工業廢渣在磷酸鹽基道路修復材料中的研究進展綜述

陸友芽，鄭建安，陳 杰，焦曉東

(1.廣西河田高速公路有限公司，廣西 百色 531500；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；4.南寧市固體廢棄物路用工程技術研究中心，廣西 南寧 530007)

0 引言

近十年來，我國交通行業發展迅速，截至“十三五”末期，已建好的公路總里程高達519.8萬km，其中橋梁結構物已有91萬多座，隧道也達到21 316處，并且隨著“十四五”期間的進一步建設，呈現逐年增長趨勢[1]。由于汽車荷載作用、惡劣天氣以及地質災害影響，原有的公路、橋梁和隧道等隨著運營時間的增加出現不同程度的病害，對人民行車安全和經濟發展造成較大的影響[2]。病害的快速修復對材料的性能提出高要求，磷酸鹽基水泥是一種超高強快速凝結的無機膠凝材料，其主要是通過原材料之間的酸堿中和反應來達到膠凝，具有優異的力學特性和耐久性，并且無須煅燒，能夠實現病害快速修復、交通快速開放。

磷酸鹽水泥基材料最早在20世紀40年代開始應用，由于反應速度過快且不易控制，一直沒有得到大面積的推廣使用。近些年來，經過大量研究，已能夠制備出凝結硬化易控制、早期強度高的材料，其制備所用的原材料主要由過燒氧化鎂和磷酸鹽材料組成。磷酸鹽材料主要采用磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀，但磷酸二氫銨反應后會產生大量的氨氣，對人的身體和周圍環境造成危害，因此多數采用磷酸二氫鉀[3]。這兩種材料的原材料比較短缺、不易獲得，而工業固廢的使用可以解決這一問題。目前常用的工業廢渣有粉煤灰、鋼渣粉、偏高嶺土等，本文主要對這幾種常見工業固廢在磷酸鹽基水泥中的應用效果展開研究。

1 磷酸鹽水泥基材料用工業廢渣研究現狀

1.1 粉煤灰對磷酸鹽水泥基材料性能的影響

粉煤灰是由燃煤電廠在發電過程中排放的固體廢棄物，其可作為礦物摻合料應用于磷酸鎂水泥基材料中，起到微集料效應和火山灰效應。目前學者的研究主要集中在粉煤灰改性磷酸鹽水泥基材料的流動性、抗壓強度、抗折強度以及耐磨性等。

金城等[4]研究了Ⅰ級低鈣粉煤灰對磷酸鹽水泥工作性和強度的影響，結果表明隨著此類粉煤灰摻量的增加，磷酸鹽水泥基材料的流動性明顯提高，且黏度得到很大程度的改善，同時磷酸鹽水泥砂漿的抗折強度和抗壓強度均略有下降，在摻量為16%以內時，下降幅度較小。張思宇等[5]研究了粉煤灰摻量對磷酸鎂水泥基復合材料的力學性能、耐磨性能和膨脹性能的影響，發現隨著粉煤灰摻量的增加，材料凈漿的抗壓強度先提高后降低，而抗折強度與耐磨性能逐漸降低；在摻量為10%時，1 d抗壓強度可達35 MPa左右，28 d抗壓強度最高超過50 MPa；同時磷酸鎂水泥基材料的膨脹變化率在7～14 d之內增加最快，而后隨著齡期的增加增速變緩，粉煤灰摻量在30%和40%時，材料的膨脹率較大。趙江濤等[6]研究發現粉煤灰添加量為30%以內時，凝結時間逐漸縮短，超過30%時，凝結時間反而增加，同時隨著粉煤灰摻量的提高，磷酸鎂水泥砂漿的工作流動性先增長后降低，材料的抗壓強度不斷降低。田海濤等[7]研究得出粉煤灰的摻量在20%～30%時，磷酸鎂水泥的綜合性能最佳，粉煤灰的球形形貌對磷酸鎂水泥的流變性具有促進作用，適量的粉煤灰有助于材料流動性能的增長；同時粉煤灰的摻入會降低水化產物的生成量，從而使得材料的抗壓強度降低。Yue Li等[8]研究得出，20%粉煤灰摻量的磷酸鹽水泥3 d抗壓強度低于未摻粉煤灰的，但繼續養護至28 d齡期時，其抗壓強度卻高于未摻粉煤灰的。

