抗冲刷桥墩表面损伤修复材料的试验研究

杨洪宽，李固华，李文强，伍威，雷景刊，朱伟超，王雪纯

（西南交通大学，四川 成都 611756）

0 前言

处于自然环境下的山区河流桥墩日常不但要遭受流水的冲刷，在雨季时还要遭受来自泥水、流砂的冲刷，这会造成桥墩表面损伤，混凝土表面露沙、露石，保护层厚度降低，甚至外露钢筋等问题。为此，本文以国家重点研发计划项目《复杂环境下轨道交通系统全生命周期能力保持技术》为依托，选用工程水泥基复合材料作为桥墩表面损伤修复材料，这种修复材料应具有优良的抗冲刷性能、抗裂性及密实性。

众所周知，传统混凝土抗拉强度低、韧性差且开裂后裂缝难以控制，基于细观力学和断裂力学理论，美国密西根大学Li教授和麻省理工的Leung教授[1]提出工程水泥基复合材料ECC（Engineered Cementitious Composites），此后工程材料界对其探索不断。研究发现，ECC相比于传统混凝土具有很好的延展性、微裂缝控制能力和应变硬化特性，目前已投入相关方面应用[2]。本文借鉴工程水泥基复合材料配制技术[3]，采用超低水胶比，通过调节硅灰、粉煤灰、聚丙烯（PP）纤维及减水剂掺量，采用正交试验研究多因素、多水平下强度、耐磨耗性能、电通量变化规律，配制优良的桥墩表面损伤修复材料。

1 试验

1.1 原材料

水泥：拉法基 P·O42.5；石英砂：20～40目，密度 2.65 g/cm3；硅灰：密度 2.14 g/cm3，0.5～1.0 μm 颗粒占 81.09%，SiO2含量为94.50%；粉煤灰：Ⅱ级，密度2.14 g/cm3；纤维：川维聚丙烯纤维，长6 mm，密度0.91 g/cm3；减水剂：液态聚羧酸减水剂，减水率30%，固含量27%，符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》要求。胶凝材料的主要化学成分如表1所示。

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

1.2 正交试验设计

根据原材料的基本性能，借鉴ECC配制技术要点[4]，经过实验室内试配调整以满足流动性及低水胶比要求，修复材料的基准配合比为：m（水泥）∶m（石英砂）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）=1.00∶1.20∶0.17∶0.20，PP 纤维体积掺量为 1.0%，减水剂掺量占胶凝材料总质量的1.5%，保持水胶比为0.16不变。因硅灰、粉煤灰、PP纤维及减水剂掺量是影响混凝土强度、耐久性的重要因素[5-7]，故以此设计L9（34）正交试验，因素水平设计见表2。

表2 正交试验因素水平

1.3 试验方法

拌合方法：为实现修复材料的高密实度，配合比中水胶比极低，常规的试验方法难以搅拌成浆体，甚至无法成型。在ECC的搅拌过程中，关键步骤是保证水泥砂浆基体拌合物的流动性，国内外学者目前多采用后加纤维法进行搅拌，控制搅拌时长在5～20 min[8]，为便于对比，本试验采用先加纤维搅拌法，整个搅拌成型时长为5～10 min，试验证明该搅拌方法切实可行。

性能测试方法：强度试验按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行；磨耗试验按照JC/T 421—2004《水泥胶砂耐磨性试验方法》进行；抗氯离子渗透试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，经历试件浇筑、养护、打磨蜡封、真空饱水、电通量测试等环节测试9组试件的6 h电通量。

2 试验结果与分析

正交试验设计和性能测试结果如表3所示。

由表3可见：9组试件的抗折强度均远高于普通混凝土，最低的为12.2 MPa，最高的达到20.1 MPa，这可以在一定程度上反映出材料的抗裂性能良好；抗压强度均高于80 MPa，在80～90 MPa之间，属高强混凝土。

表3 正交试验设计和性能测试结果

2.1 基本力学性能分析

抗折、抗压强度的极差分析见表4，方差分析见表5。

表4 抗折、抗压强度的极差分析

由表4可以看出：硅灰掺量是影响修复材料抗折强度的主要因素，其次是减水剂掺量，达到最大抗折强度的组合是A2B3C3D2；对试件抗压强度影响最大的同样是硅灰掺量，其次是粉煤灰掺量，达到最大抗压强度的组合是A3B2C1D1。

