陸友芽，鄭建安，陳 杰，焦曉東

(1.廣西河田高速公路有限公司，廣西 百色 531500；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；4.南寧市固體廢棄物路用工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530007)

0 引言

近十年來(lái)，我國(guó)交通行業(yè)發(fā)展迅速，截至“十三五”末期，已建好的公路總里程高達(dá)519.8萬(wàn)km，其中橋梁結(jié)構(gòu)物已有91萬(wàn)多座，隧道也達(dá)到21 316處，并且隨著“十四五”期間的進(jìn)一步建設(shè)，呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。由于汽車(chē)荷載作用、惡劣天氣以及地質(zhì)災(zāi)害影響，原有的公路、橋梁和隧道等隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加出現(xiàn)不同程度的病害，對(duì)人民行車(chē)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成較大的影響[2]。病害的快速修復(fù)對(duì)材料的性能提出高要求，磷酸鹽基水泥是一種超高強(qiáng)快速凝結(jié)的無(wú)機(jī)膠凝材料，其主要是通過(guò)原材料之間的酸堿中和反應(yīng)來(lái)達(dá)到膠凝，具有優(yōu)異的力學(xué)特性和耐久性，并且無(wú)須煅燒，能夠?qū)崿F(xiàn)病害快速修復(fù)、交通快速開(kāi)放。

磷酸鹽水泥基材料最早在20世紀(jì)40年代開(kāi)始應(yīng)用，由于反應(yīng)速度過(guò)快且不易控制，一直沒(méi)有得到大面積的推廣使用。近些年來(lái)，經(jīng)過(guò)大量研究，已能夠制備出凝結(jié)硬化易控制、早期強(qiáng)度高的材料，其制備所用的原材料主要由過(guò)燒氧化鎂和磷酸鹽材料組成。磷酸鹽材料主要采用磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀，但磷酸二氫銨反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生大量的氨氣，對(duì)人的身體和周?chē)h(huán)境造成危害，因此多數(shù)采用磷酸二氫鉀[3]。這兩種材料的原材料比較短缺、不易獲得，而工業(yè)固廢的使用可以解決這一問(wèn)題。目前常用的工業(yè)廢渣有粉煤灰、鋼渣粉、偏高嶺土等，本文主要對(duì)這幾種常見(jiàn)工業(yè)固廢在磷酸鹽基水泥中的應(yīng)用效果展開(kāi)研究。

1 磷酸鹽水泥基材料用工業(yè)廢渣研究現(xiàn)狀

1.1 粉煤灰對(duì)磷酸鹽水泥基材料性能的影響

粉煤灰是由燃煤電廠在發(fā)電過(guò)程中排放的固體廢棄物，其可作為礦物摻合料應(yīng)用于磷酸鎂水泥基材料中，起到微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。目前學(xué)者的研究主要集中在粉煤灰改性磷酸鹽水泥基材料的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及耐磨性等。

金城等[4]研究了Ⅰ級(jí)低鈣粉煤灰對(duì)磷酸鹽水泥工作性和強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明隨著此類(lèi)粉煤灰摻量的增加，磷酸鹽水泥基材料的流動(dòng)性明顯提高，且黏度得到很大程度的改善，同時(shí)磷酸鹽水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均略有下降，在摻量為16%以內(nèi)時(shí)，下降幅度較小。張思宇等[5]研究了粉煤灰摻量對(duì)磷酸鎂水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐磨性能和膨脹性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，材料凈漿的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，而抗折強(qiáng)度與耐磨性能逐漸降低；在摻量為10%時(shí)，1 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)35 MPa左右，28 d抗壓強(qiáng)度最高超過(guò)50 MPa；同時(shí)磷酸鎂水泥基材料的膨脹變化率在7～14 d之內(nèi)增加最快，而后隨著齡期的增加增速變緩，粉煤灰摻量在30%和40%時(shí)，材料的膨脹率較大。趙江濤等[6]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰添加量為30%以內(nèi)時(shí)，凝結(jié)時(shí)間逐漸縮短，超過(guò)30%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間反而增加，同時(shí)隨著粉煤灰摻量的提高，磷酸鎂水泥砂漿的工作流動(dòng)性先增長(zhǎng)后降低，材料的抗壓強(qiáng)度不斷降低。田海濤等[7]研究得出粉煤灰的摻量在20%～30%時(shí)，磷酸鎂水泥的綜合性能最佳，粉煤灰的球形形貌對(duì)磷酸鎂水泥的流變性具有促進(jìn)作用，適量的粉煤灰有助于材料流動(dòng)性能的增長(zhǎng)；同時(shí)粉煤灰的摻入會(huì)降低水化產(chǎn)物的生成量，從而使得材料的抗壓強(qiáng)度降低。Yue Li等[8]研究得出，20%粉煤灰摻量的磷酸鹽水泥3 d抗壓強(qiáng)度低于未摻粉煤灰的，但繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期時(shí)，其抗壓強(qiáng)度卻高于未摻粉煤灰的。

