改性水泥基修復材料界面粘接力及性能分析研究

顏范富

摘 要： 為減輕建筑維修加固成本、增強水泥基材料的修復性能，試驗在硫鋁酸鹽水泥基材料中分別加入不同摻量的萘系高效減水劑（BNS）和聚羧酸高效減水劑（PC），并對材料修復性能進行研究。結果表明：BNS和PC均對硫鋁酸鹽水泥基材料的凝結時間有延緩作用，但PC的延緩效果低于BNS；當摻入PC時，材料流動度的經時損失較大，材料早期抗壓強度降低；當摻入0.24%PC時，材料在2 h的早期抗壓強度降幅為76.4%。當摻入BNS時，材料早期抗壓強度增加，當摻入2.4%BNS時， 材料在2 h、1 d的早期抗壓強度增幅分別為51.6%、31.5%。摻入BNS或PC會促進材料中鈣礬石生成，而摻量的變化對鈣礬石生成量的影響較小。

關鍵詞： 硫鋁酸鹽水泥；高效減水劑；修復材料；凝結時間；抗壓強度

中圖分類號： TQ172.74+9.1

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0091-04

Study on surface adhension and performance analysis of modified ce

ment based repairment material

YAN Fanfu

（Fushun Highway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Fushun 113001，Liaoning China）

Abstract：

In order to reduce the cost of building maintenance and reinforcement and enhance the repair performance of cement-based materials，naphthalene based superplasticizer （BNS） and polycarboxylic acid superplasticizer （PC） with different dosage were added into the sulphoaluminate mud based materials，and the repair performance of the materials was studied.The test results showed that both BNS and PC had a retarding effect on the setting time of sulphoaluminate mud based materials，but the retarding effect of PCwas lower than that of BNS; When PC was added，the time loss of material fluidity was large，and the early compressive strength of the material decreased.When 0.24wt% PC was added，the early compressive strength of the material decreased by 76.4% after 2 hours; When BNS was added，the early compressive strength of the material increased.When 2.4wt% BNS was added，the early compressive strength of the material increases by 51.6% and 31.5% at 2 hours and 1 day，respectively; The addition of BNS or PC would promote the formation of ettringite in the material，while the change of the amount of addition had little effect on the formation of ettringite.

Key words： sulphoaluminate cement;high-efficiency water reducing agent;setting time;compressive strength

受到荷載作用、外界環境變化等因素的影響，水泥混凝土建筑材料的結構易損壞。因此，建筑維修加固的成本增加。而采用修復材料對受損建筑進行修復，可以大大降低建筑維修加固成本，提高建筑利用率[1]。因此，關于水泥基修復材料性能的研究成為建筑等領域發展的一個重點。對此，許多學者進行了研究。以不同的膨脹劑摻量和不同碳纖維摻量，制備了一種水泥基修復材料，并研究其性能。試驗結果表明，在增強修復材料的界面粘接性能方面，膨脹劑可以提高至少10%，而碳纖維可以提高15%以上[2]。通過雙摻硅灰、偏高嶺土等礦物，研究水泥基材料的自修復性能。試驗結果表明，當摻入生石灰和偏高嶺土時，材料的自修復性能效果最佳[3]。除此之外，利用乳化瀝青和水性環氧樹脂，制備了一種高早強水泥修復材料，并對其性能進行研究。試驗結果表明，摻入適量的水性環氧樹脂，可以增強材料的后期強度，延緩凝結時間，增加材料的致密性[4]。基于此，為增強水泥基修復材料的早期強度、控制其工作性能，試驗以不同摻量的萘系高效減水劑（BNS）和聚羧酸高效減水劑（PC），制備硫鋁酸鹽水泥基材料，并研究材料的性能。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：硫鋁酸鹽水泥（工業級），靈壽縣遠通礦產；萘系高效減水劑（AR），濟南道融化工；聚羧酸高效減水劑（AR），佛山市昇暉新材料；標準砂（工業級）， 滄州科宇路業。

主要設備：KHC-C1000g型電子天平（上海凱鴻誠稱重設備）；JJ-5 型攪拌機（河北三壽試驗儀器）；CZ-6005D型維卡儀（揚州昌哲試驗機械）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗機（北京吉泰科儀檢測設備）；LD-TGA101 型熱重分析儀器（北京航天偉創設備）。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計

本試驗主要對BNS和PC這2種高效減水劑進行研究，分析BNS以及PC對硫鋁酸鹽水泥基材料的性能作用效果。本實驗的具體配合比設計如表1所示。

1.2.2 試件的制備

（1）根據表1中的配合比設計，用電子天平分別稱取一定量的硫鋁酸鹽水泥、標準砂和水。先在攪拌機中加入少量的水、硫鋁酸鹽水泥和標準砂，設置攪拌時間為1 min，進行預攪拌處理；

（2）在攪拌機中加入剩下的硫鋁酸鹽水泥、標準砂，以及適量的水，并設置攪拌時間為3 min，使原料充分混合均勻。之后，再向攪拌機中加入剩下的水，并加入不同摻量的BNS或PC高效減水劑，然后攪拌2 min，獲得硫鋁酸鹽水泥基材料砂漿；

