固廢地質(zhì)聚合物路面修補(bǔ)材料的制備和性能研究

宋魯俠，郝小非，段 平，黃 敏，張紅新

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

1 引言

目前，我國經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展的指標(biāo)，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(jì)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(zhǎng)迅猛，同時(shí)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(yán)峻。因此，綠色環(huán)保、凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高及性能優(yōu)異的水泥路面修補(bǔ)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(shí)地施工時(shí)的施工工藝、配合比設(shè)計(jì)等因素[1]，水泥路面的修補(bǔ)技術(shù)也隨著水泥路面的破損應(yīng)運(yùn)而生，目前用于水泥混凝土路面的修補(bǔ)材料品種很多，路面修補(bǔ)材料的好壞直接影響修補(bǔ)后路面的質(zhì)量。用于水泥混凝土路面修補(bǔ)的材料必要滿足[2]-[4]：（1）凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高；（2）修補(bǔ)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(zhǎng)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(bǔ)材料相關(guān)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此在水泥路面修補(bǔ)材料行業(yè)出現(xiàn)了許多問題：路面修補(bǔ)材料品種多、施工工藝不同、工作性能無統(tǒng)一要求、修補(bǔ)材料質(zhì)量無法統(tǒng)一評(píng)價(jià)等現(xiàn)象。隨著交通運(yùn)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(bǔ)盡快達(dá)到通車要求，水泥路面修補(bǔ)材料的使用量逐年增加，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，使用較多的水泥路面修補(bǔ)材料有：（1）普通硅酸鹽水泥路面修補(bǔ)材料[5]；（2）特種水泥類路面修補(bǔ)材料[6]-[9]；（3）火山灰改性混凝土類路面修補(bǔ)材料[10]-[11]；（4）聚合物改性水泥基路面修補(bǔ)材料[12-14]；（5）纖維改性水泥基路面修補(bǔ)材料[15]；（6）薄型快凝混凝土類路面修補(bǔ)材料[16]-[17]。

目前的修補(bǔ)材料主要是以水泥基材料為主，施工工藝簡(jiǎn)單，可規(guī)?；a(chǎn)，但凝結(jié)硬化慢，早期強(qiáng)度低，新舊水泥路面粘結(jié)性差，修補(bǔ)路面不能及時(shí)恢復(fù)通行。一方面水泥生產(chǎn)會(huì)造成嚴(yán)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(dòng)[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(fèi)總量的3.7%，生產(chǎn)水泥的總能耗占比達(dá)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(fèi)，因此，改進(jìn)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(jiǎn)單，CO2排放量低，早期強(qiáng)度高，耐久性能優(yōu)良，體積穩(wěn)定性好，耐化學(xué)侵蝕，具有較高的界面粘結(jié)強(qiáng)度，是非常有潛力的水泥路面修補(bǔ)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(bǔ)材料，通過添加礦物摻合料進(jìn)行改性。

2 實(shí)驗(yàn)

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(duì)固廢地質(zhì)聚合物凈漿進(jìn)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(zhǔn)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(jī)，在水泥膠砂成型振實(shí)臺(tái)振實(shí)120次，裝入試模中，放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)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(shí)驗(yàn)分析

固廢地質(zhì)聚合物的初凝時(shí)間及終凝時(shí)間試驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢測(cè)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)試溫度20±2℃，相對(duì)濕度大于50%，凈漿養(yǎng)護(hù)溫度20±1℃，相對(duì)濕度大于90%。用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，日本，Hitachi S4800）對(duì)樣品的新鮮斷面進(jìn)行微觀形貌分析。固廢地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 凝結(jié)時(shí)間分析

不同配合比固廢地質(zhì)聚合物凈漿凝結(jié)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果及測(cè)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(shí)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(shí)間因素主次順序?yàn)椋杭ぐl(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(shí)間因素主次順序?yàn)椋杭ぐl(fā)劑摻量＞粉煤灰摻量＞水固比＞水玻璃模數(shù)。各影響因素對(duì)初凝時(shí)間和終凝時(shí)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(gè)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(gè)因素對(duì)固廢地質(zhì)聚合物凝結(jié)時(shí)間影響較小，固廢地質(zhì)聚合物凈漿凝結(jié)時(shí)間主要受粉煤灰摻量、堿性激發(fā)劑這兩個(gè)影響因素的影響。因此固廢地質(zhì)聚合物凈漿在實(shí)際使用的過程中，可以根據(jù)路面修補(bǔ)實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)的工程需求的凝結(jié)時(shí)間選取適宜的配合比獲得滿足。

3.2 抗壓強(qiáng)度分析

不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下各配合比固廢地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度

由圖3可知，影響固廢地質(zhì)聚合物早期抗壓強(qiáng)度因素主次順序?yàn)椋悍勖夯覔搅浚炯ぐl(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(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)椋悍勖夯覔搅浚炯ぐl(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(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(shí)，對(duì)固廢地質(zhì)聚合物的早期和長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)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(qiáng)度要求的固廢地質(zhì)聚合物修補(bǔ)材料。

3.3 摻合料對(duì)固廢地質(zhì)聚合物凈漿抗壓強(qiáng)度的影響

不同配合比稻殼灰、硅灰與偏高嶺土對(duì)固廢地質(zhì)聚合物凈漿改性后抗壓強(qiáng)度測(cè)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(qiáng)度

由圖4可知，分別單獨(dú)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(qiáng)度，其中偏高嶺土對(duì)固廢地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)?shù)練せ液推邘X土摻量均為10%時(shí)改性效果最好，固廢地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度取得最大值，復(fù)合改性的效果比單獨(dú)改性的效果更好，強(qiáng)度值更高，復(fù)合改性更有利于地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度的提高。

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

不同配合比稻殼灰、硅灰與偏高嶺土對(duì)固廢地質(zhì)聚合物凈漿改性后粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)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(qiáng)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(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)練せ液推邘X土摻量均為10%時(shí)，水泥材料-固廢地質(zhì)聚合物的3d、7d和28d粘結(jié)強(qiáng)度均達(dá)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(qiáng)度也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)硅灰和偏高嶺土摻量均為10%時(shí)，水泥材料-固廢地質(zhì)聚合物3d、7d 和28d 拉伸強(qiáng)度均達(dá)到最大值。將稻殼灰/偏高嶺土和硅灰/偏高嶺土兩種改性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：稻殼灰和偏高嶺土摻加量均為10%時(shí)，固廢地質(zhì)聚合物的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)最大值，這與復(fù)合改性固廢地質(zhì)聚合物凈漿的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致，當(dāng)?shù)練せ液推邘X土摻加量均為10%時(shí)，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(qiáng)度，復(fù)合改性更利于固廢地質(zhì)聚合物凈漿粘結(jié)強(qiáng)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(qiáng)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(bǔ)材料，摻雜改性提高了固廢地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度和水泥材料的粘結(jié)性能，當(dāng)?shù)練せ液推邘X土摻加量均為10%時(shí)，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(bǔ)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(duì)地質(zhì)聚合物和水泥材料的界面過渡區(qū)進(jìn)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)材料的工作性能，固廢地質(zhì)聚合物力學(xué)性能隨配合比的不同而變化，考慮地質(zhì)聚合物路面修補(bǔ)材料的實(shí)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(shí)間為60min，終凝時(shí)間為80min，3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)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(duì)地質(zhì)聚合物路面修補(bǔ)材料進(jìn)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(dú)摻雜，當(dāng)摻加稻殼灰量為10%、偏高嶺土摻量為10%時(shí)，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(qiáng)度最高。