劉曙光， 向 聃， 彭 鎮(zhèn)

(湖南省通泰工程有限公司， 湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通流量也在不斷增加，這給水泥混凝土路面帶來了巨大的壓力。車輛超載、施工過程中的質(zhì)量與技術(shù)問題也相應(yīng)暴露出來，出現(xiàn)比如局部凹陷、開裂、疏松導(dǎo)致的坑洞及斷板等病害。如果產(chǎn)生病害的路面沒有得到及時修補(bǔ)，那病害情況只會愈來愈嚴(yán)重，形成更大面積的破壞，從而影響正常使用[1-3]。為了不影響交通正常運(yùn)行，必須在短時間內(nèi)對損壞的路面工程進(jìn)行修補(bǔ)、搶修。已有不少學(xué)者對水泥混凝土結(jié)構(gòu)的快速修復(fù)進(jìn)行了研究[4-5]。

目前，國內(nèi)外水泥混凝土路面常用的快速修補(bǔ)材料主要可分為3大種類，包括特種水泥類修補(bǔ)砂漿、聚合物改性修補(bǔ)砂漿和纖維改性修補(bǔ)砂漿[6]。聚合物和纖維改性修補(bǔ)砂漿存在價格昂貴、不抗高溫、容易老化、收縮大等缺點。而采用鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的修補(bǔ)砂漿，后期強(qiáng)度會有倒縮現(xiàn)象發(fā)生，且存在耐磨性差和新舊混凝土黏結(jié)性能較差等問題。以硅酸鹽水泥作為主要基體材料的修補(bǔ)砂漿能夠有效避免后期抗壓強(qiáng)度倒縮問題，但硅酸鹽水泥凝結(jié)時間長、早期強(qiáng)度發(fā)展慢，因此本文采用加入礦物摻合料和外加劑制備滿足性能要求的硅酸鹽水泥基修補(bǔ)砂漿。

1 試驗方案

1.1 試驗原料

水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積400 m2/kg，28 d實測抗壓強(qiáng)度為48 MPa；所用硅灰細(xì)度2 000目，有效SiO2含量95%以上；采用的砂為細(xì)度模數(shù)2.4的河砂，其中石英含量90%以上；采用固廢煙氣脫硫二水石膏為調(diào)節(jié)材料，平均粒徑40～70 μm；減水劑為聚羧酸系高效減水劑，固含量40%，減水率30%，摻量0.4%；消泡劑為磷酸三丁酯，沸點250 ℃，密度1.18 g/mL，摻量為0.03%；早強(qiáng)劑為無水硫酸鈉，有效含量99%以上。

1.2 試驗方法

分別采用《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)及《地面用水泥基自流平砂漿》(JC/T985—2005)中方法對修補(bǔ)砂漿的凝結(jié)時間、流動度進(jìn)行測試；將材料按照配比攪拌均勻，在規(guī)定時間內(nèi)成型于40 mm×40 mm×160 mm砂漿試模中，在溫度為(20±2) ℃、濕度>90%的潮濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，使用TYE-300D型水泥膠砂抗折抗壓試驗機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定，具體試驗參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 配合比對修補(bǔ)砂漿工作性的影響

2.1.1硅灰摻量對修補(bǔ)砂漿工作性的影響規(guī)律

圖1為硅灰摻量對修補(bǔ)砂漿工作性的影響規(guī)律。由圖可知，隨著硅灰摻量增加，修補(bǔ)砂漿凝結(jié)時間下降；當(dāng)硅灰摻量為10%時，初凝時間最短，為19 min。在修補(bǔ)砂漿中摻入適量的硅灰可以使其流動性明顯提高，主要是因為硅灰具有細(xì)小的顆粒形貌，可以很好地填充于膠凝材料顆粒之間，同時其具有火山灰作用，添加量少時，能發(fā)生水化反應(yīng)，生成膠凝性產(chǎn)物，促進(jìn)了砂漿的凝結(jié)；但當(dāng)摻量過大時，由于比表面積較大，需水量大，使得漿體變得黏稠，膠凝材料不能充分水化，從而延長了凝結(jié)時間。