（3）將硫鋁酸鹽水泥基材料砂漿倒入試驗測試所需的模具中，然后在振動臺上處理2 min，振實并將攪拌等過程中砂漿內部的氣泡排出；

（4）用抹灰刀將硫鋁酸鹽水泥基材料試件表面多余的漿料抹去。然后用PE塑料膜密封。將試件放置在標準養護室內進行養護，在養護24 h后，脫模。之后繼續養護一定時間，貯存備用。

1.3 性能測試

1.3.1 凝結時間

通過維卡儀對本試驗制備的水泥基材料砂漿進行測試，分析材料的初凝時間以及終凝時間。

1.3.2 流動度

在制備好水泥基材料砂漿后，迅速將砂漿倒入一個高60 mm，上、下口直徑分別是36、60 mm的截錐圓模中，然后將截錐圓模垂直放置在玻璃板上，待砂漿在玻璃板上流動一定時間后，記錄流淌部分相互垂直兩個方向的最大直徑，并取平均值，得到水泥基材料砂漿的流動度[5]。

1.3.3 抗壓強度

通過壓力機對試驗試件進行測試，分析其抗壓強度，其中，試件尺寸為（20×20×20） mm。

1.3.4 熱重分析

通過熱重分析儀對材料進行測試，根據熱重曲線分析水泥基材料中鈣礬石的生成量情況，具體計算公式[6]：

W AFt= M L 0.35 ×100%?（1）

式中： W AFt 為鈣礬石生成量，%； M L 為在50～150 ℃內鈣礬石的質量損失率。

2 結果與分析

2.1 凝結時間

由圖1（a）可知，當在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入的BNS增多時，材料的初凝、終凝時間基本上呈現先增加后逐漸趨于平緩的情況。對于未添加BNS的基準試件，其初凝、終凝時間分別為80、200 min；當在材料中摻入0.8%BNS時，硫鋁酸鹽水泥基材料的凝結時間明顯增加，初凝、終凝分別為107、267 min，分別延緩了33.8%、33.5%；當BNS的添加量為1.6%時，初凝、終凝時間分別增加到152、352 min，與空白基準試件相比，分別延緩了90.0%、76.0%；當BNS的添加量超過1.6%時，硫鋁酸鹽水泥基材料的初凝、終凝時間均基本無變化。這些現象表明，在硫鋁酸鹽水泥基材料添加適量的BNS，可以使凝結時間延長。

從圖1（b）可知，在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入PC，也可以延緩其凝結時間。當摻入的PC達到0.24%時，材料的初凝、終凝時間也達到最大值，分別是149、289 min，與空白基準試件相比，分別延緩了86.3%、44.5%。這表明，在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入BNS和PC，均可延緩凝結時間，并且PC對凝結時間的延緩效果低于BNS。

綜合分析可知，隨著BNS和PC的摻入，硫鋁酸鹽水泥基材料中水泥顆粒的分散性增加。在材料基體中，無水硫鋁酸鈣不斷發生水化反應，生成大量鈣礬石，同時，這些鈣礬石將還未發生水化反應的水泥顆粒包覆，從而抑制了水化反應的進行，導致凝結時間延長[7-8]。然而，當在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入的BNS和PC過多時，凝結時間基本上不再繼續增加。這表明，BNS和PC對凝結時間的延緩效果已經到達臨界值。發生這種現象的原因可能是在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入的高效減水劑含量過高，導致材料中的水化反應快速進行，并生成大量的鈣礬石。然而，材料中的硫鋁酸鹽水泥、水等含量是一定的，因此，高效減水劑對材料凝結時間的延緩效果有一定限度[9-10]。綜上，BNS和PC的摻入，均可延緩硫鋁酸鹽水泥基材料的凝結時間，BNS的延緩效果較好。

2.2 流動度

圖2為在5 min或15 min試驗時間時，不同摻量BNS或PC的硫鋁酸鹽水泥基材料的流動度情況。

由圖2可知，當在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入BNS或PC時，水泥基材料的流動度基本上呈現增加的趨勢。由圖2（a）可知，在5 min測試時間時，對于未摻入BNS或摻入0.8%BNS的硫鋁酸鹽水泥基材料，由于流動度過低，無法測得材料的流動度情況；當硫鋁酸鹽水泥基材料中的BNS摻量達到1.2%時，材料的流動度僅為100 mm；而當BNS摻量繼續增加到1.6%時，材料的流動度上升到185 mm，對比1.2%時，增幅為85.0%；當BNS的摻量達到2.4%時，流動度最高，為230 mm。從圖2（b）中可觀察到，在5 min測試時間時，隨著水泥基材料中的PC摻量從0%增加至0.24%，材料的流動度升高。結合圖2（a）和圖2（b）可知，在試驗時間為15 min時，BNS摻量在1.6%及以上時水泥基材料才具備一定的流動度， 而對于摻入不同摻量的PC的水泥基材料，流動度基本無法測得。這表明，BNS和PC對硫鋁酸鹽水泥基材料流動度的影響差異較大，其中，摻入PC時材料流動度的經時損失最為明顯。

