陆友芽，郑建安，陈 杰，焦晓东

(1.广西河田高速公路有限公司，广西 百色 531500；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；3.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；4.南宁市固体废弃物路用工程技术研究中心，广西 南宁 530007)

0 引言

近十年来，我国交通行业发展迅速，截至“十三五”末期，已建好的公路总里程高达519.8万km，其中桥梁结构物已有91万多座，隧道也达到21 316处，并且随着“十四五”期间的进一步建设，呈现逐年增长趋势[1]。由于汽车荷载作用、恶劣天气以及地质灾害影响，原有的公路、桥梁和隧道等随着运营时间的增加出现不同程度的病害，对人民行车安全和经济发展造成较大的影响[2]。病害的快速修复对材料的性能提出高要求，磷酸盐基水泥是一种超高强快速凝结的无机胶凝材料，其主要是通过原材料之间的酸碱中和反应来达到胶凝，具有优异的力学特性和耐久性，并且无须煅烧，能够实现病害快速修复、交通快速开放。

磷酸盐水泥基材料最早在20世纪40年代开始应用，由于反应速度过快且不易控制，一直没有得到大面积的推广使用。近些年来，经过大量研究，已能够制备出凝结硬化易控制、早期强度高的材料，其制备所用的原材料主要由过烧氧化镁和磷酸盐材料组成。磷酸盐材料主要采用磷酸二氢铵、磷酸二氢钾，但磷酸二氢铵反应后会产生大量的氨气，对人的身体和周围环境造成危害，因此多数采用磷酸二氢钾[3]。这两种材料的原材料比较短缺、不易获得，而工业固废的使用可以解决这一问题。目前常用的工业废渣有粉煤灰、钢渣粉、偏高岭土等，本文主要对这几种常见工业固废在磷酸盐基水泥中的应用效果展开研究。

1 磷酸盐水泥基材料用工业废渣研究现状

1.1 粉煤灰对磷酸盐水泥基材料性能的影响

粉煤灰是由燃煤电厂在发电过程中排放的固体废弃物，其可作为矿物掺合料应用于磷酸镁水泥基材料中，起到微集料效应和火山灰效应。目前学者的研究主要集中在粉煤灰改性磷酸盐水泥基材料的流动性、抗压强度、抗折强度以及耐磨性等。

金城等[4]研究了Ⅰ级低钙粉煤灰对磷酸盐水泥工作性和强度的影响，结果表明随着此类粉煤灰掺量的增加，磷酸盐水泥基材料的流动性明显提高，且黏度得到很大程度的改善，同时磷酸盐水泥砂浆的抗折强度和抗压强度均略有下降，在掺量为16%以内时，下降幅度较小。张思宇等[5]研究了粉煤灰掺量对磷酸镁水泥基复合材料的力学性能、耐磨性能和膨胀性能的影响，发现随着粉煤灰掺量的增加，材料净浆的抗压强度先提高后降低，而抗折强度与耐磨性能逐渐降低；在掺量为10%时，1 d抗压强度可达35 MPa左右，28 d抗压强度最高超过50 MPa；同时磷酸镁水泥基材料的膨胀变化率在7～14 d之内增加最快，而后随着龄期的增加增速变缓，粉煤灰掺量在30%和40%时，材料的膨胀率较大。赵江涛等[6]研究发现粉煤灰添加量为30%以内时，凝结时间逐渐缩短，超过30%时，凝结时间反而增加，同时随着粉煤灰掺量的提高，磷酸镁水泥砂浆的工作流动性先增长后降低，材料的抗压强度不断降低。田海涛等[7]研究得出粉煤灰的掺量在20%～30%时，磷酸镁水泥的综合性能最佳，粉煤灰的球形形貌对磷酸镁水泥的流变性具有促进作用，适量的粉煤灰有助于材料流动性能的增长；同时粉煤灰的掺入会降低水化产物的生成量，从而使得材料的抗压强度降低。Yue Li等[8]研究得出，20%粉煤灰掺量的磷酸盐水泥3 d抗压强度低于未掺粉煤灰的，但继续养护至28 d龄期时，其抗压强度却高于未掺粉煤灰的。

