新型水泥混凝土道路修补剂的制备与施工

新型水泥混凝土道路修补剂的制备与施工

王鸿非，徐波，代小曼，代超，孟祥静

(武汉市市政科研有限公司，武汉 430023)

摘要：采用氧化镁、磷镁酸盐和硼砂为主，添加部分矿物掺和料和钢渣粉等，制备了快硬早强磷镁酸盐快硬水泥修补剂，提出了路面修补施工工艺，并应用到了实际工程中。利用矿物掺和料(粉煤灰、硅灰、膨胀剂、钢渣粉等)和铬铁矿渣粉替代部分磷镁酸盐水泥，降低了修补剂成本，节约了资源，同时有利于重金属的固化。工程应用表明：在早期强度损失率低的情况下，该修补剂的初始流动度大，凝结时间可调控，早强强度等级高，抗裂抗渗好，满足施工设计指标要求。

关键词：磷镁酸盐水泥；缓凝剂；流动度；早期强度

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.015

Abstract:This paper prepares the high early strength magnesium phosphate repair agent on the basis of using MgO,potassium dihydrogen phosphate and borax and adding mineral admixtures and steel slag powders. The craftsmanship process of pavement repair construction was put forward and applied to practical engineering.Using fly ash, silica fume, slag powders and chromium slag powders to replace partial magnesium phosphate cement, which reduces the cost and saves resources for heavy metal solidification. The engineering application shows:the initial fluidity and setting time can be controlled with less early strength loss.Thecrack permeability is better to meet the required construction indicators.

收稿日期：2015-04-06.

作者简介：王鸿非(1983-)，工程师.E-mail:289567334@qq.com

Preparation and Construction of New Phosphorus Magnesium

Aluminate Cement Road Repair Agent

WANGHong-fei,XUBo,DAIXiao-man,DAIChao,MENGXiang-jing

(Wuhan Civil Engineering Technology Development Co Ltd,Wuhan 430070，China)

Key words:magnesium phosphate cement;retarder;fluidity;early strength

磷酸镁水泥(Magnesium Phosphate Cement，MPC)是由MgO、磷酸盐及缓凝剂按适当比例配制而成的一种早强快硬的新型胶凝材料[1]。通过工业磨细粉煤灰、硅灰及适量膨胀剂来提高修补剂的初始流动性能，延长施工操作时间；同时添加磨细钢渣粉和铬铁尾矿渣粉增加了水泥中金属氧化物的含量，促进活性重金属氧化物与磷酸盐发生反应，增加了砂浆的密实度和抗渗等级，也有利于重金属固体废弃物的固化效应。工业纯级氧化镁粉磨后添加磨细改性石膏，混合充分，有利于调节水泥的凝结性能，还有利于与活性钢渣粉、活性铬铁尾矿渣粉中的C2S和铝酸盐反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶或者反应生成钙矾石，增加了结构致密性能。试验中还通过添加微细改性钢纤维来解决MPC水泥脆性大的问题。该类型修补剂具有低温凝结快、粘结强度高、干缩小、耐磨性和抗冻性良好等优点，被广泛应用于桥梁、道路、机场跑道的快速修补，有害和放射性物质的固化等，有着重要的民用和军事用途[2]。

1原材料及技术指标

1.1　原材料

1)氧化镁采用工业重烧氧化镁，由菱镁矿在1 500~1 700 ℃煅烧粉磨而成，棕黄色，比表面积为3 200 cm2/g，颗粒分布在50~80 μm，化学成分见表1。

表1　工业重烧氧化镁化学成分分析

2)磷镁酸盐采用磷酸二氢钾，白色粉末。

3)硼酸采用工业纯级硼砂。

4)矿物掺和料采用湖南石门电厂Ⅱ级粉煤灰，符合现行标准GB1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定的Ⅱ级灰技术要求。采用微硅粉，SiO2含量92%，比表面积18 600 m2/kg，需水量比122%。

采用天津豹鸣HCSA高性能混凝土膨胀剂。采用武钢生产的钢渣粉，由钢渣煅烧磨细而成。

5)铬铁矿渣粉采用武钢生产的高碳铬铁尾矿渣，淡黑色，化学成分见表2 。

表2　高碳铬铁矿渣粉化学成分分析　 w/%

6)微细钢纤维市场购买，符合现行标准JT/T 524—2004《公路水泥混凝土纤维材料-钢纤维》和YB/T 151-1999《混凝土用钢纤维》规定技术要求。

7)外加剂阻锈组分包括氨基醇、氨基酯，市场购买。减水组分采用FDN9001减水粉剂，市场购买。符合现行标准GB 8076—2008《混凝土外加剂》规定技术要求。

1.2　设计技术指标

设计工程应用技术标准：2 h抗压强度强度满足20 MPa以上，1天抗压强度满足40 MPa以上，28抗压强度满足60 MPa以上；初始流动度180~200 mm，凝结时间15-25 min；抗渗等级达到P10，抗冻系数大于F300，抗氯离子渗透系数小于1.0×10-12，抗硫酸盐侵蚀系数大于0.95。

