韋煜

作者簡介：

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。文章通過室內(nèi)試驗研究了磷石膏對粉煤灰膠凝路基材料工程特性的調(diào)節(jié)作用，并對其改性機理進行了分析。結(jié)果表明：磷石膏能降低材料早期水化反應速率，提高凝結(jié)時間;在一定的摻量下，磷石膏不會影響材料的最終強度，還能使材料產(chǎn)生微膨脹。本研究可為磷石膏的應用領(lǐng)域擴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

我國的道路交通越來越發(fā)達，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，那就是由于凝結(jié)時間較快而產(chǎn)生收縮裂紋，這不僅影響基層材料本身的性能，同時還會導致路面開裂，從而使得道路往往達不到規(guī)定的使用年限[2-3]。

為了解決上述問題，可以考慮研究一種初凝時間較長且具有微膨脹性的復合膠凝路基材料。根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)[4-6]，水化產(chǎn)物鈣釩石晶體對于解決水泥基材料易收縮開裂具有顯著的效果，而鈣釩石晶體產(chǎn)生的水化過程依賴于溶液中參與反應的離子濃度，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，遠遠達不到要求。

本文的原材料采用復合膠凝路基材料，通過對其進行改性，改善其性能，提高其服務年限，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行凝結(jié)時間、強度和膨脹性測試試驗，為磷石膏的應用領(lǐng)域擴展提供新的方向。

1 試驗設計及原材料

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)一當作原材料，二磷石膏作為改性劑，它們?nèi)叩幕瘜W成分和含量如下頁表1所示。

1.2 試驗設計

首先將三種材料都進行磨粉，確保其顆粒中粒徑<80 mm的含量在80%以上，然后再進行制樣。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。

通過測量不同磷石膏含量下改性材料的凝結(jié)時間、抗折強度、抗壓強度以及膨脹率，研究改性材料的性能以及磷石膏的最優(yōu)摻量。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 凝結(jié)時間

在不同的磷石膏摻量下，監(jiān)測改性材料的初凝時間和終凝時間，結(jié)果如圖1所示。隨著磷石膏含量的增加，初凝時間和終凝時間均不斷增大，關(guān)系近似為正相關(guān)。當磷石膏摻量為9%時，初凝時間和終凝時間分別為410 min和481 min;當磷石膏摻量為18%時，初凝時間和終凝時間分別為599 min和693 min，分別上升了46.1%和44.07%?？梢娏资鄬τ诟纳茝秃夏z凝材料的初凝和終凝時間均有不錯的效果。

2.2 抗折強度和抗壓強度

采用四種磷石膏摻量，每一種摻量均設置三組試驗，分別測量在養(yǎng)護齡期為3 d、7 d和28 d下材料的抗折強度，試驗的結(jié)果如圖2所示。在相同的磷石膏摻量下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，材料的抗折強度逐漸增加，且當磷石膏摻量<18%時，28 d后抗折強度均能達到要求。當養(yǎng)護齡期為3 d和7 d時，隨著磷石膏摻量的增加，強度均不斷降低;但是當養(yǎng)護齡期為28 d、磷石膏摻量為15%時，強度與摻量9%時很接近，當摻量為18%時，下降較多。這是因為，磷石膏的加入會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)還沒有完全搭建起來，因此表現(xiàn)為強度降低的趨勢。而隨著齡期的增加，磷石膏與粉煤灰活性被互相激發(fā)，促進鈣釩石晶體和C-S-H凝膠的量增加，使得材料的抗折強度又有所回升。但是摻量較大時，由于鈣釩石晶體數(shù)量增加較多，導致材料膨脹，從而降低材料的性能。

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

綜合上述的分析可知，在不同的磷石膏摻量和養(yǎng)護齡期下，材料的抗折強度和抗壓強度變化趨勢十分接近。從試驗結(jié)果可以看出，磷石膏的加入，雖然會影響材料的早期強度，但是最終的強度是能達到要求的。同時，摻量太高會降低材料的性能，因此，根據(jù)抗折強度和抗壓強度試驗結(jié)果，磷石膏的最優(yōu)摻量為15%。

2.3 膨脹率

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

從圖4中可以看出，在養(yǎng)護齡期28 d之前，隨著養(yǎng)護齡期的增加，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。當磷石膏摻量為9%時，在齡期為14 d時，膨脹率就基本停止了，說明磷石膏中參與鈣釩石晶體等的反應物已經(jīng)被消耗完。所以，磷石膏能顯著地影響材料的膨脹率，對于避免材料出現(xiàn)干縮有很好的作用。

在室內(nèi)養(yǎng)護階段，隨著養(yǎng)護齡期的增加，所有試樣的膨脹率均開始不斷下降，當摻量為9%時，在56 d膨脹率達到基本穩(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膨脹率達到基本穩(wěn)定，140 d后材料的膨脹率>0，均有微膨脹。這是因為材料早期膨脹率升高，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)護階段，這對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。從以上試驗結(jié)果看出，磷石膏的摻量為15%時能很好地達到提高材料微膨脹率的要求。

2.4 磷石膏改性機理

磷石膏在水中溶解后，會產(chǎn)生SO2-4離子，與其他材料產(chǎn)生的物質(zhì)會產(chǎn)生水化反應生成形狀為針狀的膠凝物，附著在材料表面會影響溶液中離子和水分的流通，從而導致前期反應速率降低。SO2-4離子還會參與水化反應生成鈣釩石晶體，鈣釩石晶體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會使材料的膨脹率增大，主要原因有三點：（1）鈣釩石晶體不斷生成長大，相互交錯擠壓導致材料體積增大;（2）吸收部分的水分子和離子，導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，導致鈣釩石晶體的量較大，填充材料孔隙時使得材料體積增大。

3 結(jié)語

本文以水泥熟料和粉煤灰組成的膠凝路基材料為原材料，通過加入磷石膏對其進行改性，經(jīng)室內(nèi)試驗對不同磷石膏摻量改性材料的工程特性進行研究，得到如下結(jié)論：（1）磷石膏能降低材料早期水化反應速率，提高凝結(jié)時間;（2）在一定的摻量下，磷石膏不會影響材料的最終強度，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用領(lǐng)域擴展和防治路基材料干縮裂紋提供新的方向。

[1]沙愛民.半剛性基層的材料特性[J].中國公路學報，2008，21（1）：1-5.

[2]胡力群.半剛性基層材料結(jié)構(gòu)類型與組成設計研究[D].西安：長安大學，2004.

[3]廉向東.濕熱地區(qū)水泥混凝土路面基層性能評價與路面結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)設計[D].西安：長安大學，2012.

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

[5]葉 強，馬 兵，馬 驥.工業(yè)廢渣制備硫鋁酸鈣及對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理研究[J].遼寧建材，2008（4）：19-20.

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

[8]彭家惠，樓宗漢.鈣礬石形成機理的研究[J].硅酸鹽學報，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.