宋魯俠，郝小非，段 平，黃 敏，張紅新

（1.湖北第二師范學院 建筑與材料工程學院，武漢 430205；2.中國地質(zhì)科學院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，鄭州 450006；3.中國地質(zhì)大學（武漢），武漢 430070；4.湖北省交通運輸廳，武漢 430030）

1 引言

目前，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，道路基礎(chǔ)建設(shè)成為了國家交通便利及經(jīng)濟發(fā)展的指標，我國的道路基礎(chǔ)建設(shè)已經(jīng)世界矚目，但是隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，大型車輛，超重車輛以及居民車輛數(shù)量增長迅猛，同時駕駛速度不斷提高，使許多地區(qū)的水泥路面遭到破壞，水泥路面所處的環(huán)境越來越嚴峻。因此，綠色環(huán)保、凝結(jié)硬化快、早期強度高及性能優(yōu)異的水泥路面修補材料的研究就非常迫切。

導(dǎo)致水泥路面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及非結(jié)構(gòu)性的破損的原因有很多，主要包括：水泥路面所處的自然環(huán)境、交通狀況以及實地施工時的施工工藝、配合比設(shè)計等因素[1]，水泥路面的修補技術(shù)也隨著水泥路面的破損應(yīng)運而生，目前用于水泥混凝土路面的修補材料品種很多，路面修補材料的好壞直接影響修補后路面的質(zhì)量。用于水泥混凝土路面修補的材料必要滿足[2]-[4]：（1）凝結(jié)硬化快、早期強度高；（2）修補材料與舊路面界面粘結(jié)性能好；（3）收縮率低，體積穩(wěn)定性好；（4）性能良好，保證長期使用；（5）良好的工作性能。

目前還未查閱到我國的水泥混凝土路面修補材料相關(guān)的統(tǒng)一標準和規(guī)范，因此在水泥路面修補材料行業(yè)出現(xiàn)了許多問題：路面修補材料品種多、施工工藝不同、工作性能無統(tǒng)一要求、修補材料質(zhì)量無法統(tǒng)一評價等現(xiàn)象。隨著交通運輸?shù)陌l(fā)展，道路交通壓力巨大，要求道路在出現(xiàn)破損后能夠快速修補盡快達到通車要求，水泥路面修補材料的使用量逐年增加，市場不斷擴大，使用較多的水泥路面修補材料有：（1）普通硅酸鹽水泥路面修補材料[5]；（2）特種水泥類路面修補材料[6]-[9]；（3）火山灰改性混凝土類路面修補材料[10]-[11]；（4）聚合物改性水泥基路面修補材料[12-14]；（5）纖維改性水泥基路面修補材料[15]；（6）薄型快凝混凝土類路面修補材料[16]-[17]。

目前的修補材料主要是以水泥基材料為主，施工工藝簡單，可規(guī)?；a(chǎn)，但凝結(jié)硬化慢，早期強度低，新舊水泥路面粘結(jié)性差，修補路面不能及時恢復(fù)通行。一方面水泥生產(chǎn)會造成嚴重的環(huán)境問題，水泥生產(chǎn)“兩磨一燒”屬于高能耗高污染的生產(chǎn)活動[18]-[19]，水泥制造業(yè)煤炭消耗量及電力消耗量分別占全國煤炭消耗總量的7%和全國電力消費總量的3.7%，生產(chǎn)水泥的總能耗占比達到了全國總能耗的5.8%[20]-[22]。另一方面，礦渣、粉煤灰、垃圾焚燒灰等硅酸鹽固體廢棄物無法高效利用造成環(huán)境污染，且堆放造成大量土地浪費，因此，改進水泥生產(chǎn)工藝、利用硅酸鹽固體廢棄物制備水泥的替代物已成為目前比較迫切的問題。

地質(zhì)聚合物相比于水泥具有很多優(yōu)異的性能[23-25]，地質(zhì)聚合物的生產(chǎn)工藝簡單，CO2排放量低，早期強度高，耐久性能優(yōu)良，體積穩(wěn)定性好，耐化學侵蝕，具有較高的界面粘結(jié)強度，是非常有潛力的水泥路面修補材料，本研究以礦渣和粉煤灰為主要原料，以工業(yè)水玻璃為激發(fā)劑制備地質(zhì)聚合物路面修補材料，通過添加礦物摻合料進行改性。

