礦物摻合料對氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層耐水性的影響

王永維，何文敏，關(guān)博文，高妮，張紀(jì)陽

（1.陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 渭南 714000；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；3.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

青海省高海拔高寒地區(qū)早晚溫差大，一年中的低溫時(shí)間長，導(dǎo)致這部分時(shí)間段鋪筑的水泥穩(wěn)定碎石基層早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，養(yǎng)護(hù)困難，同時(shí)易產(chǎn)生收縮開裂等問題，往往在道路運(yùn)營早期就易演變?yōu)榉瓷淞芽p，使得路面發(fā)生早期病害，給公路工程的施工與養(yǎng)護(hù)帶來巨大挑戰(zhàn)[1]。氯氧鎂水泥是一種氣硬性膠凝材料，與常規(guī)的水硬性無機(jī)結(jié)合料水泥不同，具有凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高、體積穩(wěn)定性優(yōu)異和養(yǎng)護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在高溫和嚴(yán)寒氣候中均具有良好的穩(wěn)定性，并且青海鹽湖眾多，可以提取大量含氯化鎂廢料作為生產(chǎn)氯氧鎂水泥的原材料，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可有效解決“鎂害”等問題，保護(hù)環(huán)境[2-3]。考慮到氯氧鎂水泥材料由于其特殊的組成，其本身強(qiáng)度雖高，但工程應(yīng)用實(shí)際中卻不需要這么高的強(qiáng)度，同時(shí)氯氧鎂水泥的耐水性差，長期浸水后強(qiáng)度會(huì)大幅降低。因此，想大力推廣將氯氧鎂水泥應(yīng)用在基層，就必須解決其耐水性差的問題。與此同時(shí)，與水泥相比氯氧鎂水泥的成本較高，如何在保證氯氧鎂水泥耐水性的同時(shí)，進(jìn)一步提高氯氧鎂水泥的性價(jià)比，進(jìn)一步選擇適合應(yīng)用地區(qū)穩(wěn)定碎石基層的復(fù)合氯氧鎂水泥也是一個(gè)值得研究的問題。

眾多研究表明[4-9]，礦物摻合料如粉煤灰、硅灰、石灰石粉、礦粉等由于其潛在的活化效應(yīng)和微集料效應(yīng)，摻入氯氧鎂水泥中可改善其性能。較多的研究集中在氯氧鎂水泥配比以及改性方面，但在工程應(yīng)用實(shí)踐上較少涉及，氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用在公路基層中更是鮮有研究。基于此，本文將礦物摻合料（粉煤灰、白云石粉和石灰石粉）摻入氯氧鎂水泥體系，組成復(fù)合氯氧鎂水泥，研究其對氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層混合料性能的影響，為了防止礦物摻合料的引入對氯氧鎂水泥體系配比的改變，引入新的耐水性評價(jià)手段，以期提出每種礦物摻合料應(yīng)用在路面基層時(shí)的最佳摻量和在青海省公路工程基層應(yīng)用的推薦復(fù)合氯氧鎂水泥的類型，為氯氧鎂水泥在青海省道路工程基層中的應(yīng)用和推廣提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

輕燒氧化鎂粉：遼寧海城產(chǎn)，氧化鎂含量80.3%，活性氧化鎂含量57%，主要成分為MgO，其主要化學(xué)成分見表1，技術(shù)性能見表2；氯化鎂：氯化鎂含量大于45%，主要化學(xué)成分見表3。

表1 輕燒氧化鎂的主要化學(xué)成分 %

表2 輕燒氧化鎂的主要技術(shù)性能

表3 氯化鎂的主要化學(xué)成分 %

礦物摻合料：Ⅱ級粉煤灰，需水量比88%；白云石粉，青海格爾木產(chǎn)，活性氧化鎂含量為15%；石灰石粉，比表面積430 m2/kg。礦物摻合料的主要化學(xué)成分見表4。

