一種混凝土快速修復材料的組成設計研究

王 慧

(中建安裝集團有限公司，江蘇 南京 210023)

由于其良好的加工性能和抗壓強度，水泥混凝土材料廣泛應用于當前土木工程各領域。但由于其體積穩定性及抗拉強度不良，使其在溫、濕度條件變化時，變形較大，易產生裂縫；在彎折荷載作用下，易發生破壞；在凍融作用下，其表層易脫落。這些不良破壞均可導致混凝土的整體性能變差，其有效服役壽命降低。

混凝土實體裂縫，可以采用壓注修復漿體的方法彌合。路面、機場跑道、停車場等工程，由于混凝土受凍融破壞，表層容易脫落，石子裸露，使混凝土的耐久性能進一步下降，這些水平面缺陷，可以采用自流平修復材料修復。為便于泵送、壓注，同時為達到免振密實，所以用于修復的漿體流動性要求較高。另外，路面等交通工程需要短時間修復完畢，加快修復材料硬化速度，以縮短窗口期限。一般認為，公路修補4～6 h后抗壓強度至少達到20 MPa、抗折強度不小于3.5 MPa，才能保證通車[1]，這就要求修復材料強度發展速度較快。

當前用于快速修復的材料有無機水泥類修補材料、有機修補材料、有機無機混合料[2],其中無機水泥類材料與既有結構混凝土粘結強度低、韌性差，有機修補材料耐老化性能差、價格昂貴、有些材料組分有毒性、不易推廣。有機無機復合類修復材料兼有無機水泥類和有機類修復材料的優點，克服二者缺點。本研究即采用無機有機復合技術路線，研制流動性良好、強度發展速度快、高強度快速修復材料。

1 試驗原材料

1.1 硫鋁酸鹽水泥熟料

硫鋁酸鹽水泥具有高早強、耐蝕性好等性能，多適用于搶修工程[3]。本研究所用無機膠結料為硫鋁酸鹽水泥熟料，河北的唐山北極熊建材有限公司生產，其物理性能和化學組成分別見表1和表2。

1.2 細骨料

表1 水泥熟料物理性能

表2 水泥熟料化學組成 %

本研究所用細骨料采用天然砂和石英砂。其中天然砂有兩種，分為Ⅱ區天然砂和Ⅲ區天然砂，其粒徑均小于4.75 mm。Ⅱ區天然砂的堆積密度為1 600 kg/m3，Ⅲ區天然砂的堆積密度為1 500 kg/m3，石英砂為18～30目。天然砂產地河北石家莊，石英砂由河北靈壽縣永順礦產品加工廠生產。

1.3 石膏

石膏由石家莊雙乾建材有限公司生產。

1.4 外加劑

減水劑為巴斯夫2651F，減水率為30%，南京耀杰節能有限公司生產；早強劑主要成分為甲酸鈣，山東泰合瑞化工科技有限公司生產；緩凝劑主要有效成分為葡萄糖酸鈉，江蘇常州耀圣美環保科技有限公司生產；消泡劑為明凌AGITANRJP803粉末消泡劑，北京萬圖明科技有限公司生產。

1.5 乳液

試驗研究所用乳液為實驗室合成，有聚丙烯酸酯乳液、聚丙烯酸酯—聚氨酯共聚乳液、聚丙烯酸酯+聚氨酯機械混合乳液(混合質量比1∶1)。

2 試驗方法

修復所用漿體流動性檢測參照《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T 8077-2000)執行。

修復材料硬化體各齡期的抗折、抗壓強度檢測參照《水泥膠砂強度試驗》(GB/T17671-1999)執行。

3 試驗安排與結果

3.1 單因素試驗

采用單因素試驗，確定漿體水灰比、石膏摻量(占水泥百分比)、減水劑摻量、早強劑摻量、緩凝劑摻量及消泡劑摻量。

首先變化漿體水灰比測試漿體流動性(擴展度)，結果見圖1。由圖1可知，水灰比在0.28～0.30漿體流動性較大，故后繼試驗采用水灰比(漿體中的水與水泥用量比)為0.30。