圖1 硅灰摻量對修補(bǔ)砂漿工作性的影響規(guī)律

2.1.2石膏摻量對修補(bǔ)砂漿工作性的影響規(guī)律

圖2為石膏摻量對修補(bǔ)砂漿工作性的影響規(guī)律。由圖可見，隨著石膏摻量增加，修補(bǔ)砂漿初凝時間和終凝時間均延長。石膏摻量<0.5%時，修補(bǔ)砂漿的凝結(jié)時間較短，初終凝時間相差很小。但石膏摻量>0.5%時，終凝時間隨著石膏摻量增大出現(xiàn)了大幅增加，初終凝時間的差值變大。為了便于現(xiàn)場施工，應(yīng)將初終凝時間差值控制為20～30 min，因此石膏摻量選取0.8%左右較為合適。修補(bǔ)砂漿的流動度隨石膏摻量增加呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。石膏作為調(diào)節(jié)劑對水泥的水化起著重要作用，加入適量石膏會與水泥水化產(chǎn)物中的水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，生成難溶性的鈣礬石晶粒，鈣礬石晶粒覆蓋在水泥顆粒表面，阻礙了水分子進(jìn)入，影響水泥的正常水化，進(jìn)而增加了修補(bǔ)砂漿的流動性。但是過量的石膏會對減水劑產(chǎn)生吸附作用，影響水化硅酸三鈣與溶液中硫酸根的匹配，使其流動度略微下降。

圖2 石膏摻量對修補(bǔ)砂漿工作性的影響規(guī)律

2.1.3水膠比對修補(bǔ)砂漿工作性的影響規(guī)律

確定硅灰摻量10%，石膏摻量0.8%，在該配合比的基礎(chǔ)上，對水膠比進(jìn)行調(diào)整，0.16、0.17、0.18、0.19和0.20水膠比下修補(bǔ)砂漿凝結(jié)時間和流動度的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 水膠比對修補(bǔ)砂漿工作性的影響規(guī)律

由圖3可知，修補(bǔ)砂漿的凝結(jié)時間隨著水膠比增加而逐漸延長，水膠比對初終凝時間差基本沒有影響，原因是隨著用水量增加，膠凝材料在水中的濃度變低，水泥顆粒間距變大，水化產(chǎn)物相對減少，漿體在較短時間內(nèi)密實度不夠，較難形成三維骨架結(jié)構(gòu)。

當(dāng)膠凝材料與水接觸時，其顆粒表面吸附的水膜起到了潤滑作用，使膠凝材料漿體具有流動性，膠凝材料漿體中水的表面張力使?jié){體具有黏聚性。水膜潤滑作用的大小與水膜厚度有關(guān)，在水膠比較小時，較薄水膜的潤滑作用弱，漿體流動性低。在水膠比較大時，水膜的潤滑作用強(qiáng)，雖然流動性很大，但充滿水分的大毛細(xì)孔使得表面張力作用變小，導(dǎo)致漿體的保水性和黏聚性都變差。因此，為了水泥漿體在具有較大流動性的情況下兼具良好的保水性和黏聚性，必須對水膠比進(jìn)行限定，以獲得成型密實的試件。

2.1.4早強(qiáng)劑摻量對修補(bǔ)砂漿工作性的影響規(guī)律

圖4為不同摻量早強(qiáng)劑對修補(bǔ)砂漿凝結(jié)時間和流動度的變化規(guī)律。由圖可知，隨著早強(qiáng)劑摻量增加,修補(bǔ)砂漿的凝結(jié)時間不斷縮短，與未摻早強(qiáng)劑相比，摻有不同摻量早強(qiáng)劑的砂漿初凝與終凝時間均顯著降低，初終凝時間差也被縮短。隨著早強(qiáng)劑摻量的增加，膠凝材料漿體的流動度下降。這說明加入早強(qiáng)劑促進(jìn)了水泥的水化，水化誘導(dǎo)期和加速期均縮短，使其水化產(chǎn)物在短期內(nèi)增多，利于漿體內(nèi)部水化產(chǎn)物的相互搭接和三維骨架結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致其流動度下降。

圖4 早強(qiáng)劑摻量對修補(bǔ)砂漿工作性的影響

2.2 配合比對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響

2.2.1硅灰摻量對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律

圖5展示了硅灰摻量對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律。由圖可知，當(dāng)硅灰摻量<10%時，隨摻量增加，修補(bǔ)砂漿抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢。硅灰摻量10%時，修補(bǔ)砂漿6 h、1 d及28 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最高;當(dāng)摻量>15%時，1 d及28 d抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，但6 h抗壓強(qiáng)度基本保持不變。