1.2 钢渣粉对磷酸盐水泥基材料性能的影响

钢渣是炼钢过程中产出的副产物，其成分复杂、性能不够稳定，含有一定量的硅酸三钙和硅酸二钙，具有水硬活性。目前通过将其粉磨后生产的钢渣粉作为矿物掺合料进行利用。

徐选臣等[9]对钢渣粉改性磷酸镁水泥浆体的工作性、强度及干缩性进行研究，发现等量替代MgO粉10%～20%后的粉体颗粒级配更加合理，新拌浆体的流动性得到明显改善，同时5 h的抗压强度提高5%～17%，1 d的抗压强度提高超过30%，在钢渣粉掺量为20%时，收缩变形降低40%。李悦等[10]研究得出，随着钢渣粉掺量的增加，磷酸镁水泥的抗压强度出现先提高后降低的趋势，而抗折强度呈现逐渐减小的趋势，在其掺量为15%时，抗压强度最高，比未掺钢渣粉组提升11.4%。同时通过孔径分析发现适当的钢渣粉能够降低材料的孔隙率，使得其结构更加致密，强度提升。吴凯等[11]研究了钢渣用于制备磷酸盐水泥基材料的可行性，发现随着钢渣掺量的增加，磷酸盐水泥基材料流动度不断降低，但材料的凝结时间呈现先减小后增加的趋势，当掺入10%的钢渣，磷酸盐水泥基材料的凝结硬化速率变快。Yang等[12]研究表明，一定量的钢渣粉可以提高磷酸盐水泥基材料的早期抗压强度，这主要是由于钢渣粉的填充和活性作用，与未掺钢渣粉的材料相比，20%掺量的钢渣粉将材料的5 h、1 d、60 d抗压强度分别提升了5%、30%、8%，而60 d收缩率下降40%，这说明钢渣粉的掺入对磷酸盐材料的性能具有有利的影响。卞骞等[13]研究发现，掺入钢渣粉后材料的水化热第二放热峰推迟，且放热温度峰值下降，材料的收缩变形与力学性能得到明显的改善，掺量为10%时强度最佳。Jiang等[14]研究发现，钢渣的掺入有助于提高磷酸盐水泥基材料的早期水化速率，使材料的强度显著提高，耐水性能得到改善，同时经过XRD和SEM分析表明其生成了水化产物鸟粪石。

1.3 偏高岭土对磷酸盐水泥基材料性能的影响

偏高岭土是由高岭土煅烧而来，煅烧温度在600 ℃～900 ℃，其具有较高的火山灰活性，常被用来掺入水泥中，与氢氧化钙发生反应生成C-S-H凝胶产物，进而增加材料的性能。

刘志宁等[15]探究发现偏高岭土的加入能够加速磷酸盐水泥基材料的早期水化反应，提高材料的早期强度，当其掺量为20%时，材料的凝结时间降低16%，12 h抗压强度最高达到60.13 MPa，同时通过核磁共振发现偏高岭土在体系中化学活性作用要大于物理填充作用。石亚文等[16]将偏高岭土替代MgO，发现替代量在30%以内时，磷酸镁水泥的早期抗压强度随着替代量的增加而增加，最大为71 MPa，通过水化产物组成和微观形貌分析发现生成非晶态磷酸铝盐AlH3(PO4)2H2O、Al-Mg-PO4相等物质，提升了力学性能。白伟亮等[17]研究发现，当偏高岭土与重烧氧化镁的比例<0.5时，凝结时间延长不明显，随着掺量增加，凝结时间可达20 min以上。丁建华等[18]研究了偏高岭土对磷酸盐水泥基材料凝结时间、流动度以及水化热等性能的影响，发现材料流动度随着其掺量增加而减小，凝结时间随着掺量增加而缩短，掺入偏高岭土可降低材料体系的放热速率和放热量，改善收缩性能。

