硫铝酸盐水泥对高抗蚀复合海工修复材料性能的影响

申全军，李召峰，孟祥龙，商红发，王衍升，张 明

（1.山东高速集团有限公司创新研究院，济南 250101；2.山东大学岩土与结构工程研究中心，济南 250012；3.山东高速集团有限公司，济南 250101）

随着海洋强国战略的实施和沿海地区经济的快速发展，提升海洋经济占比已成为沿海地区实现产业结构升级、助推区域经济多元化立体发展的重要举措。2009-2018年，我国海洋工程累计10 400 项，累计用海面积为302 490 hm。港珠澳大桥、胶州湾跨海大桥、杭州湾跨海大桥、厦门翔安海底隧道、胶州湾海底隧道等海洋工程对我国沿海及海洋经济的发展起到了巨大的推动作用。

复杂海洋环境下，构筑物受到海浪冲刷、离子侵蚀和干湿循环多重因素交替作用，混凝土会发生严重的腐蚀，极易发生表层脱落、钢筋锈蚀等问题，严重影响构筑物结构的安全可靠性。据统计，我国钢筋码头混凝土的平均寿命仅有25年，腐蚀严重。随着沿海地区经济发展，大量的跨海大桥、大型港口和海上作业平台快速建设。因此，研发高抗蚀海工修复材料对于海洋工程安全和经济快速发展具有重要作用。本文主要以普通硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合修复材料为研究对象，分析了硫铝酸盐水泥掺量对复合水泥凝结时间、流动性、粘接性能和力学强度等的影响，明确了硫铝酸盐水泥对修复材料的改性机理。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

本试验采用山东山水水泥集团生产的42.5 普通硅酸盐水泥（OPC）和中国联合水泥集团生产的42.5快硬硫铝酸盐水泥（SAC），两种水泥的物理性能如表1所示，化学组成如表2所示。砂浆用砂为ISO（国际标准化组织）标准砂，拌合水为自来水。

表1 水泥的物理性能

1.2 设计配比

下面研究硫铝酸盐水泥对修复材料性能的影响，其中，硫铝酸盐水泥分别替代0%、10%、20%、30%、40%和50%的硅酸盐水泥。配合比设计如表2所示。

表2 配合比设计

1.3 试验方法

按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346—2011）进行修复材料凝结时间测定。对于修复材料的抗折强度、抗压强度，依据《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》（GB/T 17671—2021）的规定进行成型、养护及测试。对于粘接强度，将标准砂浆试块切开，将切开待修复的试件放入三联模一端，将拌合好的修复材料放入另一端形成修复体，养护到指定龄期进行抗折试验。采用布鲁克D8-Advance 型X 射线衍射分析仪测试修复材料的晶体水化产物，衍射角2扫描范围为10°～60°。

根据海水检测报告，海水中平均氯离子浓度为10.648 g/L，硫酸根浓度为1.507 g/L，镁离子浓度为0.649 g/L。采用NaCl、MgCl、MgSO·7HO 配制人工海水，为了加快海水侵蚀，人工海水按照一般海水盐度的10 倍来配制，要求MgSO·7HO 16.63 g/L、MgCl19.267 g/L、NaCl 151.74 g/L。

抗蚀系数=海水养护试件抗折强度/淡水养护试件抗折强度；抗蚀系数=海水养护试件抗压强度/淡水养护试件抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 硫铝酸盐水泥对复合水泥修复材料性能的影响

2.1.1 硫铝酸盐水泥对复合水泥凝结时间的影响

在普通硅酸盐水泥中分别掺0%、10%、20%、30%、40%和50%的硫铝酸盐水泥，研究复合水泥修复材料流动度和凝结时间的影响规律。本试验采用的固定水灰比为0.5，结果如图1所示。

图1 硫铝酸盐水泥掺量对复合水泥凝结时间的影响

由图1 可以看出，硫铝酸盐水泥能减少水泥基材料的凝结时间，50%掺量时凝结时间最短，初凝时间为19 min，比对照组缩短了89.1%，而终凝时间为42 min，较对照组缩短了85.3%。这是因为硫铝酸盐水泥中的无水硫铝酸钙水化速度较快，随着硫铝酸盐水泥掺量增加，修复材料的凝结时间逐渐缩短。因此，硫铝酸盐水泥可以调控复合修复材料的凝结时间，提升修复材料的可适用性。

2.1.2 硫铝酸盐水泥对复合水泥粘接性能的影响

硫铝酸盐水泥掺量对复合水泥粘接性能的影响如图2所示。

图2 硫铝酸盐水泥掺量对复合水泥粘接性能的影响

因为硅酸盐水泥的水化速率较慢，硫铝酸盐水泥掺量为0%和10%时，修复试件在拆模时断裂，无法形成有效的粘接强度试件。掺入硫铝酸盐水泥，能增加水泥基材料的粘接性。当掺量为30%时，水泥基材料的粘接性达到最高，28 d 修复试件的粘接强度达到3.6 MPa。当硫铝酸盐水泥掺量超过30%时，水泥基修复材料7 d、28 d 粘接强度逐渐缓慢降低。

2.1.3 硫铝酸盐水泥对复合水泥抗海水侵蚀性能的影响硫铝酸盐水泥掺量在40%内，能增加水泥基材料的抗海水侵蚀性能，硫铝酸盐水泥掺量超过40%，水泥基材料的抗海水侵蚀性能降低。掺量为40%时，抗海水性能最高，28 d 的抗蚀系数为0.91，比对照组高了9.6%；28 d 抗蚀系数为0.85，较对照组高了11.8%。

2.2 硫铝酸盐水泥对复合水泥修复材料性能的影响

波长3 640 cm处为Ca(OH)和水的羟基振动吸收峰，1 120 cm左右的吸收峰为复合型水泥基材料水化产物C-S-H 凝胶、钙矾石的特征振动峰，1 430 cm的吸收峰为CO2的振动吸收峰。由比较可得，掺硫铝酸盐水泥会使水化生成的钙矾石与凝胶增多，复合海工修复材料生成的高硫型水化硫铝酸钙的量显著多于普通硅酸盐水泥生成量。钙矾石可在修复材料中形成高强度骨架，提高修复材料的力学强度。对比各XRD 衍射图谱可知，随着SAC 掺量的逐渐增加，Ca(OH)相的衍射峰逐渐减弱，钙矾石的衍射峰逐渐增强。

3 结论

硫铝酸盐水泥缩短了复合海工修复材料的初凝时间和终凝时间。当硫铝酸盐水泥掺量为30%时，复合海工修复材料粘接性能最大，28 d 的粘接强度达到3.7 MPa。硫铝酸盐水泥明显地增强了修复材料的抗海水侵蚀性能。当硫铝酸盐水泥掺量低于40%时，抗蚀系数随着硫铝酸盐水泥掺量的增加而增加。