磷石膏胶凝路基材料改性机理试验研究

韦煜

作者简介：

韦 煜（1986—），工程师，研究方向：道路桥梁工程。

传统路基材料易出现干缩裂纹，从而影响材料的使用年限。为了解决上述问题，考虑研究一种具有早期微膨胀性能的路基材料。文章通过室内试验研究了磷石膏对粉煤灰胶凝路基材料工程特性的调节作用，并对其改性机理进行了分析。结果表明：磷石膏能降低材料早期水化反应速率，提高凝结时间;在一定的掺量下，磷石膏不会影响材料的最终强度，还能使材料产生微膨胀。本研究可为磷石膏的应用领域扩展和防治路基材料干缩裂纹提供参考。

磷石膏;路基材料;基础性能;最佳比例

U416.1A190653

0 引言

我国的道路交通越来越发达，用于道路方面的投资也日益增加。而在现有的道路施工中，对于路基材料的选取，大多数都是采用水泥基材料[1]，这类材料存在一种缺点，那就是由于凝结时间较快而产生收缩裂纹，这不仅影响基层材料本身的性能，同时还会导致路面开裂，从而使得道路往往达不到规定的使用年限[2-3]。

为了解决上述问题，可以考虑研究一种初凝时间较长且具有微膨胀性的复合胶凝路基材料。根据前人的研究发现[4-6]，水化产物钙钒石晶体对于解决水泥基材料易收缩开裂具有显著的效果，而钙钒石晶体产生的水化过程依赖于溶液中参与反应的离子浓度，如控制水化速率的AlO-2离子、控制水化产物稳定性的SO2-4离子等[7-8]。虽然某些硅酸盐水泥也能产生钙钒石生成所必需的离子，但是浓度较低，远远达不到要求。

本文的原材料采用复合胶凝路基材料，通过对其进行改性，改善其性能，提高其服务年限，改性剂的选取必须满足上述钙钒石晶体产生的必要条件。根据研究表明[9-11]，粉煤灰作为复合胶凝材料中的一种原材料，可以提供AlO-2离子，而磷石膏中CaSO4·2H2O的含量很高，可以提供硫酸根离子，因此，可以考虑将磷石膏作为改性剂。

为了研究磷石膏复合胶凝材料作为路基材料的可行性，将不同配比的改性材料进行凝结时间、强度和膨胀性测试试验，为磷石膏的应用领域扩展提供新的方向。

1 试验设计及原材料

1.1 原材料

粉煤灰用于混凝土已经比较普遍了，这里就将水泥熟料和粉煤灰统一当作原材料，二磷石膏作为改性剂，它们三者的化学成分和含量如下页表1所示。

1.2 试验设计

首先将三种材料都进行磨粉，确保其颗粒中粒径<80 mm的含量在80%以上，然后再进行制样。根据以往的研究[5-6]，将水泥熟料的含量定在40%，粉煤灰的含量定在42%～51%，磷石膏掺量的变化范围为9%～18%。试样每组的配比如表2所示。

通过测量不同磷石膏含量下改性材料的凝结时间、抗折强度、抗压强度以及膨胀率，研究改性材料的性能以及磷石膏的最优掺量。

2 试验结果分析

2.1 凝结时间

在不同的磷石膏掺量下，监测改性材料的初凝时间和终凝时间，结果如图1所示。随着磷石膏含量的增加，初凝时间和终凝时间均不断增大，关系近似为正相关。当磷石膏掺量为9%时，初凝时间和终凝时间分别为410 min和481 min;当磷石膏掺量为18%时，初凝时间和终凝时间分别为599 min和693 min，分别上升了46.1%和44.07%。可见磷石膏对于改善复合胶凝材料的初凝和终凝时间均有不错的效果。

2.2 抗折强度和抗压强度

采用四种磷石膏掺量，每一种掺量均设置三组试验，分别测量在养护龄期为3 d、7 d和28 d下材料的抗折强度，试验的结果如图2所示。在相同的磷石膏掺量下，随着养护龄期的增加，材料的抗折强度逐渐增加，且当磷石膏掺量<18%时，28 d后抗折强度均能达到要求。当养护龄期为3 d和7 d时，随着磷石膏掺量的增加，强度均不断降低;但是当养护龄期为28 d、磷石膏掺量为15%时，强度与掺量9%时很接近，当掺量为18%时，下降较多。这是因为，磷石膏的加入会降低材料的水化速率，使得早期材料中钙钒石晶体和C-S-H凝胶的量较少，网格结构还没有完全搭建起来，因此表现为强度降低的趋势。而随着龄期的增加，磷石膏与粉煤灰活性被互相激发，促进钙钒石晶体和C-S-H凝胶的量增加，使得材料的抗折强度又有所回升。但是掺量较大时，由于钙钒石晶体数量增加较多，导致材料膨胀，从而降低材料的性能。

