碱胶凝材料技术在混凝土专用薄层修复中的应用①

石明明

(安徽建筑大学城市建设学院，安徽 合肥 238076)

0 引 言

混凝土公路是我国最为常见的混凝土建筑，在全国交通中起着至关重要的作用[1]。随着经济的快速发展，私家车数量增多，交通量也大幅度上升，使得混凝土公路不可避免地出现不同程度的损坏，如断板、开裂、脱空、麻面、沉陷等。其中一些路面损坏比较轻微，仅需要对路面进行薄层修补和养护，就能再次投入使用[2]。混凝土公路薄层修复技术跟传统公路修复技术相比有着经济、便捷、省时等优点，但对修补材料有较高的需求[3]。有鉴于此，研究提出一种碱-偏高岭土-矿渣胶凝复合材料作为混凝土公路的薄层修补材料，该复合材料早期强度发挥快，凝固时间较短，同时拥有粘结性强、收缩率和污染性低等优点，是一种较为理想的绿色环保的修补材料。

1 碱胶凝材料在混凝土薄层修复的应用

1.1 碱胶凝材料的激发剂与缓凝剂

混凝土公路是我国道路交通的重要组成部分，而道路交通是否正常运转影响着人们的日常生活和经济发展[4-5]。由于投入使用的时间、交通量增大、天气状况等因素的影响，混凝土公路会无法避免地出现损坏，其中一些损坏比较微小，可以采用混凝土公路薄层修复技术进行修补[6]。

薄层修复技术的原理是利用修补材料和旧混凝土公路之间的粘结性，将修补材料填补在公路的损坏处，两者粘结成一个新的整体，因此对修补材料的强度、稳定性、粘结性以及造价等性能有较高的要求[7-8]。胶凝材料是指能从浆体变为固体，且能胶结其他物料的材料。碱胶凝材料，又被称为碱激发胶凝材料，是一种主要由具有急冷热历史的含铝硅酸盐的矿物或者工业矿渣和碱激发剂组成的水硬性胶凝材料。研究提出一种偏高岭土与矿渣的复合碱胶凝材料与水泥熟料结合，作为混凝土公路的薄层修复材料，并利用水玻璃，即硅酸钠溶液(Na2O·nSiO2)作为碱激发剂，广泛应用于土木建筑等领域。之使用水玻璃作为碱性剂而不是使用NaOH溶液的原因是，水玻璃中含有硅酸钠，而硅酸钠在水解后会产生氢氧化钠与硅胶。如果使用NaOH溶液作为碱激发剂，则仅有氢氧根离子催化矿渣中的玻璃体结构解体；而水玻璃中不仅有氢氧根离子，水化产生的含水硅胶还能与钙离子和铝离子发生化学反应，进一步促进矿渣的水解，故而使用水玻璃做碱激发剂能够使矿渣的水化过程加快，凝结所需时间缩短。研究所使用的水玻璃参数如图1所示，水玻璃的模数可用NaOH调整。

图1 水玻璃中主要物质含量

水玻璃溶液中含有大量的氢氧根离子，整体呈碱性环境，这会使碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料分解出大量的钙离子分布在水玻璃溶液中。这些钙离子会与硅酸根离子发生化学反应，生成C-S-H凝胶，使溶液的流动性快速流失，进而快速凝结。实验中，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料在4min时流动性慢慢降低，开始凝结；而实际的混凝土公路薄层修复过程比较复杂，其中包括和水、搅拌、筑模、铺筑、抹面等工序，耗费时间相对比较长，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料过早凝结无法满足实际修复情况，因此需要添加缓凝剂，以延缓碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料的凝结时间。综合参考了实际施工所需时间，并考虑到施工出现意外时所需的抢修时间，实验发现以0.5%的氯化钡和0.5%的硝酸钡作缓凝剂时，最符合实际操作情况。最终水玻璃与缓凝剂的混合溶液参数如表1所示。

表1 溶液参数

1.2 碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料参数

混凝土公路薄层修补材料，在收缩性、抗压强度、物理和化学的稳定性、粘结性、环保性、经济性等方面的性能要求比较高[9]。经验证发现，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料与水泥熟料的混合修补材料的配比为：矿渣45%、偏高岭土45%、水泥熟料10%，水玻璃模数为1时，修补材料的性能最佳，因此研究采用此配比材料进行试验。研究所用材料的参数如表2所示。

