水利工程常用水泥类型快速修补材料的性能试验分析

毕冬旭

(辽宁泽成水利工程检测服务有限公司，辽宁 新民 110300)

当前，水利工程常用的水泥快速修补材料得到学者的广泛关注和研究[1-5]，通过这些研究可知，用于水利工程水泥快速修补的材料主要分为3类，第一类主要为传统水泥为基础的无机材料[6]，第二类为主要为以环氧树脂及沥青为主的有机材料[7]，第三类主要以有机聚合物为主的材料[8]。第一种水泥材料需要严格的养护措施且强度总体偏低，第二种材料相融合的特性较差，容易老化且耐久性能较差，第三种材料早期的耐久性和强度都要低于其他两种修补材料。常用的传统水泥修补材料不能较好的满足水利工程的快速修补需求，亟需要对新的水泥修补材料进行分析。近些年来，硅酸盐水泥通过化学反应得到黏胶性能较好的材料，在重金属固化中得到广泛应用[9-10]，但是这种特性材料在水利工程的快速修补中还未得到相关应用，为解决水利工程水泥快速修补材料的需求，进行硅酸盐水泥快速修补材料的性能，分析其凝结和抗压特性，为水利工程快速修补材料的研究提供重要的参考价值。

1 试验材料及配比方案

按照石灰质原料占比80%，黏土质原料比例为10%，铁质、硅质、铝质原料作为校正原料，占比为5%，矿化剂、晶种、助磨剂作为外加剂的占比为5%，4种原料进行组合配比得到硅酸盐水泥，其中石灰质原料可选用泥灰岩，其中高钙泥灰岩中Cao的占比为45%，KH>0.95，与黏土进行混合配比。主要的配比参数见表1。

表1 硅酸盐水泥主要原料的配比参数值 单位：%

2 试验结果

2.1 砂浆配合比的确定

首先对不同类型水泥的砂浆配合比进行试验分析，各类型水泥不同水胶比下的抗压强度试验结果见表2—3，并对各类型下不同龄期下的抗压强度进行分析，分析结果如图1所示。

对比分析2种类型水泥在同一龄期的抗压性能，从试验结果可看出，2种类型水泥的砂浆总体水胶比在1.0之内，硅酸盐水泥和普通水泥的水胶比最高比值分别为0.4和0.51，此时对应的2种水泥类型的抗压强度在35～75MPa之间，2种水泥类型的抗压强度均在60～80MPa的范围内，抗压强度较为均衡。从图1可看出，2种类型水泥在不同水胶比下随着龄期的增加，其抗压强度逐步增加，变化较为一致。普通水泥砂浆的水胶比总体要高于硅酸盐水泥砂浆的水胶比。

表2 硅酸盐水泥不同时间抗压强度试验结果 单位：MPa

表3 普通水泥不同时间抗压强度试验结果 单位：MPa

2.2 凝结时间与流动度对比结果

在砂浆配比确定的基础上，对不同类型各水胶比下的凝结时间及流动度进行试验分析，试验结果如图2所示。

从图2中可以看出，硅酸盐水泥在较小的水胶比时其流动度明显好于普通水泥材料，从而可以分析出硅酸盐水泥的需水量要低于普通的水泥材料，其各类型水泥下随着水胶比的增加，其流动度呈现明显的递增变化趋势。从各类型水泥凝结时间分析数据可看出，硅酸盐水泥的凝结时间要明显短于普通水泥材料，硅酸盐水泥的凝结时间可控制在20min之内。因此可看出，可以通过调整硅盐酸水泥的水胶比来调整其凝结的时间。硅酸性水泥优越的流动性能以及快速的凝结时间使其可以成为水利工程较快速的修补材料。

2.3 抗压强度与凝结强度对比结果

抗压强度与凝结强度是其主要特性，因此结合试验分析，对不同龄期各类型水泥的抗压强度以及凝结强度进行试验分析，分析结果如图3所示。

图1 不同类型水泥水胶比与抗压强度对比结果

图2 不同类型水泥凝结时间与流动度特性对比试验结果

图3 不同龄期各类型水泥抗压强度和凝结强度对比试验结果

图4 不同龄期各类型水泥收缩率和耐久强度对比试验结果

从图3可以分析出，在22d的龄期下，各类型水泥的抗压强度总体较为一致，且变化趋势较为相同，硅酸盐水泥随着龄期的增加，其抗压强度总体变化趋势要高于普通水泥，其初期的抗压强度为32.35MPa，早期的抗压强度较大。从各类型水泥的凝结强度试验结果可看出，在早期还是后期，硅酸盐水泥的凝结强度均要高于普通水泥，早期其凝结强度为1.65MPa，相比普通的水泥，硅酸盐水泥的凝结性更佳。

2.4 收缩率与耐久度对比结果

对比分析了不同类型水泥在各龄期段的干缩以及耐久特性，试验分析结果如图4所示。

从图4中可看出，相比于普通水泥砂浆，其22d内的干缩压变降低65.7%，而耐久强度即为水泥砂浆的抗磨冲刷强度，其强度提高35.7%。从其收缩率变化过程可看出，硅酸盐水泥的收缩率在各龄期都要高于普通水泥，可见硅酸盐水泥的干缩体积稳定性要好于普通水泥，对于水利工程修补材料而言，更为稳定。从耐久度分析结果可看出，硅酸盐水泥的耐久程度明显好于普通水泥，随着龄期的逐步增加，其耐久度的变幅也逐步在增加，达到22d稳定期内其耐久度之间的变幅达到最大。

2.5 不同龄期水泥变形及抗冻试验结果

对不同龄期各水泥类型的变形特性及抗冻性能进行试验分析，试验分析结果见表4—5。

从表4中可看出，相比于普通水泥，硅酸盐水泥3、11、22d静力抗压弹性模量分别下降31.2%、28.5%、24.4%，抗拉弹性模量下降比例分别为14.5%、16.6%、22.3%，而相比于普通水泥，硅酸盐水泥的抗拉强度则分别提高43.7%、25.5%、20.8%，其极限拉伸值分别提高27.6%、29.6%及28.4%，硅酸盐水泥的力学特性明显好于普通水泥。从表5可看出，经过90次冻融循环试验后，硅酸盐水泥的质量损失率为0.13%，相对弹性模量经过110次冻融循环试验后为55.5%，其冻融循环试验下的抗冻性能较高，从2种类型水泥的冻融循环试验可看出，2种水泥下的抗冻性能较为接近。相比于普通水泥，硅酸盐水泥的抗磨冲刷强度提高35.7%。

3 试验结论

(1)硅酸盐水泥的需水量、凝结时间以及干缩性能都要好于普通水泥，且在早期5h以内，其砂浆的抗压强度最佳，小时凝结性能最佳，水利工程快速修补施工性能最优。

表4 各类型水泥不同龄期变形特性试验分析结果

注:GSY表示硅酸盐水泥；PTS表示为普通水泥

表5 各类型水泥22d内抗冻特性试验结果 单位：%

注:GSY表示硅酸盐水泥；PTS表示为普通水泥

(2)硅酸盐水泥随着水胶比的增加，其强度逐步降低，当砂浆水胶比达到0.26后强度变化较小，在具体施工过程中，应控制水胶比从而调整硅酸盐水泥的凝结时间。

(3)本文主要对比两种常用水泥材料的主要性能，对于其他类型水泥还未进行深入探讨，比如磷酸镁水泥材料，在以后的研究中，还需要进一步分析更多类型的快速修补的水泥材料。