硫鋁酸鹽水泥基超早強快速修補材料力學性能的試驗研究

郭金波

(1.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司公路養護技術研發中心 沈陽市 110111； 2.遼寧大通公路工程有限公司 沈陽市 110111)

嚴寒地區凍融和鹽凍環境作用以及重載的現象頻繁發生加速了橋梁橋面混凝土鋪裝、橋梁伸縮縫等結構的破壞。硫鋁酸鹽水泥以其早強、快硬和耐久性好等特點被廣泛應用于道路、機場市政道路的修補、搶修工程[1-2]。研究了膠砂比、水膠比、緩凝劑、早強劑對硫鋁酸鹽水泥基超早強快速修補材料的力學性能影響，通過調整膠砂比、水膠比、緩凝劑以及早強劑的用量，使硫鋁酸鹽水泥基超早強快速修補材料的工作性滿足施工要求，同時具備較優良的力學性能，能夠在修補后4h實現快速開放交通。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥： 42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥，唐山北極熊建材有限公司生產。

細骨料： 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級粉煤灰，遼寧省鐵嶺市電廠生產。

減水劑： 2651聚羧酸高效減水劑，巴斯夫化學建材有限公司生產。

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

早強劑：碳酸鋰(工業級)，含量>99%，上海歐金實業有限公司生產。

1.2 試驗配合比

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

1.3 試驗方法

抗壓強度、抗折強度測試按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671-1999)執行。試驗養護條件為20℃±1℃水中養護。凈漿流動度檢驗參照《水泥基灌漿料技術規范》(GB/T 50448-2008)進行。

2 結果與討論

2.1 膠砂比對硫鋁酸鹽水泥基修補材料力學特性的影響

圖1 膠砂比對硫鋁酸鹽水泥基修補材料抗壓強度的影響

圖2 膠砂比對硫鋁酸鹽水泥基修補材料抗折強度的影響

圖1和圖2分別為不同膠砂比對硫鋁酸鹽水泥基修補材料抗壓強度和抗折強度的影響。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材料的抗壓強度、抗折強度逐漸增加。膠砂比為1∶1時，硫鋁酸鹽水泥基修補材料的4h、1d、7d、28d抗壓強度達到最高，分別為30.4MPa、34.4MPa、51.7MPa、58.8MPa，抗折強度為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(4h可達最終強度50%以上，1d強度可達最終強度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材料的抗壓強度、抗折強度逐漸增加的主因。《公路工程水泥混凝土用快速修補材料第一部分：水泥基修補材料》要求CRRM-Ι型修補材料開放交通時1d抗壓強度≥30.0MPa,抗折強度≥4.5 MPa。因此選取膠砂比1∶1為最佳膠砂比。

2.2 水膠比對硫鋁酸鹽水泥基修補材料力學特性的影響

圖3 水膠比對硫鋁酸鹽水泥基修補材料抗壓強度的影響

圖4 水膠比對硫鋁酸鹽水泥基修補材料抗折強度的影響

圖3和圖4分別為不同膠砂比對硫鋁酸鹽水泥基修補材料抗壓強度和抗折強度的影響。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材料的抗壓強度、抗折強度逐漸降低。水膠比為0.28時，硫鋁酸鹽水泥基修補材料的4h、1d、7d、28d抗壓強度達到最高，分別為34.2MPa、38.6MPa、53.6MPa、62.3MPa，抗折強度為6.5MPa、6.9MPa、7.5MPa、8.9MPa。水膠比低于0.3時，水膠比稍許降低就能使抗壓強度大幅度提高。這一現象主要歸因于水膠比很低的情況下，界面過渡區的強度顯著改善，而且水膠比低的情況下，水化產物的晶體尺寸要小得多，表面積也大得多[3]。兼顧修補材料的抗壓強度和工作性，選擇水膠比0.30為最佳水膠比。

2.3 緩凝劑復合早強劑對力學特性的影響

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材料的工作性滿足施工要求。筆者在硫鋁酸鹽水泥基修補材料中摻加了適量的緩凝劑、緩凝劑復合早強劑，采用水膠比0.3、膠砂比1∶1配合比為基準組，進行了凈漿流動度和力學性能試驗研究。圖5和圖6分別為不同膠砂比對硫鋁酸鹽水泥基修補材料抗壓強度和抗折強度的影響。根據工程經驗硫鋁酸鹽水泥基修補材料的凈漿流動度保持時間應該不小于20min。

表1 摻加緩凝劑復合早強劑各組的凈漿流動度

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

圖5 摻加緩凝劑復合早強劑對硫鋁酸鹽水泥基修補材料抗壓強度的影響

圖6 摻加緩凝劑復合早強劑對硫鋁酸鹽水泥基修補材料抗折強度的影響

圖5和圖6分別為摻加緩凝劑復合早強劑對硫鋁酸鹽基水泥修補材料抗壓強度和抗折強度的影響。由圖5和圖6可以看出，K1組顯著改善修補材料工作性能的同時，降低了體系的抗壓強度和抗折強度。李艷超等人研究表明[4]，緩凝劑對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，也不產生新的水化產物，只是在不同程度上減緩(甚至停止)水泥水化反應的進程。檸檬酸和葡萄糖酸鈉以不同摻量與減水劑復摻時，可大幅度提高水泥漿體的流動性，延長凝結時間，但對水泥強度有一定不利影響。K2組在保證K1組的同等工作性的條件下，通過使用早強劑提高了修補材料各齡期的抗壓和抗折強度，使修補材料的力學性能能夠滿足快速開放交通的要求。

3 結論

(1)隨著膠砂比的逐漸增大，硫鋁酸鹽水泥基修補材料的抗壓強度、抗折強度逐漸增加。膠砂比為1∶1時，硫鋁酸鹽水泥基修補材料的4h、1d、7d、28d抗壓強度達到最高，分別為30.4MPa、34.4MPa、51.7MPa、58.8MPa，抗折強度為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材料的抗壓強度、抗折強度逐漸降低。水膠比為0.28時，硫鋁酸鹽水泥基修補材料的4h、1d、7d、28d抗壓強度達到最高，分別為34.2MPa、38.6MPa、53.6MPa、62.3MPa，抗折強度為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材料的流動度保持良好，20min的流動性損失差值僅為120mm，20min后仍具有良好的流動性。但早期力學性能不能滿足快速通車要求，還需要復合0.2%的早強劑，以保證硫鋁酸鹽水泥基修補材料具有良好的工作性和力學性能。