溫度對(duì)橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)材料體系性能影響研究

李昱岐 丁民 任國斌 吳來帝 魏定邦 李曉民

（1 甘肅長(zhǎng)達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；2 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；3 甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730203）

0 前言

橋梁伸縮縫不但要保證橋梁能夠自由變形，而且要使車輛在設(shè)縫處能平順通過，隨著交通壓力增大，橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修必須快速、耐久。因此眾多橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修工程材料屬于早期強(qiáng)度發(fā)展迅速、后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定的材料，其中大部分梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修工程材料的膠凝材料選用硫鋁酸鹽水泥。硫鋁酸鹽水泥是以無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主要礦物成分的熟料摻入適當(dāng)石膏后磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，與普通硅酸鹽水泥相比，硫鋁酸鹽水泥具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)時(shí)間快、微膨脹等優(yōu)點(diǎn)。徐玲琳、楊曉杰等人研究硫鋁酸鹽水泥一硅酸鹽水泥一石膏三元體系在10、20℃和40℃下養(yǎng)護(hù)，三元體系的主要水化產(chǎn)物始終為水化硫鋁酸鈣類物相。養(yǎng)護(hù)溫度越高，相同齡期時(shí)無水硫鋁酸鈣熟料的剩余量越低，而相應(yīng)水化產(chǎn)物鈣礬石的生成量越高，片狀單硫型水化硫鋁酸鈣的生成時(shí)間越早、生成量越高；且所得硬化漿體的最大幾何孔徑越大。因此，三元體系的水化過程比單一水泥體系對(duì)環(huán)境溫度的變化更為敏感。

由于不同區(qū)域氣溫差異很大，同一地區(qū)冬夏、晝夜溫差相差較大。膠凝材料作為橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修材料主要載體之一，在施工過程中必然處于多變的自然溫度環(huán)境之中。若進(jìn)行材料設(shè)計(jì)是忽略環(huán)境溫度對(duì)其水化進(jìn)程和強(qiáng)度的影響，不僅會(huì)使橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修材料的性價(jià)比降低，還會(huì)產(chǎn)生安全隱患。因此本文針對(duì)不同溫度下不同膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，分析不同溫度下對(duì)和膠凝材料水化歷程和強(qiáng)度發(fā)展的影響機(jī)制。為了更好的理解硫鋁酸鹽復(fù)合水泥的水化特性，本文擬采用凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度指標(biāo)研究不同膠凝材料組成下橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修材料的特征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為鄭州王樓水泥工業(yè)有限公司生產(chǎn)的SAC42.5快硬硫鋁酸鹽水泥，相關(guān)性能見表1。采用京蘭P.O42.5普通硅酸鹽水泥，硅灰為甘肅三遠(yuǎn)公司硅灰，比表面27m2/g，聚合物采用瓦克5111L。

表1 水泥成分表

減水劑采用蘇博特公司產(chǎn)SBT-400減水劑，減水率大于30%。采用蘭州永登產(chǎn)破碎石英砂，砂漿配比砂灰比為1.2∶1。

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

采用砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方法測(cè)試砂漿強(qiáng)度；

凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)方法選用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

采用單因素考察橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)材料體系中各組分摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度性能的影響，設(shè)計(jì)五組試驗(yàn)如表2所示，測(cè)試指標(biāo)為：

實(shí)驗(yàn)環(huán)境選用-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。

砂漿抗壓抗折強(qiáng)度，測(cè)試齡期：3h，6h，1d，3d，28d。

凝結(jié)時(shí)間測(cè)定。

為考察不同溫度下橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)材料體系的水化過程，將抗壓、凝結(jié)時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)不同體系橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)材料特性。

