軌道修補用高性能硫鋁酸鹽基快速修補材料研究

張廣興

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

0 引 言

高鐵現已成為當代中國重要的一類交通基礎設施，然而高速鐵路專用的無砟軌道底座板在北方地區因施工、服役過程中日益突出的局部損傷問題，給高鐵的營運帶來安全隱患，對其缺陷快速修補是當前迫切需要解決的難題。當前國內外研發的混凝土修補材料按其化學組分分為有機和無機兩類材料：有機修補材料主要以環氧類樹脂、環氧類砂漿、高聚合物或者無機加有機的聚合物組分[1-5]，此類材料化學穩定性好、機械強度高、可操作性施工性強，但固化的有機組分韌性較差，抗凍、抗沖擊性較差[6-7]；無機類修補材料眾多，諸如各品種硅酸鹽水泥，但其收縮大，易開裂，限制了其推廣應用；磷酸鎂水泥相繼被國內外學者提出，但其水化、凝結硬化速度快，加緩凝劑后強度顯著降低，也限制了施工現場應用[8-10]。

在無機膠凝材料中硫鋁酸鹽水泥鹽生產過程中CO2排放量低、可實現負溫硬化、微膨脹、堿度低抗酸堿腐蝕性能好、強度和凝結時間可控，在重要工程中得到廣泛應用，但其后期強度容易倒縮且作為修補材料時與混凝土斷面之間的黏結力相對弱，也有一定的局限性。針對CRTSⅢ型無砟軌道板在北方地區施工過程中出現的破損與缺陷問題，本文依據GB 50728—2011《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》中結構加固用聚合物改性砂漿的技術要求加固材料的流動性不能太高，否則修補和加固效果較差。以快硬硫鋁酸鹽水泥為基材，通過調整硅灰、膠粉、偏高嶺土的摻量，來研究一種高黏結力和抑制后期強度倒縮的改性加固砂漿修補材料，通過測試其抗壓強度、黏結強度、抗凍性能、磨耗性能的變化規律，旨在得出最佳改性砂漿配比，以期對工程應用的重要指導意義。

1 試 驗

1.1 原材料以及配合比

水泥：金隅水泥有限公司生產的42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；粉煤灰：河南裕東發電廠生產的FⅡ級灰；硅灰：山東博肯材料公司生產，SiO2≥90%，平均粒徑 0.1～0.15 μm；砂：六安金寨提供的中砂，洗凈，選取粒徑為0.63～1.18 mm；膠粉：市場購得821專用膠粉；偏高嶺土：濟南瑞盛祥化工有限公司提供。底座板設計強度為C40，確定修補材料的配合比如表1所示。

表1 高性能無機快速修補材料配合比

1.2 試驗方法

1） 強度測試：抗壓強度參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》測試，抗壓強度試驗采用WED-300型電子式萬能試驗機測試；

2） 抗凍性能依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試；

3） 黏結性測試：以 P·O 42.5R級水泥制作出水泥砂漿基塊（40 mm×40 mm×160 mm），放置28 d以上使其變形達到穩定狀態，用砂輪切割機從中間平均分成兩半，確保切割面垂直平整，用水洗去表面粉塵后擦干，重新放入三聯模內，留出另一半以澆筑待測砂漿，成型1 d后拆模，將整個試件放入標準養護箱中養護至28 d，依據GB/T 50081—2019測定其連接位置的黏結強度；

4） 耐磨性測試：依據JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，計算公式如下：

G=（m1-m2）/0.012 5

式中：G——單位面積的磨損量，kg /m2；

m1——試件初始質量，kg；

m2——試件磨損后的質量，kg；

0.012 5——試件磨損面積，m2。

5） X-CT測試：CT機為德國產的YXLON微焦點計算機斷層掃面系統，采用平板探測器具有較高的動態監測范圍，試驗中采用直徑40 mm、高約為40 mm的圓柱體試件進行掃描，分辨率以體積像素計算。

