新型超早強磷酸鹽修補材料干縮影響因素研究

摘 要：【目的】研究影響磷酸鹽修補材料干縮的因素。【方法】通過膠砂試驗，研究硼砂摻量、水膠比、粉煤灰摻量、膠砂比、集料種類對磷酸鹽修補材料的干縮率的影響?！窘Y(jié)果】試驗結(jié)果表明，硼砂摻量越大，水膠比越大，膠砂比越大，則膠砂的干燥收縮率也越大；石英砂的膠砂收縮值要比鋼渣小，摻入適量粉煤灰可以減少磷酸鹽修補材料的干縮。【結(jié)論】研究成果可為磷酸鹽修補材料的配合比設計提供依據(jù)和參考。

關鍵詞：磷酸鹽修補材料；干縮；膠砂；影響因素

中圖分類號：TU528" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）20-0083-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.016

Study on the Influence Factors of Dry Shrinkage of New Ultra-Early Strength Phosphate Repairing Material Mortar

Abstract：[Purposes] This paper studies the influence factors of dry shrinkage phosphate repair materials. [Methods] Through the mortar test， the effects of borax content， water-binder ratio， fly ash content， mortar ratio and aggregate type on the dry shrinkage rate of phosphate repair materials were studied. [Findings] The results showed that the greater the borax content，the greater the ratio of cement to sand，the greater the water-cement ratio， the greater the dry shrinkage of cement sand; the mortar shrinkage value of quartz sand is smaller than that of steel slag， and the addition of appropriate fly ash could reduce the dry shrinkage of phosphate repair materials.[Conclusions] The research results can provide basis and reference for the mix ratio design of phosphate repair materials.

Keywords： phosphate repair material; dry shrinkage; mortar; influence factor

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)在一定的使用年限之后會產(chǎn)生各種病害，需要進行修補加固才能繼續(xù)正常使用。因此，找到一種合適的修補加固材料十分重要。磷酸鹽修補材料是一種新型的膠凝材料，主要由氧化鎂、磷酸鹽及硼砂按一定比例配制而成，具有凝結(jié)時間短、早期強度高、黏結(jié)強度高等優(yōu)良性能，非常適用于高速公路、市政道路、橋梁工程、機場跑道等混凝土結(jié)構(gòu)的快速修補?，F(xiàn)存巨量的混凝土結(jié)構(gòu)建筑物預示著修補加固工程有著巨大的市場需求［1-2］。

干燥收縮是混凝土最為常見的一種變形，也是引起混凝土開裂的主要原因之一?；炷凉こ绦扪a失敗的原因主要有修補材料黏結(jié)強度低、兩種材料的熱膨脹系數(shù)相差很大、修補材料本身的體積不穩(wěn)定（如收縮率過大）等。目前，市場上的磷酸鹽水泥作為一種新型快硬早強修補材料，越來越多地應用于各種混凝土工程修補中，但該膠凝材料用于修補時的干燥收縮等問題仍需要進一步研究。影響干縮性能的因素有很多，主要有配合比、骨料品種及齡期等［3-4］。本研究通過試驗，從硼砂摻量、水膠比、粉煤灰摻量、集料種類等角度探討了它們對磷酸鹽修補材料的干縮率的影響，以期為快速有效地修補混凝土路面提供技術參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

磷酸鹽修補材料干縮試采用的原材料見表1。

1.2 試驗方法

干縮試驗參考水泥膠砂干縮試驗方法，采用25 mm×25 mm×280 mm試塊，用千分尺測量試塊的長度值，干縮率取3條試塊干縮率的平均值，干縮率[St]計算公式為式（1）。

式中：[l0]為試塊初始長度值；[lt]為試塊測試齡期的長度值；[St]為試塊的干縮率。

2 試驗結(jié)果與分析

磷酸鹽修補材料具有凝結(jié)硬化快且凝結(jié)時間可控、早期強度比較高、界面黏結(jié)強度高、耐磨性能好、原料來源廣泛等特點 ，在用于混凝土結(jié)構(gòu)的快速修補加固方面具有無可比擬的優(yōu)越性。作為修補材料，其主要依靠黏結(jié)力與被修補面黏結(jié)成整體，在混凝土結(jié)構(gòu)服役期間，修補材料的收縮會導致拉應力產(chǎn)生，而拉應力正是導致混凝土結(jié)構(gòu)開裂的主要原因之一。只有具有良好的體積穩(wěn)定性，修補材料與舊混凝土之間才可以良好黏結(jié)，不產(chǎn)生裂縫。磷酸鹽修補材料干縮影響試驗主要從硼砂摻量、水膠比、粉煤灰摻量、集料種類等角度進行探討［5-6］。

