复合胶凝体系道路快速修补材料早期强度试验

张会芝，黄启林，刘纪峰*，郑春林，叶德泰

（1.三明学院 建筑工程学院，福建 三明 365004；2.三明市公路事业发展中心，福建 三明 365000；3.海峡建工集团有限公司，福建 福州 350000；4.海颐建工集团有限公司，福建 三明 366100）

地震、灾害、战争等灾后交通的快速修复是及时挽回人民生命财产和保障国家社会经济活动正常运转的必要条件，传统道路修复材料多基于普通硅酸盐水泥，其材料性能有限，尤其是早期力学性能较弱，虽然在其中加入早强剂、速凝剂等，可在一定程度上改善其早期强度，但其凝结硬化仍然较慢，在几小时内难以形成令人满意的强度，且因加入外加剂，导致其易开裂、粘结性差，难以满足抢修抢建工程的需求[1-2]。为此，国内外相继开发快硬硫铝酸盐水泥、快硬磷酸镁水泥、超快硬灌浆料、调凝水泥等系列快凝快硬道路修补材料[3-4]，在一定程度上缓解现实需求，但该类产品存在生产过程能耗较大、造价昂贵、不易存储、施工技术要求高等不足，用于道路抢修抢建工程，具有一定的局限性。

绿色胶凝材料代替水泥类胶凝材料是解决环境和资源问题的有效途径，地聚合物（geopolymer，又称地质聚合物，地聚物）是富含硅铝成分的粉末与激发剂混合并反应后形成的凝结硬化材料，具有快硬早强、优良的耐化学侵蚀性、耐高温性和固结重金属的性能等[5-8]，是一种高性能环保型材料。矿渣、粉煤灰、金属尾矿等富含硅铝成分的固体废弃物均可作为原材料，其制备工艺简单，可在部分环境替代水泥制备地聚物混凝土，其应用可显著减少碳排放[9-10]。研究表明，缓凝剂种类和掺量、激发剂模数、水胶比等是影响碱激发矿渣性能的主要因素，但上述因素对于矿渣和水泥熟料复合胶凝体系性能的影响规律，相关文献报道较少，因此，有必要进行深入研究。

以氯化钡或硝酸锌作为缓凝剂，以42.5 水泥熟料和磨细矿渣作为胶凝材料，以氢氧化钠和水玻璃作为激发剂，探讨缓凝剂种类和掺量、磨细矿渣对水泥熟料替代率及水胶比对生成物4 h 抗折强度的影响规律，为复合胶凝体系道路快速修补材料的研发提供初步参考。

1 试验原材料

试验用水泥熟料为福建金牛水泥有限公司生产的42.5 普通硅酸盐水泥熟料，矿渣为福建省钢源粉体材料公司生产的S95 级粒化高炉矿渣粉，水泥熟料和磨细矿渣的化学组成质量分数如表1 所示，二者的比表面积分别为350 和430 m2/kg，砂为袋装标准砂，质量为每袋1 350 g。

表1 42.5 水泥熟料和磨细矿渣主要成分Tab.1 Main components of cement and ground slag

试验所用氯化钡和硝酸锌均为西陇科学股份有限公司生产，分别为分析纯二水氯化钡（BaCl2·2H2O）和六水合硝酸锌（Zn（NO3）·6H2O），水玻璃为三明市永维化工厂生产的桶装水玻璃，模数分别为2.8 和3.0两种，拌和用水为自来水。

2 试验设计和测试

设计表2 和表3 所示的三因素四水平正交试验表，因素1 为矿粉取代率，水平分别为胶凝材料总质量的0、20%、40%和60%，因素2 为缓凝剂掺量，选氯化钡和硝酸锌两种缓凝剂，水平分别为胶凝材料质量的1%、1.5%、2%和2.5%，因素3 为水胶比，水平分别取0.30、0.33、0.36 和0.39。表2 所用的水玻璃模数为2.8，表3 所用的水玻璃模数为3.0。试样制作、养护和测试参照GB/T 17671—2021 《水泥胶砂强度检验方法》进行。试验过程中测试各组试样的初、终凝时间，均满足初凝时间不小于10 min，终凝时间不大于30 min的既定要求。

表2 第1 组配合比及4 h 抗折强度Table 2 Mix proportion and 4 h bending strength of group one

表3 第2 组配合比及4 h 抗折强度Table 3 Mix proportion and 4 h bending strength of group two

胶砂试样养护1 h 后拆模，自然养护4 h，进行抗折强度测试，所用仪器为TENSON 的YAW-300C 微机控制抗折抗压试验机，加荷速率50 N/s，最大试验力10 kN。试样及抗折强度试验、破坏试样分别见图1、图2。