1.2 鋼渣粉對(duì)磷酸鹽水泥基材料性能的影響

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)出的副產(chǎn)物，其成分復(fù)雜、性能不夠穩(wěn)定，含有一定量的硅酸三鈣和硅酸二鈣，具有水硬活性。目前通過(guò)將其粉磨后生產(chǎn)的鋼渣粉作為礦物摻合料進(jìn)行利用。

徐選臣等[9]對(duì)鋼渣粉改性磷酸鎂水泥漿體的工作性、強(qiáng)度及干縮性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)等量替代MgO粉10%～20%后的粉體顆粒級(jí)配更加合理，新拌漿體的流動(dòng)性得到明顯改善，同時(shí)5 h的抗壓強(qiáng)度提高5%～17%，1 d的抗壓強(qiáng)度提高超過(guò)30%，在鋼渣粉摻量為20%時(shí)，收縮變形降低40%。李?lèi)偟萚10]研究得出，隨著鋼渣粉摻量的增加，磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，而抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，在其摻量為15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高，比未摻鋼渣粉組提升11.4%。同時(shí)通過(guò)孔徑分析發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)匿撛勰軌蚪档筒牧系目紫堵剩沟闷浣Y(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度提升。吳凱等[11]研究了鋼渣用于制備磷酸鹽水泥基材料的可行性，發(fā)現(xiàn)隨著鋼渣摻量的增加，磷酸鹽水泥基材料流動(dòng)度不斷降低，但材料的凝結(jié)時(shí)間呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，當(dāng)摻入10%的鋼渣，磷酸鹽水泥基材料的凝結(jié)硬化速率變快。Yang等[12]研究表明，一定量的鋼渣粉可以提高磷酸鹽水泥基材料的早期抗壓強(qiáng)度，這主要是由于鋼渣粉的填充和活性作用，與未摻鋼渣粉的材料相比，20%摻量的鋼渣粉將材料的5 h、1 d、60 d抗壓強(qiáng)度分別提升了5%、30%、8%，而60 d收縮率下降40%，這說(shuō)明鋼渣粉的摻入對(duì)磷酸鹽材料的性能具有有利的影響。卞騫等[13]研究發(fā)現(xiàn)，摻入鋼渣粉后材料的水化熱第二放熱峰推遲，且放熱溫度峰值下降，材料的收縮變形與力學(xué)性能得到明顯的改善，摻量為10%時(shí)強(qiáng)度最佳。Jiang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣的摻入有助于提高磷酸鹽水泥基材料的早期水化速率，使材料的強(qiáng)度顯著提高，耐水性能得到改善，同時(shí)經(jīng)過(guò)XRD和SEM分析表明其生成了水化產(chǎn)物鳥(niǎo)糞石。

1.3 偏高嶺土對(duì)磷酸鹽水泥基材料性能的影響

偏高嶺土是由高嶺土煅燒而來(lái)，煅燒溫度在600 ℃～900 ℃，其具有較高的火山灰活性，常被用來(lái)?yè)饺胨嘀?，與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠產(chǎn)物，進(jìn)而增加材料的性能。

劉志寧等[15]探究發(fā)現(xiàn)偏高嶺土的加入能夠加速磷酸鹽水泥基材料的早期水化反應(yīng)，提高材料的早期強(qiáng)度，當(dāng)其摻量為20%時(shí)，材料的凝結(jié)時(shí)間降低16%，12 h抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到60.13 MPa，同時(shí)通過(guò)核磁共振發(fā)現(xiàn)偏高嶺土在體系中化學(xué)活性作用要大于物理填充作用。石亞文等[16]將偏高嶺土替代MgO，發(fā)現(xiàn)替代量在30%以內(nèi)時(shí)，磷酸鎂水泥的早期抗壓強(qiáng)度隨著替代量的增加而增加，最大為71 MPa，通過(guò)水化產(chǎn)物組成和微觀形貌分析發(fā)現(xiàn)生成非晶態(tài)磷酸鋁鹽AlH3(PO4)2H2O、Al-Mg-PO4相等物質(zhì)，提升了力學(xué)性能。白偉亮等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏高嶺土與重?zé)趸V的比例<0.5時(shí)，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)不明顯，隨著摻量增加，凝結(jié)時(shí)間可達(dá)20 min以上。丁建華等[18]研究了偏高嶺土對(duì)磷酸鹽水泥基材料凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度以及水化熱等性能的影響，發(fā)現(xiàn)材料流動(dòng)度隨著其摻量增加而減小，凝結(jié)時(shí)間隨著摻量增加而縮短，摻入偏高嶺土可降低材料體系的放熱速率和放熱量，改善收縮性能。