2 試驗結果與分析

2.1 硅灰摻量對修補材料性能影響

2.1.1 硅灰摻量對強度變化規律

確定不同硅灰摻量下修補砂漿組分的配合比為：硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.008∶0.06，硅灰的摻量分別為0、2%、4%、6%、8%。不同硅灰摻量下硬化砂漿體抗壓強度、黏結強度變化規律如圖1所示。從圖1中可以得出：硬化體的強度變化呈現先增大后減小變化，當硅灰摻量為6%時，抗壓強度和黏結強度均達到峰值，稍后隨摻量的增大而減小；硅灰摻量為硫鋁酸鹽質量的2%、4%、6%、8%的硬化體抗壓強度分別為摻量為0的104.59%、111.13%、113.10%、107.20%，黏結強度分別為104.76%、138.09%、147.61%、126.19%。綜合抗壓強度、黏結強度規律發展規律，硅灰的摻量適宜控制在4%～6%。

圖1 不同硅灰摻量下硬化砂漿強度變化規律

本研究所采用硅灰，其平均粒徑為0.1～0.15 μm之間，該粒徑下SiO2具有較高的活性，用于水泥膠凝材料中，可以提高硬化基體強度，其主要原因如下：硫鋁酸鹽水泥水化生成CAH10、C2AH8六方晶系，微觀結構下呈針狀或片狀，相互膠結，重疊結合，形成堅硬的結晶結合體，使水泥獲得較高的機械強度，活性SiO2進一步與硫鋁酸鹽水泥中的C2S以及石灰石在溶液中生成填充性良好的C-S-H凝膠[11-12]；硅灰微集料填充作用，增強膠凝基體的勻質性和穩定性。硅灰因其粒徑較小極易發生團聚的作用，當摻入量過大時會增大修補砂漿粘度，降低膠凝基體的勻質性，從而降低強度。

2.1.2 硅灰摻量對抗凍性能影響

不同硅灰摻量下修補砂漿試件進行150次凍融循環，其凍融循環質量損失結果如圖2所示，對比不同硅灰摻量下質量損失率，從圖2可以看出，質量損失率呈現先減小后增大趨勢，硅灰摻量為6%時，質量損失率最小，硅灰摻量為2%、4%、6%、8%的硬化體凍融循環質量損失率分別為摻量為0的91.06%、86.03%、73.18%、88.55%。

圖2 不同硅灰摻量下硬化砂漿凍融循環質量損失率

2.1.3 硅灰摻量對耐磨性能影響

修補材料在服役過程中面臨耐磨和沖刷雙重腐蝕，開展耐磨性相關試驗極其重要。依據JTG E30—2005試驗方法，對不同硅灰摻量下硬化砂體磨耗量結果如圖3所示，隨著硅灰摻量的增加其磨耗率呈現先減小后增大趨勢，其中摻量為6%時，磨損量達到最低值，不同硅灰摻量（2%、4%、6%、8%）硬化體的磨耗量分別較空白組為91.30%、78.26%、60.87%、82.61%。

圖3 不同硅灰摻量下硬化砂漿磨耗量

綜合不同硅灰摻量下硬化體強度發展規律、凍融循環質量損失率、磨耗量結果可知，硅灰摻量在4%～6%時性能效果良好。硬化體的強度性能與抗凍性和耐磨性均呈反向發展規律，強度較高其水化生成的水化產物較多，微結構顯示（見2.4和2.5部分）其水化產物相互堆積密實度也較高，抵抗凍融循環作用下的受流水剝蝕沖刷能力越強。

2.2 膠粉摻量對修補材料性能影響

2.2.1 膠粉摻量對強度變化規律

確定不同膠粉摻量修補砂漿組分的配合比為：硫鋁酸鹽水泥：粉煤灰∶砂∶硅灰∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.06，膠粉摻量分別為硫鋁酸鹽質量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。不同膠粉摻量下修補砂漿硬化體強度變化規律如圖4所示，綜合抗壓強度和黏結強度發展規律可得，膠粉摻量在0.8%時強度達到最大值，低于0.8%時隨著膠粉摻量增加強度而增加，高于0.8%時隨著摻量的增大而減小，不同膠粉摻量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）硬化體抗壓強度略有提高，為空白組（摻量為0） 的102.18%、103.27%、106.11%、108.95%、105.24%，黏結強度為空白組的104.76%、107.14%、109.52%、119.05%、109.47%，與其抗壓強度相比，黏結強度提高幅度較大。綜合抗壓強度、黏結強度規律發展膠粉摻量適宜控制在0.6%～0.8%。

