硫铝酸盐水泥基超早强快速修补材料力学性能的试验研究

郭金波

(1.辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心 沈阳市 110111； 2.辽宁大通公路工程有限公司 沈阳市 110111)

严寒地区冻融和盐冻环境作用以及重载的现象频繁发生加速了桥梁桥面混凝土铺装、桥梁伸缩缝等结构的破坏。硫铝酸盐水泥以其早强、快硬和耐久性好等特点被广泛应用于道路、机场市政道路的修补、抢修工程[1-2]。研究了胶砂比、水胶比、缓凝剂、早强剂对硫铝酸盐水泥基超早强快速修补材料的力学性能影响，通过调整胶砂比、水胶比、缓凝剂以及早强剂的用量，使硫铝酸盐水泥基超早强快速修补材料的工作性满足施工要求，同时具备较优良的力学性能，能够在修补后4h实现快速开放交通。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥： 42.5级快硬硫铝酸盐水泥，唐山北极熊建材有限公司生产。

细骨料： 40～70目、20～40目两种石英砂，混合比例1∶1，辽宁省辽阳市。

粉煤灰： I级粉煤灰，辽宁省铁岭市电厂生产。

减水剂： 2651聚羧酸高效减水剂，巴斯夫化学建材有限公司生产。

缓凝剂：葡萄糖酸钠(工业级)，含量>99%，吴江市鑫茂精细化工有限公司生产；酒石酸(工业级)，含量>99%，苏州康南精细化工有限公司生产；柠檬酸钠(工业级)，含量>99%，常州万郎科技化工有限公司生产。

早强剂：碳酸锂(工业级)，含量>99%，上海欧金实业有限公司生产。

1.2 试验配合比

采用1∶1、1∶1.2、1∶1.5胶砂比进行对比试验研究；通过优选出的最佳胶砂比，采用0.28、0.30、0.32水胶比进行对比试验研究；酒石酸：葡萄糖酸钠：柠檬酸钠三种缓凝剂复配比例为1∶1∶0.1；碳酸锂的掺量为胶凝材料总质量的0.2%。K0组胶砂比为1∶1，水胶比为0.30；K1组在K0组基础上掺加了缓凝剂；K2组在K0组基础上掺加了缓凝剂和早强剂。

1.3 试验方法

抗压强度、抗折强度测试按照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671-1999)执行。试验养护条件为20℃±1℃水中养护。净浆流动度检验参照《水泥基灌浆料技术规范》(GB/T 50448-2008)进行。

2 结果与讨论

2.1 胶砂比对硫铝酸盐水泥基修补材料力学特性的影响

图1 胶砂比对硫铝酸盐水泥基修补材料抗压强度的影响

图2 胶砂比对硫铝酸盐水泥基修补材料抗折强度的影响

图1和图2分别为不同胶砂比对硫铝酸盐水泥基修补材料抗压强度和抗折强度的影响。由图1和图2可以看出，随着胶砂比的逐渐增大，硫铝酸盐水泥基修补材料的抗压强度、抗折强度逐渐增加。胶砂比为1∶1时，硫铝酸盐水泥基修补材料的4h、1d、7d、28d抗压强度达到最高，分别为30.4MPa、34.4MPa、51.7MPa、58.8MPa，抗折强度为5.8MPa、6.4MPa、7.1MPa、8.4MPa。硫铝酸盐水泥水化后快速生成钙矾石，是硫铝酸盐水泥快凝、早强(4h可达最终强度50%以上，1d强度可达最终强度85%以上)的主要原因[1]。胶砂比逐渐增加，胶凝材料用量逐渐增加，水化产物中的钙矾石量逐渐增多，这是随着胶砂比的逐渐增大，硫铝酸盐水泥基修补材料的抗压强度、抗折强度逐渐增加的主因。《公路工程水泥混凝土用快速修补材料第一部分：水泥基修补材料》要求CRRM-Ι型修补材料开放交通时1d抗压强度≥30.0MPa,抗折强度≥4.5 MPa。因此选取胶砂比1∶1为最佳胶砂比。