表2 橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)材料體系試驗(yàn)表

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響

溫度在10℃～40℃時(shí)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間變化如圖1所示，關(guān)系式如表3所示。五組試驗(yàn)?zāi)Y(jié)時(shí)間隨溫度變化的規(guī)律相近，都隨溫度升高凝結(jié)時(shí)間縮短，具有較高的線性相關(guān)。在硫鋁酸鹽水泥中摻加普硅、硅灰、碳酸鋰都會(huì)使得不同溫度下凝結(jié)時(shí)間縮短，聚合物的摻入會(huì)使凝結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)。

圖1 10℃～40℃溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響

由關(guān)系式的系數(shù)可以看出，在硫鋁酸鹽水泥中加入普硅水泥、硅灰、碳酸鋰所得系數(shù)分別是-1.1071、-1.4071、-1.4929、-1.6357，說明摻加普硅水泥、硅灰、碳酸鋰的四組試驗(yàn)的凝結(jié)時(shí)間的溫度敏感性增大，凝結(jié)時(shí)間隨溫度敏感性由大到小的順序是5＞3＞2＞1；但是聚合物的摻入極大地降低了系數(shù)，由-1.6357增大到-1.2857，系數(shù)降低了22%，說明聚合物的摻入可改善材料凝結(jié)時(shí)間對(duì)溫度的敏感性。

表3 10℃-40℃溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響關(guān)系

圖2 -5℃～10℃溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響

溫度在-5℃～10℃時(shí)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間變化如圖2所示，關(guān)系式如表4所示。五組試驗(yàn)的變化規(guī)律相近，都是隨溫度的升高凝結(jié)時(shí)間縮短并且較高的指數(shù)相關(guān)性。在硫鋁酸鹽水泥中摻加普硅、硅灰、聚合物和碳酸鋰都會(huì)使得不同溫度下凝結(jié)時(shí)間縮短。

由關(guān)系式的系數(shù)可以看出，在硫鋁酸鹽水泥中加入普硅水泥、硅灰、聚合物和碳酸鋰所得指數(shù)是-0.056、-0.052、-0.051、-0.045、-0.04依次減小，說明多元組分膠凝材料和早強(qiáng)劑對(duì)膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間隨溫度變化的敏感性依次是1＞2＞3＞4＞5；說明多元膠凝材料體系、聚合物、早強(qiáng)劑都會(huì)降低溫度對(duì)其凝結(jié)時(shí)間的影響。

表4 -5℃-10℃溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響關(guān)系

以10℃為界限，10℃以上為高溫，10℃一下為低溫；多元膠凝材料體系和早強(qiáng)劑在高溫區(qū)時(shí)凝結(jié)時(shí)間隨溫度變化較為敏感，而在低溫區(qū)時(shí)凝結(jié)時(shí)間的明感性將低；聚合物的摻入都會(huì)降低溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響。

2.2 溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系強(qiáng)度的影響

測(cè)試硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。分別測(cè)試環(huán)境溫度-5℃、10℃、25℃和40℃下硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度。

-5℃環(huán)境和10℃環(huán)境的硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖3a、圖3b所示，試驗(yàn)1、2、3、4、5中強(qiáng)度由大到小依次是3＞2＞5＞1＞4，即摻加普硅和硅灰試驗(yàn)3強(qiáng)度發(fā)展較快且28d抗壓強(qiáng)度最高，原因在于普硅的摻入加速了硫鋁酸鹽水泥的水化，以及硅灰的摻入起到微集料效應(yīng)，并且改善了水化產(chǎn)物，因此提高了硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度；摻加聚合物的試驗(yàn)4強(qiáng)度發(fā)展最慢，28d抗壓強(qiáng)度最低，原因在于聚合物的糖衣會(huì)消耗部分氫氧化鈣，導(dǎo)致前期氫氧化鈣濃度的降低，并且由于低溫影響導(dǎo)致聚合物成膜受阻，導(dǎo)致聚合物不連續(xù)缺陷增多，因此抗壓強(qiáng)度降低；在硫鋁酸鹽水泥中摻加普硅、硅灰、氯化鋰都會(huì)提高混凝土28d抗壓強(qiáng)度，氯化鋰則顯著提高6h抗壓強(qiáng)度，對(duì)28d抗壓強(qiáng)度無不利影響。

