道路快速抢修用超早强修补砂浆的研制

叶云飞 ，杨建辉 ，张凯华 ，濮熊熊 ，张传顺

（1.常州绿马特建筑科技有限公司，江苏 常州 213100；2.江苏尼高科技有限公司，江苏 常州 213100）

0 前言

当前基础设施建设高速发展，公路、铁路、桥梁、机场等交通基建设施在其中占据了重要地位[1]。当这些基建设施由于自然灾害或者老化破损造成开裂塌陷时，需要对其快速抢修以尽快恢复交通秩序并降低生命财产损失。因此，研制道路快速抢修用超早强修补砂浆是十分必要的。

本文以P·O52.5水泥、R.SAC42.5水泥与硅灰作为胶凝材料，搭配骨料、钢纤维、缓凝剂、减水剂和早强剂等外加剂，研制出一种2 h抗压强度高于40 MPa、1 d抗压强度高于70 MPa、1 d拉伸粘结强度高于1.5 MPa的高性能超早强快速修补砂浆。该修补砂浆各项性能均比较良好，适用于各种交通基建道面的快速抢修，应用前景广阔。

1 试验

1.1 原材料与仪器设备

P·O52.5水泥，江苏金坛盘固；R·SAC42.5水泥，山东金鲁城；硅灰，江苏常州；石英砂，16～30目（以砂A表示）和30～50目（以砂B表示），江苏常州，级配见表1；减水剂选取减水率高于30%的粉体聚羧酸减水剂；消泡剂选用B-328F；钢纤维：直径0.18～0.20 mm，长度9～12 mm；其它原材料均为市售。

表1 石英砂的级配

主要仪器设备：NRJ-411A型水泥胶砂搅拌机，无锡市建筑材料仪器机械厂；ZT-96型胶砂试体成型振实台，无锡市中科建材仪器有限公司；HC-6000C智能粘结强度测定仪，北京海创高科科技有限公司；AEC型压力试验机，无锡建仪仪器机械有限公司。

1.2 基本配比

对于超早强修补砂浆而言，快硬体系的搭配比较关键。本文选取P·O52.5水泥、R·SAC42.5水泥、缓凝剂与早强剂为快硬体系，水料比为0.12～0.13，将初凝时间控制在20 min左右，使得可操作时间在15 min左右。

除了缓凝剂和早强剂这2种外加剂之外，本文研制的超早强修补砂浆还掺入聚羧酸减水剂、消泡剂和络合剂。减水剂的掺量控制在0.10%～0.15%，使得水料比控制在0.12～0.13，初始流动度（平板玻璃自流测定法）为260～320 mm。

添加适量的消泡剂可以很大程度减少浆料中的细微气泡，从而增加修补砂浆的密实度。加入适量的络合剂，可以络合体系中的金属离子（主要为钙离子）形成络合物填充孔隙，大大降低修补砂浆的孔隙率，从而提高砂浆的力学性能。

道路快速抢修用超早强修补砂浆的基本配比见表2。

表2 超早强修补砂浆的基本配比

1.3 试验方法

超早强修补砂浆的凝结时间、拉伸粘结强度与收缩率参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试；抗折和抗压强度参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试。

2 结果与分析

2.1 2种水泥配比对体系性能的影响

P·O52.5水泥用量为 10%～20%，R·SAC42.5水泥用量为35%～45%，在此范围内设计了5组搭配，探究了不同搭配方式对体系早期抗压强度的影响，结果见表3。

表3 2种水泥配比对体系性能的影响

从表3可以看出，水泥总用量为55%的3组搭配（1＃、2＃、4＃）对应的早期抗压强度要高于总用量为50%的2组搭配（3＃和 5＃）。其中，1＃与 2＃试样的 1 d抗压强度高于 70 MPa。3＃与5＃试样对比发现，在其它配比相同时，早期的抗压强度主要取决于快硬硫铝水泥与普硅水泥的比例。快硬硫铝水泥占比越高，水化反应速率越快，早期强度也会有一定程度的提升。对比1＃、2＃、4＃试样可以发现相似的规律。但快硬硫铝水泥并非越多越好，当R·SAC42.5水泥过多时，一方面凝结时间缩短，降低了可操作时间；另一方面，不利于后期强度的缓慢稳定发展。综合考虑后，确定P·O52.5水泥的用量为16%，R·SAC42.5水泥的用量为39%，此时修补砂浆的2h抗压强度≥40 MPa，4 h抗压强度≥55 MPa，1 d抗压强度≥70 MPa，3 d抗压强度接近80 MPa。以下试验均采用该最佳配比进行研究。

2.2 酒石酸掺量对体系性能的影响

缓凝剂的作用是降低水泥的水化速度，延长凝结时间[2]。合理的掺量既可以保证适宜的可操作时间和凝结时间，又可以保证超早强修补砂浆的力学强度。本研究使用的缓凝剂为酒石酸，掺量为0.04%、0.06%、0.08%、0.10%时对体系凝结时间与早期抗压强度的影响见表4。

表4 酒石酸掺量对体系性能的影响

由表4可以发现，当酒石酸掺量从0.04%增加至0.10%，体系的初凝时间与终凝时间均逐渐延长，相对应的早期抗压强度均逐渐降低。当酒石酸掺量为0.04%时，初凝时间为17min，终凝时间为22 min，可操作时间约为10 min，早期的抗压强度非常高，原因是水化反应速度过快所致；当酒石酸掺量为0.06%时，初凝时间为21min，终凝时间为28min，此时的可操作时间为15min，可以满足现场施工的要求，并且2h抗压强度高于40MPa，1d抗压强度为68.29MPa，早期的抗压强度比较理想；当酒石酸掺量增至0.08%和0.10%时，初凝时间和终凝时间相应延长，抗压强度明显降低，不满足超早强修补砂浆的性能要求。综合考虑后，确定缓凝剂酒石酸的最佳掺量为0.06%。

