固废地质聚合物路面修补材料的制备和性能研究

宋鲁侠，郝小非，段 平，黄 敏，张红新

（1.湖北第二师范学院 建筑与材料工程学院，武汉 430205；2.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，郑州 450006；3.中国地质大学（武汉），武汉 430070；4.湖北省交通运输厅，武汉 430030）

1 引言

目前，我国经济飞速发展，道路基础建设成为了国家交通便利及经济发展的指标，我国的道路基础建设已经世界瞩目，但是随着我国经济的迅速发展，大型车辆，超重车辆以及居民车辆数量增长迅猛，同时驾驶速度不断提高，使许多地区的水泥路面遭到破坏，水泥路面所处的环境越来越严峻。因此，绿色环保、凝结硬化快、早期强度高及性能优异的水泥路面修补材料的研究就非常迫切。

导致水泥路面出现结构以及非结构性的破损的原因有很多，主要包括：水泥路面所处的自然环境、交通状况以及实地施工时的施工工艺、配合比设计等因素[1]，水泥路面的修补技术也随着水泥路面的破损应运而生，目前用于水泥混凝土路面的修补材料品种很多，路面修补材料的好坏直接影响修补后路面的质量。用于水泥混凝土路面修补的材料必要满足[2]-[4]：（1）凝结硬化快、早期强度高；（2）修补材料与旧路面界面粘结性能好；（3）收缩率低，体积稳定性好；（4）性能良好，保证长期使用；（5）良好的工作性能。

目前还未查阅到我国的水泥混凝土路面修补材料相关的统一标准和规范，因此在水泥路面修补材料行业出现了许多问题：路面修补材料品种多、施工工艺不同、工作性能无统一要求、修补材料质量无法统一评价等现象。随着交通运输的发展，道路交通压力巨大，要求道路在出现破损后能够快速修补尽快达到通车要求，水泥路面修补材料的使用量逐年增加，市场不断扩大，使用较多的水泥路面修补材料有：（1）普通硅酸盐水泥路面修补材料[5]；（2）特种水泥类路面修补材料[6]-[9]；（3）火山灰改性混凝土类路面修补材料[10]-[11]；（4）聚合物改性水泥基路面修补材料[12-14]；（5）纤维改性水泥基路面修补材料[15]；（6）薄型快凝混凝土类路面修补材料[16]-[17]。

目前的修补材料主要是以水泥基材料为主，施工工艺简单，可规模化生产，但凝结硬化慢，早期强度低，新旧水泥路面粘结性差，修补路面不能及时恢复通行。一方面水泥生产会造成严重的环境问题，水泥生产“两磨一烧”属于高能耗高污染的生产活动[18]-[19]，水泥制造业煤炭消耗量及电力消耗量分别占全国煤炭消耗总量的7%和全国电力消费总量的3.7%，生产水泥的总能耗占比达到了全国总能耗的5.8%[20]-[22]。另一方面，矿渣、粉煤灰、垃圾焚烧灰等硅酸盐固体废弃物无法高效利用造成环境污染，且堆放造成大量土地浪费，因此，改进水泥生产工艺、利用硅酸盐固体废弃物制备水泥的替代物已成为目前比较迫切的问题。

地质聚合物相比于水泥具有很多优异的性能[23-25]，地质聚合物的生产工艺简单，CO2排放量低，早期强度高，耐久性能优良，体积稳定性好，耐化学侵蚀，具有较高的界面粘结强度，是非常有潜力的水泥路面修补材料，本研究以矿渣和粉煤灰为主要原料，以工业水玻璃为激发剂制备地质聚合物路面修补材料，通过添加矿物掺合料进行改性。

2 实验

2.1 地质聚合物的制备

以工业固体废弃物矿渣和粉煤灰为主要原料，工业水玻璃为激发剂制备地质聚合物，矿渣、粉煤灰掺量、水固比及水玻璃模数配合比如表1所示，确定配合比后加入偏高岭土、硅灰、稻壳灰掺合料对固废地质聚合物净浆进行改性，改性固废地质聚合物配合比如表2所示，地质聚合物制备流程如图1所示，按配合比准确称量原料共500g均匀混合，加入已经调制好模数的水玻璃激发剂，将混合料放入搅拌机，在水泥胶砂成型振实台振实120次，装入试模中，放入养护箱养护至规定龄期。

表1 固废地质聚合物净浆配合比

表2 复合改性地质聚合物配合比

图1 地质聚合物制备工艺流程图

2.2 实验分析

固废地质聚合物的初凝时间及终凝时间试验依据国家标准《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》进行。试验测试温度20±2℃，相对湿度大于50%，净浆养护温度20±1℃，相对湿度大于90%。用场发射扫描电子显微镜（FESEM，日本，Hitachi S4800）对样品的新鲜断面进行微观形貌分析。固废地质聚合物的力学性能试验依据国家标准《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行。

3 结果与讨论

3.1 凝结时间分析

不同配合比固废地质聚合物净浆凝结时间的测试结果及测试结果极差分析如图2所示。

图2 不同配合比地质聚合物净浆的凝结时间及极差分析

由图2可知，影响固废地质聚合物净浆初凝时间因素主次顺序为：激发剂掺量＞粉煤灰掺量＞水固比＞水玻璃模数，影响固废地质聚合物终凝时间因素主次顺序为：激发剂掺量＞粉煤灰掺量＞水固比＞水玻璃模数。各影响因素对初凝时间和终凝时间的变化规律一致，其中激发剂掺量极差值最大，水玻璃模数和水固比这两个影响因素的极差值较小，说明水玻璃模数和水固比这两个因素对固废地质聚合物凝结时间影响较小，固废地质聚合物净浆凝结时间主要受粉煤灰掺量、碱性激发剂这两个影响因素的影响。因此固废地质聚合物净浆在实际使用的过程中，可以根据路面修补实际施工现场的工程需求的凝结时间选取适宜的配合比获得满足。

