环境温度对快硬性水泥基修补材料性能的影响*

吕江鹏 张高望 袁 捷

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

水泥混凝土在公路路面和机场道面中广泛使用。在服役期间，受到车辆荷载、环境温湿度变化等周期性作用及有害离子的侵蚀，水泥混凝土会出现边角剥落、接缝破碎和表面损伤等不同程度损坏。为保证水泥混凝土结构安全、耐久，需要对其进行及时修补。

目前用于水泥混凝土修补的材料种类比较多。而水泥基材料与原水泥混凝土具有良好的变形协调性，在工程中得以广泛应用[1-2]。现有研究主要集中在通过改变材料不同组分含量或添加外加剂，制备出在一定环境条件下凝结时间能够满足施工要求且早期强度较高的修补材料。罗萍等[3]研究了在不同粉煤灰和矿渣掺量下修补材料的工作性和力学性能。郭唯一等[4]研究了普通硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥-丁苯胶乳三元复合胶凝体系的力学性能和工作性。胡张莉等[5]分析了水灰比、硼砂掺量、氧化镁比表面积等对磷酸盐水泥凝结时间的影响。齐召庆等[6]研究了MgO比表面积、M/P比值、水灰比等因素对磷酸盐水泥力学强度的影响。目前，针对环境温度对快硬性水泥基修补材料影响的研究较少，未有考虑施工环境温度影响快硬性水泥基修补材料凝结时间，进而影响后期服役强度的研究。

本文针对常用的改性硅酸盐水泥基材料和磷酸盐水泥基材料，拟通过凝结时间、内部温升和力学性能测试，研究不同环境温度对材料凝结时间、内部温升峰值，以及峰值出现的时间、内部温度变化速率、早期强度和后期强度的影响，以为快硬性水泥基修补材料的现场施工提供指导和帮助。

1 材料与试验方法

1.1 试验材料

1.1.1改性硅酸盐水泥基材料

改性硅酸盐水泥由电化无机材料(天津)有限公司生产，其通过增加C3S的含量和细度与掺加日本电气化学生产的快硬剂，达到快速修复小时级强度要求。试验所用配合比为m(胶凝材料)∶m(水)∶m(细骨料)=1∶0.33∶1.5，其中细骨料为普通河砂，细度模数约为2.7。

1.1.2磷酸盐水泥基材料

磷酸盐水泥由杭州中港建工工程有限公司生产，其由氧化镁、磷酸二氢氨、硼砂缓凝剂及矿物掺合料按照一定比例配制而成。试验所用配合比为m(胶凝材料)∶m(水)∶m(石英砂)=1∶0.12∶1。

1.2 试验方法

1.2.1凝结时间测试

水泥基修补材料的凝结时间测试方法参考JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，采用贯入阻力仪法。快硬修补材料的凝结时间较短，为保证凝结时间测试的精确性，以贯入阻力值为1 N时开始测量，其后每分钟测试1次。通过将测试环境的温度控制在10，15，20，25，30 ℃，研究环境温度对水泥基修补材料凝结时间的影响。同时，当材料拌和后倒入磨具中振动时，在混合料中放入温度传感器外接探头，以检测材料内部温度的实时变化。温度传感器类型为精创RC-4，精度为0.1 ℃，记录间隔为10 s。

1.2.2力学性能测试

水泥基修补材料的抗折强度、抗压强度测试方法参考GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》，测试龄期为3 h，1，3，7 d。在20 ℃环境温度下成型，成型后分别放入3，20，30 ℃环境中养护，相对湿度范围为58%～63%。

2 试验结果与讨论

2.1 凝结时间与内部温升

改性硅酸盐水泥基材料和磷酸盐水泥基材料在不同环境温度下的凝结时间见图1。

图1 不同环境温度下的凝结时间

由图1可见，2种材料的凝结时间都较短，通常在1 h之内，且对温度都具有很高的敏感性。当温度从10 ℃升高到30 ℃，磷酸盐水泥基材料的凝结时间从51 min降到10 min；改性硅酸盐水泥基材料的凝结时间从29 min降到7 min。温度对修补用水泥颗粒的溶解、水化反应均有较大影响。较高的环境温度可以增加水泥颗粒的溶解活性，加快水泥的水化反应，促进水泥水化产物的生成，在内部晶体之间快速相互搭接，从而凝结硬化。

