湿法喷射高强高耐久复合砂浆试验研究

2021-09-03邹伟吴文选周壮李国权柯伟席纪宪坤

新型建筑材料 2021年8期

邹伟，吴文选，周壮，李国权，柯伟席，纪宪坤

（武汉源锦建材科技有限公司，湖北武汉 430083）

0 前言

我国建国以来兴建的大量地下砖砌、混凝土或砖混结构排污管道现在都接近或超过设计基准期，有相当一部分排污管道因结构老化、年久失修或腐蚀破坏而屡次引起地面塌陷和污水泄漏等事故，给安全带来了巨大的威胁，亟需加固和改造。

复合砂浆钢筋网加固技术是在原有结构表面绑扎钢筋网或钢丝网，表面喷射复合砂浆作为保护和锚固材料，让其与原结构保持整体共同工作，以提高构件承载力的一种加固技术[1]。这种加固技术具有成本低、施工效率高、应用面广泛、耐久性和耐腐蚀性优良等特点[2-4]。自从Romualdi[5]和Irons[6]首先把钢丝网砂浆加固技术引入到工程修复领域以来，国内外众多学者开始对这项技术展开深入研究。近年来，该加固法也开始在砌体结构的修复加固中使用[7-8]，但研究重心主要集中在加固钢筋混凝土的受弯构件上[9-10]，对加固技术所使用的复合砂浆的研究相对较少。本文从复合砂浆材料自身出发，通过不同种类掺合料和膨胀剂的掺入研究了其对复合砂浆力学性能、抗渗性能以及体积稳定性的影响，为恶劣工况下地下污水管道修复使用的高强、高耐久复合砂浆提供一定的参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥（C）：武汉华新P·O52.5水泥；水（W）：符合JGJ63—2006《混凝土用水标准》要求；微珠粉（WZ）：深圳道特；无水石膏粉（SG）：含山恒泰；矿粉（KF）：武钢武新S140活性超细矿粉；氧化镁膨胀剂（EA1）、氧化钙-硫铝酸钙国标Ⅱ型膨胀剂（EA2）：武汉三源；河砂（S）：连续级配，细度模数2.6，最大粒径不超过1 mm；聚酯纤维（F）：盐城恒固，长度6 mm；萘系减水剂（WR）：万山；其他功能助剂（FU）：具体组成为1份保水剂、6份触变润滑剂、6份调凝剂、12份黏度改性剂。部分原材料的化学成分见表1，水泥的物理力学性能见表2，微珠粉和超细矿粉的物理性能见表3。

表1 水泥、掺合料和膨胀剂的化学成分 %

表2 水泥的物理力学性能

表3 微珠粉和矿渣粉的物理性能

1.2 试验配比（见表4）

表4 复合砂浆的试验配合比

1.3 试验方法

按照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度试验标准》测试复合砂浆的流动度；按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试复合砂浆的1、7、28 d抗折和抗压强度；按照JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行体积稳定性试验；按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗氯离子渗透试验（电通量法）。

2 试验结果及分析

掺合料和膨胀剂分别按不同质量百分比内掺取代水泥，对复合砂浆性能的影响见表5。

表5 掺合料和膨胀剂对复合砂浆性能的影响

2.1 掺合料和膨胀剂对复合砂浆流动度的影响

由表5可以看出：微珠粉、石膏粉和氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂的掺入能不同程度增大复合砂浆的流动度，其中微珠粉的改善效果最显著。这是因为这类掺合料或膨胀剂的需水量比普通硅酸盐水泥小，内掺取代水泥时浆体流动性会有所改善，而微珠粉的“滚珠效应”对流动性的改善则更为显著。超细矿粉和氧化镁膨胀剂的掺入降低了复合砂浆的流动性，这是由于活性超细矿粉和氧化镁膨胀剂比表面积较大，更易包裹水分导致的。