与测量改性材料抗折强度思路相同，再次测量在不同磷石膏掺量和养护龄期下，材料的抗压强度，结果如图3所示。在相同的磷石膏掺量下，随着养护龄期的增加，材料的抗压强度逐渐增加。当养护龄期为3 d时，随着磷石膏掺量的增加，材料强度不断降低但是变化很小;当养护龄期为7 d时，磷石膏掺量为9%时强度最高;当养护龄期为28 d时，磷石膏掺量为9%～15%时强度接近，而磷石膏掺量为18%时，强度明显降低。

综合上述的分析可知，在不同的磷石膏掺量和养护龄期下，材料的抗折强度和抗压强度变化趋势十分接近。從试验结果可以看出，磷石膏的加入，虽然会影响材料的早期强度，但是最终的强度是能达到要求的。同时，掺量太高会降低材料的性能，因此，根据抗折强度和抗压强度试验结果，磷石膏的最优掺量为15%。

2.3 膨胀率

为了验证不同磷石膏掺量下材料的膨胀率，设置四种磷石膏掺量试样测试其不同养护龄期下的膨胀率。为了与实际工程相接近，试样的养护方式设置为前28 d在水中养护，之后在室内空气中养护，膨胀率的试验结果如图4所示。

从图4中可以看出，在养护龄期28 d之前，随着养护龄期的增加，所有试样的膨胀率均不断地增加，且随着磷石膏含量的增加，膨胀率增加越明显，但是都是微膨胀。当磷石膏掺量为9%时，在龄期为14 d时，膨胀率就基本停止了，说明磷石膏中参与钙钒石晶体等的反应物已经被消耗完。所以，磷石膏能显著地影响材料的膨胀率，对于避免材料出现干缩有很好的作用。

在室内养护阶段，随着养护龄期的增加，所有试样的膨胀率均开始不断下降，当掺量为9%时，在56 d膨胀率达到基本稳定，140 d后材料的膨胀率<0，出现微小的干缩现象;在其余掺量下，在84 d膨胀率达到基本稳定，140 d后材料的膨胀率>0，均有微膨胀。这是因为材料早期膨胀率升高，钙钒石晶体等含量增加，网状结构能锁住一定的自由水和结合水。在干燥养护阶段，这对由于自由水散失或者材料内外湿度差等原因造成的水分散失、体积降低有一定的抑制作用。从以上试验结果看出，磷石膏的掺量为15%时能很好地达到提高材料微膨胀率的要求。

2.4 磷石膏改性机理

磷石膏在水中溶解后，会产生SO2-4离子，与其他材料产生的物质会产生水化反应生成形状为针状的胶凝物，附着在材料表面会影响溶液中离子和水分的流通，从而導致前期反应速率降低。SO2-4离子还会参与水化反应生成钙钒石晶体，钙钒石晶体的网状结构会使材料的膨胀率增大，主要原因有三点：（1）钙钒石晶体不断生成长大，相互交错挤压导致材料体积增大;（2）吸收部分的水分子和离子，导致颗粒之间相互排斥产生膨胀;（3）磷石膏中SO2-4离子比较充足，导致钙钒石晶体的量较大，填充材料孔隙时使得材料体积增大。

3 结语

本文以水泥熟料和粉煤灰组成的胶凝路基材料为原材料，通过加入磷石膏对其进行改性，经室内试验对不同磷石膏掺量改性材料的工程特性进行研究，得到如下结论：（1）磷石膏能降低材料早期水化反应速率，提高凝结时间;（2）在一定的掺量下，磷石膏不会影响材料的最终强度，还能使材料产生微膨胀;（3）确定磷石膏的最优掺量为15%。本文可为磷石膏的应用领域扩展和防治路基材料干缩裂纹提供新的方向。

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