高性能磷酸鎂水泥修補料性能研究

劉濤, 李春偉

(1.內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系， 四川 內(nèi)江 641000； 2.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610000)

近幾年來隨著中國高鐵行業(yè)的崛起，混凝土以其抗壓強度高、使用靈活、施工方便、價格低廉等優(yōu)點成為施工應(yīng)用中用量最大的建筑材料，發(fā)揮著無可替代的作用和功能。但混凝土屬脆性材料，服役過程中因不可抗拒的內(nèi)部因素和外部環(huán)境,易產(chǎn)生裂紋、局部損傷等,且隨著服役年限的增加，損傷趨于加重，致使混凝土結(jié)構(gòu)的性能不斷降低,影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，為了提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,增強混凝土結(jié)構(gòu)的使用功能,可以對結(jié)構(gòu)構(gòu)件中出現(xiàn)的破損和裂縫進行修復(fù)。常用于混凝土裂縫修補的材料主要分為有機和無機修補材料：有機修補材料主要以環(huán)氧類樹脂為主，環(huán)氧樹脂是一種應(yīng)用廣泛的化學(xué)灌漿補強材料[1]，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、機械強度高、收縮率低等優(yōu)點，但是固化后的環(huán)氧樹脂膠黏物韌性不夠，耐沖擊性能差，限制了環(huán)氧樹脂在混凝土結(jié)構(gòu)修補方面的應(yīng)用[2-6]；無機修補材料修復(fù)效果與界面黏結(jié)力有直接關(guān)系[7]，申愛琴等研究了聚合物改性超細水泥微裂縫修補材料，得出改性后的聚合物可以提高抗腐蝕及抗?jié)B性，改性材料較未改性材料經(jīng)過腐蝕后的強度損失明顯減少[8]；何凡研究了4種不同聚合物對水泥基材的改性，得到聚合物的加入能夠明顯改善水泥基修補材料的抗氯離子滲透性[9]；耿飛和高培偉[10]等通過優(yōu)化配合比設(shè)計，研制出了一種力學(xué)性能好、耐老化的高性能丙烯酸類混凝土修補材料，目前針對普通混凝土裂縫修補的研究比較多[11-12]。

混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)研究具有較大的理論價值和實踐意義，然而，環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠在施工過程中存在諸多問題，例如，污染環(huán)境、固化慢、不耐高溫、易老化、耐鹽堿能力差、價格高等?；炷两Y(jié)構(gòu)均屬無機材料，環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠屬于有機材料，有機與無機類材料的結(jié)合能力較低。因此，為了避免此類情況，迫切需要一種與普通硅酸鹽混凝土膠結(jié)能力較好的無機膠凝材料。

1 試驗

1.1 原材料

(1) 高性能修補材料的原材料：① 氧化鎂粉(堿基)：鎂砂廠生產(chǎn)；② 磷酸二氫鉀(酸基)：化工廠提供；③ 復(fù)合緩凝劑：試驗室自制；④ 細骨料：中砂。

(2) 為了消除試驗誤差，黏結(jié)用混凝土的原材料均取自現(xiàn)場混凝土結(jié)構(gòu)用原材料：① 水泥：P.O42.5級；② 粉煤灰：Ⅱ級灰；③ 細骨料：中砂；④ 粗骨料：5～20 mm碎石；⑤ 減水劑：聚羧酸高性能減水劑。

1.2 試驗方法

高性能修補材料配制方法：首先將磷酸二氫鉀、復(fù)合緩凝劑、1/2的水置于膠砂拌和機中均勻拌和1 min，然后加入氧化鎂粉攪拌2 min，氧化鎂粉攪拌過程中加入剩余的1/2水，最后加入細骨料攪拌2 min結(jié)束。

(1) 強度測試：依據(jù)GBT 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行抗壓強度測試。

(2) 黏結(jié)強度：依據(jù)JGJ 110—2017《建筑工程飾面磚黏結(jié)強度檢驗標準》進行黏結(jié)強度測試(該測試方法中提到了修補料采用填充形式，因此不必增加試件的制備方法)，為了消除試驗誤差，黏結(jié)用混凝土的配合比與現(xiàn)場混凝土結(jié)構(gòu)一致，具體見表1。

