硫鋁酸鹽水泥基超早強(qiáng)快速修補(bǔ)材料力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

郭金波

(1.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心 沈陽市 110111； 2.遼寧大通公路工程有限公司 沈陽市 110111)

嚴(yán)寒地區(qū)凍融和鹽凍環(huán)境作用以及重載的現(xiàn)象頻繁發(fā)生加速了橋梁橋面混凝土鋪裝、橋梁伸縮縫等結(jié)構(gòu)的破壞。硫鋁酸鹽水泥以其早強(qiáng)、快硬和耐久性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于道路、機(jī)場(chǎng)市政道路的修補(bǔ)、搶修工程[1-2]。研究了膠砂比、水膠比、緩凝劑、早強(qiáng)劑對(duì)硫鋁酸鹽水泥基超早強(qiáng)快速修補(bǔ)材料的力學(xué)性能影響，通過調(diào)整膠砂比、水膠比、緩凝劑以及早強(qiáng)劑的用量，使硫鋁酸鹽水泥基超早強(qiáng)快速修補(bǔ)材料的工作性滿足施工要求，同時(shí)具備較優(yōu)良的力學(xué)性能，能夠在修補(bǔ)后4h實(shí)現(xiàn)快速開放交通。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥： 42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥，唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)。

細(xì)骨料： 40～70目、20～40目兩種石英砂，混合比例1∶1，遼寧省遼陽市。

粉煤灰： I級(jí)粉煤灰，遼寧省鐵嶺市電廠生產(chǎn)。

減水劑： 2651聚羧酸高效減水劑，巴斯夫化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)。

緩凝劑：葡萄糖酸鈉(工業(yè)級(jí))，含量>99%，吳江市鑫茂精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)；酒石酸(工業(yè)級(jí))，含量>99%，蘇州康南精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)；檸檬酸鈉(工業(yè)級(jí))，含量>99%，常州萬郎科技化工有限公司生產(chǎn)。

早強(qiáng)劑：碳酸鋰(工業(yè)級(jí))，含量>99%，上海歐金實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)配合比

采用1∶1、1∶1.2、1∶1.5膠砂比進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究；通過優(yōu)選出的最佳膠砂比，采用0.28、0.30、0.32水膠比進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究；酒石酸：葡萄糖酸鈉：檸檬酸鈉三種緩凝劑復(fù)配比例為1∶1∶0.1；碳酸鋰的摻量為膠凝材料總質(zhì)量的0.2%。K0組膠砂比為1∶1，水膠比為0.30；K1組在K0組基礎(chǔ)上摻加了緩凝劑；K2組在K0組基礎(chǔ)上摻加了緩凝劑和早強(qiáng)劑。

1.3 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度測(cè)試按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671-1999)執(zhí)行。試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)條件為20℃±1℃水中養(yǎng)護(hù)。凈漿流動(dòng)度檢驗(yàn)參照《水泥基灌漿料技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50448-2008)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠砂比對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料力學(xué)特性的影響

圖1 膠砂比對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 膠砂比對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料抗折強(qiáng)度的影響

圖1和圖2分別為不同膠砂比對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。由圖1和圖2可以看出，隨著膠砂比的逐漸增大，硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度逐漸增加。膠砂比為1∶1時(shí)，硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的4h、1d、7d、28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，分別為30.4MPa、34.4MPa、51.7MPa、58.8MPa，抗折強(qiáng)度為5.8MPa、6.4MPa、7.1MPa、8.4MPa。硫鋁酸鹽水泥水化后快速生成鈣礬石，是硫鋁酸鹽水泥快凝、早強(qiáng)(4h可達(dá)最終強(qiáng)度50%以上，1d強(qiáng)度可達(dá)最終強(qiáng)度85%以上)的主要原因[1]。膠砂比逐漸增加，膠凝材料用量逐漸增加，水化產(chǎn)物中的鈣礬石量逐漸增多，這是隨著膠砂比的逐漸增大，硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度逐漸增加的主因。《公路工程水泥混凝土用快速修補(bǔ)材料第一部分：水泥基修補(bǔ)材料》要求CRRM-Ι型修補(bǔ)材料開放交通時(shí)1d抗壓強(qiáng)度≥30.0MPa,抗折強(qiáng)度≥4.5 MPa。因此選取膠砂比1∶1為最佳膠砂比。

2.2 水膠比對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料力學(xué)特性的影響

圖3 水膠比對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 水膠比對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料抗折強(qiáng)度的影響