發生以上這些現象的原因是，當硫鋁酸鹽水泥基材料中的BNS或PC添加量增多時，在材料基體中，還未進行水化反應的水泥顆粒表面附著著較多高效減水劑分子，因此，攜帶著大量的負電荷。由于同電荷相互排斥的靜電斥力作用，以及空間位阻作用的增加，水泥顆粒的分散度加大，因此，在宏觀上，水泥基材料的流動度加大[11-12]。但是，在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入PC，會使流動度的經時損失變大。綜上，當在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入1.6%BNS時，材料的流動度效果較好。

2.3 抗壓強度

圖3為在不同齡期下，不同摻量BNS或PC的硫鋁酸鹽水泥基材料抗壓強度。

由圖3（a）可知，隨著BNS摻量的增多，試件在2 h、1 d的早期抗壓強度均呈現升高的趨勢，而在28 d時的抗壓強度無明顯變化。對于未摻入BNS的空白基準試件，其在3、1 h的早期抗壓強度分別為22.5、41.3 MPa；而當BNS摻入達到2.4%時，試件在2 h、1 d的早期抗壓強度分別升至34.1、54.3 MPa，與空白基準試件相比，增幅分別為51.6%、31.5%。這些現象表明，在硫鋁酸鹽水泥基材料摻入BNS，能增加材料的早期抗壓強度。由圖3（b）可知，隨著硫鋁酸鹽水泥基材料中PC摻量從0%增加至0.24%，試件在2 h的早期抗壓強度下降，而在1 d、28 d時的抗壓強度無明顯變化。當在材料中摻入0.08% PC時，試件在2 h的早期抗壓強度為18.1 MPa，這與空白基準試件相比，降幅為19.6%；當PC的摻量增加至0.24%時，試件在2 h的早期抗壓強度下降過大，與空白試件相比，降幅為76.4%。這些現象表明，PC的摻入會降低硫鋁酸鹽水泥基材料的早期抗壓強度。

綜合分析可知，在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入高效減水劑BNS，可以增加材料中水泥顆粒的分散度，從而促進水化反應的發生。因此，在材料基體中生成的水化產物鈣礬石增多，材料整體的抗壓強度增加。而隨著硫鋁酸鹽水泥基材料中PC摻量的增加，材料基體中的鈣礬石的形貌會發生變化，從針棒狀逐漸變為薄片狀、薄層狀，并不斷緊密堆疊，使硫鋁酸鹽水泥基材料基體的內部結構被改變，導致早期抗壓強度下降[13-14]。綜上，BNS的摻入，有利于硫鋁酸鹽水泥基材料的早期抗壓強度增強，而PC的摻入會降低材料的早期抗壓強度。

2.4 熱重分析

根據1.3.4中的測試方法，對各試件進行熱重分析，并計算材料中鈣礬石的生成量，具體結果如圖4所示。

由圖4可知，在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入BNS或PC，可以大幅度增加材料基體中鈣礬石的生成量。當養護時間為2 h時，摻入0.8%BNS以及0.08%PC試件的早期鈣礬石生成量均達到25%及以上，而當摻入2.4%BNS以及0.24%PC時，試件的早期鈣礬石生成量均為33%。同時，當養護時間為28 d時，在不同摻量BNS或PC的試件中，鈣礬石的生成量與空白試件相比明顯增多，但減水劑摻量或種類的不同對鈣礬石生成量的影響較小。這些現象表明，BNS或PC的摻入，均可以促進硫鋁酸鹽水泥基材料中鈣礬石的生成。發生以上這些現象的原因是，在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入高效減水劑BNS或PC，可以促進材料基體中水化反應的進行，從而在養護早期，水泥基材料中便生成大量的水化產物鈣礬石，從而提升強度。 然而，在鈣礬石生成量增加的情況下，PC的摻入會引起硫鋁酸鹽水泥基材料早期強度下降，這主要是因為，PC的加入，會使材料中鈣礬石的成核以及生成的環境改變，從而引起鈣礬石形貌的變化，因此，材料的早期強度受到一定的影響[15]。綜上，在硫鋁酸鹽水泥基材料中摻入BNS或PC，可以增加鈣礬石的生成量，從而引起水泥基修復材料性能的變化。

[HJ1.2mm] ??3 結語

本試驗在硫鋁酸鹽水泥基材料中加入不同摻量的萘系高效減水劑（BNS）或聚羧酸高效減水劑（PC），然后研究BNS與PC對水泥基修復材料性能的作用效果。

（1）BNS和PC均可延緩硫鋁酸鹽水泥基材料的凝結時間，其中，PC的延緩效果低于BNS；

（2）當摻入1.6%BNS時，材料的流動度效果較好。當摻入PC時，材料流動度的經時損失較大；

（3）BNS的摻入，有利于增強材料的早期抗壓強度，而PC的摻入會降低材料的早期抗壓強度；

（4）摻入BNS或PC，均可以增加水泥基材料中鈣礬石的生成量；而BNS或PC摻量的變化對鈣礬石生成量的影響較小。

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