表2 原材料的化学成分

矿渣指的是冶炼生铁时废弃的粒化高炉矿渣。粒化高炉矿渣中含有氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化硅(SiO)、氧化铝(Al2O3)等氧化物，因此具有较高的活性。矿渣的活性大小一般是通过质量系数、活性系数和碱性系数来判定，三种系数越大，说明矿渣的活性越高。其中质量系数=通常用三种系数来评定矿渣的活性：质量系数=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)；活性系数=(Al2O3/SiO2)；碱性系数=(CaO+MgO)/(Al2O3+SiO2)。矿渣中氧化钙和氧化镁为碱性氧化物，氧化硅和氧化铝为酸性氧化物，将选用两者比值大于1的碱性矿渣作为材料。矿渣中的玻璃体有着两相的分相结构，其中一相是富含钙的连续相，称之为富钙相；另一相是富含硅的非连续相，称之为富硅相。由于氧化钙的Ca-O键和氧化镁的Mg-O键的键能比氧化硅的Si-O键的键能小很多，因此富钙相的水硬活性较高。矿渣玻璃体中各氧化物的化学键强度如表3所示。

表3 矿渣玻璃体中各氧化物的化学键强度

在碱性环境中，矿渣的中的富钙相被分解成钙和其他物质，接着钙与氢氧根离子发生化学反应进而再次溶解，其反应过程如式(1)。

2NaOH+≡Si-O-Ca-O-Si≡

→Ca(OH)2+2≡Si-ONa

(1)

富钙相被分解后，矿渣的玻璃体结构也随之发生解体，包含在富钙相中的富硅相会暴露出来，与氢氧根离子发生化学反应，如式(2)。

(2)

由上述内容可知，矿渣在碱性条件下，前期富钙相水化分解，然后包含在富钙相中的富硅相会暴露在碱性环境中进行水化分解，其水化产物会填补在富钙相的水化产物的空隙中。因此能提高碱-矿渣胶凝材料的致密性和强度。而在水玻璃的作用下，矿渣在水玻璃溶液中会形成大量的[SiO3(OH)2]2-离子，使硅酸根离子在氢氧根离子作用下的缩聚反应速度加快，从而使得矿渣拥有良好的胶凝性能。

高岭土的主要的构成物质是氧化铝和氧化硅，在600～900℃的煅烧下会得到无水硅酸铝，利用其分子排列不规则的特点，可以在碱性条件下激发其强度[10]。在碱性条件下，高岭土中的化学物质会与氢氧根离子发生反应，生成氢氧化铝和硅酸，形成混合胶体溶液，其化学式如式(3)。

(Na,K)2n(OH)3-Si-O-Al(OH)2-

O-Si-(OH)3

(3)

作为薄层修补材料，需要材料的收缩率尽可能小，而偏高岭土具有膨胀性，因此偏高岭土的参入能补偿矿渣水泥的收缩。此外，偏高岭土具有比较理想的体积稳定性，在碱性条件下的水化反应快，水化产物结构致密，化学性能稳定，拥有早、强的特点，因此十分适合作为混凝土路面的薄层修补材料。

2 三种薄层修补材料的性能对比

2.1 三种薄层修复材料的收缩率对比

混凝土在和水时会有放热反应，导致体积膨胀，在凝固时不再发生放热反应，因此体积会收缩。当混凝土发生收缩时，往往会有裂纹产生，使得混凝土建筑不美观的同时，还存在一定的安全隐患。混凝土薄层修复材料如果收缩率过大，会导致修复层开裂，修复层和原混凝土之间的粘结性降低，从而脱落。因此，收缩率是混凝土薄层修复材料的一个重要性能指标。为验证研究中提出的修复材料的性能，将碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料与水泥、碱-矿渣胶凝材料在3d、7d、28d、56d时的收缩率进行对比实验，将碱-矿渣胶凝材料记为材料1，水泥记为材料2，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料记为材料3，实验结果如图2所示。