2.2 水胶比对硫铝酸盐水泥基修补材料力学特性的影响

图3 水胶比对硫铝酸盐水泥基修补材料抗压强度的影响

图4 水胶比对硫铝酸盐水泥基修补材料抗折强度的影响

图3和图4分别为不同胶砂比对硫铝酸盐水泥基修补材料抗压强度和抗折强度的影响。由图3和图4可以看出，随着水胶比的逐渐增大，硫铝酸盐水泥基修补材料的抗压强度、抗折强度逐渐降低。水胶比为0.28时，硫铝酸盐水泥基修补材料的4h、1d、7d、28d抗压强度达到最高，分别为34.2MPa、38.6MPa、53.6MPa、62.3MPa，抗折强度为6.5MPa、6.9MPa、7.5MPa、8.9MPa。水胶比低于0.3时，水胶比稍许降低就能使抗压强度大幅度提高。这一现象主要归因于水胶比很低的情况下，界面过渡区的强度显著改善，而且水胶比低的情况下，水化产物的晶体尺寸要小得多，表面积也大得多[3]。兼顾修补材料的抗压强度和工作性，选择水胶比0.30为最佳水胶比。

2.3 缓凝剂复合早强剂对力学特性的影响

硫铝酸盐水泥水化速度较快，初凝与终凝间隔短，为了使硫铝酸盐水泥基修补材料的工作性满足施工要求。笔者在硫铝酸盐水泥基修补材料中掺加了适量的缓凝剂、缓凝剂复合早强剂，采用水胶比0.3、胶砂比1∶1配合比为基准组，进行了净浆流动度和力学性能试验研究。图5和图6分别为不同胶砂比对硫铝酸盐水泥基修补材料抗压强度和抗折强度的影响。根据工程经验硫铝酸盐水泥基修补材料的净浆流动度保持时间应该不小于20min。

表1 掺加缓凝剂复合早强剂各组的净浆流动度

由表1可以看出K0组净浆流动度损失非常快，20min的流动性损失差值达到了220mm，10min后迅速损失，流动性变差。而掺加了复合缓凝剂的K1组，流动度保持良好，20min的流动性损失差值仅为120mm，20min后仍具备良好的流动性。缓凝剂延缓了硫铝酸盐水泥的水化进程，为了不降低修补材料体系的早期抗压强度，保证4h能够开放交通，在K1的基础上复合了少量的早强剂，可以看出初始和20min后的损失值与K1组基本相同。

图5 掺加缓凝剂复合早强剂对硫铝酸盐水泥基修补材料抗压强度的影响

图6 掺加缓凝剂复合早强剂对硫铝酸盐水泥基修补材料抗折强度的影响

图5和图6分别为掺加缓凝剂复合早强剂对硫铝酸盐基水泥修补材料抗压强度和抗折强度的影响。由图5和图6可以看出，K1组显著改善修补材料工作性能的同时，降低了体系的抗压强度和抗折强度。李艳超等人研究表明[4]，缓凝剂对混凝土的作用主要是物理作用，即它们不参与水泥的水化反应，也不产生新的水化产物，只是在不同程度上减缓(甚至停止)水泥水化反应的进程。柠檬酸和葡萄糖酸钠以不同掺量与减水剂复掺时，可大幅度提高水泥浆体的流动性，延长凝结时间，但对水泥强度有一定不利影响。K2组在保证K1组的同等工作性的条件下，通过使用早强剂提高了修补材料各龄期的抗压和抗折强度，使修补材料的力学性能能够满足快速开放交通的要求。

3 结论

(1)随着胶砂比的逐渐增大，硫铝酸盐水泥基修补材料的抗压强度、抗折强度逐渐增加。胶砂比为1∶1时，硫铝酸盐水泥基修补材料的4h、1d、7d、28d抗压强度达到最高，分别为30.4MPa、34.4MPa、51.7MPa、58.8MPa，抗折强度为5.8MPa、6.4MPa、7.1MPa、8.4MPa。

(2)随着水胶比的逐渐增大，硫铝酸盐水泥基修补材料的抗压强度、抗折强度逐渐降低。水胶比为0.28时，硫铝酸盐水泥基修补材料的4h、1d、7d、28d抗压强度达到最高，分别为34.2MPa、38.6MPa、53.6MPa、62.3MPa，抗折强度为6.5 MPa、6.9 MPa、7.5MPa、8.9 MPa。

(3)掺加了适量缓凝剂的硫铝酸盐水泥基修补材料的流动度保持良好，20min的流动性损失差值仅为120mm，20min后仍具有良好的流动性。但早期力学性能不能满足快速通车要求，还需要复合0.2%的早强剂，以保证硫铝酸盐水泥基修补材料具有良好的工作性和力学性能。