特種水泥快速修補材料在遠距離調水工程中的應用前景研究

王 群

(山東省調水工程運行維護中心煙臺分中心，山東 煙臺 264000)

隨著我國的經濟快速發展，地區均衡發展成為我國重點關注的問題，遠距離調水工程就是為了支援發展較為落后的地區所建設的重要工程[1- 2]。隨著遠距離調水工程逐漸發展壯大，也面臨著工程需要不斷維護和修補的情況，對于水利工程的修補工作，材料的選擇和使用是其中重要的步驟，因此也得到了很多學者的研究[3- 5]。

現有的研究表明，常見的水利工程修補材料主要包含3類：第1類主要是以硅酸鹽水泥為代表的無機水泥材料，水泥材料具有強度較高、價格合理及施工方便等優勢[6- 7]。第2類是以瀝青為主要原材料的有機材料，該類材料具有施工快捷簡便的優勢，但是同時也存在修補位置材料融合性差，長期耐久性不足等缺點[8- 9]。第3類是有機聚合物材料，這類材料最突出的缺陷就是早期強度低和耐久性差[10]。綜合上述的分析可以看出，無機材料的優勢較為突出，應用也較為廣泛，但是隨著使用環境的復雜化，原有的普通硅酸鹽水泥很難滿足部分調水工程需要快速修補的需求，速凝早強的硅酸鹽水泥雖然能滿足快速凝結的效果，但是濃度控制是目前面臨的重要難點[11]。

基于上述分析，許多學者對早強硅酸鹽水泥進行了改性研究，通過改性拓展了早強硅酸鹽水泥材料的使用范圍，同時也擴展了調水工程修補材料的選擇范圍。本文通過研究改性早強型硅酸鹽修補材料的強度和流動性等參數，為特種水泥快速修補材料在遠距離調水工程中的應用前景提供理論依據。

1 試驗設計

1.1 材料配比

本次試驗用的水泥材料主要是早強硅酸鹽水泥和一些輔助類材料(含鐵、鋁和硅的原料)、黏土以及外加劑(礦化劑和耐磨劑)，它們的比例分別為80%、5%、10%和5%。早強硅酸鹽水泥和黏土的主要成分見表1。

表1 早強硅酸鹽水泥和黏土主要成分

1.2 試驗設計

本次試驗所用的攪拌機為手持式電動攪拌機，首先將原材料倒入攪拌桶混合4min，隨后向桶中倒入25℃左右的水，繼續攪拌4min，從而獲得了具有流動性質的基材。在此基礎上，向桶中緩慢加入黏土，加入時間控制在5min左右，加入完成過后，繼續攪拌4min。攪拌中的復合早強硅酸鹽水泥如圖1所示。

圖1 復合早強硅酸鹽水泥攪拌圖

首先，在攪拌完成后，對復合早強硅酸鹽水泥的凝結時間和流動性進行了測試；其次，為了研究水膠比對復合早強硅酸鹽水泥強度的影響，將攪拌好的不同水膠比復合早強硅酸鹽水泥澆筑到15cm×15cm×15cm模具中，澆筑完成12h后脫模，養護3d和28d后進行3d和28d抗壓強度試驗。最后，對比研究了復合早強硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥在不同齡期下的抗壓強度和凝結強度隨時間的變化規律。

2 試驗結果分析

2.1 水膠比影響分析

復合早強型硅酸鹽水泥水膠比對其流動性和強度等影響較為顯著，為了得出最佳的水膠比，研究不同水膠比復合早強型硅酸鹽水泥試樣在3d和28d的抗壓強度，結果如圖2所示。從圖中可以看出，相同水膠比下，試樣在28d時的強度明顯高于在3d時的強度；在相同齡期下，試樣的強度隨著水膠比的增大而降低，且幾乎成線性的趨勢；隨著水膠比的增大，第28d較第3d的強度增長率有所下降。當水膠比為0.18時，第3d和第28d的強度分別為53MPa和76MPa，即第3d時強度約為第28d時強度的70%；當水膠比為0.39時，第3d和第28d的強度分別為31MPa和47MPa，即第3d時強度約為第28d時強度的65%。以上分析說明水灰比對早強硅酸鹽水泥的抗壓強度影響較為顯著。

