礦物雙摻對超早強修復砂漿性能影響研究

甄俊杰

（山西省交通科學研究院 太原 030006）

0 引 言

水泥混凝土道面由于具有剛度大、強度高、耐久性好、成本低等優點，在我國各類公路和城市道路中得以廣泛應用．然而此類材料脆性大，在環境和荷載耦合作用下，易造成表面剝落、露石、坑洞等病害，這些病害若不能及時處理，在雨水作用下又會進一步加速發展，嚴重影響行車安全性與舒適性［1－2］．因此，在水泥混凝土道面嚴重破壞之前及時修復顯得尤為重要．

針對水泥混凝土道面的薄層修復，盡管目前在修補材料方面已經進行了較多的研究，例如，蘇州水泥混凝土制品研究院研制了PR－Ⅰ型混凝土快速修補劑［3］，江蘇省建筑科學研究院繆昌文、孫光萍等研發的JK系列混凝土快速修補劑［4］，長安大學陳栓發［5］、職雨風［6］研究了 HW 系列超早強水泥混凝土修補劑等且取得了一定的成果，但由于其在使用過程中耐磨性能差、環境污染嚴重等缺點而不能大面積推廣應用，基于此，本文從原材料著手，通過摻入礦物外摻料取代部分膠凝材料，不僅能調整和改善修復材料的各項性能（尤其是耐久性），還能節約能源和資源、減輕環境負荷，有利于道路養護行業的快速發展．

1 雙摻粉煤灰和礦粉的作用機理

超早強修復砂漿中雙摻粉煤灰和礦渣微粉能夠充分發揮了二者的優勢，在不影響早期強度的前提下，不僅能夠改善砂漿的工作性能，而且還提高了砂漿的耐久性能［7－9］．其作用機理主要表現為：

1）由于生產工藝不同，從而導致了摻合料具有不同的顆粒形貌．礦渣微粉顆粒多為不規則形狀且表面粗糙，對水的吸附力較大，摻入砂漿中會降低新拌砂漿的流動性，而粉煤灰是表面光滑的球狀玻璃體，內比表面積小，對水的吸附力也小，適量的粉煤灰摻入砂漿中可產生滾珠潤滑作用，減小砂漿的內摩擦力，有利于提高砂漿的流動性．當兩者以適當的比例復摻之后，由于顆粒的外觀形貌不同，使其在工作性能方面能夠產生很好的互補效果．

2）粉煤灰和礦粉微粒的化學組成不同，致使在水化過程中能夠很好的互補．粉煤灰的火山灰活性發展緩慢，短時間內在水泥水化產物的堿性激發下不會參與水化反應，直到28d才有部分粉煤灰參與反應，因此粉煤灰的摻入對砂漿的后期強度增長有利．而礦渣微粉活性較高，在前期就會與早期水泥水化生成的Ca（OH）2發生反應，形成大量C－S－H，不僅可以提高砂漿的早期強度，彌補由于粉煤灰水化慢造成的早期強度低的損失，而且能夠使得漿體結構較為致密，從而降低了砂漿的總孔隙率，極大地提高了砂漿的耐久性能．

2 原材料及試驗方法

2．1 原材料

膠凝材料：選用水泥基復合材料，其主要指標見表1．

表1 膠凝材料技術指標

細集料：河砂，級配良好，最大粒徑2．36mm，泥塊含量0%，含泥量小于1．0%．

減水劑：萘系高效減水劑（FDN）．

增強組分：增強組分氯化鈣（CaCl2）．

粉煤灰：試驗使用Ⅱ級粉煤灰，測試指標見表2．

表2 粉煤灰技術性能指標 %

礦粉：試驗采用寧波海得建材科技有限公司生產的礦粉，產品等級S95，其指標見表3．

表3 礦粉技術性能指標

2．2 試驗方法

砂漿流動度及抗壓、抗折強度測定參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTGE30－2005）中T 0507－2005水泥膠砂流動度及強度測定方法．砂漿干縮測定方法主要參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTGE30－2005）中T 0511－2005水泥膠砂干縮試驗方法．砂漿抗滲性測試方法參考《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ／T70－2009）砂漿抗滲性試驗方法進行．

2．3 試驗方案

本文在基準超薄罩面修復材料的基礎上，采用30%的礦物外摻料取代部分膠凝材料［10］，對粉煤灰和礦渣微粉不同的摻入比例對砂漿性能的影響進行工作性能和力學性能試驗，優選出最佳摻量，并通過抗滲性能和干縮性能試驗進行驗證，從而確定最佳配合比，進而為今后的研究和應用提供科學依據．表4為修補砂漿具體配合比．

表4 修補砂漿配合比 kg／m3

3 試驗結果及分析

3．1 工作性能試驗

本部分以基本配合比為基礎，采用內摻法對粉煤灰和礦渣微粉不同的摻入比例對砂漿性能的影響進行研究工作性能測試結果見圖1～2．

圖1 雙摻對可操作時間的影響

圖2 雙摻對擴展度的影響

圖1 為礦粉與粉煤灰雙摻對可操作時間的變化規律．由圖1可知，隨著粉煤灰摻量的增加，可操作時間逐漸增大，當m（礦粉）∶m（粉煤灰）為1∶2時，可操作時間最長，但也僅有46min，滿足快速修復材料的要求．圖2顯示了超早強修復砂漿擴展度隨雙摻變化的發展規律．隨著礦粉摻量的降低，超早強修復砂漿的擴展度逐漸增大但變化不明顯，當m（礦粉）∶m（粉煤灰）為2∶1時，擴展度最小為215mm已能夠達到自流平．因此，從工作性能方面來看，礦粉與粉煤灰以任意比例雙摻均能滿足水泥混凝土路面超早強修復材料要求．