25℃環(huán)境的硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖3c所示，試驗(yàn)1、2、3、4、5的28d抗壓強(qiáng)度由大到小依次是3＞2＞4＞1＞5，摻加聚合物、硅灰、普硅的試驗(yàn)28d抗壓強(qiáng)度都大于硫鋁酸鹽水泥的試驗(yàn)1，而摻加氯化鋰后強(qiáng)度降低；前期強(qiáng)度發(fā)展速率由大到小的是5＞3＞4＞2＞1，摻加普硅、硅灰、氯化鋰、聚合物后前期抗壓強(qiáng)度都大于試驗(yàn)1的抗壓強(qiáng)度，氯化鋰對(duì)前期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大；對(duì)比前后期抗壓強(qiáng)度，普硅、硅灰、聚合物對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度都有利，氯化鋰對(duì)前期抗壓強(qiáng)度提高較多，但對(duì)后期抗壓強(qiáng)度有不利影響。

40℃環(huán)境的硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖3d所示，試驗(yàn)1、2、3、4、5的28d抗壓強(qiáng)度由大到小依次是4＞1＞3＞2＞5，摻加普、硅硅灰的試驗(yàn)3、試驗(yàn)3強(qiáng)度比試驗(yàn)1強(qiáng)度降低了，而摻加聚合物的試驗(yàn)4抗壓強(qiáng)度較試驗(yàn)1高，而摻加氯化鋰的試驗(yàn)5強(qiáng)度較試驗(yàn)1低且為五組試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度最低；前期抗壓強(qiáng)度由大到小依次是5＞3＞2＞4＞1，摻加硅灰、普硅、氯化鋰和聚合物后促進(jìn)水泥的水化，加快水泥水化進(jìn)程；由此可見，摻加聚合物的試驗(yàn)4有利于抗壓強(qiáng)度的持續(xù)增長(zhǎng)，而摻加普硅、硅灰、氯化鋰的試驗(yàn)2、試驗(yàn)3、試驗(yàn)5可加快前期強(qiáng)度但會(huì)降低后期強(qiáng)度。

5組試驗(yàn)84d抗壓強(qiáng)度如圖4所示，實(shí)驗(yàn)1、2、3、5隨溫度升高抗壓強(qiáng)度先增大后減小，而試驗(yàn)4抗壓強(qiáng)度隨溫度升高抗壓強(qiáng)度不大增大，實(shí)驗(yàn)1、2最高強(qiáng)度都出現(xiàn)在25℃，試驗(yàn)3的抗壓強(qiáng)度最高出現(xiàn)在10℃，試驗(yàn)4抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在40℃，實(shí)驗(yàn)5最高抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在25℃；對(duì)于-5℃～25℃時(shí)，試驗(yàn)3抗壓強(qiáng)度最高，而40℃時(shí)試驗(yàn)4的抗壓強(qiáng)度最高。

3 結(jié)論

硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間在10℃～40℃時(shí)大致呈現(xiàn)出隨溫度變化線性關(guān)系，即y=-ax+b，而在-5℃～10℃時(shí)大致呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系，即y=ae-bx；摻加硅灰、普硅和氯化鋰時(shí)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間縮短，摻加聚合物時(shí)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。

圖3 溫度硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 不同溫度下硫鋁酸鹽膠凝材料體系84d抗壓強(qiáng)度

硫鋁酸鹽膠凝材料體系中摻加普硅、硅灰后，在-5℃～25℃時(shí)有助于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高，但是在40℃時(shí)不利于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高；摻加聚合物后，在-5℃～10℃時(shí)不利于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高，但是在25℃～40℃時(shí)有利于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高；摻加氯化鋰后，在-5℃～10℃℃時(shí)對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高無不利影響，但是在25℃～40℃時(shí)不利于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高。