磷石膏膠凝路基材料改性機(jī)理試驗(yàn)研究

韋煜

作者簡(jiǎn)介：

韋 煜（1986—），工程師，研究方向：道路橋梁工程。

傳統(tǒng)路基材料易出現(xiàn)干縮裂紋，從而影響材料的使用年限。為了解決上述問(wèn)題，考慮研究一種具有早期微膨脹性能的路基材料。文章通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了磷石膏對(duì)粉煤灰膠凝路基材料工程特性的調(diào)節(jié)作用，并對(duì)其改性機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：磷石膏能降低材料早期水化反應(yīng)速率，提高凝結(jié)時(shí)間;在一定的摻量下，磷石膏不會(huì)影響材料的最終強(qiáng)度，還能使材料產(chǎn)生微膨脹。本研究可為磷石膏的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展和防治路基材料干縮裂紋提供參考。

磷石膏;路基材料;基礎(chǔ)性能;最佳比例

U416.1A190653

0 引言

我國(guó)的道路交通越來(lái)越發(fā)達(dá)，用于道路方面的投資也日益增加。而在現(xiàn)有的道路施工中，對(duì)于路基材料的選取，大多數(shù)都是采用水泥基材料[1]，這類材料存在一種缺點(diǎn)，那就是由于凝結(jié)時(shí)間較快而產(chǎn)生收縮裂紋，這不僅影響基層材料本身的性能，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致路面開(kāi)裂，從而使得道路往往達(dá)不到規(guī)定的使用年限[2-3]。

為了解決上述問(wèn)題，可以考慮研究一種初凝時(shí)間較長(zhǎng)且具有微膨脹性的復(fù)合膠凝路基材料。根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)[4-6]，水化產(chǎn)物鈣釩石晶體對(duì)于解決水泥基材料易收縮開(kāi)裂具有顯著的效果，而鈣釩石晶體產(chǎn)生的水化過(guò)程依賴于溶液中參與反應(yīng)的離子濃度，如控制水化速率的AlO-2離子、控制水化產(chǎn)物穩(wěn)定性的SO2-4離子等[7-8]。雖然某些硅酸鹽水泥也能產(chǎn)生鈣釩石生成所必需的離子，但是濃度較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

本文的原材料采用復(fù)合膠凝路基材料，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改性，改善其性能，提高其服務(wù)年限，改性劑的選取必須滿足上述鈣釩石晶體產(chǎn)生的必要條件。根據(jù)研究表明[9-11]，粉煤灰作為復(fù)合膠凝材料中的一種原材料，可以提供AlO-2離子，而磷石膏中CaSO4·2H2O的含量很高，可以提供硫酸根離子，因此，可以考慮將磷石膏作為改性劑。

為了研究磷石膏復(fù)合膠凝材料作為路基材料的可行性，將不同配比的改性材料進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度和膨脹性測(cè)試試驗(yàn)，為磷石膏的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展提供新的方向。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及原材料

1.1 原材料

粉煤灰用于混凝土已經(jīng)比較普遍了，這里就將水泥熟料和粉煤灰統(tǒng)一當(dāng)作原材料，二磷石膏作為改性劑，它們?nèi)叩幕瘜W(xué)成分和含量如下頁(yè)表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先將三種材料都進(jìn)行磨粉，確保其顆粒中粒徑<80 mm的含量在80%以上，然后再進(jìn)行制樣。根據(jù)以往的研究[5-6]，將水泥熟料的含量定在40%，粉煤灰的含量定在42%～51%，磷石膏摻量的變化范圍為9%～18%。試樣每組的配比如表2所示。

通過(guò)測(cè)量不同磷石膏含量下改性材料的凝結(jié)時(shí)間、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及膨脹率，研究改性材料的性能以及磷石膏的最優(yōu)摻量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凝結(jié)時(shí)間