2新型修补剂配合比优化设计

2.1　氧化镁比表面积对修补剂性能的影响

氧化镁在磷镁酸盐修补剂中占的比例到达60%~80%，所以氧化镁的质量严重影响着修补剂的性能。本试验设计通过改变氧化镁比表面积来研究其对水泥水化后流动度、凝结时间和强度的影响。将试验用的氧化镁粉末分别装入行星式球磨机中进行粉磨，控制行星式球磨机的旋转速度和粉磨时间，然后测定其比表面积，按设计A料、B料组分称量进行水泥净浆试验。试验控制A/B为1∶4，硼酸掺量占A料的5%，水胶比为0.3，试验结果见表3。

表3　氧化镁比表面积对修补剂性能的影响

从表3中可以看出：随着氧化镁比表面积的增加，其水泥净浆的初始流动性能在逐渐减小，凝结时间提前，早期抗压强度得到提升，表明氧化镁的活性使水泥的水化速度得到了提升，引起水泥早期水化热增加，释放的热量进一步促进了水化的进程，从而影响了水泥初始流动度和凝结时间，早期抗压强度变大，后期强度略有降低，但波动幅度小。

2.2　A/B值对修补剂性能的影响

通过上述试验，以M1作为参照配合比，控制硼酸占A料的比例为5%，水胶比为0.3，设计一系列A/B值，测试水泥净浆的初始流动度、凝结时间和抗压强度等级，试验结果见图1。

从图1中可以看出：A/B的值对水泥性能的影响权重:较大，随着A/B值的减小，水泥净浆的初始流动度逐渐减小，同时水泥的凝结时间也逐渐缩短，因为氧化镁的溶解含量控制整个反应的快慢和水化产物的生成[3]。当A/B值较大时，氧化镁溶解含量相对较少，与其生成的水化产物就越少，消耗的水量就少，同时包裹未溶解水化颗粒的时间就越长，从而增加了水泥净浆的流动度和凝结时间。当A/B较小时，氧化镁溶解量增加，增加了与磷酸盐的反应，形成的晶核越多，水化速度越快，致密的水化结晶核包裹住氧化镁颗粒形成空间网络结构，同时限制了水泥的流动性，缩短了凝结时间。

从水泥净浆抗压强度的变化中可以看出：A/B的变化使水泥抗压强度先增加后降低，这与水泥中氧化镁与磷酸盐形成网络状结晶体与未溶解氧化镁颗粒的包裹程度有关[4]，当A/B值较大时，水泥水化程度低，不足以将氧化镁完全包裹住，随着A/B值的降低，氧化镁含量逐渐增加，包裹程度不断改善，但是当A/B低于1∶5以后水泥氧化镁含量过量，相反生成的水化产物降低，包裹率逐渐降低。所以在实际工程中我们要控制A/B值在1∶4～1∶5之间变化，使之流动度满足施工要求，早期强度大，且对后期强度无明显影响。

2.3　缓凝剂对修补剂性能的影响

试验采用硼砂缓凝剂，可以适当延迟水泥水化反应，延长水泥凝结时间，使新拌修补剂保塑时间长，方便施工操作，提高了施工效率。试验控制A/B值1∶4，水胶比0.3，设计硼酸在A料中的掺量3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%八组试验，测试水泥净浆的初始流动度、凝结时间和抗压强度等级，详见图2。

从图2中可以看出硼酸对修补剂的缓凝效果较好，使净浆的流动度增大，凝结时间也有较大延长。在较低硼酸掺量的情况下，水泥净浆流动度小，凝结迅速，无法满足施工操作要求；当硼酸掺量增加，水泥净浆的流动度不断增加；当硼酸掺量增加到8%以后，净浆流动度增长趋势下降。硼砂缓凝的主要机理就是与溶解的氧化镁表面发生络合效应，形成一层保护膜，延缓磷酸根离子与镁离子的接触，达到缓凝的效果，所以过多的硼酸掺量对净浆的流动性能无明显改善作用。硼酸掺量的增加会引起氧化镁表面保护膜的厚度增厚，抑制胀破时间，延缓的水化时间；同时硼砂的添加增加了pH值，导致氧化镁的溶解速率下降，液相体积增加；还有硼砂中的结晶水释放，导致水泥水胶比提高，水泥净浆的流动度增加，但强度损失大。但是随着硼酸掺量的增加，水泥修补剂的早期强度和中期强度都发生明显的损失，不利于水泥强度发展[1,5]。所以考虑到强度和流动性能等综合性能，硼酸的掺量适宜设置在5%～8%区间内，且凝结时间可调控。

2.4　W/C值对修补剂性能的影响

试验设计水胶比0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34十组试验，测试数据见图3。

从图3中可以看出：水胶比会明显影响水泥的凝结时间。修补剂凝结与硬化受到水泥水化产物在空间填充情况的影响，随着水胶比的增加，水泥凝结时间明显延长，流动性能也显著增大；但是随着水胶比的增加，修补剂的早期抗压强度损失过快，尤其是当水胶比上升到0.32以后，继续增加会导致强度跳跃性降低，削弱了界面过渡区结构。综合考虑，修补剂的水胶比宜控制在0.28～0.30范围内，流动性和强度匹配效果好。