1.2 鋼渣粉對磷酸鹽水泥基材料性能的影響

鋼渣是煉鋼過程中產出的副產物，其成分復雜、性能不夠穩定，含有一定量的硅酸三鈣和硅酸二鈣，具有水硬活性。目前通過將其粉磨后生產的鋼渣粉作為礦物摻合料進行利用。

徐選臣等[9]對鋼渣粉改性磷酸鎂水泥漿體的工作性、強度及干縮性進行研究，發現等量替代MgO粉10%～20%后的粉體顆粒級配更加合理，新拌漿體的流動性得到明顯改善，同時5 h的抗壓強度提高5%～17%，1 d的抗壓強度提高超過30%，在鋼渣粉摻量為20%時，收縮變形降低40%。李悅等[10]研究得出，隨著鋼渣粉摻量的增加，磷酸鎂水泥的抗壓強度出現先提高后降低的趨勢，而抗折強度呈現逐漸減小的趨勢，在其摻量為15%時，抗壓強度最高，比未摻鋼渣粉組提升11.4%。同時通過孔徑分析發現適當的鋼渣粉能夠降低材料的孔隙率，使得其結構更加致密，強度提升。吳凱等[11]研究了鋼渣用于制備磷酸鹽水泥基材料的可行性，發現隨著鋼渣摻量的增加，磷酸鹽水泥基材料流動度不斷降低，但材料的凝結時間呈現先減小后增加的趨勢，當摻入10%的鋼渣，磷酸鹽水泥基材料的凝結硬化速率變快。Yang等[12]研究表明，一定量的鋼渣粉可以提高磷酸鹽水泥基材料的早期抗壓強度，這主要是由于鋼渣粉的填充和活性作用，與未摻鋼渣粉的材料相比，20%摻量的鋼渣粉將材料的5 h、1 d、60 d抗壓強度分別提升了5%、30%、8%，而60 d收縮率下降40%，這說明鋼渣粉的摻入對磷酸鹽材料的性能具有有利的影響。卞騫等[13]研究發現，摻入鋼渣粉后材料的水化熱第二放熱峰推遲，且放熱溫度峰值下降，材料的收縮變形與力學性能得到明顯的改善，摻量為10%時強度最佳。Jiang等[14]研究發現，鋼渣的摻入有助于提高磷酸鹽水泥基材料的早期水化速率，使材料的強度顯著提高，耐水性能得到改善，同時經過XRD和SEM分析表明其生成了水化產物鳥糞石。

1.3 偏高嶺土對磷酸鹽水泥基材料性能的影響

偏高嶺土是由高嶺土煅燒而來，煅燒溫度在600 ℃～900 ℃，其具有較高的火山灰活性，常被用來摻入水泥中，與氫氧化鈣發生反應生成C-S-H凝膠產物，進而增加材料的性能。

劉志寧等[15]探究發現偏高嶺土的加入能夠加速磷酸鹽水泥基材料的早期水化反應，提高材料的早期強度，當其摻量為20%時，材料的凝結時間降低16%，12 h抗壓強度最高達到60.13 MPa，同時通過核磁共振發現偏高嶺土在體系中化學活性作用要大于物理填充作用。石亞文等[16]將偏高嶺土替代MgO，發現替代量在30%以內時，磷酸鎂水泥的早期抗壓強度隨著替代量的增加而增加，最大為71 MPa，通過水化產物組成和微觀形貌分析發現生成非晶態磷酸鋁鹽AlH3(PO4)2H2O、Al-Mg-PO4相等物質，提升了力學性能。白偉亮等[17]研究發現，當偏高嶺土與重燒氧化鎂的比例<0.5時，凝結時間延長不明顯，隨著摻量增加，凝結時間可達20 min以上。丁建華等[18]研究了偏高嶺土對磷酸鹽水泥基材料凝結時間、流動度以及水化熱等性能的影響，發現材料流動度隨著其摻量增加而減小，凝結時間隨著摻量增加而縮短，摻入偏高嶺土可降低材料體系的放熱速率和放熱量，改善收縮性能。