表1 C40混凝土配合比

(3) 耐久性測試方法：依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試高性能修補材料干濕循環(huán)150次時的耐腐蝕系數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同堿酸比例下高性能修補材料硬化漿體性能變化規(guī)律

2.1.1 不同堿酸比例下高性能修補材料對抗壓強度的影響規(guī)律

該文提出的高性能修補材料主要是以MgO(堿基)、KH2PO4(酸基)與一定的復(fù)合緩凝劑加水拌和而成的無機膠凝材料，堿基與酸基的比例制約著硬化漿體的強度發(fā)展。不同堿酸比例下抗壓強度發(fā)展規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同堿酸比例下抗壓強度發(fā)展規(guī)律

由圖1可以得出：① 堿酸比例對強度的發(fā)展影響較大，其中硬化漿體強度呈現(xiàn)堿酸比例4∶1>5∶1>3∶1，其中堿酸比例為4∶1時的硬化漿體強度在不同齡期下均高于其余兩組，56 d時抗壓強度達到58 MPa；② 隨著養(yǎng)護齡期的增長高性能修補材料的強度發(fā)展亦呈增強趨勢，其中7～28 d硬化漿體強度增長趨勢最為明顯，即此階段水化產(chǎn)物的生成量逐漸增多，水化反應(yīng)程度最強，28 d后強度的增長趨勢較緩，水化反應(yīng)趨于穩(wěn)定。

2.1.2 不同堿酸比例下高性能修補材料對黏結(jié)強度的影響規(guī)律

黏結(jié)強度是制約修補料質(zhì)量的關(guān)鍵，TG/GW115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》中規(guī)定修補材料的黏結(jié)強度>2.5 MPa或者混凝土基層被破壞。不同堿酸比例下黏結(jié)強度發(fā)展規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同堿酸比例下黏結(jié)強度發(fā)展規(guī)律

從圖2中可以得出：① 堿酸比例為3∶1時、齡期為3 d時，最小的黏結(jié)強度為2.7 MPa，滿足高速鐵路無砟軌道的修補要求；② 硬化漿體黏結(jié)強度發(fā)展規(guī)律與抗壓強度發(fā)展規(guī)律一致，即4∶1>5∶1>3∶1，其中堿酸比例為4∶1時的硬化漿體黏結(jié)強度在不同齡期下均高于其余兩組，56 d時黏結(jié)強度達到6.2 MPa；③ 隨著養(yǎng)護齡期的增長黏結(jié)強度的發(fā)展呈增長趨勢，其中3～28 d的增長趨勢最大，28 d后隨著養(yǎng)護齡期的增加黏結(jié)強度逐漸趨于穩(wěn)定。

2.1.3 不同堿酸比例下高性能修補材料腐蝕性影響規(guī)律

耐久性是評判混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的主要參評指標，其中抗壓強度耐腐蝕系數(shù)是主要制約參數(shù)。養(yǎng)護齡期為56 d、不同堿酸比例下抗壓強度耐腐蝕系數(shù)發(fā)展規(guī)律如圖3所示。

從圖3中可以得出：① 耐腐蝕系數(shù)的發(fā)展規(guī)律為 4∶1>5∶1>3∶1，其中堿酸比例為4∶1時，150次干濕循環(huán)下的抗壓強度耐腐蝕系數(shù)達到0.97；② 堿酸比為4∶1時，抗壓強度、黏結(jié)強度均高于堿酸比3∶1和5∶1，其微觀斷面形貌水化產(chǎn)物的排列堆積密實度最大，抵抗腐蝕破壞的能力愈強，因此抗壓強度和黏結(jié)強度一定程度上制約了耐腐蝕系數(shù)的變化，綜合圖1、2堿酸比例均為4∶1時水化產(chǎn)物生成量最多、強度最高，歷經(jīng)干濕循環(huán)后耐腐蝕系數(shù)亦最高。

圖3 不同堿酸比例下耐腐蝕系數(shù)發(fā)展規(guī)律

2.2 不同復(fù)合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體性能變化規(guī)律

2.2.1 不同復(fù)合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體對抗壓強度的影響規(guī)律

該文提出的高性能修補材料歸屬陶瓷質(zhì)水泥，普通硅酸鹽水泥屬于礦物質(zhì)水泥，遇水發(fā)生反應(yīng)程度較為緩慢，而陶瓷質(zhì)水泥屬于化學(xué)水泥，與水反應(yīng)較為劇烈，因此就推廣、應(yīng)用而言，開展復(fù)合緩凝成分的研究十分重要。復(fù)合緩凝劑不同摻量下抗壓強度發(fā)展規(guī)律如圖4所示。