表4 礦物摻合料的主要化學(xué)成分 %

集料：石灰石，青海省海西州產(chǎn)，最大粒徑26.5 mm，選擇礦料級配為C-B-1，通過篩分試驗(yàn)確定的合成級配見表5。

表5 礦料通過率篩分結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)配比

氯氧鎂水泥的配合比為輕燒氧化鎂粉摻量為4%，MgO與MgCl2的物質(zhì)的量比為6，MgCl2濃度為22%；用于基層氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料的配合比為：采用如表5所示的碎石合成級配，用量為2205 kg/m3，氯氧鎂水泥摻量為碎石質(zhì)量的4%。

（2）試驗(yàn)方法及評價(jià)手段

氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能試驗(yàn)包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)，具體試驗(yàn)操作參考JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》。耐水系數(shù)K為8 h浸水強(qiáng)度與自然狀態(tài)下7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值，K值越大，耐水性越好。同時(shí)采用DDS-11A型數(shù)顯電導(dǎo)率儀和DJS-1C型電導(dǎo)電極（鉑黑）對氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層的電導(dǎo)率進(jìn)行測試，通過離子析出速率分析評價(jià)氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層的耐水性。由課題組前期研究成果可知，8 h是氯氧鎂水泥518相水解速率評價(jià)的臨界點(diǎn)，選用耐水系數(shù)和微觀的離子析出速率共同評價(jià)基層氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料耐水性的優(yōu)劣。認(rèn)為當(dāng)氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層離子析出速率在8 h時(shí)穩(wěn)定在0.3μsh/cm以下（RIP0.3），8 h耐水系數(shù)（K0.8）在0.8以上時(shí)滿足基本耐水性要求。

2 礦物摻合料對氯氧鎂水泥基層耐水性影響

2.1 粉煤灰復(fù)合氯氧鎂水泥

礦物摻合料內(nèi)摻，等質(zhì)量取代氧化鎂粉。粉煤灰摻量分別為10%、15%、20%、25%、30%，摻粉煤灰的氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及耐水系數(shù)等如表6所示。

由表6可見：

表6 不同粉煤灰摻量氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石的性能

（1）隨著粉煤灰摻量增加，氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和90 d劈裂強(qiáng)度均逐漸降低，其原因是粉煤灰會(huì)破壞混合料的骨架結(jié)構(gòu)，減弱骨料的嵌擠作用，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。分析數(shù)據(jù)可知，在粉煤灰摻量為15%~25%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度降幅較小，而在粉煤灰摻量為10%~15%和25%~30%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度降幅較大，雖然強(qiáng)度降低，但是依然符合JTG E51—2009要求。

（2）相對于強(qiáng)度，粉煤灰摻量對氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層耐水性的影響更大。粉煤灰的摻入極大提高了氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層的耐水性，粉煤灰摻量為10%~15%時(shí)，K0.8提升幅度不大；粉煤灰摻量在20%以上時(shí)，K0.8提升效果顯著。粉煤灰摻量從10%增到到25%，耐水系數(shù)提高了15.6%。分析原因可能是，粉煤灰本身具有一定微級配效應(yīng)，摻量達(dá)到一定程度會(huì)產(chǎn)生包漿效果，從而減少孔隙數(shù)量，減緩518相水解，但由于設(shè)計(jì)浸水時(shí)間只有8 h，后期耐水性無法體現(xiàn)，所以選擇粉煤灰摻量為20%、25%、30%，延長浸水時(shí)間至1、3、7、14、28 d進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同粉煤灰摻量下浸水時(shí)間對耐水系數(shù)的影響

由圖1可知，隨著浸水時(shí)間的延長，耐水系數(shù)均有不同程度的降低，粉煤灰摻量為20%時(shí)，K值遠(yuǎn)低于粉煤灰摻量為25%和30%時(shí)的K值，平均降幅達(dá)9.45%；粉煤灰摻量為25%時(shí)，1 d、14 d、28 d耐水系數(shù)略高于粉煤灰摻量為30%的，3 d、7 d的耐水系數(shù)略低于粉煤灰摻量為30%的；3種粉煤灰摻量時(shí)耐水系數(shù)變化趨勢基本相同，都是早期降低速率快，后期趨于平緩。從經(jīng)濟(jì)和性能綜合分析，粉煤灰摻量以（25±5）%為宜。為進(jìn)一步說明問題，將粉煤灰摻量為25%配比與標(biāo)準(zhǔn)配比（未摻礦物摻合料，下同）的氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行離子析出試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 粉煤灰摻量25%與標(biāo)準(zhǔn)配比下離子析出速率對比