2.1 硼砂摻量對磷酸鹽修補材料膠砂干縮的影響

由于磷酸鹽修補材料凝結(jié)非?？?，為獲得足夠的可操作時間，必須摻入一定的緩凝劑，常用的緩凝劑主要有硼砂。硼砂不僅能夠有效延長磷酸鹽修補材料的凝結(jié)時間，而且對其體積穩(wěn)定性具有顯著影響。試驗中，P/M為1/5，水膠比為0.11，膠砂比為1/1。硼砂摻量分別為5%、10%和15%時，對磷酸鹽膠砂的干縮影響如圖1所示。

由圖1可知，硼砂摻量會影響膠砂的收縮，硼砂摻量越大，試件的干縮率就越大。硼砂摻量為5%時，90 d的干縮率為1.74×10-4；硼砂摻量為10%時，90 d的干縮率為2.11×10-4；硼砂摻量為15%時，90 d的干縮率為2.24×10-4且早期和后期的干縮率都比較大。硼砂在磷酸鹽修補材料中的緩凝作用只對氧化鎂起作用，對磷酸二氫銨的作用較小。如果硼砂摻量過多，試件中會存在一些未參與反應的過量的硼砂顆粒，由于硼砂晶體表面光滑，強度比較低，與膠凝材料中骨料顆粒之間的黏結(jié)力很小，形成了試件中的薄弱環(huán)節(jié)。當試件受力時，膠結(jié)材料與硼砂接觸面之間產(chǎn)生了集中應力，進一步造成了試件強度的降低和干燥收縮的增大［7］。因此，由試驗結(jié)果可以得出，硼砂摻量對膠砂的收縮有較大影響，摻量不宜過大。

2.2 水膠比對磷酸鹽修補材料膠砂干縮的影響

試驗中，P/M為1/5，硼砂摻量為5%，膠砂比為1/1。水膠比分別為0.16、0.20、0.24時，對磷酸鹽修補材料膠砂收縮的影響如圖2所示。

由圖2可知，水膠比越大，膠砂的干燥收縮率就越大。當齡期為7 d時，水膠比為0.24的膠砂收縮值為1.46×10-4：水膠比為0.16的膠砂收縮值為0.67×10-4。當齡期為90 d時，水膠比從0.16增大至0.24，其干縮率從1.75×10-4增大至3.06×10-4。但在后期，膠砂的干燥收縮趨于穩(wěn)定，齡期從28～90 d，膠砂的干燥收縮率增長不大。

水膠比越大，在攪拌時加入的水越多。當漿體硬化后，多余的水分殘留在漿體中形成水泡，水分蒸發(fā)后形成毛細孔，從而降低了漿體的密實性，實質(zhì)上是降低了試件抵抗荷載的有效斷面面積且孔隙處往往產(chǎn)生應力集中促使試件發(fā)生裂紋擴展甚至斷裂。水膠比越低，所測得的收縮值也隨之減小，因此，降低膠砂的干縮率的有效措施之一是降低水膠比。

2.3 粉煤灰摻量對磷酸鹽修補材料干縮的影響

試驗中，P/M為1/5，硼砂摻量為5%，膠砂比為1/1，水膠比為0.18，粉煤灰摻量分別為10%、30%時，對磷酸鹽修補材料膠砂干縮的影響如圖3所示。由圖3可知，當粉煤灰摻量為10%時，膠砂90 d的干縮率為1.42×10-4，當粉煤灰摻量為30%時，膠砂90 d的干縮率為1.22×10-4。當粉煤灰摻量為10%和30%時，其早期和后期的干縮率均小于基準膠砂的干縮率。粉煤灰摻量在一定范圍內(nèi)，膠砂干縮值隨粉煤灰摻量增加而減少。粉煤灰摻量增加時，干縮減少，粉煤灰摻量比較少時，干縮值比較大。主要原因可能是一方面膠凝材料用量一定，當粉煤灰摻量增加，則磷酸鹽修補材料的膠凝材料總量相對減少，水化反應之后所形成的水化產(chǎn)物也相應減少，從而也導致膠砂的干燥收縮值也減少。另一方面由于粉煤灰顆粒很細，填充在砂漿體中，密實了膠砂的孔結(jié)構(gòu)，使得粉煤灰砂漿的收縮率較基準砂漿低。