圖4 復(fù)合緩凝劑不同摻量下抗壓強度發(fā)展規(guī)律(堿酸比例為4∶1)

由圖4可知：① 堿酸比例為4∶1時，28、56 d硬化漿體抗壓強度的發(fā)展規(guī)律為8%>10%>6%，其中復(fù)合緩凝劑摻量為8%時，硬化漿體28、56 d的抗壓強度值均達到最大值，56 d的強度值為65.2 MPa；② 堿酸比例為4∶1時，3、7 d抗壓強度的發(fā)展規(guī)律均為6%>8%>10%，早期復(fù)合緩凝劑加入削弱了漿體的水化反應(yīng)，致使早期抗壓強度較低；③ 緩凝劑摻入量較少(6%)時，水化反應(yīng)較為劇烈，水化產(chǎn)物的生成量較多，早期強度較高，但水化產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)排列較為疏松，隨著養(yǎng)護齡期的增加，后期的抗壓強度較其余2組低，緩凝劑摻入量過大時，降低了漿體中部分反應(yīng)產(chǎn)物的活化能，阻礙了水化反應(yīng)的正常進行，已經(jīng)參與水化反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)排布較為密實。

2.2.2 不同復(fù)合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體對黏結(jié)強度的影響規(guī)律

復(fù)合緩凝劑不同摻量下黏結(jié)強度發(fā)展規(guī)律如圖5所示。

圖5 復(fù)合緩凝劑不同摻量下黏結(jié)強度發(fā)展規(guī)律(堿酸比例為4∶1)

由圖5可知：① 堿酸比例為4∶1時，28、56 d硬化漿體黏結(jié)強度的發(fā)展規(guī)律與圖4抗壓強度發(fā)展規(guī)律一致，均為8%>10%>6%，其中復(fù)合緩凝劑摻量為8%時，56 d的黏結(jié)強度值為6.4 MPa；② 堿酸比例為4∶1時，3、7 d黏結(jié)強度的發(fā)展規(guī)律與抗壓強度發(fā)展規(guī)律一致，摻量為10%時3 d黏結(jié)強度值最小為3.5 MPa，亦滿足無砟軌道修補料的中黏結(jié)強度的技術(shù)要求。

2.2.3 復(fù)合緩凝劑不同摻量下高性能修補材料硬化漿體耐腐蝕性影響規(guī)律

養(yǎng)護齡期為56 d、相同堿酸比例、復(fù)合緩凝劑不同摻量下抗壓強度耐腐蝕系數(shù)發(fā)展規(guī)律如圖6所示。

圖6 復(fù)合緩凝劑不同摻量下耐腐蝕系數(shù)發(fā)展規(guī)律

從圖6中可以得出：① 耐腐蝕系數(shù)的發(fā)展規(guī)律為8%>10%>6%，其中復(fù)合緩凝劑摻量為8%時，150次干濕循環(huán)下的抗壓強度耐腐蝕系數(shù)達到0.98；② 緩凝劑的摻入量制約著抗壓強度耐腐蝕系數(shù)的變化，適量緩凝劑的摻入雖然制約硬化漿體早期強度的發(fā)展，但為早期生成的水化產(chǎn)物提供了微結(jié)構(gòu)排列的時間，硬化漿體微結(jié)構(gòu)排布致密材料的強度和耐久性均有所提高。

