道路基層復合膠凝材料的性能調控

趙德強, 張昺榴, 朱文尚, 陳端欣, 沈衛國,2,3

(1.武漢理工大學 材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430070; 2.武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室, 湖北 武漢 430070; 3.武漢理工-加州大學伯克利混凝土科學與技術聯合實驗室, 湖北 武漢 430070)

本文研究磷石膏和鋼渣對道路基層復合膠凝材料性能的影響,通過測試不同配比道路基層膠凝材料的膨脹率、水化熱和孔結構,對復合膠凝材料的緩凝微膨脹機理進行研究,為磷石膏和鋼渣的綜合利用探討一條有效途徑.

1 試驗

1.1 原材料

試驗所用熟料和磷石膏(PG)由葛洲壩水泥廠提供;鋼渣(SS)取自武漢鋼鐵集團公司;粉煤灰取自青山熱電廠.各原料化學組成(質量分數，文中涉及的組成、篩余量等均為質量分數)如表1所示.

表1 各原材料化學組成Table 1 Chemical compositions of raw materials w/%

1.2 試驗方法

將4種原材料按照配合比進行配料,并倒入φ500×500mm的標準球磨機中進行粉磨,粉磨細度控制為80μm方孔篩篩余量不大于12.0%.

道路基層復合膠凝材料標準稠度用水量、凝結時間、膠砂強度以及膨脹收縮性能按照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》、GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》以及JC/T 313—2009《膨脹水泥膨脹率試驗方法》進行測定.

水化熱和孔結構分別采用德國耐馳公司生產的TAMAIR型微量熱儀、美國麥克公司生產的AutoPore 9500型壓汞儀進行測試.

1.3 材料組成設計

根據GB/T 35162—2017《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》,對熟料-鋼渣-粉煤灰-磷石膏系道路基層復合膠凝材料進行組成設計.在大量研究基礎上[9-10],將熟料摻量固定為40%,粉煤灰摻量控制在40%～50%,通過調整磷石膏和鋼渣摻量,對膠凝材料的性能進行調控(見表2).

表2 道路基層復合膠凝材料的材料組成Table 2 Material compositions of road base composite binder w/%

2 結果與討論

2.1 凝結時間

磷石膏和鋼渣對道路基層復合膠凝材料標準稠度用水量和凝結時間的影響見圖1.

圖1 材料組成對道路基層復合膠凝材料凝結時間的影響Fig.1 Influence of material composition on setting time of road base composite binder

由圖1(a)可知：在標準稠度用水量不變的條件下,隨著磷石膏摻量的增加,復合膠凝材料的初凝和終凝時間逐漸延長;當磷石膏摻量為9%時,其初凝和終凝時間分別為409、480min,而當摻量達到18%時,其初凝和終凝時間分別延長了191、213min,凝結時間隨著磷石膏摻量的增加而增加,表明磷石膏摻量對復合膠凝材料的緩凝效果影響極為顯著.由圖1(b)可知：在標準稠度用水量不變的條件下，隨著鋼渣摻量的增加，復合膠凝材料凝結時間逐漸縮短,當鋼渣摻量為10%時,其初凝和終凝時間分別縮短27、42min.因此,加入鋼渣可以調控道路基層復合膠凝材料的凝結時間,使其保持在合適的范圍內.

2.2 膠砂強度

磷石膏和鋼渣對道路基層復合膠凝材料膠砂強度的影響見圖2.

圖2 材料組成對道路基層復合膠凝材料膠砂強度的影響Fig.2 Influence of material composition on mortar strength of road base composite binder

由圖2可知：隨著磷石膏摻量的增加,道路基層復合膠凝材料各齡期的抗折和抗壓強度呈現下降的趨勢;9%磷石膏摻量水泥的28d抗壓強度為23.8MPa,而18%磷石膏摻量的抗壓強度為21.8MPa,說明磷石膏較大摻量對膠凝材料的膠砂強度有較大影響;固定磷石膏摻量為15%,當鋼渣摻量為10%時,其28d 強度為28.6MPa,明顯提高了膠凝材料的強度,但鋼渣摻量繼續增加時,各齡期的抗折和抗壓強度又呈現下降的趨勢.