由圖2可知，標(biāo)準(zhǔn)配比和粉煤灰摻量25%配比的擬合曲

線分別為：y=0.8331x-0.747，R2=0.6197；y=0.6522x-0.84，R2=0.7987，由公式可知，摻入25%粉煤灰后，氯離子析出明顯降低。由曲線趨勢可見，摻25%粉煤灰組無論在前期還是后期都體現(xiàn)出較低的離子析出速率，說明粉煤灰對混合料的孔隙密實(shí)起到了良好的作用效果。

2.2 白云石粉復(fù)合氯氧鎂水泥

白云石粉中活性氧化鎂含量遠(yuǎn)低于輕燒氧化鎂粉，等量取代法導(dǎo)致氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料中活性氧化鎂含量降低，其強(qiáng)度、耐水性等性能大幅度降低，難以達(dá)到預(yù)期效果[4]。鑒于此，以輕燒白云石粉超量取代氧化鎂粉制備氯氧鎂水泥，研究輕燒白云石粉對氯氧鎂水泥強(qiáng)度以及耐水性的影響，其中超量取代法中經(jīng)過氧化鎂含量換算，其配合比換算取3∶1，相應(yīng)的調(diào)整集料用量，超量取代選擇10%、15%、20%、25%、30%進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。

表7 不同白云石粉摻量氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石的性能

由表7可見：

（1）雖然白云石粉以3∶1超量取代輕燒氧化鎂粉，經(jīng)換算MgO/MgCl2摩爾比不變，隨著白云石粉摻量的增加，均會(huì)降低氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和90 d劈裂強(qiáng)度，并且隨著摻量增加強(qiáng)度降低幅度也增大。白云石粉超量取代從10%增加到15%時(shí)，氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和90 d劈裂強(qiáng)度分別降低了3.48%、4.85%；白云石粉超量取代從20%增加到25%時(shí)，氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和90 d劈裂強(qiáng)度分別降低了21.88%、26.74%。這與白云石粉摻入到普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石混合料中不同。在普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石混合料中，白云石粉起物理填充作用的同時(shí)，白云石粉中的CaCO3可以作為水化反應(yīng)的晶核促使C3S的水化，CaCO3能夠和C3A反應(yīng)，生成不溶性的單碳鋁酸鹽（3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O），提高其早期強(qiáng)度。而將白云石粉摻到氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料中，主要起到填充作用，對早期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大。表明白云石粉中的CaCO3不僅僅是一種惰性填料，本身具有一定的活性，但這種較低活性的白云石粉在早期參與水化反應(yīng)的程度很低，主要促進(jìn)膠凝材料后期強(qiáng)度和密實(shí)性的提高，并且過多的白云石粉填充在氯氧鎂水泥體系中，阻礙了較高活性的輕燒菱鎂石粉和氯化鎂溶液的接觸反應(yīng)，反而會(huì)降低體系水化反應(yīng)的進(jìn)程，使體系強(qiáng)度的發(fā)展比較緩慢。超量取代情況下為了保證整體壓實(shí)度要求，相應(yīng)的集料總量也會(huì)減少，過多的白云石粉相當(dāng)于細(xì)集料，因此總體來說粗細(xì)集料比例變小，也會(huì)影響總體強(qiáng)度。

（2）白云石粉超量取代情況下，氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料K0.8均在0.8以上，白云石粉超量取代20%時(shí)K0.8>0.9，其原因是摻加白云石粉相當(dāng)于增加了細(xì)集料的含量，對氯氧鎂水泥硬化過程中產(chǎn)生的孔隙起到填充作用，因此在短時(shí)間浸水情況下，減緩了氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料膠凝結(jié)構(gòu)的水解。由于白云石超量取代下20%時(shí)K0.8最大，因此采用白云石粉超量取代20%摻量進(jìn)行離子析出試驗(yàn)。

