張會(huì)芝，黃啟林，劉紀(jì)峰*，鄭春林，葉德泰

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.三明市公路事業(yè)發(fā)展中心，福建 三明 365000；3.海峽建工集團(tuán)有限公司，福建 福州 350000；4.海頤建工集團(tuán)有限公司，福建 三明 366100）

地震、災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)等災(zāi)后交通的快速修復(fù)是及時(shí)挽回人民生命財(cái)產(chǎn)和保障國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，傳統(tǒng)道路修復(fù)材料多基于普通硅酸鹽水泥，其材料性能有限，尤其是早期力學(xué)性能較弱，雖然在其中加入早強(qiáng)劑、速凝劑等，可在一定程度上改善其早期強(qiáng)度，但其凝結(jié)硬化仍然較慢，在幾小時(shí)內(nèi)難以形成令人滿意的強(qiáng)度，且因加入外加劑，導(dǎo)致其易開裂、粘結(jié)性差，難以滿足搶修搶建工程的需求[1-2]。為此，國內(nèi)外相繼開發(fā)快硬硫鋁酸鹽水泥、快硬磷酸鎂水泥、超快硬灌漿料、調(diào)凝水泥等系列快凝快硬道路修補(bǔ)材料[3-4]，在一定程度上緩解現(xiàn)實(shí)需求，但該類產(chǎn)品存在生產(chǎn)過程能耗較大、造價(jià)昂貴、不易存儲(chǔ)、施工技術(shù)要求高等不足，用于道路搶修搶建工程，具有一定的局限性。

綠色膠凝材料代替水泥類膠凝材料是解決環(huán)境和資源問題的有效途徑，地聚合物（geopolymer，又稱地質(zhì)聚合物，地聚物）是富含硅鋁成分的粉末與激發(fā)劑混合并反應(yīng)后形成的凝結(jié)硬化材料，具有快硬早強(qiáng)、優(yōu)良的耐化學(xué)侵蝕性、耐高溫性和固結(jié)重金屬的性能等[5-8]，是一種高性能環(huán)保型材料。礦渣、粉煤灰、金屬尾礦等富含硅鋁成分的固體廢棄物均可作為原材料，其制備工藝簡(jiǎn)單，可在部分環(huán)境替代水泥制備地聚物混凝土，其應(yīng)用可顯著減少碳排放[9-10]。研究表明，緩凝劑種類和摻量、激發(fā)劑模數(shù)、水膠比等是影響堿激發(fā)礦渣性能的主要因素，但上述因素對(duì)于礦渣和水泥熟料復(fù)合膠凝體系性能的影響規(guī)律，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少，因此，有必要進(jìn)行深入研究。

以氯化鋇或硝酸鋅作為緩凝劑，以42.5 水泥熟料和磨細(xì)礦渣作為膠凝材料，以氫氧化鈉和水玻璃作為激發(fā)劑，探討緩凝劑種類和摻量、磨細(xì)礦渣對(duì)水泥熟料替代率及水膠比對(duì)生成物4 h 抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，為復(fù)合膠凝體系道路快速修補(bǔ)材料的研發(fā)提供初步參考。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用水泥熟料為福建金牛水泥有限公司生產(chǎn)的42.5 普通硅酸鹽水泥熟料，礦渣為福建省鋼源粉體材料公司生產(chǎn)的S95 級(jí)粒化高爐礦渣粉，水泥熟料和磨細(xì)礦渣的化學(xué)組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示，二者的比表面積分別為350 和430 m2/kg，砂為袋裝標(biāo)準(zhǔn)砂，質(zhì)量為每袋1 350 g。

表1 42.5 水泥熟料和磨細(xì)礦渣主要成分Tab.1 Main components of cement and ground slag

試驗(yàn)所用氯化鋇和硝酸鋅均為西隴科學(xué)股份有限公司生產(chǎn)，分別為分析純二水氯化鋇（BaCl2·2H2O）和六水合硝酸鋅（Zn（NO3）·6H2O），水玻璃為三明市永維化工廠生產(chǎn)的桶裝水玻璃，模數(shù)分別為2.8 和3.0兩種，拌和用水為自來水。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試