磷石膏會延緩復合膠凝材料的水化,隨著磷石膏摻量的增加,熟料礦物的水化程度降低,C-S-H凝膠和鈣礬石的生成量減少,沒有形成網絡狀的致密結構,表現為早期強度的降低.隨著齡期的延長,粉煤灰的火山灰活性被激發,C-S-H凝膠和鈣礬石等水化產物的生成量增加.因此,12%和15%磷石膏摻量復合膠凝材料的28d強度降低很小.但是,當磷石膏摻量增加到18%時,水化生成大量鈣礬石所引起的膨脹產生的破壞對膠砂強度的影響更加明顯.因此,28d強度下降也更為顯著.磷石膏中的可溶磷和氟在生成比表面積較大的磷酸鈣和氟化鈣阻礙膠凝材料水化的同時,對強度也會產生一定的不利影響[11-12],存在于磷石膏中的有機物和一些其他雜質均會導致膠砂強度的降低.當用鋼渣取代部分粉煤灰時,復合膠凝材料的3、7d強度明顯提高.這主要是因為鋼渣是一種具有弱膠凝性的材料,在水化早期可以參與水化反應從而提高硬化漿體的早期強度.隨著齡期的延長,粉煤灰的火山灰活性被激發,生成了大量的鈣礬石等水化產物,而鋼渣中的Al含量低于粉煤灰,因此生成的鈣礬石的量相對于粉煤灰少,因膨脹而導致的強度損失就較小,因此10%鋼渣摻量的道路基層復合膠凝材料的膠砂強度要高于磷石膏單摻的膠砂強度.但當鋼渣摻量由10%增加到20%時,復合膠凝材料的強度下降的原因主要是鋼渣中含有一定量的游離氧化鈣和氧化鎂,會造成安定性不良[13],對強度發展不利,因此只有摻入適量的鋼渣才可以提高大摻量磷石膏道路基層復合膠凝材料的強度.

2.3 脹縮性能

磷石膏和鋼渣對道路基層復合膠凝材料脹縮性能調控的試驗結果見圖3.

圖3 材料組成對道路基層復合膠凝材料膨脹率的影響Fig.3 Influence of material composition on road base composite binder expansion rate

綜上所述,固定熟料摻量為40%,磷石膏摻量為15%、鋼渣摻量為10%時,道路基層復合膠凝材料的強度達到最高,其初凝和終凝時間分別為516、583min,7d膨脹率大于0.1%,28d膨脹率小于0.5%,其凝結時間符合道路施工要求且具有微膨脹性能.同時,該膠凝材料可大量利用工業固體廢物磷石膏和鋼渣,具有明顯的經濟效益和環境效益.

2.4 孔結構

固定熟料摻量為40%,用壓汞法(MIP)對復合膠凝材料漿體的孔結構進行測試,不同配比道路基層復合膠凝材料的累積孔徑體積和孔徑分布曲線如圖4(a)、(b)所示,復合膠凝材料漿體孔體積分布如圖4(c)所示.

圖4 材料組成對道路基層復合膠凝材料凈漿孔結構的影響Fig.4 Influence of material composition on road base composite binder pore structure

由圖4(a)、(b)可知：磷石膏摻量從9%遞增到15%時,累積孔體積不斷增大.根據吳中偉[15]提出的孔級劃分概念,考慮到不同孔徑對水泥混凝土性能的影響,按孔徑尺寸將其分為：無害孔(<20nm)、少害孔(20～100nm)、有害孔(100～200nm)和多害孔(>200nm).由圖4(c)可以看出,有害孔和多害孔的體積隨著磷石膏摻量的增加而增大,磷石膏摻量越大硬化漿體的孔隙率也越大,在宏觀性能上表現為抗壓強度的降低.SS-10與PG-15相比,其累積孔體積、有害孔以及多害孔的體積減小,說明鋼渣的加入能明顯改善硬化漿體的孔結構,使硬化漿體更加致密,在宏觀強度上則表現為SS-10的28d強度要高于PG-15.

2.5 水化熱

固定熟料摻量為40%,不同材料組成道路基層復合膠凝材料的水化熱如圖5所示.

當摻入鋼渣后,由于鋼渣中含有的C3S等礦物組分具有一定的水硬性[17],對道路基層復合膠凝材料的早期水化起到了一定的促進作用,從而使其誘導期明顯縮短,放熱速率和放熱總量高于不加鋼渣的膠凝材料,這說明鋼渣的摻入能夠調控膠凝材料的水化放熱速率,在宏觀性能上則表現為凝結時間的縮短和早期強度的提高.

圖5 材料組成對道路基層復合膠凝材料水化熱的影響Fig.5 Influence of material composition on hydration heat of road base composite binder

2.6 緩凝微膨脹機理

(1)

(2)

3 結論

(1)道路基層復合膠凝材料的凝結時間和膨脹率隨著磷石膏摻量的增加而增加,10%鋼渣加入后，其初凝和終凝時間分別縮短27、42min.

(2)隨著磷石膏摻量的增加,復合膠凝材料各齡期的膠砂強度呈現下降趨勢,而適量鋼渣的加入可明顯提高膠砂強度.最優配比設計為：熟料摻量為40%,粉煤灰摻量為35%,磷石膏摻量為15%,鋼渣摻量為10%.

(3)磷石膏的加入顯著降低了道路基層復合膠凝材料的水化放熱速率,孔隙率也隨著磷石膏摻量的增加而逐漸增大;10%鋼渣加入后可促進復合膠凝材料的早期水化并優化孔結構,使其28d抗壓強度提高21.7%.