圖3和圖4分別為不同膠砂比對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。由圖3和圖4可以看出，隨著水膠比的逐漸增大，硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度逐漸降低。水膠比為0.28時(shí)，硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的4h、1d、7d、28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，分別為34.2MPa、38.6MPa、53.6MPa、62.3MPa，抗折強(qiáng)度為6.5MPa、6.9MPa、7.5MPa、8.9MPa。水膠比低于0.3時(shí)，水膠比稍許降低就能使抗壓強(qiáng)度大幅度提高。這一現(xiàn)象主要?dú)w因于水膠比很低的情況下，界面過渡區(qū)的強(qiáng)度顯著改善，而且水膠比低的情況下，水化產(chǎn)物的晶體尺寸要小得多，表面積也大得多[3]。兼顧修補(bǔ)材料的抗壓強(qiáng)度和工作性，選擇水膠比0.30為最佳水膠比。

2.3 緩凝劑復(fù)合早強(qiáng)劑對(duì)力學(xué)特性的影響

硫鋁酸鹽水泥水化速度較快，初凝與終凝間隔短，為了使硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的工作性滿足施工要求。筆者在硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料中摻加了適量的緩凝劑、緩凝劑復(fù)合早強(qiáng)劑，采用水膠比0.3、膠砂比1∶1配合比為基準(zhǔn)組，進(jìn)行了凈漿流動(dòng)度和力學(xué)性能試驗(yàn)研究。圖5和圖6分別為不同膠砂比對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的凈漿流動(dòng)度保持時(shí)間應(yīng)該不小于20min。

表1 摻加緩凝劑復(fù)合早強(qiáng)劑各組的凈漿流動(dòng)度

由表1可以看出K0組凈漿流動(dòng)度損失非?？?，20min的流動(dòng)性損失差值達(dá)到了220mm，10min后迅速損失，流動(dòng)性變差。而摻加了復(fù)合緩凝劑的K1組，流動(dòng)度保持良好，20min的流動(dòng)性損失差值僅為120mm，20min后仍具備良好的流動(dòng)性。緩凝劑延緩了硫鋁酸鹽水泥的水化進(jìn)程，為了不降低修補(bǔ)材料體系的早期抗壓強(qiáng)度，保證4h能夠開放交通，在K1的基礎(chǔ)上復(fù)合了少量的早強(qiáng)劑，可以看出初始和20min后的損失值與K1組基本相同。

圖5 摻加緩凝劑復(fù)合早強(qiáng)劑對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 摻加緩凝劑復(fù)合早強(qiáng)劑對(duì)硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料抗折強(qiáng)度的影響

圖5和圖6分別為摻加緩凝劑復(fù)合早強(qiáng)劑對(duì)硫鋁酸鹽基水泥修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。由圖5和圖6可以看出，K1組顯著改善修補(bǔ)材料工作性能的同時(shí)，降低了體系的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。李艷超等人研究表明[4]，緩凝劑對(duì)混凝土的作用主要是物理作用，即它們不參與水泥的水化反應(yīng)，也不產(chǎn)生新的水化產(chǎn)物，只是在不同程度上減緩(甚至停止)水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程。檸檬酸和葡萄糖酸鈉以不同摻量與減水劑復(fù)摻時(shí)，可大幅度提高水泥漿體的流動(dòng)性，延長凝結(jié)時(shí)間，但對(duì)水泥強(qiáng)度有一定不利影響。K2組在保證K1組的同等工作性的條件下，通過使用早強(qiáng)劑提高了修補(bǔ)材料各齡期的抗壓和抗折強(qiáng)度，使修補(bǔ)材料的力學(xué)性能能夠滿足快速開放交通的要求。

3 結(jié)論

(1)隨著膠砂比的逐漸增大，硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度逐漸增加。膠砂比為1∶1時(shí)，硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的4h、1d、7d、28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，分別為30.4MPa、34.4MPa、51.7MPa、58.8MPa，抗折強(qiáng)度為5.8MPa、6.4MPa、7.1MPa、8.4MPa。

(2)隨著水膠比的逐漸增大，硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度逐漸降低。水膠比為0.28時(shí)，硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的4h、1d、7d、28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，分別為34.2MPa、38.6MPa、53.6MPa、62.3MPa，抗折強(qiáng)度為6.5 MPa、6.9 MPa、7.5MPa、8.9 MPa。

(3)摻加了適量緩凝劑的硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料的流動(dòng)度保持良好，20min的流動(dòng)性損失差值僅為120mm，20min后仍具有良好的流動(dòng)性。但早期力學(xué)性能不能滿足快速通車要求，還需要復(fù)合0.2%的早強(qiáng)劑，以保證硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料具有良好的工作性和力學(xué)性能。