2 磷酸鹽水泥基材料在公路病害修復(fù)中的研究現(xiàn)狀

磷酸鹽水泥基修復(fù)材料正處于探索研發(fā)階段，近年來(lái)越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磷酸鹽水泥作為修復(fù)材料的制備應(yīng)用產(chǎn)生濃厚的興趣。目前已有少量的研究人員開(kāi)始探究其作為修復(fù)材料的可行性。董金美等[19]研究結(jié)果表明磷酸鉀鎂水泥中氧化鎂與磷酸二氫鉀的質(zhì)量比在1～2時(shí)，材料的性能最佳，且3 h時(shí)抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)87.2 MPa，可作為道路修復(fù)砂漿應(yīng)用于病害修補(bǔ)。Qiao等[20]的試驗(yàn)結(jié)果得出，磷酸鉀鎂水泥基修補(bǔ)砂漿凝結(jié)時(shí)間可以控制在20～40 min，56 d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到110.6 MPa，且彎折粘結(jié)強(qiáng)度提升77%～120%，拉拔粘結(jié)強(qiáng)度提高85%～180%，可以用于替代傳統(tǒng)砂漿進(jìn)行路面的快速修補(bǔ)。任強(qiáng)等[21]研究了磷酸鎂水泥基砂漿的粘結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)磷酸鹽水泥基砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)8 MPa，具有與舊混凝土界面良好粘結(jié)的性能，完全可以用于路面及橋梁結(jié)構(gòu)物病害的修補(bǔ)。馮哲等[22]研究了磷酸鹽水泥基砂漿、硅酸鹽水泥基砂漿和硫鋁酸鹽水泥基砂漿修補(bǔ)性能的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)磷酸鹽水泥基砂漿修補(bǔ)的粘結(jié)界面裂縫寬度最小，僅為3μm且粘結(jié)效果最佳，其粘結(jié)強(qiáng)度為14.2 MPa，是硫鋁酸鹽水泥基砂漿的6倍左右，是硅酸鹽水泥基砂漿的13倍左右。這些學(xué)者的研究結(jié)果大大提高了磷酸鹽水泥基材料作為公路病害修復(fù)的可能性，并且修復(fù)后的耐久性相比傳統(tǒng)的修復(fù)材料更佳。

3 研究現(xiàn)狀與進(jìn)展分析

相比于硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥，磷酸鹽水泥基材料具有免煅燒且早強(qiáng)發(fā)展迅速、凝結(jié)時(shí)間短，粘結(jié)性能、體積穩(wěn)定性及耐久性優(yōu)良的特點(diǎn)。但其仍存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)磷酸鹽基水泥主要原材料為過(guò)燒氧化鎂和磷酸鹽，其水化反應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生氫氧化鈣，整個(gè)體系呈現(xiàn)酸性狀態(tài)，與硅酸鹽水泥體系不同，可根據(jù)此特性研究是否能夠用于濱海地區(qū)海洋工程、橋梁工程以及公路養(yǎng)護(hù)工程等。

(2)磷酸鹽水泥基材料早期的水化放熱速度快且不均勻，會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，應(yīng)考慮研究加入單一或復(fù)合工業(yè)廢渣來(lái)對(duì)其性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而考慮其能否作為大體積混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)使用。

(3)磷酸鹽水泥基材料的脆性較大，可研究通過(guò)加入乳膠粉、淀粉等有機(jī)物質(zhì)以及不同類(lèi)別的纖維對(duì)其進(jìn)行改性，提升其各方面性能。

(4)磷酸鹽水泥基材料用作道路修復(fù)時(shí)，除考慮其自身的性能外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其施工工藝的研究，針對(duì)不同的道路病害提出不同的修復(fù)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

相比于硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥，磷酸鹽水泥基材料作為一種“雙碳”背景下低碳綠色制造的新型無(wú)機(jī)膠結(jié)材料，良好的工作性、力學(xué)性能與低收縮性能，凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高是其主要的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于道路病害的快速修補(bǔ)非常有利。隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展與建設(shè)生態(tài)友好型社會(huì)的巨大需求，磷酸鹽水泥基材料的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)硅酸鹽水泥工業(yè)生產(chǎn)高污染、高能耗、高消耗的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化慢、早期強(qiáng)度低的問(wèn)題，給建材行業(yè)以及交通養(yǎng)護(hù)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了重大機(jī)遇，同時(shí)其優(yōu)異的性能將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。