設(shè)計(jì)表2 和表3 所示的三因素四水平正交試驗(yàn)表，因素1 為礦粉取代率，水平分別為膠凝材料總質(zhì)量的0、20%、40%和60%，因素2 為緩凝劑摻量，選氯化鋇和硝酸鋅兩種緩凝劑，水平分別為膠凝材料質(zhì)量的1%、1.5%、2%和2.5%，因素3 為水膠比，水平分別取0.30、0.33、0.36 和0.39。表2 所用的水玻璃模數(shù)為2.8，表3 所用的水玻璃模數(shù)為3.0。試樣制作、養(yǎng)護(hù)和測(cè)試參照GB/T 17671—2021 《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)過程中測(cè)試各組試樣的初、終凝時(shí)間，均滿足初凝時(shí)間不小于10 min，終凝時(shí)間不大于30 min的既定要求。

表2 第1 組配合比及4 h 抗折強(qiáng)度Table 2 Mix proportion and 4 h bending strength of group one

表3 第2 組配合比及4 h 抗折強(qiáng)度Table 3 Mix proportion and 4 h bending strength of group two

膠砂試樣養(yǎng)護(hù)1 h 后拆模，自然養(yǎng)護(hù)4 h，進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試，所用儀器為TENSON 的YAW-300C 微機(jī)控制抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)，加荷速率50 N/s，最大試驗(yàn)力10 kN。試樣及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、破壞試樣分別見圖1、圖2。

圖1 養(yǎng)護(hù)好的試樣Fig.1 Curing sample

Fig.2 4 h Bending strength test圖2 4 h 抗折強(qiáng)度測(cè)試

抗折試驗(yàn)完成后，對(duì)破碎后的試塊取樣，采用JSM-IT500 掃描電子顯微鏡對(duì)其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以進(jìn)一步了解其早期強(qiáng)度形成機(jī)制。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2 和表3 的三因素四水平正交試驗(yàn)極差分析見表4，由表4 可知:（1）選用氯化鋇為緩凝劑和2.8模數(shù)的水玻璃模時(shí)，各因素對(duì)4 h 抗折強(qiáng)度的影響程度依次為礦粉取代率＞緩凝劑摻量＞水膠比；（2）選用硝酸鋅為緩凝劑和3.0 模數(shù)的水玻璃模時(shí)，各因素對(duì)4 h 抗折強(qiáng)度的影響程度依次為水膠比＞緩凝劑摻量＞礦粉取代率。

表4 正交試驗(yàn)極差分析Table 4 Range analysis of orthogonal test

各因素對(duì)4 h 抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖3 至圖5所示，由圖3 至圖5 及表2 和表3 的4 h 抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知:（1）硝酸鋅為緩凝劑和3.0 模數(shù)水玻璃模的各組配合比，4 h 抗折強(qiáng)度整體上高于氯化鋇為緩凝劑和2.8 模數(shù)的水玻璃的各組配合比的，考慮到該配合比下礦粉取代率對(duì)4 h 抗折強(qiáng)度的影響程度較小，從工業(yè)固廢資源化利用以減少碳排放的角度考慮，可以優(yōu)先選用；（2）選用氯化鋇為緩凝劑和2.8 模數(shù)的水玻璃模時(shí)，4 h 抗折強(qiáng)度隨礦粉取代率增加而先增加后降低，最大值在20%礦粉取代率處；隨緩凝劑摻量的增加而波動(dòng)，較大值在1%和2%緩凝劑摻量處；隨水膠比的增大而先降低后增加；（3）選用硝酸鋅為緩凝劑和3.0 模數(shù)的水玻璃模時(shí)，4 h 抗折強(qiáng)度隨礦粉取代率和緩凝劑摻量的增加而降低；隨水膠比的增大而先降低再輕微升高。

圖3 礦粉質(zhì)量取代率對(duì)4 h 抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of replacement rate of mineral powder on 4 h flexural strength