圖2 不同水膠比及齡期的試樣抗壓強度曲線

2.2 凝結時間與流動性分析

復合早強型硅酸鹽水泥凝結時間與流動性對其注漿修補時的影響較大，因此研究了不同水膠比下復合早強型硅酸鹽水泥凝結時間與流動特性，結果如圖3所示。從圖中可以看出，隨著水膠比的增大，水泥的流動性和凝結時間均明顯增大，且凝結時間能控制在20min以內，根據以往的研究可知[10]，當水膠比大于0.35時，普通硅酸鹽水泥的凝結時間在100min以上，流動性也在100mm左右。因此，與普通硅酸鹽水泥相比，復合早強型硅酸鹽水泥在具備更加良好的流動性條件時，還能具備快速凝結的優勢，對于其在水利工程中進行修補使用具有良好的保障。

圖3 不同水膠比的復合早強型硅酸鹽水泥凝結時間與流動性

2.3 齡期對強度影響分析

水泥材料的抗壓強度和凝結強度指標對其在水利工程中的應用具有重要的參考價值，通過對比分析復合型早強硅酸鹽和普通硅酸鹽水泥的抗壓強度和凝結力，試驗結果如圖4所示。

從圖4(a)中可以看出，在28d的齡期內，2種水泥材料的抗壓強度均隨著齡期的增加逐漸增大，且均表現為前面齡期時強度增加快，后面表現很平穩，幾乎不增長。但是復合早強型硅酸鹽水泥抗壓強度增長主要發生在前7d，而普通硅酸鹽水泥抗壓強度增長主要發生在前22d，即復合早強型硅酸鹽水泥前期強度增長快，但是到達28d過后，兩者的強度相差很小，早期復合早強型硅酸鹽水泥抗壓強度較普通硅酸鹽水泥高35MPa左右，而到達28d后，兩者的抗壓強度只相差了5MPa左右，說明復合早強型硅酸鹽水泥較普通硅酸鹽水泥具有早強的特性。

圖4 2種水泥抗壓強度和凝結強度與齡期的關系曲線

從圖4(b)中可以看出，在28d的齡期內，2種水泥材料的凝結強度均隨著齡期的增加逐漸增大，與抗壓強度相似，復合早強型硅酸鹽水泥凝結強度增長主要發生在前10d，而普通硅酸鹽水泥抗壓強度增長主要發生在前24d，即前者水泥材料凝結強度增長較快。在相同齡期下，復合型早強硅酸鹽水泥比普通的硅酸鹽水泥凝結強度更高，且前期兩者的凝結強度差距較大，后期有所降低，說明復合早強型硅酸鹽水泥更加適合作為修補材料使用。

綜合上述分析可知，水膠比對復合早強型硅酸鹽水泥的強度、流動性和凝結時間等均具有較大的影響，現場應用時可根據實際情況進行水膠比的選取；對比分析復合早強型硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥可知，復合早強型硅酸鹽水泥具有更優異的流動性和凝結強度，且還具有速凝早強的特點，因此更加適合作為水利工程修補材料使用。

3 結論

通過對比分析復合早強型硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥相關特性，根據試驗結果得出如下結論。

(1)水膠比對復合早強型硅酸鹽水泥的強度、流動性和凝結時間等均具有較大的影響，現場應用時可根據實際情況進行水膠比的選取。

(2)對比分析復合早強型硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥可知，復合早強型硅酸鹽水泥具有更優異的流動性和凝結強度，且還具有速凝早強的特點，因此更加適合作為水利工程修補材料使用。