2.2 掺合料和膨胀剂对复合砂浆力学性能的影响

由表5可以看出：

（1）微珠粉、硬石膏粉和超细矿粉的掺入都降低了复合砂浆1 d抗折强度，且随着掺量的增加，1 d抗折强度都呈下降趋势，而7 d和28d抗折强度与对照组持平或明显高于对照组。这说明掺合料内掺取代水泥后降低了复合砂浆的早期水化活性，而后期由于微珠粉和超细矿粉的火山灰活性和填充效应以及硬石膏促进了钙矾石的生成等原因改善了水泥石结构，使抗折强度得到提高。另外，硬石膏粉的掺入能明显提高复合砂浆的28 d抗折强度，而超细矿粉的掺入能明显提高复合砂浆的7 d抗折强度，但28 d抗折强度出现倒缩。这是因为石膏对复合砂浆体系强度的发展有至关重要的作用，在一定掺量范围内，复合砂浆的抗折强度随硬石膏粉掺量的增加而提高[11]，而超细矿粉7 d之前的水化活性得到了充分的发挥，7～28 d的水化活性增长趋势逐步放缓。氧化镁膨胀剂的掺入对复合砂浆抗折强度影响不大，而氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂对复合砂浆抗折强度的影响显著，当掺量达到6%时，抗折强度出现断崖式下降，这是由于氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂超掺、膨胀能过大使得复合砂浆试块内部结构破坏导致的。

（2）不同掺合料和膨胀剂掺量对复合砂浆不同龄期抗压强度的影响与其对抗折强度的影响趋势基本一致，值得注意的是，超细矿粉和硬石膏粉分别掺入复合砂浆时，掺入超细矿粉的砂浆28 d抗折强度出现倒缩的情况下抗压强度仍有大幅度提高，这说明超细矿粉的掺入在提高复合砂浆抗压强度的同时并没有改善抗折性能；而硬石膏粉的掺入在明显改善复合砂浆抗折性能的同时，抗压强度发展趋势也基本正常。综上所述：掺入适量硬石膏粉对复合砂浆力学性能的改善具有明显的作用，但掺量超过一定值时，复合砂浆的力学性能呈下降趋势。

2.3 抗氯离子渗透性能

由表5可见，微珠粉的掺入降低了复合砂浆的28 d电通量，提高了抗氯离子渗透性能，这与相关文献中粉煤灰等掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的研究结果一致[12]。而硬石膏粉的掺入能大幅降低复合砂浆的28 d电通量，掺量为6%时复合砂浆电通量仅为187.2 C，对复合砂浆抗氯离子渗透性能提升效果显著。超细矿粉和氧化镁膨胀剂的掺入反而使复合砂浆的电通量高于对照组，降低了复合砂浆的抗氯离子渗透性能。4%掺量范围内的氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂也能降低复合砂浆的电通量，当掺量达到6%时，复合砂浆的电通量超过1400 C，抗氯离子渗透性能急剧下降。这与6%掺量氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂使强度急剧下降有关。

2.4 体积稳定性

不同掺合料和膨胀剂对复合砂浆体积稳定性的影响如图1所示。

图1 不同掺合料和膨胀剂复合砂浆的干燥收缩曲线

从图1可以看出，微珠粉的掺入对降低复合砂浆28d干缩率没有明显效果，而硬石膏粉、超细矿粉和2种膨胀剂的掺入均能不同程度降低复合砂浆28d干缩率。硬石膏粉掺量为2%时，复合砂浆的28 d干缩率为-0.154%，达到最小；硬石膏粉掺量为4%和6%时，复合砂浆28 d干缩率分别为-0.159%和-0.161%。超细矿粉、氧化镁膨胀剂和氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂对复合砂浆干缩率发展趋势的影响基本一致，随其掺量的增加，复合砂浆的28 d干缩率均逐渐减小，三者掺量均为6%时，对应复合砂浆28 d干缩率分别为-0.153%、-0.149%和-0.085%。对比复合砂浆14～28 d干缩率发展趋势可以看出，掺入6%氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂时，复合砂浆28 d干缩率比14 d干缩率大，而其他曲线均为降低趋势。这是因为氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂超掺使复合砂浆干缩试块内部结构破坏所导致。