圖4 緩凝劑摻量對(duì)4 h 抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of replacement rate of Retarder content on 4 h flexural strength

圖5 水膠比對(duì)4 h 抗折強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of replacement rate of water binder ratio on 4 h flexural strength

不同配合比的4 h 試驗(yàn)的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)相似，圖6為表2 中配合比第7 組的4 h 試樣放大5 000 倍的SEM 圖像，由圖6 可知，試樣在4 h 時(shí)已經(jīng)形成微細(xì)結(jié)構(gòu)非常致密的聚合體，這也是其具有較高抗折強(qiáng)度的原因，此時(shí)，水化反應(yīng)尚未充分完成，試樣內(nèi)部未出現(xiàn)微孔洞、微裂隙等會(huì)導(dǎo)致其宏觀力學(xué)性能劣化的不利結(jié)構(gòu)，后續(xù)要特別注意加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止試樣內(nèi)部出現(xiàn)微孔洞、微裂隙，影響其后期強(qiáng)度增長(zhǎng)。

圖6 表2 中第7 組配合比試樣放大5 000 倍的SEM 圖像Fig.6 SEM image of mix proportion samples enlarged by 5 000 times of the 7 th group in table 2

4 結(jié)論與建議

“碳達(dá)峰、碳中和”是我國綠色發(fā)展的必由之路。國務(wù)院發(fā)布的 《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》（國發(fā)〔2021〕23 號(hào)）明確指出推動(dòng)建材行業(yè)碳達(dá)峰:“鼓勵(lì)建材企業(yè)使用粉煤灰、工業(yè)廢渣、尾礦渣等作為原料或水泥混合材。加快推進(jìn)綠色建材產(chǎn)品認(rèn)證和應(yīng)用推廣，加強(qiáng)新型膠凝材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用”。為此，結(jié)合工程實(shí)際需要，初步探討研發(fā)堿激發(fā)復(fù)合膠凝體系道路快速修復(fù)新型膠凝材料的可行性，通過試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論:

（1）試驗(yàn)各組配合比均具有一定的4 h 抗折強(qiáng)度，說明利用堿激發(fā)復(fù)合膠凝體系制備道路快速修復(fù)新型材料具有可行性，但試驗(yàn)配合比需要進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足4 h 抗折強(qiáng)度4.5 MPa 以上的工程設(shè)計(jì)目標(biāo)要求；

（2）選用氯化鋇為緩凝劑和2.8 模數(shù)的水玻璃時(shí)，較優(yōu)配合比為: 礦粉取代率20%，緩凝劑摻量1%或2%，水膠比為0.39 或0.36；

（3）選用硝酸鋅為緩凝劑和3.0 模數(shù)的水玻璃模時(shí)，較優(yōu)配合比為礦粉取代率0 或20%，緩凝劑摻量1%，水膠比為0.30。

應(yīng)該指出，堿激發(fā)膠凝材料具有早強(qiáng)特性，試驗(yàn)的各組配合比，復(fù)合膠凝材料的4 h 抗折強(qiáng)度比42.5水泥熟料的4 h 抗折強(qiáng)度并沒有明顯增加，主要原因可能是各組配合比偏重基于地聚物的設(shè)計(jì)，對(duì)調(diào)節(jié)其中主要成分水泥熟料的性能所需的減水劑、早強(qiáng)劑、速凝劑等外加劑未予以重視，導(dǎo)致復(fù)合膠凝材料的4 h抗折強(qiáng)度未能達(dá)到預(yù)期。下一步，可采用快硬高強(qiáng)水泥熟料、減水劑、早強(qiáng)劑、速凝劑和超細(xì)礦渣粉、激發(fā)劑、緩凝劑進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，充分調(diào)動(dòng)水泥熟料和礦渣粉二者的早期強(qiáng)度，以獲得4 h 抗折強(qiáng)度超過4.5 MPa的新型道路快速修復(fù)膠凝材料；并采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)或總功效系數(shù)法，進(jìn)一步分析各因素對(duì)復(fù)合膠凝體系道路快速修復(fù)材料性能的影響規(guī)律。