白云石粉超量取代20%與標(biāo)準(zhǔn)配比的離子析出速率對比如圖3所示。

圖3 白云石粉摻量20%與標(biāo)準(zhǔn)配比下離子析出速率對比

由圖3可知，對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，標(biāo)準(zhǔn)配比和白云石粉超量取代20%配比的擬合曲線分別為：y=0.8331x-0.747，R2=0.6197；y=0.7924x-0.76，R2=0.7865。由擬合曲線可知，白云石粉的超量取代，對早期離子析出速率抑制要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)配比，在后期的離子析出速率基本持平，這與上述結(jié)論一致，白云石粉中CaCO3細(xì)顆粒分散在氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層的孔隙中，填充了孔隙，切斷了孔的連通使其微結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，離子析出速率降低，對后期強(qiáng)度的發(fā)展起到了輔助的作用。

2.3 石灰石粉復(fù)合氯氧鎂水泥

在開采石灰石、生產(chǎn)機(jī)制砂時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的石灰石粉，但常作為廢物丟棄或堆積，不僅占用場地，而且造成大量浪費(fèi)[7]。不同摻量石灰石粉的氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度以及耐水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 不同石灰石粉摻量氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石的性能

由表8可見：

（1）摻石灰石粉均會(huì)降低氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和90 d劈裂強(qiáng)度。石灰石粉摻量從10%增加到15%、20%、25%、30%，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別下降了5.3%、12.7%、27.7%、55.3%，90 d劈裂強(qiáng)度分別下降了4.1%、16.4%、32.8%、45.9%，這一強(qiáng)度變化規(guī)律與石灰石粉摻入普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石中稍有不同。其原因是，少量的石灰石粉加入普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石中，在水化的早期，石灰石粉中的CaCO3可以作為晶核吸附Ca2+促進(jìn)C3S水化，同時(shí)CaCO3能夠和C3A反應(yīng)，生成不溶性的單碳鋁酸鹽（3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O），提高普通硅酸鹽水泥的早期強(qiáng)度；而加入氯氧鎂水泥中，石灰石粉只作為一種填充材料填充于水化產(chǎn)物中，所以強(qiáng)度一直下降。摻入石灰石粉氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的降低幅度均大于摻白云石粉和摻粉煤灰的。

（2）隨著石灰石粉摻量的增加，氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層的K0.8呈先加速到減速的遞減趨勢，石灰石粉摻量從10%增加到15%、20%、25%、30%，K0.8分別降低了26.8%、41.5%、46.3%、47.6%。

對標(biāo)準(zhǔn)配比和石灰石粉摻量為20%的氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行離子析出速率試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 石灰石粉摻量20%與標(biāo)準(zhǔn)配比下離子析出速率對比

由圖4可知，摻20%石灰石粉的氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層離子析出速率擬合曲線為：y=0.5517x-0.139，R2=0.093，擬合度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)配比，并且RIP0.3也不滿足基本耐水性要求。說明石灰石粉不能改善氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層的耐水性，反而會(huì)降低其耐水性，原因是：膠凝材料的減少使氯氧鎂水泥凝膠相和晶體更加分散，而石灰石粉不能將晶體膠結(jié)起來，使水化凝膠相和晶體更容易暴露于水中，當(dāng)水侵蝕時(shí)，凝膠相和晶體更容易水解，從而使氯氧鎂水泥的耐水性降低。

3 結(jié)論

（1）摻入粉煤灰對氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料耐水性改善明顯，通過K0.8和RIP0.3得出最佳粉煤灰摻量為25%，此時(shí)氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石的耐水性達(dá)到最佳，可選擇用于青海省雨量較多的地區(qū)。

（2）綜合考慮氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)性能和耐水性要求，采用白云石粉超量取代氧化鎂粉，取代比例3∶1，摻量20%最佳。可選擇用于青海省干旱、少雨的環(huán)境中。

（3）石灰石粉會(huì)降低氯氧鎂水泥穩(wěn)定碎石混合料的耐水性，不建議使用在青海省公路工程基層中。