3施工工艺

3.1　新老界面的处理

确定施工方案后，在施工前一个星期左右在需处理的老混凝土表面按照一定的深度间隔进行机械切割，完全破除病害板块，切割线最好是与混凝土面层垂直，严禁出现锐角的情况，但是钝角角度也不能太大，太大会导致原混凝土上层变薄，易发生脱落，最好是方案①，方案③可行，但严禁使用方案②，如图4、图5所示。

然后仔细清除掉老混凝土结合面上所有损坏的，松动的和附着的骨料、砂浆和杂质杂物，并使坚固的部分骨料露出表面，构成粗糙面以提高粘结性，用观察法对界面粗糙度进行检查，外露粗骨料需达到30%～40%。

凿掉破损路面的破坏层，尽量使得路面不留疙瘩、坑槽，以保证路面的基本平整。对于一些突起的部位，若突起较高，需将其铣刨后，再用打磨机进行磨平，若突起较小，可不预处理以保证一定的粗糙度；对于一些低洼的部位，若坑槽太深，则需采用高粘结强度的水泥浆体进行补平。清扫路面残余的碎石、混凝土废渣，保证施工作业面两边10 m以外的清洁，以免在施工过程中废渣被带进施工路段，降低施工质量。

3.2　修补剂的拌合

磷镁酸盐水泥基修补剂为酸碱反应，施工拌合前严禁将A料和B料混合存放。施工过程中一般采用两种混合搅拌方式：

1)AB料按1∶4.0～1∶5.0称量，先按水胶比0.3左右称取所需水量，将B料与水放入便携式搅拌器中拌合1~2 min至均匀，再加入A料继续拌合至1~2 min至均匀，迅速进行施工修补，在10 min内振实收平抹面，用湿毛毯覆盖，3 h后即可开发交通。这种方式一般为机械搅拌器拌合，搅拌出锅修补剂流动度大，易于施工操作。

2)控制水胶比0.30，将A料与B料放入便携式搅拌器中拌合1~2 min至均匀，再加入水继续拌合至1~2 min至均匀，迅速进行施工修补，在10 min内振实收平抹面，标准条件养护。这种方式一般是采用人工拌合，易于将A料与B料昏混合均匀，保证了修补剂的性能要求，同时也易于人工操作。

3.3　工程应用

磷镁酸盐水泥快硬修补剂主要应用到武汉市江岸区堤边路市政交通道路修补中。武汉市堤边路疏通了城区通往外界的道路，为武汉市的发展带来了机遇。全线由于道路建成年限已久，车流量及荷载量已超过早期设计要求，导致现状路面水泥砼板出现断裂，沉陷等，局部破损严重，影响行车安全。本项目依托城市主干道堤边路的道路维修改造工程，通过采用道路快速修补材料对局部车行道路面破损处进行面层修复，实现快硬、早强、耐久、可迅速通车(1 d)的施工效果。此道路快速修补材料的应用与推广可明显加快武汉市区破损道路的维修改造进度，有利于城市交通的便捷和城市面貌的改善，其经济价值和社会价值不可估量。

工程应用表明：该配合比修补剂的初始流动度达到210 mm，凝结时间13~15 min，2 h抗压强度达到24 MPa，3 h达到27 MPa，1 d抗压强度达到44 MPa，满足快速施工和短时间开发交通要求。且修补剂实验室抗渗等级达到P10，抗冻系数大于F300，抗氯离子渗透系数为0.92×10-12，抗硫酸盐侵蚀系数为0.96，满足耐久性要求。

4结论

a.基于试验原材料，制备出了具有良好力学性能、工作性能和符合施工要求的道路快速修补剂，具有初始流动度大、高强早强和凝结时间可调控的特点。

b.掺加工业副产品粉煤灰、硅灰、钢渣粉，能有效解决修补剂成本问题，HCSA膨胀剂的使用限制了修补剂早期收缩，结构稳定和耐久性能增加。

c.通过对不同施工地点的施工配合比微调，合理调配施工工艺，顺利进行道路边角处修补施工，满足设计要求。

参考文献

[1]毛敏.磷酸镁水泥耐水性机理与改性研究[D].重庆大学,2012.

[2]苏柳铭.磷酸镁水泥纤维改性及其路面修补应用研究[D].重庆大学,2012.

[3]黄义雄.磷酸镁水泥的粉煤灰改性与修补性能研究[D].重庆大学,2011.

[4]冯春花,陈苗苗,李东旭.磷酸镁水泥的水化体系[J].材料科学与工程学报,2013,31(6):902-905.

[5]夏锦红,袁大伟,王立久.磷酸镁水泥水化机理研究[J].武汉理工大学学报,2009,31(9):26-27.