瀝青膠粉材料在碼頭維修工程應用技術研究

黃云峰

（渤海石油航務建筑工程有限責任公司，天津 300452）

建國以來，我國港口工程發(fā)生了巨大的變化，目前我國從解放初期僅有的6 個較大港口，160 多個泊位，發(fā)展到現(xiàn)在1400 多個港口4500 多個泊位[1]。但其中一大部分碼頭屬于20 世紀80 年代建設，由于環(huán)境的影響或是使用不當，大多數(shù)鋼筋混凝土構件均未達到設計使用壽命年限，便出現(xiàn)混凝土脫離等現(xiàn)象，特別是碼頭構件長期在海洋環(huán)境下的混凝土結構的腐蝕現(xiàn)象更是十分嚴重，根據(jù)港口工程行業(yè)相關規(guī)范需要對此類碼頭破損的混凝土構件進行維修。

其中一種維修方式為聚合物砂漿（混凝土）斷面修補工藝，聚合物水泥砂漿是通過向水泥砂漿中摻入聚合物乳液（如改性環(huán)氧樹脂乳液、丙烯酸乳液或其他改性聚合物乳液）而制成的一種有機-無機復合材料，具有彈模低、抗拉強度高、與老混凝土粘結強度高、耐腐蝕性能好等特點，適用于惡劣環(huán)境條件下混凝土結構表層修補。其中瀝青改性膠粉作為一種新型材料是由瀝青經(jīng)過物理、化學改性，利用噴霧干燥技術制得的可再分散瀝青粉末，它在常溫下遇水可迅速分散還原成改性乳化瀝青，是良好的水性分散體，并可以與水泥按任意比例混合，在水泥水化過程中形成無機-有機復合體，從而使得硬化后的砂漿體系具有防水、防腐等功能，能夠較好地應用于混凝土構件的修補工作中，對延長工程使用年限，確保生產(chǎn)作業(yè)安全有著重要意義[2-3]。本文從凝結時間、力學性能、粘結性能、抗氯離子滲透性能幾個方面對砂漿綜合性能進行試驗研究。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

試驗用的瀝青膠粉為瀝青膠粉KYL70，用的粉末狀減水劑和消泡劑分別為聚羧酸類減水劑325C 和有機硅類消泡劑P801。

表1 瀝青膠粉試驗原材料主要性能指標

1.2 試驗方案

試驗溫度為20℃，選定灰砂比1：1.5，水灰比0.4，為研究不同瀝青膠粉摻量的砂漿性能，選擇五種瀝青膠粉含量，分別為0%、2%、3%、4%、6%，其中0%摻量瀝青膠粉組為基準砂漿，作為試驗對照組。為控制砂漿含氣量保持一致，利用聚羧酸減水劑325c 和有機硅消泡劑P801 控制砂漿流動度，同時控制砂漿濕容重。在這種條件對比不同砂漿的綜合性能。

2 不同瀝青膠粉摻量聚合物砂漿的性能研究

2.1 凝結時間

針對空白砂漿和四種不同瀝青膠粉含量的改性砂漿的終凝時間進行了相關研究，表2 為不同瀝青膠粉摻量聚合物砂漿凝結時間，經(jīng)試驗加入瀝青膠粉后的改性砂漿凝結時間要比空白砂漿長，且隨著砂漿中瀝青膠粉含量增多，凝結時間也隨之增加，即聚合物的混入會造成水泥的緩凝，初凝和終凝時間與聚灰比曲線趨勢基本相同。瀝青膠粉含量為6%的砂漿初凝和終凝時間分別為空白砂漿的190.9%和176.4%。

表2 不同瀝青膠粉摻量聚合物砂漿凝結時間

2.2 力學性能

本文主要從抗壓強度、抗折強度、抗拉強度和壓折比四個方面對瀝青膠粉改性砂漿的力學性能進行分析，表3 為不同瀝青膠粉含量砂漿的力學性能試驗數(shù)據(jù)。

表3 對力學性能的影響

2.2.1 抗壓強度

空白砂漿的抗壓強度最大，隨著砂漿中瀝青膠粉含量增加，其抗壓強度也隨之下降，砂漿澆筑7d 與28 的抗壓強度呈現(xiàn)相同趨勢，瀝青膠粉含量為6%的砂漿7d的抗壓強度為空白砂漿的57.1%，由于聚合物導致砂漿硬化后內(nèi)部空隙較多，另一方面隨著瀝青膠粉聚集程度提高，包裹水泥顆粒與細骨料的瀝青膜厚度增大，水泥的水化產(chǎn)物無法穿過瀝青膜生長，未能相互搭接形成連續(xù)的支撐結構。此時硬化復合漿體的骨架結構是由裹附在水泥顆粒及砂表面的瀝青膜構成，這種骨架結構較為疏松，從而導致強度降低。

2.2.2 抗折強度

隨著砂漿中瀝青膠粉含量增加，其抗折強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在瀝青膠粉摻量在3%KYL70 時，抗折強度最大，達到10.5Mpa，強度提升8.24%。由于在加入少量瀝青膠粉后，硬而脆的水泥砂漿得到改性，柔韌性增加；隨著摻量增大即大于4%時，大量的瀝青膠粉導致水泥水化不完善，未能相互搭接形成連續(xù)的支撐結構，導致抗折強度降低。