2 磷酸鹽水泥基材料在公路病害修復中的研究現狀

磷酸鹽水泥基修復材料正處于探索研發階段，近年來越來越多的國內外學者對磷酸鹽水泥作為修復材料的制備應用產生濃厚的興趣。目前已有少量的研究人員開始探究其作為修復材料的可行性。董金美等[19]研究結果表明磷酸鉀鎂水泥中氧化鎂與磷酸二氫鉀的質量比在1～2時，材料的性能最佳，且3 h時抗壓強度最高可達87.2 MPa，可作為道路修復砂漿應用于病害修補。Qiao等[20]的試驗結果得出，磷酸鉀鎂水泥基修補砂漿凝結時間可以控制在20～40 min，56 d抗壓強度可以達到110.6 MPa，且彎折粘結強度提升77%～120%，拉拔粘結強度提高85%～180%，可以用于替代傳統砂漿進行路面的快速修補。任強等[21]研究了磷酸鎂水泥基砂漿的粘結性能，發現磷酸鹽水泥基砂漿的粘結強度可達8 MPa，具有與舊混凝土界面良好粘結的性能，完全可以用于路面及橋梁結構物病害的修補。馮哲等[22]研究了磷酸鹽水泥基砂漿、硅酸鹽水泥基砂漿和硫鋁酸鹽水泥基砂漿修補性能的區別，發現磷酸鹽水泥基砂漿修補的粘結界面裂縫寬度最小，僅為3μm且粘結效果最佳，其粘結強度為14.2 MPa，是硫鋁酸鹽水泥基砂漿的6倍左右，是硅酸鹽水泥基砂漿的13倍左右。這些學者的研究結果大大提高了磷酸鹽水泥基材料作為公路病害修復的可能性，并且修復后的耐久性相比傳統的修復材料更佳。

3 研究現狀與進展分析

相比于硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥，磷酸鹽水泥基材料具有免煅燒且早強發展迅速、凝結時間短，粘結性能、體積穩定性及耐久性優良的特點。但其仍存在以下幾個方面的問題：

(1)磷酸鹽基水泥主要原材料為過燒氧化鎂和磷酸鹽，其水化反應不會產生氫氧化鈣，整個體系呈現酸性狀態，與硅酸鹽水泥體系不同，可根據此特性研究是否能夠用于濱海地區海洋工程、橋梁工程以及公路養護工程等。

(2)磷酸鹽水泥基材料早期的水化放熱速度快且不均勻，會在其內部產生溫度應力，應考慮研究加入單一或復合工業廢渣來對其性能進行調節，從而考慮其能否作為大體積混凝土結構來使用。

(3)磷酸鹽水泥基材料的脆性較大，可研究通過加入乳膠粉、淀粉等有機物質以及不同類別的纖維對其進行改性，提升其各方面性能。

(4)磷酸鹽水泥基材料用作道路修復時，除考慮其自身的性能外，還應加強對其施工工藝的研究，針對不同的道路病害提出不同的修復方案。

4 結語

相比于硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥，磷酸鹽水泥基材料作為一種“雙碳”背景下低碳綠色制造的新型無機膠結材料，良好的工作性、力學性能與低收縮性能，凝結硬化快、早期強度高是其主要的優點，這對于道路病害的快速修補非常有利。隨著我國交通基礎設施建設的推進、經濟的可持續發展與建設生態友好型社會的巨大需求，磷酸鹽水泥基材料的出現解決了傳統硅酸鹽水泥工業生產高污染、高能耗、高消耗的缺點，彌補了傳統硅酸鹽水泥凝結硬化慢、早期強度低的問題，給建材行業以及交通養護行業的發展帶來了重大機遇，同時其優異的性能將會產生巨大的社會經濟效益。