2 實驗

2.1 地質(zhì)聚合物的制備

以工業(yè)固體廢棄物礦渣和粉煤灰為主要原料，工業(yè)水玻璃為激發(fā)劑制備地質(zhì)聚合物，礦渣、粉煤灰摻量、水固比及水玻璃模數(shù)配合比如表1所示，確定配合比后加入偏高嶺土、硅灰、稻殼灰摻合料對固廢地質(zhì)聚合物凈漿進行改性，改性固廢地質(zhì)聚合物配合比如表2所示，地質(zhì)聚合物制備流程如圖1所示，按配合比準確稱量原料共500g均勻混合，加入已經(jīng)調(diào)制好模數(shù)的水玻璃激發(fā)劑，將混合料放入攪拌機，在水泥膠砂成型振實臺振實120次，裝入試模中，放入養(yǎng)護箱養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

表1 固廢地質(zhì)聚合物凈漿配合比

表2 復(fù)合改性地質(zhì)聚合物配合比

圖1 地質(zhì)聚合物制備工藝流程圖

2.2 實驗分析

固廢地質(zhì)聚合物的初凝時間及終凝時間試驗依據(jù)國家標準《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢測方法》進行。試驗測試溫度20±2℃，相對濕度大于50%，凈漿養(yǎng)護溫度20±1℃，相對濕度大于90%。用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，日本，Hitachi S4800）對樣品的新鮮斷面進行微觀形貌分析。固廢地質(zhì)聚合物的力學性能試驗依據(jù)國家標準《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行。

3 結(jié)果與討論

3.1 凝結(jié)時間分析

不同配合比固廢地質(zhì)聚合物凈漿凝結(jié)時間的測試結(jié)果及測試結(jié)果極差分析如圖2所示。

圖2 不同配合比地質(zhì)聚合物凈漿的凝結(jié)時間及極差分析

由圖2可知，影響固廢地質(zhì)聚合物凈漿初凝時間因素主次順序為：激發(fā)劑摻量＞粉煤灰摻量＞水固比＞水玻璃模數(shù)，影響固廢地質(zhì)聚合物終凝時間因素主次順序為：激發(fā)劑摻量＞粉煤灰摻量＞水固比＞水玻璃模數(shù)。各影響因素對初凝時間和終凝時間的變化規(guī)律一致，其中激發(fā)劑摻量極差值最大，水玻璃模數(shù)和水固比這兩個影響因素的極差值較小，說明水玻璃模數(shù)和水固比這兩個因素對固廢地質(zhì)聚合物凝結(jié)時間影響較小，固廢地質(zhì)聚合物凈漿凝結(jié)時間主要受粉煤灰摻量、堿性激發(fā)劑這兩個影響因素的影響。因此固廢地質(zhì)聚合物凈漿在實際使用的過程中，可以根據(jù)路面修補實際施工現(xiàn)場的工程需求的凝結(jié)時間選取適宜的配合比獲得滿足。

3.2 抗壓強度分析

不同養(yǎng)護時間條件下各配合比固廢地質(zhì)聚合物抗壓強度實驗結(jié)果和實驗結(jié)果極差分析如圖3所示。

圖3 不同配合比地質(zhì)聚合物凈漿的抗壓強度

由圖3可知，影響固廢地質(zhì)聚合物早期抗壓強度因素主次順序為：粉煤灰摻量＞激發(fā)劑摻量＞水固比＞激發(fā)劑模數(shù)，影響固廢地質(zhì)聚合物長期抗壓強度因素的主次順序為：粉煤灰摻量＞激發(fā)劑摻量＞水固比＞激發(fā)劑模數(shù)，固廢地質(zhì)聚合物的抗壓強度隨粉煤灰摻量的升高而提高，粉煤灰摻量是影響固廢地質(zhì)聚合物抗壓強度的主要因素，其次是激發(fā)劑摻量。水固比和激發(fā)劑模數(shù)對固廢地質(zhì)聚合物的影響較小，激發(fā)劑在模數(shù)1.2～1.8時，對固廢地質(zhì)聚合物的早期和長期抗壓強度影響均很小，因此可以通過調(diào)控粉煤灰摻量，制備滿足抗壓強度要求的固廢地質(zhì)聚合物修補材料。

3.3 摻合料對固廢地質(zhì)聚合物凈漿抗壓強度的影響

不同配合比稻殼灰、硅灰與偏高嶺土對固廢地質(zhì)聚合物凈漿改性后抗壓強度測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同配合改性固廢地質(zhì)聚凈漿的抗壓強度