表5 抗折、抗压强度的方差分析

由表5可知，由于纤维掺量的偏差平方和最小，可作为误差项，用于分析各因素对试验结果影响的显著水平。当信度取0.05时，硅灰掺量对抗折和抗压强度都有显著影响，而粉煤灰掺量、纤维掺量和减水剂掺量对结果无显著性影响。

2.2 耐磨耗性能分析

试验中为便于对比，对硫铝酸盐水泥标准胶砂试件进行同样的耐磨性能测试，其磨耗值为8.24 kg/m2。由表3可见，9组试件的磨耗值在0.520～1.627 kg/m2之间，远低于硫铝酸盐水泥标准胶砂试件，足见修复材料的耐磨优势。磨耗值的极差分析见表6，方差分析见表7。

表6 磨耗值的极差分析

由表6可知，在试验取值范围内对试件磨耗值影响最大的是硅灰掺量，其次是粉煤灰掺量，达到最小磨耗值的组合为A1B1C1D2。

表7 磨耗值的方差分析

由表7可知，减水剂掺量的偏差平方和最小，故作为误差项，分析各因素对磨耗值影响的显著水平。当信度取0.10时，硅灰掺量对磨耗值有显著影响，而粉煤灰掺量、纤维掺量和减水剂掺量对结果无显著性影响。

2.3 抗氯离子渗透性能分析

试验结束后发现，9组试件的电通量在76.4～92.8 C之间，试验后将试件取出用重锤敲破，观察到试件内部基本处于干燥状态，如图1所示。

图1 饱水24 h后试件的内部

参照美国ASTM C1202法判据（见表8），当通过的电荷量小于100 C时，混凝土的氯离子渗透性可忽略不计[9]，这说明该材料的密实性极好，自然环境下能有效抵抗氯离子的侵蚀。

表8 直流电量法混凝土抗氯离子渗透性分级评定标准

2.4 微观分析

有研究指出[10]，通常情况下水胶比越小，电通量越小。以3#试样为例，借助扫描电子显微镜SEM观察其微观结构，特别是各水化物之间尤其是硅灰、粉煤灰与C-S-H之间的结合及PP纤维与水化物之间的结合界面。3#试样水化28 d的微观形貌如图2所示。

图2 3#试样水化28 d的微观形貌

由图2可见，总体看来试件内部密实，无孔隙、裂隙的产生。絮状细密的C-S-H凝胶体密布试件内部形成整体状；球状粉煤灰颗粒表面光滑，反应物很少，说明粉煤灰没有完全参与水化反应，不是强度的主要贡献者，后期还将发挥更好的作用；内部基本看不到片状的Ca（OH）2；PP纤维的嵌入部位未见水泥基体的明显隆起与碎裂，嵌入端无明显间隙，纤维表面水化反应的痕迹明显，纤维很少有被完全拔出的现象；纤维拉断点其直径略微缩小且伴有翻卷松弛现象，说明试件受力后纤维被拉长一段距离直至断裂，这体现了纤维阻裂增韧的功能。原料之间紧密结合形成致密的结构体系，有利于抵抗外界不良介质的腐蚀，这符合材料的功能要求。

3 结论

（1）采用工程水泥基复合材料配制技术，能够获得力学性能优异、特别是抗折强度较高的复合材料。正交试验结果表明，达到最大抗折强度的配比为：m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（PP 纤维）∶m（减水剂）=1.00∶1.20∶0.22∶0.17∶0.23∶0.013∶0.015，达到最大抗压强度的配比为：m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（PP 纤维）∶m（减水剂）=1.00∶1.20∶0.22∶0.15∶0.20∶0.007∶0.014。

（2）配制的修复材料的耐磨性能远优于普通混凝土材料。对本试验磨耗值影响最大的是硅灰掺量，其次是粉煤灰，达到最小磨耗值的配比为：m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（PP 纤维）∶m（减水剂）=1.00∶1.20∶0.21∶0.13∶0.17∶0.007∶0.015。

（3）抗氯离子渗透试验结果表明，该材料的氯离子渗透性可忽略不计，自然环境下能有效地抵抗氯离子的侵蚀。

（4）微观分析结果表明，材料内部结构致密、缺陷很少，纤维具有很好的阻裂增韧的功能，且材料存在强度继续提高的可能性。

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