采用水灰比為0.30。變化石膏摻量(石膏用量/(石膏+無水硫鋁酸鹽水泥熟料與石膏用量))制備漿體，標準養護至1 d，測試凈漿硬化體強度，結果見圖2。

圖1 水灰比對凈漿流動性的影響 圖2 石膏摻量對漿體硬化體1 d抗壓強度的影響

固定水灰比為0.30、石膏摻量6%，變化減水劑摻量，攪拌漿體，測試其流動擴展度，結果見圖3。

固定水灰比為0.30、石膏摻量6%、減水劑摻量1.5%，變化早強劑摻量，攪拌漿體，標養4 h、1 d后測試硬化體強度，結果見圖4。

圖3 減水劑摻量對漿體流動性的影響 圖4 早強劑對漿體硬化體抗壓強度的影響

固定水灰比為0.30、石膏摻量6%、減水劑摻量1.5%、早強劑摻量1.0%，變化緩凝劑摻量，攪拌漿體，測試漿體初凝時間，結果見圖5。

圖5 緩凝劑對初凝時間的影響

固定水灰比為0.30、石膏摻量6%、減水劑摻量1.5%、早強劑摻量1.0%、緩凝劑摻量0.12%，變化消泡劑摻量，攪拌漿體，測試漿體硬化體1 d強度，結果見圖6。

圖6 消泡劑對1 d抗壓強度的影響

由上述試驗，確定水灰比為0.30，石膏摻量為6%，減水劑1.5%，早強劑1%，緩凝劑0.12%，消泡劑0.10%。以此為基本條件，后繼試驗經正交設計確定漿體最佳組成。

3.2 正交設計試驗

選取灰砂比(A)、骨料品種(B)、乳液品種(C)、聚灰比(聚合物用量(折合固態)/水泥用量)(D)為因素，研究上述條件對修復材料漿體流動擴展度、硬化體強度(4 h、1 d)的影響。因素水平見表3。

表3 因素水平表

選用L934正交表[4]安排試驗：根據正交試驗設計，計算出試驗各原材料所需量；為了確保試驗最終結果的準確性，每一組試驗重復進行3次，以進行誤差分析。每組試驗材料用量見表4。

嚴格按表4的各材料用量拌制漿體，測試漿體的流動擴展度、不同齡期(4 h、1 d)抗折及抗壓強度，試驗結果見表5及表6。

分別計算不同指標的功效系數[5]，進而計算總功效系數，結果見表7。

表4 正交試驗各組分的實際用量 g

表5 修復材料漿體流動性能測試結果

3.3 試驗結果

對表7數據進行極差分析，極差分析結果見表8。由極差分析結果可知，因素D(聚灰比)對綜合指標影響程度最大，C因素(乳液種類)次之，A因素(灰砂比)更次，B因素(骨料品種)最次。綜合指標較好的因素水平組合是：D1C2A2B1，具體條件為：聚灰比3%、乳液品種聚丙烯酸酯-聚氨酯共聚物、灰砂比1∶1.3、骨料品種Ⅱ區天然砂。

4 結束語

對最優試驗條件組合D1C2A2B1進行驗證試驗，結果表明：采用聚灰比3%、聚丙烯酸酯-聚氨酯共聚物、灰砂比1∶1.3、Ⅱ區天然砂、水膠比0.30、石膏摻量6%、減水劑1.5%、早強劑1%、緩凝劑0.12%、消泡劑0.1%制備的快速修復材料漿體流動擴展度達310 mm，漿體硬化體4 h抗折強度達6.90 MPa，4 h抗壓強度達37.0 MPa，1 d抗折強度達11.42 MPa，1 d抗壓強度達68.8 MPa，完全適用于道路、廣場快速修復。

表6 各齡期修復材料漿體硬化體強度 MPa

表7 各指標功效系數及總功效系數

表8正交設計極差分析結果