为了定量描述温度对凝结时间的影响规律，将凝结时间和环境温度通过回归分析进行拟合(见图2)，发现两者具有很好的线性相关性，相关系数R2大于0.9。根据拟合方程可以看出，环境温度每升高5 ℃，磷酸盐水泥基材料的凝结时间降低约10 min，改性硅酸盐水泥基材料的凝结时间降低约5 min。因此，快硬性水泥基材料凝结时间受温度影响显著，在现场修补施工时，需根据实际温度对施工工序、施工人员进行合理的安排，防止材料凝结过快导致无法施工或修补质量降低。

图2 环境温度与凝结时间的线性拟合图

放热行为是水泥水化过程的一个重要表现形式。通过测试水泥基修补材料实时内部温度θ(t)和计算温度变化速率Δθ/Δt来研究环境温度对材料水化进程的影响。其中，根据θ(t)的斜率和达到峰值的时间，可以看出水泥水化速率的快慢；Δθ/Δt可以直观地反映出各个时刻材料内部温度变化的快慢，根据其大小和达到峰值的时间，可以更加直观地比较不同条件下的水泥水化速率。

改性硅酸盐水泥基材料和磷酸盐水泥基材料在不同环境温度下的时间-内部温度θ(t)和时间-温度变化速率Δθ/Δt分别见图3、图4。

图3 环境温度对水泥基修补材料内部温升的影响

图4 环境温度对水泥基修补材料内部温度变化速率的影响

由图3可见，随着环境温度的升高，材料内部温度曲线峰值增大，且达到峰值的时间缩短。在图3a)中，当环境温度为10 ℃时，磷酸盐水泥基材料内部温度峰值为36.5 ℃，达到峰值的时间为107 min；当环境温度为30 ℃时，其温度峰值达到了86.6 ℃，达到峰值的时间为24 min。在图3b)中，当环境温度10 ℃时，改性硅酸盐水泥基材料内部温度峰值为49.8 ℃，达到峰值的时间为61.5 min；当环境温度为30 ℃时，其温度峰值达到了71.0 ℃，达到峰值的时间为44 min。将温度峰值减去材料内部起始温度，可以发现随着环境温度的升高，材料内部的温升值逐渐增大。

由图4可见，随着环境温度升高，水泥基修补材料内部温度变化速率的峰值越高且达到峰值的时间也越短。在图4a)中，当环境温度较高时，磷酸盐水泥基材料内部温度变化速率随时间的变化较为剧烈；而环境温度较低时，温度变化速率随时间增长则基本保持平稳。主要是因为在低温环境下，一方面磷酸盐水泥中MgO和NH4H2PO4的溶解度和溶解速率较低，通过酸碱中和进行的水化反应较慢，水化放热量积累速度较慢；另一方面水泥水化过程中释放的热量与外界环境进行快速的热交换，通过水化放热引起内部温度升高而促进水化速率的作用较低。温度变化速率在达到峰值后迅速降低，且环境温度越高其最低值越小，可能是由于：①在高温环境下材料内部水分快速向外界传递并蒸发，导致内部用于水化反应的水分不足；②水泥水化程度达到了硬化阶段，未水化的水泥颗粒减少；③材料内部温度较高，与外界环境进行快速的热交换。在图4b)中，环境温度对改性硅酸盐水泥基材料内部温度变化速率随时间变化规律的影响与磷酸盐水泥基材料基本相同，但改性硅酸盐水泥基材料水化过程受环境温度影响较低。

综合图1～4可见，环境温度对水泥基修补材料的凝结时间、内部温度变化及温度变化速率具有较大影响。通过分析发现，环境温度通过影响修补用水泥颗粒的溶解度与溶解速度、水泥基修补材料内部和外界环境的热交换速率，从而对水泥基修补材料的凝结时间产生较大影响。相对于改性硅酸盐水泥基材料，磷酸盐水泥基材料的凝结硬化过程受环境温度影响更大，主要是由于磷酸盐水泥中MgO溶解受温度影响较显著。当温度升高时，浆体中Mg2+含量增加速度大于NH4H2PO4和硼砂，硼砂B4O72-通过吸附在MgO表面阻止其溶解而达到缓凝的作用减小。

