一种混凝土快速修复材料的组成设计研究

王 慧

(中建安装集团有限公司，江苏 南京 210023)

由于其良好的加工性能和抗压强度，水泥混凝土材料广泛应用于当前土木工程各领域。但由于其体积稳定性及抗拉强度不良，使其在温、湿度条件变化时，变形较大，易产生裂缝；在弯折荷载作用下，易发生破坏；在冻融作用下，其表层易脱落。这些不良破坏均可导致混凝土的整体性能变差，其有效服役寿命降低。

混凝土实体裂缝，可以采用压注修复浆体的方法弥合。路面、机场跑道、停车场等工程，由于混凝土受冻融破坏，表层容易脱落，石子裸露，使混凝土的耐久性能进一步下降，这些水平面缺陷，可以采用自流平修复材料修复。为便于泵送、压注，同时为达到免振密实，所以用于修复的浆体流动性要求较高。另外，路面等交通工程需要短时间修复完毕，加快修复材料硬化速度，以缩短窗口期限。一般认为，公路修补4～6 h后抗压强度至少达到20 MPa、抗折强度不小于3.5 MPa，才能保证通车[1]，这就要求修复材料强度发展速度较快。

当前用于快速修复的材料有无机水泥类修补材料、有机修补材料、有机无机混合料[2],其中无机水泥类材料与既有结构混凝土粘结强度低、韧性差，有机修补材料耐老化性能差、价格昂贵、有些材料组分有毒性、不易推广。有机无机复合类修复材料兼有无机水泥类和有机类修复材料的优点，克服二者缺点。本研究即采用无机有机复合技术路线，研制流动性良好、强度发展速度快、高强度快速修复材料。

1 试验原材料

1.1 硫铝酸盐水泥熟料

硫铝酸盐水泥具有高早强、耐蚀性好等性能，多适用于抢修工程[3]。本研究所用无机胶结料为硫铝酸盐水泥熟料，河北的唐山北极熊建材有限公司生产，其物理性能和化学组成分别见表1和表2。

1.2 细骨料

表1 水泥熟料物理性能

表2 水泥熟料化学组成 %

本研究所用细骨料采用天然砂和石英砂。其中天然砂有两种，分为Ⅱ区天然砂和Ⅲ区天然砂，其粒径均小于4.75 mm。Ⅱ区天然砂的堆积密度为1 600 kg/m3，Ⅲ区天然砂的堆积密度为1 500 kg/m3，石英砂为18～30目。天然砂产地河北石家庄，石英砂由河北灵寿县永顺矿产品加工厂生产。

1.3 石膏

石膏由石家庄双乾建材有限公司生产。

1.4 外加剂

减水剂为巴斯夫2651F，减水率为30%，南京耀杰节能有限公司生产；早强剂主要成分为甲酸钙，山东泰合瑞化工科技有限公司生产；缓凝剂主要有效成分为葡萄糖酸钠，江苏常州耀圣美环保科技有限公司生产；消泡剂为明凌AGITANRJP803粉末消泡剂，北京万图明科技有限公司生产。

1.5 乳液

试验研究所用乳液为实验室合成，有聚丙烯酸酯乳液、聚丙烯酸酯—聚氨酯共聚乳液、聚丙烯酸酯+聚氨酯机械混合乳液(混合质量比1∶1)。

2 试验方法

修复所用浆体流动性检测参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077-2000)执行。

修复材料硬化体各龄期的抗折、抗压强度检测参照《水泥胶砂强度试验》(GB/T17671-1999)执行。

3 试验安排与结果

3.1 单因素试验

采用单因素试验，确定浆体水灰比、石膏掺量(占水泥百分比)、减水剂掺量、早强剂掺量、缓凝剂掺量及消泡剂掺量。

首先变化浆体水灰比测试浆体流动性(扩展度)，结果见图1。由图1可知，水灰比在0.28～0.30浆体流动性较大，故后继试验采用水灰比(浆体中的水与水泥用量比)为0.30。

采用水灰比为0.30。变化石膏掺量(石膏用量/(石膏+无水硫铝酸盐水泥熟料与石膏用量))制备浆体，标准养护至1 d，测试净浆硬化体强度，结果见图2。

图1 水灰比对净浆流动性的影响 图2 石膏掺量对浆体硬化体1 d抗压强度的影响

固定水灰比为0.30、石膏掺量6%，变化减水剂掺量，搅拌浆体，测试其流动扩展度，结果见图3。

固定水灰比为0.30、石膏掺量6%、减水剂掺量1.5%，变化早强剂掺量，搅拌浆体，标养4 h、1 d后测试硬化体强度，结果见图4。

图3 减水剂掺量对浆体流动性的影响 图4 早强剂对浆体硬化体抗压强度的影响

固定水灰比为0.30、石膏掺量6%、减水剂掺量1.5%、早强剂掺量1.0%，变化缓凝剂掺量，搅拌浆体，测试浆体初凝时间，结果见图5。

图5 缓凝剂对初凝时间的影响

固定水灰比为0.30、石膏掺量6%、减水剂掺量1.5%、早强剂掺量1.0%、缓凝剂掺量0.12%，变化消泡剂掺量，搅拌浆体，测试浆体硬化体1 d强度，结果见图6。

图6 消泡剂对1 d抗压强度的影响

由上述试验，确定水灰比为0.30，石膏掺量为6%，减水剂1.5%，早强剂1%，缓凝剂0.12%，消泡剂0.10%。以此为基本条件，后继试验经正交设计确定浆体最佳组成。

3.2 正交设计试验

选取灰砂比(A)、骨料品种(B)、乳液品种(C)、聚灰比(聚合物用量(折合固态)/水泥用量)(D)为因素，研究上述条件对修复材料浆体流动扩展度、硬化体强度(4 h、1 d)的影响。因素水平见表3。

表3 因素水平表

选用L934正交表[4]安排试验：根据正交试验设计，计算出试验各原材料所需量；为了确保试验最终结果的准确性，每一组试验重复进行3次，以进行误差分析。每组试验材料用量见表4。

严格按表4的各材料用量拌制浆体，测试浆体的流动扩展度、不同龄期(4 h、1 d)抗折及抗压强度，试验结果见表5及表6。

分别计算不同指标的功效系数[5]，进而计算总功效系数，结果见表7。

表4 正交试验各组分的实际用量 g

表5 修复材料浆体流动性能测试结果

3.3 试验结果

对表7数据进行极差分析，极差分析结果见表8。由极差分析结果可知，因素D(聚灰比)对综合指标影响程度最大，C因素(乳液种类)次之，A因素(灰砂比)更次，B因素(骨料品种)最次。综合指标较好的因素水平组合是：D1C2A2B1，具体条件为：聚灰比3%、乳液品种聚丙烯酸酯-聚氨酯共聚物、灰砂比1∶1.3、骨料品种Ⅱ区天然砂。

4 结束语

对最优试验条件组合D1C2A2B1进行验证试验，结果表明：采用聚灰比3%、聚丙烯酸酯-聚氨酯共聚物、灰砂比1∶1.3、Ⅱ区天然砂、水胶比0.30、石膏掺量6%、减水剂1.5%、早强剂1%、缓凝剂0.12%、消泡剂0.1%制备的快速修复材料浆体流动扩展度达310 mm，浆体硬化体4 h抗折强度达6.90 MPa，4 h抗压强度达37.0 MPa，1 d抗折强度达11.42 MPa，1 d抗压强度达68.8 MPa，完全适用于道路、广场快速修复。

表6 各龄期修复材料浆体硬化体强度 MPa

表7 各指标功效系数及总功效系数

表8正交设计极差分析结果