3 SEM分析

3.1 不同堿酸比例下高性能修補材料硬化漿體SEM分析

圖7為不同堿酸比例下高性能修補材料28 d硬化漿體斷面SEM圖。堿酸比為3∶1自然養(yǎng)護28 d的樣品斷面窩中有針棒狀晶體松散地堆積在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[圖7(a)]，晶體直徑為10 μm左右，呈亂向無序排布。圖7(b)為堿酸比4∶1齡期28 d的樣品斷面SEM圖，斷面窩中布滿柱狀晶體，晶體長50 μm左右、寬約25 μm，其尺寸明顯大于圖7(a) 堿酸比3∶1自然養(yǎng)護樣品窩中的晶體，且結(jié)晶程度較高，晶相排布呈近似有序排布，堆積緊密，其排布密實度、堆積度均高于7(a)、圖7(c)。圖7(c)為堿酸比5∶1樣品斷面的SEM圖，窩中堆滿柱狀晶體，晶相排布較為緊密，空隙中晶體的填充程度高于圖7(a)。對比圖7(a)、(b)、(c)，堿酸比為4∶1時，微觀斷面的晶相尺寸較大且排布密實、堆積度也較高，宏觀上反映出強度最大、耐久性最優(yōu)。堿酸比為3∶1時，溶液中酸性成分較高，過燒氧化鎂的溶解度增加，水化產(chǎn)物生成速度較快，無充足時間彼此相互搭接形成密實的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)；堿酸比例中堿性成分的增多，酸性成分的減少，即堿酸比為5∶1時，隨著酸性組分減少，過燒氧化鎂的溶解度減少，水化生成的產(chǎn)物在足夠的過燒氧化鎂顆粒上相互搭接形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。

圖7 不同堿酸比例下高性能修補材料硬化漿體SEM圖

3.2 不同復(fù)合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體SEM分析

圖8為不同復(fù)合緩凝劑摻量下高性能修補材料28 d硬化漿體斷面SEM圖。

復(fù)合緩凝劑摻量為6%齡期28 d微觀斷面圖如圖8(a)所示，晶相直徑尺寸大多集中在10 μm左右，呈紡錘絲狀堆積，近似無序且排列雜亂，無網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)形成。圖8(b)為復(fù)合緩凝劑摻量為8%微觀斷面SEM譜圖，晶相直徑大多相同為15 μm左右，斷面坑窩內(nèi)晶相整齊排列，堆積密實，其堆積密實度高于圖8(a)、(c)。復(fù)合緩凝劑摻量為10%齡期為28 d硬化漿體微觀斷面形貌如圖8(c)所示，斷面中殘存部分未水化的過燒氧化鎂顆粒，經(jīng)歷水化反應(yīng)后的晶相直徑尺寸相差較大，細小晶相緊密堆積在一起，形成密實度較高的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，尺寸較大的晶相排布稀疏，堆積密實度較低，但其整體堆積密實度高于圖8(a)，低于圖8(b)。

圖8 不同復(fù)合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體SEM圖

對比圖8(a)、(b)、(c)，復(fù)合緩凝劑摻量為8%時水化產(chǎn)物的晶相排布最佳，形成較高的密實度網(wǎng)絡(luò)堆積狀態(tài)；緩凝劑摻量為6%時，微觀形貌中水化結(jié)晶相生成量最少，且尺寸相差較多，排列雜亂；當(dāng)緩凝劑摻量超過8%時，磷酸鎂漿體的水化反應(yīng)開始減緩，已生成的水化結(jié)晶相開始呈現(xiàn)規(guī)則排布，但由于水化放緩，微觀斷面中殘存部分未水化的過燒氧化鎂顆粒。究其原因：高性能磷酸鎂水泥早期水化，由于水化反應(yīng)較高，大量水化結(jié)晶相生成，一方面大量結(jié)晶相附著于過燒氧化鎂顆粒的表面阻隔了水化持續(xù)時間；另一方面，已經(jīng)生成的結(jié)晶相由于沒有充足的時間相互搭接成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)因此相互雜亂排列，致使強度下降；緩凝組分的摻量超過限量后水化反應(yīng)變緩，水化結(jié)晶相的數(shù)量較少，強度下降。

4 結(jié)論

(1) 綜合不同堿酸比例下高性能修補材料的抗壓強度、黏結(jié)強度、抗壓強度耐腐蝕發(fā)展規(guī)律可以得出，堿酸比例為4∶1時硬化漿體的發(fā)展?fàn)顩r較優(yōu)。

(2) 以堿酸比例4∶1為基準，綜合復(fù)合緩凝劑不同摻量下高性能修補材料的抗壓強度、黏結(jié)強度、抗壓強度耐腐蝕發(fā)展規(guī)律，可以得出，復(fù)合緩凝劑摻量為8%時硬化漿體的發(fā)展?fàn)顩r較優(yōu)。

(3) 高性能修補材料的最佳配合比例為：堿酸比4∶1，復(fù)合緩凝劑8%，該比例已應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的破損修補，可施工性、耐久性均滿足現(xiàn)場施工要求。