由图2可知，碱-矿渣胶凝材料在3d、7d、28d、56d时的收缩率分别为0.60、0.62、0.64、0.63；水泥在3d、7d、28d、56d时的收缩率分别为0.54、0.58、0.70、0.74；碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料在3d、7d、28d、56d时的收缩率分别为0.31、0.34、0.36、0.37。碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料的收缩率最低值仅为31%，最高值为37%，均低于水泥和碱-矿渣胶凝材料。且碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料比碱-矿渣胶凝材料的收缩率平均低27.75%，比水泥平均低29.5%。以上结果说明，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料的收缩率较小，比较适合做混凝土薄层修补材料。

图2 各修补材料随天数的收缩率

2.2 三种薄层修复材料的抗压强度对比

除了收缩率以外，抗压强度(compressive strength)也是混凝土薄层修复材料的一个重要指标。抗压强度是指材料能够承受的外部施加压力的强度极限。今年来交通量越来越大，车流量越来越多，如果修复材料的抗压强度不达标，会导致修复的混凝土公路很快就再次破损，需要再次修复，浪费人力物力。因此需要薄层修复材料的最终抗压强度达到一定标准，才能通车。除了强度要求外，为了尽快恢复交通，让人们方便出行，还需要材料能尽早有较高的抗压强度，即早强性能。将碱-矿渣胶凝材料记为材料1，水泥记为材料2，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料记为材料3，对几种材料在1d、3d、7d、28d时的抗压强度进行实验探究，实验结果如图3所示。

由图3可知，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料在相同时间段的抗压强度都高于水泥和碱-矿渣胶凝材料。在前7d，三种材料的抗压强度随着时间的增加而增加，在7到28d，三种材料的抗压强度均有所下降，但下降不多。在第7d时，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料的抗压强度达到最大值，为67.4MPa；而同时间的碱-矿渣胶凝材料的抗压强度为62.4MPa，比碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料低5.2MPa；水泥则是54.6MPa，比碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料低12.8MPa。从图4可以看出，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料能更早地达到更大的抗压强度，符合对混凝土薄层修复材料早强的性能期望，是一种比较理想的材料。此外，碱-矿渣胶凝材料的抗压强度也比较理想，但相比碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料仍要略差一些。

2.3 三种薄层修复材料的修复效果

吸水率是用来表示材料在常规气压下规定时间内的吸水量，能够作为建筑材料的评估依据。吸水率的大小通常决定于材料的孔隙度的大小，孔隙度越大，吸水率越大，反之则越小。当材料的吸水率大时，说明材料内部和表面的裂缝较多，有害物质更容易侵入，修复的混凝土公路的路面就更容易发生开裂、脱落、起壳等病害，影响道路美观和使用寿命。研究以道路开裂前和修复前的吸水率为对照，对三种材料修补后的道路薄层吸水率进行实验探究，图4为三种材料的吸水率实验结果。

图4 各材料的吸水率

由图4可以看出，在开裂后，混凝土公路的吸水率急剧上升，在40h后达到了0.13g/cm2。修复后混凝土公路的吸水率降低，但与开裂前仍有一定差距，其中碱-矿渣胶凝材料修复后的混凝土公路吸水率与开裂前的吸水率最为接近，在40h时，两者的吸水率几乎相同，为0.02g/cm2。以上结果说明碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料的修复效果最好，能使混凝土公路几乎恢复到开裂前的状况，能有效地填补裂缝，延长道路的使用寿命。综上所述，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料是一种理想的用于混凝土薄层修补的材料。

3 结 语

混凝土建筑是我国最常见的建筑，混凝土公路则是其中的代表。混凝土公路经常会产生病害，而一些病害比较微小，仅需要对其进行薄层修复。研究提出一种碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料，与水泥熟料结合作为修复材料。实验结果表明，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料的收缩率最低值仅为31%，最高值为37%，比碱-矿渣胶凝材料的收缩率平均低27.75%，比水泥平均低29.5%；碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料的抗压强度最高为67.4MPa，比碱-矿渣胶凝材料高5.2MPa，比水泥高12.8MPa；经碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料修复后的混凝土公路吸水率在40h后达到了0.13g/cm2，几乎能恢复到开裂之前，修复效果比较理想。以上结果说明，碱-偏高岭土-矿渣胶凝材料能够较好地实现混凝土薄层的修复，为人们的日常出行提供便利。但对该材料的缓凝性尚未进行深入研究，未来需要进一步探索。