圖4 不同膠粉摻量下硬化砂漿強度變化規律

混凝土強度略有提高主要原因為膠粉的摻入。膠粉具有一定的減水效應，其表面的活性成分起到了引氣的效果，同時膠粉顆粒之間具有潤滑作用，修補砂漿組分在引氣和潤滑雙重作用下流動性顯著提高，即修補砂漿的勻質性得以提高，使其強度增加。摻加膠粉，即引入聚合物，聚合物的內聚力會在修補砂漿組分之間產生鉚接和橋接，當完成修補的硬化體再次發生破壞時，吸收來自于斷裂擴展能量[13]，從而阻止微裂紋的擴展，提高硬化體的黏結強度。

2.2.2 膠粉摻量對抗凍性影響

不同膠粉摻量下硬化體凍融循環質量損失率結果如圖5所示，從圖5中可以看出，膠粉摻量在0.8%時質量損失率最小，低于0.8%時隨著膠粉摻量增加質量損失率而逐漸減小，高于0.8%時隨著摻量的增大而增大，不同膠粉摻量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）下修補砂漿硬化體質量損失率分別是空白組93.85%、89.66%、86.03%、79.61%、86.59%。

圖5 不同膠粉摻量下硬化砂漿凍融質量損失率

2.2.3 膠粉摻量對耐磨性影響

不同膠粉摻量下硬化體磨耗量變化規律如圖6所示，也表明膠粉摻量在0.8%時磨耗量最小，摻量低于0.8%時隨著膠粉摻量增加磨耗量而逐漸減小，高于0.8%時隨著摻量的增大而增大，不同膠粉摻量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）下修補砂漿硬化體質量損失率分別是空白組95.65%、91.30%、86.96%、82.61%、89.13%。

圖6 不同膠粉摻量下硬化砂漿磨耗量

2.3 偏高嶺土摻量對修補材料性能影響

2.3.1 不同偏高嶺土摻量下強度變化規律

確定不同偏高嶺土摻量下修補砂漿組分的配合比為：硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008，偏高嶺土摻量分別為硫鋁酸鹽質量的0、2%、4%、6%、8%、10%。不同偏高嶺土摻量下硬化體抗壓和黏結強度變化規律如圖7所示，從圖中可以看出，隨著偏高嶺土摻量的增加，強度呈現先增長后降低趨勢，峰值點摻量為8%，不同偏高嶺土摻量（2%、4%、6%、8%、10%）下硬化體強度分別是空白組（摻量0）的105.02%、108.08%、112.88%、116.16%、111.35%，黏結強度分別為空白組的104.77%、116.67%、123.81%、161.90%、121.43%。

圖7 不同偏高嶺土摻量下硬化砂漿強度變化規律

本研究所用偏高嶺土是經高嶺土600 ℃煅燒而得，經煅燒而得偏高嶺土分子排布不規則，呈現熱力學介穩狀態，且其內部有大量的活性SiO2和Al2O3，硫鋁酸鹽水泥中C2S和石灰石水化下激發下具有膠凝性，生成鋁硅酸鹽網絡狀結構和C-S-H凝膠，再加上無水硫鋁酸鈣反應，整個體系的水化產物以離子鍵和共價鍵為主、范德華鍵為輔，因而具有更優越的性能，從而增加水泥混凝土的密實性，大幅度地改善混凝土的強度[14]。活性較低未參與水化反應的偏高嶺土因其粒徑小，具有良好的填充性。但隨著摻量的增大，強度開始出現倒縮現象，主要是由于偏高嶺土粉末粒徑較小需水量相對較大，且在拌和過程總顆粒極易帶電發生團聚現象，造成修補砂漿流動性降低，凝結硬化后試件的勻質性降低，同一試件強度波動較大。

2.3.2 不同偏高嶺土摻量下抗凍性能影響

不同偏高嶺土摻量下，硬化體凍融循環質量損失率發展結果如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著偏高嶺土摻量的增加，硬化體凍融循環質量損失率呈先減少后增加，即摻量低于8%時，摻量增大質量損失率逐漸減小，超出8%時，摻量增大質量損失率亦增大，不同偏高嶺土摻量（2%、4%、6%、8%、10%）下硬化體凍融循環質量損失率較空白組（摻量為0）為88.27%、81.84%、78.21%、69.27%、83.24%，基于此可得偏高嶺土適合的摻量為6%～8%。