在不同的磷石膏摻量下，監(jiān)測(cè)改性材料的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，結(jié)果如圖1所示。隨著磷石膏含量的增加，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均不斷增大，關(guān)系近似為正相關(guān)。當(dāng)磷石膏摻量為9%時(shí)，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為410 min和481 min;當(dāng)磷石膏摻量為18%時(shí)，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為599 min和693 min，分別上升了46.1%和44.07%?？梢?jiàn)磷石膏對(duì)于改善復(fù)合膠凝材料的初凝和終凝時(shí)間均有不錯(cuò)的效果。

2.2 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

采用四種磷石膏摻量，每一種摻量均設(shè)置三組試驗(yàn)，分別測(cè)量在養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d和28 d下材料的抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)的結(jié)果如圖2所示。在相同的磷石膏摻量下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，材料的抗折強(qiáng)度逐漸增加，且當(dāng)磷石膏摻量<18%時(shí)，28 d后抗折強(qiáng)度均能達(dá)到要求。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d和7 d時(shí)，隨著磷石膏摻量的增加，強(qiáng)度均不斷降低;但是當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d、磷石膏摻量為15%時(shí)，強(qiáng)度與摻量9%時(shí)很接近，當(dāng)摻量為18%時(shí)，下降較多。這是因?yàn)?，磷石膏的加入?huì)降低材料的水化速率，使得早期材料中鈣釩石晶體和C-S-H凝膠的量較少，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)還沒(méi)有完全搭建起來(lái)，因此表現(xiàn)為強(qiáng)度降低的趨勢(shì)。而隨著齡期的增加，磷石膏與粉煤灰活性被互相激發(fā)，促進(jìn)鈣釩石晶體和C-S-H凝膠的量增加，使得材料的抗折強(qiáng)度又有所回升。但是摻量較大時(shí)，由于鈣釩石晶體數(shù)量增加較多，導(dǎo)致材料膨脹，從而降低材料的性能。

與測(cè)量改性材料抗折強(qiáng)度思路相同，再次測(cè)量在不同磷石膏摻量和養(yǎng)護(hù)齡期下，材料的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。在相同的磷石膏摻量下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，材料的抗壓強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，隨著磷石膏摻量的增加，材料強(qiáng)度不斷降低但是變化很小;當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，磷石膏摻量為9%時(shí)強(qiáng)度最高;當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，磷石膏摻量為9%～15%時(shí)強(qiáng)度接近，而磷石膏摻量為18%時(shí)，強(qiáng)度明顯降低。

綜合上述的分析可知，在不同的磷石膏摻量和養(yǎng)護(hù)齡期下，材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)十分接近。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，磷石膏的加入，雖然會(huì)影響材料的早期強(qiáng)度，但是最終的強(qiáng)度是能達(dá)到要求的。同時(shí)，摻量太高會(huì)降低材料的性能，因此，根據(jù)抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，磷石膏的最優(yōu)摻量為15%。

2.3 膨脹率

為了驗(yàn)證不同磷石膏摻量下材料的膨脹率，設(shè)置四種磷石膏摻量試樣測(cè)試其不同養(yǎng)護(hù)齡期下的膨脹率。為了與實(shí)際工程相接近，試樣的養(yǎng)護(hù)方式設(shè)置為前28 d在水中養(yǎng)護(hù)，之后在室內(nèi)空氣中養(yǎng)護(hù)，膨脹率的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在養(yǎng)護(hù)齡期28 d之前，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，所有試樣的膨脹率均不斷地增加，且隨著磷石膏含量的增加，膨脹率增加越明顯，但是都是微膨脹。當(dāng)磷石膏摻量為9%時(shí)，在齡期為14 d時(shí)，膨脹率就基本停止了，說(shuō)明磷石膏中參與鈣釩石晶體等的反應(yīng)物已經(jīng)被消耗完。所以，磷石膏能顯著地影響材料的膨脹率，對(duì)于避免材料出現(xiàn)干縮有很好的作用。