2 磷酸盐水泥基材料在公路病害修复中的研究现状

磷酸盐水泥基修复材料正处于探索研发阶段，近年来越来越多的国内外学者对磷酸盐水泥作为修复材料的制备应用产生浓厚的兴趣。目前已有少量的研究人员开始探究其作为修复材料的可行性。董金美等[19]研究结果表明磷酸钾镁水泥中氧化镁与磷酸二氢钾的质量比在1～2时，材料的性能最佳，且3 h时抗压强度最高可达87.2 MPa，可作为道路修复砂浆应用于病害修补。Qiao等[20]的试验结果得出，磷酸钾镁水泥基修补砂浆凝结时间可以控制在20～40 min，56 d抗压强度可以达到110.6 MPa，且弯折粘结强度提升77%～120%，拉拔粘结强度提高85%～180%，可以用于替代传统砂浆进行路面的快速修补。任强等[21]研究了磷酸镁水泥基砂浆的粘结性能，发现磷酸盐水泥基砂浆的粘结强度可达8 MPa，具有与旧混凝土界面良好粘结的性能，完全可以用于路面及桥梁结构物病害的修补。冯哲等[22]研究了磷酸盐水泥基砂浆、硅酸盐水泥基砂浆和硫铝酸盐水泥基砂浆修补性能的区别，发现磷酸盐水泥基砂浆修补的粘结界面裂缝宽度最小，仅为3μm且粘结效果最佳，其粘结强度为14.2 MPa，是硫铝酸盐水泥基砂浆的6倍左右，是硅酸盐水泥基砂浆的13倍左右。这些学者的研究结果大大提高了磷酸盐水泥基材料作为公路病害修复的可能性，并且修复后的耐久性相比传统的修复材料更佳。

3 研究现状与进展分析

相比于硅酸盐水泥和铝酸盐水泥，磷酸盐水泥基材料具有免煅烧且早强发展迅速、凝结时间短，粘结性能、体积稳定性及耐久性优良的特点。但其仍存在以下几个方面的问题：

(1)磷酸盐基水泥主要原材料为过烧氧化镁和磷酸盐，其水化反应不会产生氢氧化钙，整个体系呈现酸性状态，与硅酸盐水泥体系不同，可根据此特性研究是否能够用于滨海地区海洋工程、桥梁工程以及公路养护工程等。

(2)磷酸盐水泥基材料早期的水化放热速度快且不均匀，会在其内部产生温度应力，应考虑研究加入单一或复合工业废渣来对其性能进行调节，从而考虑其能否作为大体积混凝土结构来使用。

(3)磷酸盐水泥基材料的脆性较大，可研究通过加入乳胶粉、淀粉等有机物质以及不同类别的纤维对其进行改性，提升其各方面性能。

(4)磷酸盐水泥基材料用作道路修复时，除考虑其自身的性能外，还应加强对其施工工艺的研究，针对不同的道路病害提出不同的修复方案。

4 结语

相比于硅酸盐水泥和铝酸盐水泥，磷酸盐水泥基材料作为一种“双碳”背景下低碳绿色制造的新型无机胶结材料，良好的工作性、力学性能与低收缩性能，凝结硬化快、早期强度高是其主要的优点，这对于道路病害的快速修补非常有利。随着我国交通基础设施建设的推进、经济的可持续发展与建设生态友好型社会的巨大需求，磷酸盐水泥基材料的出现解决了传统硅酸盐水泥工业生产高污染、高能耗、高消耗的缺点，弥补了传统硅酸盐水泥凝结硬化慢、早期强度低的问题，给建材行业以及交通养护行业的发展带来了重大机遇，同时其优异的性能将会产生巨大的社会经济效益。