圖8 不同偏高嶺土摻量下硬化砂漿凍融質量損失率

2.3.3 不同偏高嶺土摻量下耐磨性能影響

不同偏高嶺土摻量下硬化體磨耗量發展情況如圖9所示。偏高嶺土摻量的增加，磨耗量發展呈先減小后增大趨勢，摻量在8%時，磨耗量達到最小值，即此摻量下修補砂漿試件強度最高，性能最優，不同偏高嶺土摻量（2%、4%、6%、8%、10%）下硬化體磨耗量較空白組為 89.13%、78.26%、65.22%、56.52%、69.56%，因此偏高嶺土的摻量在6%～8%最佳。

圖9 不同偏高嶺土摻量下硬化砂漿磨耗量

2.4 SEM分析

上述研究可得高性能無機快速修補料的最佳配合比為：硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008∶0.08，基于此展開，最佳配合比齡期28天時，硬化體的SEM結果如圖10所示。從圖10（a）中硬化體微結構水化結晶相排布較為密實，其水化結晶相呈現六方片狀分布（圖10（b）為圖10（a）的局部放大結果圖），主要是硫鋁酸鹽水泥水化生成的產物，片狀結構相互膠結、重疊形成大尺寸結晶結合體，進一步促進強度的發展；偏高嶺土中活性SiO2和Al2O3以及硅灰成分中SiO2微集料的存在加劇了硫鋁酸鹽水泥基體的水化反應，相互膠結的結晶相緊密排布提高了微結構斷面的致密程度[15]。

圖10 最佳配比下高性能無機快速修補料的SEM譜圖

2.5 X-CT分析

X-CT分析旨在探究硬化體材料的體積與缺陷體積的占比情況，即孔隙率=缺陷體積/材料體積，最佳配比下高性能無機快速修補料的三維結構掃描圖如圖11所示。由圖11知空白組（硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂=1∶0.1∶1，未摻加硅灰、膠粉、偏高嶺土）的材料體積為 7 197.440 92 mm3，缺陷體積為1 383.666 50 mm3，孔隙率為 16.12 %，最佳配合比（硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008∶0.08）材料體積為 9 677.614 26 mm3，缺陷體積為 380.779 42 mm3，孔隙率為 3.79 %。最佳配合比下的孔隙率低于空白組，即最佳配合比內部材料體積的缺陷率低于空白組，與上述微觀電鏡下分析結論、強度發展結論相一致。

圖11 最佳配比下高性能無機快速修補料的三維結構掃描圖

2.6 工程應用

基于所研制的無機快速修補料中硅灰、膠粉、偏高嶺土最佳摻量分別為硫鋁酸鹽質量的6%、0.8%、8%，其配合比為硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008∶0.08，將此配合比應用于修補現場。修補使用工具：高壓噴槍、小型攪拌機、抹刀、小型打磨機；修補過程：先將混凝土破損部位剔除，用鋼刷除去軟弱顆粒，用高壓水槍沖刷界面漏出新鮮混凝土；按照高強配比均勻混合材料，加水至拌和均勻為止，最后將修補料均勻填充于混凝土缺陷部位，同時預留150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件，修補部位及試件的養護均保持與軌道板養護條件相同，即用薄膜覆蓋養護的方法，便于同條件檢測現場實際強度；對于混凝土結構破損較大的部位，采用木模板固定，凝結硬化1 h后拆除木模板，待修補料凝結硬化6 h后找平與原有混凝土結構的平整度。圖12為修補前拉崩部位，圖13為修補后打磨效果，底座板設計強度等級為C40，修補材料齡期28 d后試件抗壓強度可達53.0 MPa，滿足高性能修補料的技術要求。修補后的養護條件與原軌道板養護條件一致。

圖12 修補前拉崩部位

圖13 修補后打磨效果

3 結束語

高鐵軌道施工以及后期服役過程中不可避免帶來底座板缺陷問題。北方地區溫度和濕度相對低，需開發相應環境下的新型高性能無機快速修補料，基于此以硫鋁酸鹽水泥為基材適宜。在硫鋁酸鹽水泥中摻入硅灰、膠粉和偏高嶺土分別是其質量的6%、0.8%和8%時所制備的修補砂漿，強度最大且凍融循環的質量損失率、磨耗量均最低；并借助SEM和X-CT水化產物微觀形貌分析證實，最佳配合比下的硬化體的水化結晶相尺寸較小、缺陷較小，微結構整體更加致密；通過修補工藝和修補材料工程應用，進一步證明該材料修補效果良好。