3.2 抗压强度分析

不同养护时间条件下各配合比固废地质聚合物抗压强度实验结果和实验结果极差分析如图3所示。

图3 不同配合比地质聚合物净浆的抗压强度

由图3可知，影响固废地质聚合物早期抗压强度因素主次顺序为：粉煤灰掺量＞激发剂掺量＞水固比＞激发剂模数，影响固废地质聚合物长期抗压强度因素的主次顺序为：粉煤灰掺量＞激发剂掺量＞水固比＞激发剂模数，固废地质聚合物的抗压强度随粉煤灰掺量的升高而提高，粉煤灰掺量是影响固废地质聚合物抗压强度的主要因素，其次是激发剂掺量。水固比和激发剂模数对固废地质聚合物的影响较小，激发剂在模数1.2～1.8时，对固废地质聚合物的早期和长期抗压强度影响均很小，因此可以通过调控粉煤灰掺量，制备满足抗压强度要求的固废地质聚合物修补材料。

3.3 掺合料对固废地质聚合物净浆抗压强度的影响

不同配合比稻壳灰、硅灰与偏高岭土对固废地质聚合物净浆改性后抗压强度测试结果如图4所示。

图4 不同配合改性固废地质聚净浆的抗压强度

由图4可知，分别单独掺入偏高岭土、稻壳灰和硅灰均可提高固废地质聚合物净浆的抗压强度，其中偏高岭土对固废地质聚合物抗压强度的改性效果最好。在单掺的基础上复合掺杂偏高岭土、稻壳灰和硅灰，实验结果表明当稻壳灰和偏高岭土掺量均为10%时改性效果最好，固废地质聚合物抗压强度取得最大值，复合改性的效果比单独改性的效果更好，强度值更高，复合改性更有利于地质聚合物抗压强度的提高。

3.4 稻壳灰、硅灰与偏高岭对固废地质聚合物净浆粘结强度的影响

不同配合比稻壳灰、硅灰与偏高岭土对固废地质聚合物净浆改性后粘结强度测试结果如图5所示。由图5可知，改性均可提高固废地质聚合物的粘结强度，稻壳灰/偏高岭土复合改性固废地质聚合物净浆的粘结强度呈现先增加后减小的趋势。当稻壳灰和偏高岭土掺量均为10%时，水泥材料-固废地质聚合物的3d、7d和28d粘结强度均达到最大值。硅灰/偏高岭土复合改性固废地质聚合物净浆的粘结强度也呈现先增加后减小的趋势，当硅灰和偏高岭土掺量均为10%时，水泥材料-固废地质聚合物3d、7d 和28d 拉伸强度均达到最大值。将稻壳灰/偏高岭土和硅灰/偏高岭土两种改性进行对比，结果表明：稻壳灰和偏高岭土掺加量均为10%时，固废地质聚合物的粘结强度达最大值，这与复合改性固废地质聚合物净浆的抗压强度变化规律一致，当稻壳灰和偏高岭土掺加量均为10%时，改性效果最好，掺杂均可以提高固废地质聚合物净浆的粘结强度，复合改性更利于固废地质聚合物净浆粘结强度的提高。

图5 不同配合比改性固废地质聚净浆改性后的粘结强度

3.5 微观形貌分析

稻壳灰、硅灰与偏高岭的改性提高了固废地质聚合物的性能，作为水泥路面修补材料，掺杂改性提高了固废地质聚合物的抗压强度和水泥材料的粘结性能，当稻壳灰和偏高岭土掺加量均为10%时，改性效果最好，复合改性固废地质聚合物净浆与水泥材料粘结界面的微观形貌如图6所示。

由图6可知，掺入稻壳灰与偏高岭土后，固废地质聚合物修补材料与水泥材料界面的界面过程区致密，几乎没有大颗粒晶体堆积，界面结合程度高，粘结性能好，对地质聚合物和水泥材料的界面过渡区进行EDS能谱分析发现界面区主要富集了地质聚合物组分，进一步说明改性固废弃地质聚合物与水泥材料具有较高的粘结性。

4 结论

1.以矿渣、粉煤灰硅酸盐固体废物为主要原材料，NaOH调节不同模数的水玻璃作为碱激发剂，制备得到固废地质聚合物路面修补材料。通过配合比的调节，可以控制固废地质聚合物净浆修补材料的工作性能，固废地质聚合物力学性能随配合比的不同而变化，考虑地质聚合物路面修补材料的实际施工情况，确定水固比为0.32，碱激发剂掺量为014，粉煤灰取代率为0.4，水玻璃模数为0.12的配合比最优，该配合比制备的固废地质聚合物净浆初凝时间为60min，终凝时间为80min，3d、7d、28d 抗压强度分别为53.48MPa，58.76MPa，86.35 MPa。

2.在固废地质聚合物中掺入不同掺量的偏高岭土、稻壳灰、硅灰对地质聚合物路面修补材料进行改性，结果表明，掺杂均可提高固废弃地质聚合物的性能，复合掺杂效果优于单独掺杂，当掺加稻壳灰量为10%、偏高岭土掺量为10%时，地质聚合物的改性效果最好，复合改性固废地质聚合物强度最高。