图1 养护好的试样Fig.1 Curing sample

Fig.2 4 h Bending strength test图2 4 h 抗折强度测试

抗折试验完成后，对破碎后的试块取样，采用JSM-IT500 扫描电子显微镜对其微细观结构进行研究，以进一步了解其早期强度形成机制。

3 试验结果分析

表2 和表3 的三因素四水平正交试验极差分析见表4，由表4 可知:（1）选用氯化钡为缓凝剂和2.8模数的水玻璃模时，各因素对4 h 抗折强度的影响程度依次为矿粉取代率＞缓凝剂掺量＞水胶比；（2）选用硝酸锌为缓凝剂和3.0 模数的水玻璃模时，各因素对4 h 抗折强度的影响程度依次为水胶比＞缓凝剂掺量＞矿粉取代率。

表4 正交试验极差分析Table 4 Range analysis of orthogonal test

各因素对4 h 抗折强度的影响规律如图3 至图5所示，由图3 至图5 及表2 和表3 的4 h 抗折强度测试结果可知:（1）硝酸锌为缓凝剂和3.0 模数水玻璃模的各组配合比，4 h 抗折强度整体上高于氯化钡为缓凝剂和2.8 模数的水玻璃的各组配合比的，考虑到该配合比下矿粉取代率对4 h 抗折强度的影响程度较小，从工业固废资源化利用以减少碳排放的角度考虑，可以优先选用；（2）选用氯化钡为缓凝剂和2.8 模数的水玻璃模时，4 h 抗折强度随矿粉取代率增加而先增加后降低，最大值在20%矿粉取代率处；随缓凝剂掺量的增加而波动，较大值在1%和2%缓凝剂掺量处；随水胶比的增大而先降低后增加；（3）选用硝酸锌为缓凝剂和3.0 模数的水玻璃模时，4 h 抗折强度随矿粉取代率和缓凝剂掺量的增加而降低；随水胶比的增大而先降低再轻微升高。

图3 矿粉质量取代率对4 h 抗折强度的影响Fig.3 Effect of replacement rate of mineral powder on 4 h flexural strength

图4 缓凝剂掺量对4 h 抗折强度的影响Fig.4 Effect of replacement rate of Retarder content on 4 h flexural strength

图5 水胶比对4 h 抗折强度的影响Fig.5 Effect of replacement rate of water binder ratio on 4 h flexural strength

不同配合比的4 h 试验的微细观结构相似，图6为表2 中配合比第7 组的4 h 试样放大5 000 倍的SEM 图像，由图6 可知，试样在4 h 时已经形成微细结构非常致密的聚合体，这也是其具有较高抗折强度的原因，此时，水化反应尚未充分完成，试样内部未出现微孔洞、微裂隙等会导致其宏观力学性能劣化的不利结构，后续要特别注意加强养护，防止试样内部出现微孔洞、微裂隙，影响其后期强度增长。

图6 表2 中第7 组配合比试样放大5 000 倍的SEM 图像Fig.6 SEM image of mix proportion samples enlarged by 5 000 times of the 7 th group in table 2

4 结论与建议

“碳达峰、碳中和”是我国绿色发展的必由之路。国务院发布的 《2030 年前碳达峰行动方案》（国发〔2021〕23 号）明确指出推动建材行业碳达峰:“鼓励建材企业使用粉煤灰、工业废渣、尾矿渣等作为原料或水泥混合材。加快推进绿色建材产品认证和应用推广，加强新型胶凝材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材产品研发应用”。为此，结合工程实际需要，初步探讨研发碱激发复合胶凝体系道路快速修复新型胶凝材料的可行性，通过试验研究，可得出如下结论:

（1）试验各组配合比均具有一定的4 h 抗折强度，说明利用碱激发复合胶凝体系制备道路快速修复新型材料具有可行性，但试验配合比需要进一步优化，以满足4 h 抗折强度4.5 MPa 以上的工程设计目标要求；

（2）选用氯化钡为缓凝剂和2.8 模数的水玻璃时，较优配合比为: 矿粉取代率20%，缓凝剂掺量1%或2%，水胶比为0.39 或0.36；

（3）选用硝酸锌为缓凝剂和3.0 模数的水玻璃模时，较优配合比为矿粉取代率0 或20%，缓凝剂掺量1%，水胶比为0.30。

应该指出，碱激发胶凝材料具有早强特性，试验的各组配合比，复合胶凝材料的4 h 抗折强度比42.5水泥熟料的4 h 抗折强度并没有明显增加，主要原因可能是各组配合比偏重基于地聚物的设计，对调节其中主要成分水泥熟料的性能所需的减水剂、早强剂、速凝剂等外加剂未予以重视，导致复合胶凝材料的4 h抗折强度未能达到预期。下一步，可采用快硬高强水泥熟料、减水剂、早强剂、速凝剂和超细矿渣粉、激发剂、缓凝剂进行整体设计，充分调动水泥熟料和矿渣粉二者的早期强度，以获得4 h 抗折强度超过4.5 MPa的新型道路快速修复胶凝材料；并采用正交试验设计或总功效系数法，进一步分析各因素对复合胶凝体系道路快速修复材料性能的影响规律。