3．2 力學性能試驗

主要研究摻入不同礦物摻合料對超早強修復砂漿2h，1d，28d齡期時抗壓、抗折強度的影響．各配合比條件下的超早強修復砂漿力學性能測試結果見圖3～4．

圖3 雙摻對超早強修復砂漿抗壓強度影響

圖4 雙摻對超早強修復砂漿抗折強度影響

圖3 ～4顯示了礦粉與粉煤灰不同比例雙摻對超早強修復砂漿抗壓、抗折強度的影響規律．由圖中可以看出，隨著礦粉比例的增多，2h抗壓強度出現先增大后減小的趨勢，這主要是由于粉煤灰的水化速度較為緩慢，當其摻量較多時，強度較低．而隨著粉煤灰的減少，抗折強度略有增加，但變化不大．

3．3 耐久性能試驗

材料的耐久性直接影響結構的服役壽命，是材料的重要性能指標．超早強修復砂漿除了應具有良好的工作性、力學性能之外，還應具有良好的耐久性能．

3．3．1 抗滲性能

通過對不同比例礦物摻合料的超早強修復砂漿抗滲性能進行測試，試驗結果見表5．

表5 超早強修復砂漿抗滲性試驗結果

由表5可見，普通超早強修復砂漿的抗滲等級最小為P6，而復摻粉煤灰和礦粉取代膠凝材料，當其質量比為2∶1和1∶1時，抗滲等級最高為P10，與普通超早強修復砂漿相比提高了40%，隨著粉煤灰摻量的降低，砂漿的抗滲等級逐漸降低，但也超過普通修復砂漿．這是因為試驗中同時摻入礦粉、粉煤灰等礦物摻合料具有微填料作用和火山灰作用發生二次水化反應，減少了砂漿內部的空隙，并改變了孔分布，使結構更加密實，尤其在粉煤灰含量增加之后，由于粉煤灰微集料效應中微細顆粒分布于水泥漿體的基相中，能使漿體中毛細孔隙“細化”現象明顯改善，從而提高了砂漿的抗滲性能．

3．3．2 干縮性能

對4種配比下超早強修復砂漿進行2，6，12 h，1，3，7，14，21，28d干縮性能的測試，測試結果見圖5．

圖5 超早強修復砂漿干縮率隨齡期變化曲線

由圖5可見，超早強修復砂漿的收縮主要發生在早期，一般1d齡期時，就已經趨于穩定．礦物摻合料對砂漿的干縮性能影響顯著．其中普通超早強修復砂漿的干縮性能最差，當粉煤灰與水泥以2∶1的比（質量比）取代水泥時，砂漿的干縮性能越好，與普通修復砂漿干縮率相比減小至約70%，隨著粉煤灰摻量的降低，砂漿的干縮性能逐漸降低，但也超過普通修復砂漿．因此，合理選取礦粉和粉煤灰摻量可以大幅度降低砂漿的干縮率．

4 結 論

1）礦物摻合料的摻入明顯降低砂漿的凝結時間和擴展度，且隨著粉煤灰摻入量的增加，凝結時間逐漸增大，擴展度逐漸減小，但均滿足修復砂漿要求．

2）礦物摻合料的摻入對修復砂漿早期強度影響顯著，但能夠滿足通車需求，且隨著齡期的增長，強度逐漸趕上普通超早強修復砂漿．

3）摻入不同比例的礦物摻合料后，砂漿的抗滲等級有所提高，干縮性能大幅度增強，且隨著粉煤灰摻量的增加，耐久性能逐漸增強．

4）在超早強修復砂漿中以2∶1的比（質量比）摻入粉煤灰和礦渣微粉礦物摻合料，不僅可以大量利用工業廢料，保護環境，而且在不影響工作性能和力學性能的前提下能明顯改善砂漿的耐久性能．

［1］鄭 旭．水泥基修補砂漿的研究［D］．北京：北京工業大學，2008．

［2］申愛琴．水泥與水泥混凝土［M］．北京：人民交通出版社，2000．

［3］韋灼彬，王鐵成．水泥混凝土路面快速修補技術的研究與應用［J］．工程力學，2002（S）：716－721．

［4］繆昌文，孫光萍，薛建新，等．JK系列混凝土快速修補劑的研制與應用［J］．施工技術，1995（5）：15－17．

［5］陳栓發．超快速硬修補材料及其作用機理研究［D］．西安：長安大學，2000．

［6］職雨風．超早強水泥混凝土修補劑的研究［D］．西安：長安大學，2000．

［7］石明霞，謝發均，劉寶舉．水泥－粉煤灰復合膠凝材料的水化性能研究［J］．建筑材料學報，2002，5（2）：114－119．

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［10］楊 雷，馬保國．摻礦物摻合料干混砂漿的性能研究［J］．干混砂漿，2007（4）：44－47．