2.2.3 抗拉強度

不同瀝青膠粉含量砂漿抗拉強度呈現(xiàn)趨勢與抗折強度趨勢基本相同，隨著砂漿中瀝青膠粉含量增加，其抗拉強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在瀝青膠粉含量在3%時，抗拉強度最大為4.3Mpa，性能提升30.3%。摻入瀝青膠粉后，聚合物成膜與水泥水化產(chǎn)生的結構凝膠在砂漿內(nèi)部形成互穿網(wǎng)絡結構，從而提升砂漿內(nèi)聚強度，瀝青膠粉摻量過多后影響水化產(chǎn)物產(chǎn)生，導致砂漿骨架結構無法較好連接影響抗拉強度。

2.3 粘結性能

在研究砂漿粘結性能時，將普通砂漿成型時在砂漿試件中間用馬口鐵片隔斷成兩半，24h 拆模，干養(yǎng)護至28d，然后將砂漿截面打毛，在水中浸泡6h，取出后擦干表面，放入試模一邊，另一半用聚合物砂漿澆筑填滿，24h 后拆模。繼續(xù)養(yǎng)護至28d，測其抗折強度，用以表征新舊材料之間的粘結強度。表4 為瀝青膠粉改性砂漿粘結性能數(shù)據(jù)。

表4 瀝青膠粉改性砂漿粘結性能數(shù)據(jù)

表5 不同瀝青膠粉含量砂漿的抗Cl-滲透能力

粘結性能是修補材料一個關鍵指標，粘結界面是新老界面最薄弱、最易發(fā)生破壞的地方。

粘接強度和抗拉強度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在瀝青膠粉摻量達到4%時，粘結強度可達到2.45MPa，性能提升明顯，達到642.4%，抗拉強度達到4.17Mpa，性能提升96.7%，隨摻量繼續(xù)增加，粘結強度和抗拉強度均開始降低，這是由于在聚灰比過大時，瀝青膠粉砂漿中聚合物逐漸成為主要骨架，水泥水化產(chǎn)物所占比例降低。

2.4 抗氯離子滲透性能

混凝土的抗Cl-滲透性是表征混凝土耐久性的關鍵指標。氯鹽侵蝕導致鋼筋銹蝕，進而引發(fā)鋼筋混凝土的耐久性破壞，尤其是在海洋環(huán)境中，這種侵蝕更為嚴重。因此，可借助混凝土的實驗方法表征聚合物砂漿的抗Cl-滲透性能。本實驗主要是采用電通量法、快速Cl-遷移系數(shù)法（RCM 法）和鹽水自然浸漬后Cl-滲透深度法測試表征聚合物砂漿的抗Cl-滲透能力。

試件長、寬、高均為100mm，試驗所用NaCl 溶液質(zhì)量濃度為3%，鹽水自然浸漬后Cl-滲透深度：3%NaCl溶液浸漬28d 后，從Cl-滲透深度可以看出，瀝青膠粉改性砂漿鹽水浸漬后Cl-滲透深度較低，空白砂漿可達到15mm，而對于瀝青膠粉聚合物砂漿滲透深度隨著瀝青膠粉摻量增加而降低，在瀝青膠粉摻量為6%時僅滲透了4mm，滲透深度降低73.3%；隨瀝青膠粉含量增加，電通量和擴散系數(shù)均隨之減小。

綜合以上數(shù)據(jù)分析，瀝青膠粉改性砂漿明顯改善了砂漿的抗Cl-滲透性能，從而瀝青膠粉砂漿用于混凝土修補，提高了混凝土Cl-侵入混凝土的概率，可以有效防止因鋼筋銹蝕對混凝土結構造成的破壞。

3 結論

本文從砂漿凝結時間、力學性能、粘結性能、抗Cl-滲透性能以及耐腐蝕性5 個方面研究瀝青膠粉砂漿的綜合性能，主要得出以下結論：

（1）瀝青膠粉能夠造成砂漿緩凝，隨著砂漿中瀝青膠粉含量增多，凝結時間也隨之增加；

（2）瀝青膠粉會導致砂漿內(nèi)部空隙增多，并隨含量增加，瀝青膠粉在砂漿內(nèi)部聚集度較高，影響水泥水化產(chǎn)物生長，改變砂漿內(nèi)部支撐結構，因此其抗壓強度隨瀝青膠粉含量增加而減小，瀝青膠粉含量為6%的砂漿7d 的抗壓強度為空白砂漿的57.1%；

（3）加入少量瀝青膠粉會使得水泥砂漿得到改性，增加其柔韌性，在瀝青膠粉含量在3%時，抗折強度、抗拉強度分別提升8.24%，30.3%，隨瀝青膠粉含量增加到定值后大量的瀝青膠粉阻礙水泥水化反應，砂漿顆粒無法相互搭接形成連續(xù)的支撐結構，導致相應性能隨之降低；

（4）瀝青膠粉改性砂漿明顯改善了砂漿的抗Cl-滲透性能和耐腐蝕性能，能夠較好地減少粉化、掉砂等現(xiàn)象，相較于空白砂漿，瀝青膠粉含量為6%時，Cl-滲透深度降低73.3%。

（5）通過上述實驗的驗證分析，瀝青膠粉改性水泥砂漿具有優(yōu)異的粘結性能、防水性能、抵抗硫酸鹽、氯離子腐蝕的性能。通過砂漿配合比的調(diào)整和優(yōu)化，瀝青膠粉可達到碼頭工程維修的相關標準和規(guī)范要求，具備應用前景。