含玻璃微珠的低导热灌注式水泥基材料设计与性能评价

邓 甲

(南京铁路建设投资有限责任公司 南京市 210000)

为了减少路面高温病害现象[1]的出现，可以采取一定的方法来改变沥青路表对热量的吸收特性与传递特性[2]，将辐射热量阻挡在外部空间，减少路面内热量的积累，控制路面温度[3-4]。故针对沥青路面的热传递方式，基于大空隙半柔性沥青路面，将浆体热阻材料应用于路面表层，减少外部热量进入沥青路面内来阻止路面温度的升高，达到路面降温的目的。在此基础上选用空心玻璃微珠[5]来制备低导热灌注式水泥基材料，灌入半柔性沥青路面中以形成上面层隔热层，阻挡外部热量的进入，最终达到沥青路面降温的效果[6-7]。

1 配合比设计

1.1 选用的配合比

在进行相关力学及热学性能测定试验前，先要找出适宜的配合比，使得水泥基中的空心玻璃微珠能够均匀分布，并且同时满足一定的流动度要求。本试验采用空心玻璃微珠作为水泥基材料中的低导热填料，以快硬硫铝酸盐水泥为胶凝材料，选用0.5、0.48、0.45、0.42、0.40和0.38的水灰比，每组水灰比下以微珠质量分数分别为0%、0.5%、1%、1.5%和2%制备各组试件，硅灰质量分数均为5%，减水剂掺量均为1.5%。

1.2 结果分析

通过对空心玻璃微珠水泥浆进行的配合比设计及流动度测定试验可知，当水泥浆的流动性较大时，空心玻璃微珠会慢慢上浮至试块的上表面，并在试块上表面形成一层强度较弱的白色层，导致上下层的强度差异极大，不能满足水泥基材料的要求；然而，当降低水灰比时，水泥浆体的流动性也会下降，但空心玻璃微珠的上浮情况逐渐好转，由之前的大部分微珠都分布在上表面慢慢变为较为均匀地分布在试块的各个部分，试块上表面的强度逐渐增大，强度分布更加合理，满足一定的要求。因此，采用较低的水灰比来进行制备空心玻璃微珠水泥基灌浆料才能满足要求。

2 流动性研究

以日本提出的有关规范为参照，使用容量为1725mL的流动度测试仪。图1为测定的各组水泥基复合材料的流动度大小。

图1 不同水灰比下水泥基复合材料的流动度

通过分析折线图可得出，试验所选用的三种配合比的流动度大小均在20s左右，并且玻璃微珠的加入可减小水泥灌浆料的流动度，即提高水泥浆体的流动性。究其原因为试验所用水灰比较小，导致了流动性的减弱，使得测定结果偏大。同时空心玻璃微珠本身为球状空心结构，具有光滑的表面，添加到浆体中能增强颗粒之间的滚动效应[8]，进而提高水泥浆体的流动性。得出了空心玻璃微珠的掺入可加强水泥基材料的流动性，主要原因为微珠加强了浆体颗粒的滚动效应。但是试验选用的水灰比较小，导致水泥浆体的流动性较低，其流动度保持在18～23s范围内，大致满足试验要求，可进行下一步的研究。

3 力学性能实验研究

3.1 试验设备

本力学试验选用水泥抗折试验机测定水泥试块的抗折强度，单杠杆及双杠杆时的最大试验力分别为1kN和6kN，加载速率为50N/s；抗压强度选用电液伺服试验机进行测定，电脑驱动仪器进行测定。

3.2 结果及分析

本实验共选用三组水灰比，图2为各组水灰比下的抗折强度测定结果，图3为各组水灰比下的抗压强度测定结果。

图2 不同水灰比下水泥灌浆料试块的抗折强度平均值

(1)抗折强度测定结果

通过三组折线图，可发现在相同的微珠掺入质量分数下，三组水灰比的抗折强度变化不大，其原因可能为三组水灰比的大小相差不大；同时，增加玻璃微珠的掺入量，会导致水泥灌浆料试块1d、3d和7d的抗折强度均呈现减小的趋势，与现有的大量研究结果相同[9]，其中1d最小抗折强度为2.0MPa，满足性能目标值。

(2)抗压强度测定结果

图3 不同水灰比下水泥灌浆料试块的抗压强度平均值

通过折线图可得，三种水灰比的水泥灌浆料的抗压强度均可满足性能目标值。玻璃微珠掺入量对增大水泥灌浆料的抗压强度表现出消极作用，可以看出，微珠掺量的增大会使材料的抗压强度大致呈线性降低，符合试验预期结果。

4 热学性能试验

本试验采用DRE-2C导热系数测试仪对不同配合比的水泥块试件进行热力学实验，测定各组试件的导热系数，对研制出的低导热灌注式水泥基材料的导热性能进行综合评价。图4展示了不同水灰比条件下，灌浆料试件的导热系数与空心玻璃微珠质量分数的关系。

图4 不同水灰比下水泥灌浆料试件的导热系数

从三个折线图中的曲线可以看出，正如试验预测的一样，在同一水灰比条件下，水泥基灌浆料的导热系数随着掺入玻璃微珠质量分数的增大而逐渐降低，并且呈现出一种非线性的降低，与已有的研究基本符合[10]。以水灰比0.40为例，空心玻璃微珠质量分数以间隔为0.5%的增量方式递增，而水泥基灌浆料的导热系数相对于微珠质量分数为0%的水泥基灌浆料导热系数0.6549W/(m·K)而言，对应的各个质量分数的下降比例分别为4.8%、11.2%、18.7%和27.3%。总体来说，空心玻璃微珠因其自身特性，加入到水泥基灌浆料后，能够起到降低灌浆材料导热性能的效果，逐步体现出隔热性能，并且微珠掺入量越多，灌浆料的导热系数越低。通过对空心玻璃微珠水泥基灌浆料的热学性能试验可知，采用加入空心玻璃微珠来降低水泥基灌浆料的导热性是可行的，能够初步达到在半柔性沥青路面上层形成隔热层的最初目的。

5 结论

(1)本试验采用0.42、0.40和0.38三组较低的水灰比制备的空心玻璃微珠水泥基材料，较好地改善了微珠上浮现象，并且水泥基材料的流动度保持在18～23s范围内，能够满足形成路面上层隔热层的流动度要求。

(2)随着玻璃微珠掺入质量分数的增加，水泥基复合材料的两项强度特性：抗折及抗压强度均出现减小的趋势。由于本试验最大微珠掺入质量分数仅为2%，故制备出的低导热灌注式水泥基材料强度均可满足甚至远大于设定要求。其中1d的最小抗折强度为2.0MPa，最小抗压强度为16MPa，因此选用此灌浆料灌筑的半柔性沥青路面有望在1d内实现通车。

(3)本试验研制出的灌注式水泥基材料的导热系数相比于普通灌浆料得到了降低，初步体现了较好的隔热性能。同样即使在试验所选用的玻璃微珠质量分数较小的条件下，水泥基材料的导热系数下降的最大幅度仍有27.3%，能够达到在半柔性沥青路面上层形成隔热层的试验目的。