2.3 络合剂种类和掺量对体系强度的影响

在本试验中，络合剂主要起到络合钙离子形成络合物填充微小孔隙从而提升超早强修补砂浆的抗折、抗压强度。选取了市场上常见的3种络合剂，分别以L1、L2和L3表示，以1 d抗折、抗压强度为指标，探究了不同种类与掺量的络合剂对体系强度的影响，试验结果如表5所示。

由表5可以看出：当体系中未添加络合剂时，1 d抗折、抗压强度分别为7.83、65.25 MPa。掺入0.05%～0.15%的络合剂，1 d抗折、抗压强度均有明显提高，改善1d抗折强度的强弱顺序为：L1＞L2＞L3，改善 1d抗压强度的强弱顺序为：L2＞L1＞L3。对于L1与L2来说，随着其掺量的增大，强度呈先提高后降低的趋势，且均在掺量为0.12%时呈现最大值。而对于L3，在试验设计掺量范围内（0.05%～0.15%），呈均匀提高趋势，在掺量为0.15%时呈最大值。由于各试样的抗折强度相差不大，因此主要考虑抗压强度，最终确定掺加0.12%的L2作为络合剂，此时体系的1d抗压强度为77.80 MPa，较空白组提高了19.2%。

表5 络合剂种类和掺量对体系强度的影响

2.4 胶粉掺量对体系性能的影响

快速抢修用修补砂浆需要具有良好的拉伸粘结强度，相关文献[3-4]中早已验证了适量添加胶粉可以提升修补砂浆的拉伸粘结强度，但会明显降低砂浆的抗压强度。本试验在基本配比下，对比了VAE乳胶粉掺量（0、1%、2%）对体系拉伸粘结强度与抗压强度的影响，试验结果见表6。

表6 胶粉掺量对体系拉伸粘结强度和抗压强度的影响

由表6可以看出：

（1）未掺胶粉时，体系的 1、7、28 d粘结强度分别为 1.5、1.9、2.2 MPa；掺加1%和2%胶粉后，体系的拉伸粘结强度均有一定的提高，且2%胶粉掺量时体系的粘结强度高于掺量为1%的；对于本文中的快速抢修型修补砂浆，掺入胶粉与否，粘结强度差异并不明显，原因可能是：本文中砂浆体系的强度发展速度远高于常规的修补砂浆，而胶粉的加入增加了砂浆的粘度，气泡滞留在浆体内部，孔隙率提高，削弱了胶粉对于拉伸粘结强度的提升作用。

（2）未掺胶粉时，体系早期的抗压强度比较理想，后期抗压强度也有缓慢且稳定的提高。掺入胶粉后，早期抗压强度明显降低；掺入1%的胶粉，2h抗压强度低于40 MPa，1 d抗压强度为64.26MPa；掺入2%胶粉，1d抗压强度为53.07MPa，后期增长速率也比未加时减缓。胶粉掺量为1%、2%时，28d抗压强度分别为83.88、70.23 MPa，与空白组相比，分别降了10.0%和24.7%。综上所述，在本文中的快速修补体系中，不建议添加胶粉，未掺加胶粉时体系的抗压强度和拉伸粘结强度均较理想。

2.5 砂子级配对体系性能的影响

合理搭配骨料可以提高砂浆的抗压强度，改善砂浆的干燥收缩性能[5]。本文选取砂A与砂B，控制砂子的总量为39%～42%，研究了砂子级配对体系性能的影响，结果见表7。

表7 砂子级配对体系抗压强度和收缩率的影响

由表 7 可以看出，体系抗压强度的大小顺序：3＃＞1＃＞2＃，3＃试样的28 d抗压强度为96.12 MPa；各试样的1 d收缩率均小于0.02%，28 d收缩率均小于0.05%；收缩率的大小顺序：2＃＞1＃＞3＃，说明3＃试样的抗收缩性能较好。原因主要是3＃试样对应的砂子级配比较合理，改善了砂浆的孔结构，提升了抗收缩性能。3＃试样为18%的砂A+21%的砂B，经计算，在本体系中砂子的合理级配为：0.6～1.18 mm颗粒占55.9%，0.3～0.6 mm颗粒占43.4%，其它占0.7%。

2.6 最佳配比的确定

通过不断的改进与优化，最终研制出一种道路快速抢修用超早强修补砂浆，最优配合比见表8。按照JGJ/T 70—2009与GB/T 17671—1999对其性能进行测试，结果表明，制备的修补砂浆早期强度非常理想，后期28d抗压强度高于95 MPa，1 d粘结强度为1.5 MPa，28 d粘结强度为2.2 MPa，1 d收缩率小于0.02%，28 d收缩率小于0.04%。

表8 超早强修补砂浆的最优配合比

3 结语

本文研制了一种道路快速抢修用超早强修补砂浆，探究了影响体系性能的诸多因素，得出以下结论：（1）R·SAC42.5水泥的最佳用量为39%，P·O52.5水泥的最佳用量为16%；（2）缓凝剂酒石酸在本体系中的最佳掺量为0.06%；（3）掺入0.12%的络合剂L2，可以明显提升修补砂浆的强度；（4）掺入胶粉在本体系中显著降低抗压强度，对拉伸粘结强度的提升效果却不明显，因此不建议掺加胶粉；（5）确定了砂子的总掺量与合理的级配；（6）制备的快速修补砂浆综合性能优异，适用于各种交通基建道面的快速抢修，具有广阔的应用前景。