2.4 膠砂比對磷酸鹽修補材料膠砂干縮的影響

試驗中，P/M為1/5，硼砂摻量為5%，膠砂比分別為1∶0.5、1∶1和1∶2時，對砂漿的干縮影響如圖4所示。由圖4可知，配合比對膠砂干縮有很大的影響，膠砂比增大則干縮值也隨之增大。膠砂比為1∶0.5時，膠砂的干縮值最大；膠砂比為1∶1時，膠砂的干縮值次之，膠砂比為1∶2時，膠砂的干縮值最小。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是一方面膠砂比不同，磷酸鹽修補材料中的氧化鎂和石英砂共同形成的集料的級配不同，在膠砂比達到某個值時，孔隙率越大，越不密實，集料形成的框架結(jié)構(gòu)比較松，更容易形成散失水分的通道，從而減弱了抑制漿體收縮的能力。在膠砂比達到某個值時，其孔隙率最小，級配越好，集料形成的框架結(jié)構(gòu)越密實，其抑制漿體收縮的能力也越強。另一方面，膠砂比越小，石英砂越多，石英砂與未反應的氧化鎂顆粒共同形成的骨架抑制膠砂干縮的能力就越強。故在膠砂比對磷酸鹽修補材料膠砂干縮的試驗中就表現(xiàn)為膠砂比為1∶2時，膠砂的干縮比較小，而膠砂比為1∶0.5時，膠砂的干縮比較大。

2.5 集料種類對磷酸鹽膠砂干縮的影響

隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鋼渣產(chǎn)生量迅速增長，鋼渣的處理和資源化利用問題也越來越突出。鋼渣是煉鋼過程中的一種副產(chǎn)品，它由生鐵中的硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)在熔煉過程中氧化而成的各種氧化物和這些氧化物與溶劑反應生成的鹽類所組成。集料是影響膠砂干縮的重要因素之一，堅硬密實的集料其收縮較小，質(zhì)地疏松彈性模量小的集料通常會導致較高的收縮［8］。在進行膠砂的干縮性能試驗時，基準組骨料采用標準砂，用鋼渣取代標準砂進行對比試驗，P/M為1/5，硼砂摻量為5%，膠砂比為1/1，水膠比為0.18。不同集料種類對磷酸鹽膠砂干縮的影響如圖5所示。

修補材料中發(fā)生收縮的主要組分是水化反應后生成的水化產(chǎn)物，因此減少水化產(chǎn)物的相對含量，也就是增加骨料的相對含量，可以減少膠砂的干縮。此外，骨料對水化產(chǎn)物的收縮有限制作用，所以骨料對膠砂的收縮有很大的影響。骨料的種類不同其彈性模量等性質(zhì)也不相同，也就決定膠砂收縮的程度。

由圖5可知，集料為石英砂的砂漿收縮值要比鋼渣小，其中的原因可能是呈酸性的磷酸鹽與鋼渣發(fā)生化學反應，產(chǎn)生化學收縮，生成的水化產(chǎn)物加大了膠砂的干縮。石英砂具有顆粒間隙較小、彈性模量大等特點，對水化產(chǎn)物的收縮有限制作用，因此，在試驗中石英砂膠砂的干縮值比較小。通過對鋼渣的化學成分分析發(fā)現(xiàn)，鋼渣的氧化鈣的含量很高，由于鋼渣中大量的氧化鈣與磷酸鹽中的酸性成分發(fā)生化學反應生成松散強度低的固體物質(zhì)，導致試塊強度降低干燥收縮增大。因此，在磷酸鹽修補材料體系中如何對鋼渣進行有效的利用還需進一步研究。

3 結(jié)論

磷酸鹽修補材料是一種新型的膠凝材料，主要由氧化鎂、磷酸鹽及硼砂按一定比例配制而成，硼砂摻量、水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量、集料種類等都會對磷酸鹽修補材料的干縮率產(chǎn)生影響。硼砂摻量會影響膠砂的收縮，硼砂摻量越大，試件的干縮率就越大。水膠比越低，試件收縮值就越小，因此，降低水膠比是減小膠砂干縮率的重要途徑之一。配合比對膠砂干縮有很大的影響，膠砂比增大則干縮值也隨之增大。粉煤灰對凈漿干縮性能的影響表現(xiàn)為粉煤灰可以降低磷酸鹽修補材料的干縮率，延緩干縮變形，在一定范圍內(nèi)干縮值隨粉煤灰摻量增加而下降。集料是影響膠砂干縮的重要因素之一，集料為石英砂的砂漿收縮值要比鋼渣小。以上研究成果可為磷酸鹽修補材料的配合比設計提供參考。

參考文獻：

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