2.2 力学性能

不同环境温度养护条件下，磷酸盐水泥基材料力学性能随龄期增加的变化情况见图5。

图5 环境温度对磷酸盐水泥基材料强度的影响

如图5所示，3 h龄期的抗折强度和抗压强度随环境温度的升高而增加，3，20，30 ℃环境温度养护下的抗折强度分别为2.57，6.37，7.67 MPa，抗压强度分别为9.7，37.23，52.88 MPa。而在1 d龄期时，20 ℃条件下养护的试件抗折强度和抗压强度高于30 ℃条件下养护的，且3 ℃条件下养护的试件强度逐渐接近前两种条件下的。当龄期为3 d和7 d时，试件强度依次为：3 ℃条件下养护>20 ℃条件下养护>30 ℃条件下养护。根据上述结果可以得出，养护环境温度越高，磷酸盐水泥基材料的早期强度越高，而后期强度越低。对比图5a)和图5b)可见，后期的抗折强度受环境温度的影响比抗压强度大。相比于3 ℃条件下的强度，30 ℃条件下7 d的抗折强度减少了22.8%，抗压强度减少了8.7%。

不同环境温度养护条件下，改性硅酸盐水泥基材料力学性能随龄期增加的变化情况见图6。

图6 环境温度对改性硅酸盐水泥基材料强度的影响

由图6可见，3，20，30 ℃环境温度养护下3h龄期的抗折强度分别为5.3，5.5，4.9 MPa，抗压强度分别为27.82，30.23，27.5 MPa。当龄期为3 d和7 d时，试件的抗折强度为：3 ℃条件下养护>20 ℃条件下养护>30 ℃条件下养护，而抗压强度基本相同。根据上述结果可以得出，当养护环境温度小于等于20 ℃时，改性硅酸盐水泥基材料早期强度随着环境温度升高而轻微增加。当环境温度大于20 ℃时，早期抗折强度则会随环境温度增加而降低。改性硅酸盐水泥基材料后期抗折强度受环境温度影响较大，随环境温度的升高而逐渐降低，而抗压强度则相对受环境温度影响较小。相比于3 ℃条件下的抗折强度，30 ℃条件下7 d的抗折强度减少了17.4%，抗压强度减少了1.0%。

综合图5和图6可见，当环境温度在一定范围内，水泥基修补材料的早期抗折强度和抗压强度会随环境温度升高而增加，后期强度则随着环境温度升高而降低。水泥基修补材料早期强度的发展主要受水泥水化速率的影响，当达到一定龄期后，水泥水化程度逐步趋于稳定[7]，材料的强度主要取决于最终水化程度和内部微细观结构[8]。较高的环境温度可以加快水泥在早期的水化速率，促使材料快速凝结硬化，但同时由于水化热量的快速积累，材料内部温度升高，水分蒸发，使用于水化反应的水分减少，导致最终水化程度降低，水化产物分布不均且粗晶体较多[9-10]，同时由于较大拉应力的产生对材料内微环境和微结构造成损伤[11-12]，从而对后期强度产生影响。因此，在修补施工中，需根据环境条件平衡好材料的凝结时间和强度，保证在材料快速凝结硬化的过程中水化产物晶粒生长完好，微结构损伤小。夏季温度较高时，除非紧急抢修，否则不推荐施工。

3 结论

1)水泥基修补材料的凝结时间通常在1 h之内，且对环境温度具有较大的敏感性。随环境温度升高，凝结时间逐渐减小。

通过回归分析，凝结时间和环境温度具有很好的线性相关性，相关系数R2>0.9。环境温度每升高5 ℃，磷酸盐水泥基材料凝结时间减少10 min，改性硅酸盐水泥基材料凝结时间减少5 min。因此，在修补施工时，需根据实际温度对施工工序和施工人员进行合理的安排，以防止材料凝结过快导致无法施工或修补质量降低。

2)环境温度对水泥基修补材料内部温升峰值和峰值出现的时间、温度变化速率均有较大影响。相对于改性硅酸盐水泥基材料，磷酸盐水泥基材料的凝结硬化过程受环境温度影响更大。

3)当环境温度在一定范围内，水泥基修补材料的早期强度会随环境温度升高而增加，后期强度则随着环境温度升高而降低。其中，后期抗折强度受环境温度影响较为显著。相比于3 ℃条件下的强度，30 ℃条件下的磷酸盐水泥基材料7 d龄期抗折强度减少了22.8%，抗压强度较少了8.7%；改性硅酸盐水泥基材料7 d龄期抗折强度减少了17.4%，抗压强度减少了1.0%。

在修补施工中，需根据环境条件平衡好材料的凝结时间和强度。夏季温度较高时，除非紧急抢修，否则不推荐施工。