在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)階段，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，所有試樣的膨脹率均開(kāi)始不斷下降，當(dāng)摻量為9%時(shí)，在56 d膨脹率達(dá)到基本穩(wěn)定，140 d后材料的膨脹率<0，出現(xiàn)微小的干縮現(xiàn)象;在其余摻量下，在84 d膨脹率達(dá)到基本穩(wěn)定，140 d后材料的膨脹率>0，均有微膨脹。這是因?yàn)椴牧显缙谂蛎浡噬?，鈣釩石晶體等含量增加，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能鎖住一定的自由水和結(jié)合水。在干燥養(yǎng)護(hù)階段，這對(duì)由于自由水散失或者材料內(nèi)外濕度差等原因造成的水分散失、體積降低有一定的抑制作用。從以上試驗(yàn)結(jié)果看出，磷石膏的摻量為15%時(shí)能很好地達(dá)到提高材料微膨脹率的要求。

2.4 磷石膏改性機(jī)理

磷石膏在水中溶解后，會(huì)產(chǎn)生SO2-4離子，與其他材料產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生水化反應(yīng)生成形狀為針狀的膠凝物，附著在材料表面會(huì)影響溶液中離子和水分的流通，從而導(dǎo)致前期反應(yīng)速率降低。SO2-4離子還會(huì)參與水化反應(yīng)生成鈣釩石晶體，鈣釩石晶體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)使材料的膨脹率增大，主要原因有三點(diǎn)：（1）鈣釩石晶體不斷生成長(zhǎng)大，相互交錯(cuò)擠壓導(dǎo)致材料體積增大;（2）吸收部分的水分子和離子，導(dǎo)致顆粒之間相互排斥產(chǎn)生膨脹;（3）磷石膏中SO2-4離子比較充足，導(dǎo)致鈣釩石晶體的量較大，填充材料孔隙時(shí)使得材料體積增大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以水泥熟料和粉煤灰組成的膠凝路基材料為原材料，通過(guò)加入磷石膏對(duì)其進(jìn)行改性，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)不同磷石膏摻量改性材料的工程特性進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：（1）磷石膏能降低材料早期水化反應(yīng)速率，提高凝結(jié)時(shí)間;（2）在一定的摻量下，磷石膏不會(huì)影響材料的最終強(qiáng)度，還能使材料產(chǎn)生微膨脹;（3）確定磷石膏的最優(yōu)摻量為15%。本文可為磷石膏的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展和防治路基材料干縮裂紋提供新的方向。

[1]沙愛(ài)民.半剛性基層的材料特性[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2008，21（1）：1-5.

[2]胡力群.半剛性基層材料結(jié)構(gòu)類型與組成設(shè)計(jì)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

[3]廉向東.濕熱地區(qū)水泥混凝土路面基層性能評(píng)價(jià)與路面結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[4]Mehta P K.Mechanism of expansion associated with ettringite formation[J].Cement&Concrete Research，1973，3（1）：1-6.

[5]葉 強(qiáng)，馬 兵，馬 驥.工業(yè)廢渣制備硫鋁酸鈣及對(duì)混凝土中粉煤灰的激發(fā)性能研究[J].粉煤灰綜合利用，2012（5）：22-26.

[6]唐志明.膨脹劑在混凝土中作用機(jī)理研究[J].遼寧建材，2008（4）：19-20.

[7]覃 肖.補(bǔ)償收縮混凝土中延遲鈣釩石生成對(duì)其性能的影響[C].吳中偉院士從事科教工作六十年學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2004.

[8]彭家惠，樓宗漢.鈣礬石形成機(jī)理的研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000，28（6）：511-515.

[9]Shen W，Gan G，Dong R，et al.Utilization of solidified phosphogypsum as Portland cement retarder[J].Jou rnal of Material Cycles and Waste Management，2012，14（3）：228-233.

[10]Shen W，et al.Study on lime-fly ash-phosphogypsum binder[J].Construction and Building Materials，2007（21）：1 480-1 485.

[11]Shen W，Zhou M，WeiM，et al.Investigation on the application of steel slag-fly ash-phosphogypsum solidifi ed material as road base material[J].Journal of Hazardous Materials，2009，164（1）：99-104.