圖5 硅灰摻量對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律

產(chǎn)生上述結(jié)果是因為硅灰作為一種性能優(yōu)異的礦物摻合料，具有火山灰活性，在水泥水化產(chǎn)物的激發(fā)作用下會生成水硬性膠凝物質(zhì)，又因其顆粒形態(tài)微小且圓潤，微小的硅灰顆粒填充在修補(bǔ)砂漿膠凝體系的空隙和孔隙中，使結(jié)構(gòu)更加密實，最終導(dǎo)致硬化后修補(bǔ)砂漿強(qiáng)度增大。但硅灰的細(xì)度較大，通常可達(dá)到1 000目以上，具有比膠凝材料更大的比表面積，當(dāng)硅灰摻量過大時，會使需水量明顯增加，導(dǎo)致修補(bǔ)砂漿的和易性變差，密實度降低，內(nèi)部缺陷增加，強(qiáng)度降低。

2.2.2石膏摻量對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律

圖6為石膏摻量對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律。由圖可知，修補(bǔ)砂漿抗壓強(qiáng)度隨石膏摻量增加呈先增加后降低趨勢。而當(dāng)石膏摻量<0.8%時，6 h抗壓強(qiáng)度緩慢增加，但摻量超過最佳值時，抗壓強(qiáng)度開始下降。

圖6 石膏摻量對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律

分析其原因主要是石膏在水中的溶解性很高，加入石膏后溶解出的硫酸鈣和水泥的水化產(chǎn)物水化硅酸鈣發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石，鈣礬石增加了膠凝體系的密實度。石膏摻量在一定限度下增大時，起到延緩凝結(jié)時間的作用，凝結(jié)時間的延長使得水化產(chǎn)物水化硅酸鈣凝膠的形態(tài)更加完整，從而提高了抗壓強(qiáng)度。

2.2.3水膠比對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律

圖7為水膠比對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律。由圖可知，隨著水膠比增大，不同齡期的修補(bǔ)砂漿抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢，特別是水膠比在0.18和0.19處下降最為明顯。

產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是水膠比的增大相當(dāng)于降低了膠凝材料的用量，膠凝材料水化硬化時水化產(chǎn)物相應(yīng)減少，強(qiáng)度形成不足；另一原因則是水膠比增加使得膠凝材料水化硬化時多余水分的蒸發(fā)量增加，由水分蒸發(fā)而留下的毛細(xì)孔通道增多，使結(jié)構(gòu)密實度下降，最終導(dǎo)致了抗壓強(qiáng)度降低。

圖7 水膠比對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律

2.2.4早強(qiáng)劑摻量對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律

圖8為早強(qiáng)劑摻量對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律。由圖可知，修補(bǔ)砂漿中加入早強(qiáng)劑后，6 h齡期時各種摻量下的抗壓強(qiáng)度變化不大；1 d齡期抗壓強(qiáng)度隨著摻量増加略有升高后下降再稍微上升；28 d齡期抗壓強(qiáng)度隨著摻量增加略有升高后緩慢下降，且與1 d齡期的抗壓強(qiáng)度相比，產(chǎn)生了倒縮現(xiàn)象。

從上述規(guī)律可以看出，摻入適量早強(qiáng)劑后，與空白組相比，在6 h齡期時抗壓強(qiáng)度略提高，早強(qiáng)劑的加入能促進(jìn)膠凝材料熟料中鋁酸三鈣和硅酸三鈣的水化，使水化產(chǎn)物快速形成三維骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致早期強(qiáng)度得到提高。但隨著早強(qiáng)劑摻量增大，水泥漿體的流變性變差，修補(bǔ)砂漿在成型后難以密實，缺陷增加，導(dǎo)致強(qiáng)度降低；水化生成大量不溶于水的鈣礬石包裹在膠凝材料表面，抑制了其后期水化，導(dǎo)致漿體后期強(qiáng)度損失較大。

圖8 早強(qiáng)劑摻量對修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律

3 結(jié)論

硅灰作為礦物摻合料對修補(bǔ)砂漿的工作性和力學(xué)性能影響顯著，其火山灰活性、微集料效應(yīng)及形態(tài)效應(yīng)可以顯著提高流動性和抗壓強(qiáng)度，最佳摻量為10%；石膏作為調(diào)節(jié)劑，可以調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，在0.8%摻量時可以獲得最大抗壓強(qiáng)度；早強(qiáng)劑的加入提高了修補(bǔ)材料的早期強(qiáng)度，縮短凝結(jié)時間，但摻量過大時會引起強(qiáng)度倒縮，最佳摻量為1.0%；水膠比為0.18時修補(bǔ)砂漿可以在獲得良好工作性的同時具有較高的抗壓強(qiáng)度。