由圖4可知，分別單獨摻入偏高嶺土、稻殼灰和硅灰均可提高固廢地質(zhì)聚合物凈漿的抗壓強度，其中偏高嶺土對固廢地質(zhì)聚合物抗壓強度的改性效果最好。在單摻的基礎(chǔ)上復(fù)合摻雜偏高嶺土、稻殼灰和硅灰，實驗結(jié)果表明當?shù)練せ液推邘X土摻量均為10%時改性效果最好，固廢地質(zhì)聚合物抗壓強度取得最大值，復(fù)合改性的效果比單獨改性的效果更好，強度值更高，復(fù)合改性更有利于地質(zhì)聚合物抗壓強度的提高。

3.4 稻殼灰、硅灰與偏高嶺對固廢地質(zhì)聚合物凈漿粘結(jié)強度的影響

不同配合比稻殼灰、硅灰與偏高嶺土對固廢地質(zhì)聚合物凈漿改性后粘結(jié)強度測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，改性均可提高固廢地質(zhì)聚合物的粘結(jié)強度，稻殼灰/偏高嶺土復(fù)合改性固廢地質(zhì)聚合物凈漿的粘結(jié)強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當?shù)練せ液推邘X土摻量均為10%時，水泥材料-固廢地質(zhì)聚合物的3d、7d和28d粘結(jié)強度均達到最大值。硅灰/偏高嶺土復(fù)合改性固廢地質(zhì)聚合物凈漿的粘結(jié)強度也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當硅灰和偏高嶺土摻量均為10%時，水泥材料-固廢地質(zhì)聚合物3d、7d 和28d 拉伸強度均達到最大值。將稻殼灰/偏高嶺土和硅灰/偏高嶺土兩種改性進行對比，結(jié)果表明：稻殼灰和偏高嶺土摻加量均為10%時，固廢地質(zhì)聚合物的粘結(jié)強度達最大值，這與復(fù)合改性固廢地質(zhì)聚合物凈漿的抗壓強度變化規(guī)律一致，當?shù)練せ液推邘X土摻加量均為10%時，改性效果最好，摻雜均可以提高固廢地質(zhì)聚合物凈漿的粘結(jié)強度，復(fù)合改性更利于固廢地質(zhì)聚合物凈漿粘結(jié)強度的提高。

圖5 不同配合比改性固廢地質(zhì)聚凈漿改性后的粘結(jié)強度

3.5 微觀形貌分析

稻殼灰、硅灰與偏高嶺的改性提高了固廢地質(zhì)聚合物的性能，作為水泥路面修補材料，摻雜改性提高了固廢地質(zhì)聚合物的抗壓強度和水泥材料的粘結(jié)性能，當?shù)練せ液推邘X土摻加量均為10%時，改性效果最好，復(fù)合改性固廢地質(zhì)聚合物凈漿與水泥材料粘結(jié)界面的微觀形貌如圖6所示。

由圖6可知，摻入稻殼灰與偏高嶺土后，固廢地質(zhì)聚合物修補材料與水泥材料界面的界面過程區(qū)致密，幾乎沒有大顆粒晶體堆積，界面結(jié)合程度高，粘結(jié)性能好，對地質(zhì)聚合物和水泥材料的界面過渡區(qū)進行EDS能譜分析發(fā)現(xiàn)界面區(qū)主要富集了地質(zhì)聚合物組分，進一步說明改性固廢棄地質(zhì)聚合物與水泥材料具有較高的粘結(jié)性。

4 結(jié)論

1.以礦渣、粉煤灰硅酸鹽固體廢物為主要原材料，NaOH調(diào)節(jié)不同模數(shù)的水玻璃作為堿激發(fā)劑，制備得到固廢地質(zhì)聚合物路面修補材料。通過配合比的調(diào)節(jié)，可以控制固廢地質(zhì)聚合物凈漿修補材料的工作性能，固廢地質(zhì)聚合物力學性能隨配合比的不同而變化，考慮地質(zhì)聚合物路面修補材料的實際施工情況，確定水固比為0.32，堿激發(fā)劑摻量為014，粉煤灰取代率為0.4，水玻璃模數(shù)為0.12的配合比最優(yōu)，該配合比制備的固廢地質(zhì)聚合物凈漿初凝時間為60min，終凝時間為80min，3d、7d、28d 抗壓強度分別為53.48MPa，58.76MPa，86.35 MPa。

2.在固廢地質(zhì)聚合物中摻入不同摻量的偏高嶺土、稻殼灰、硅灰對地質(zhì)聚合物路面修補材料進行改性，結(jié)果表明，摻雜均可提高固廢棄地質(zhì)聚合物的性能，復(fù)合摻雜效果優(yōu)于單獨摻雜，當摻加稻殼灰量為10%、偏高嶺土摻量為10%時，地質(zhì)聚合物的改性效果最好，復(fù)合改性固廢地質(zhì)聚合物強度最高。