言，硅灰㊁微珠和矿粉掺量的正交试验极差R分别为3.2㊁5.0㊁0.4㊂影响5min流出时间的主次顺序为B>A>C，微珠影响最为显著，其次是硅灰，矿粉影响最小㊂对于5min流出时间指标，三种掺合料掺量最优组合为A1B3C3，即掺入1%硅灰,20%微珠和15%矿粉㊂对20min流出时间测试结果分析可知，影响因素的主次顺序与5min流出时间一致，但矿粉掺量的最优水平
