沥青胶粉材料在码头维修工程应用技术研究

黄云峰

（渤海石油航务建筑工程有限责任公司，天津 300452）

建国以来，我国港口工程发生了巨大的变化，目前我国从解放初期仅有的6 个较大港口，160 多个泊位，发展到现在1400 多个港口4500 多个泊位[1]。但其中一大部分码头属于20 世纪80 年代建设，由于环境的影响或是使用不当，大多数钢筋混凝土构件均未达到设计使用寿命年限，便出现混凝土脱离等现象，特别是码头构件长期在海洋环境下的混凝土结构的腐蚀现象更是十分严重，根据港口工程行业相关规范需要对此类码头破损的混凝土构件进行维修。

其中一种维修方式为聚合物砂浆（混凝土）断面修补工艺，聚合物水泥砂浆是通过向水泥砂浆中掺入聚合物乳液（如改性环氧树脂乳液、丙烯酸乳液或其他改性聚合物乳液）而制成的一种有机-无机复合材料，具有弹模低、抗拉强度高、与老混凝土粘结强度高、耐腐蚀性能好等特点，适用于恶劣环境条件下混凝土结构表层修补。其中沥青改性胶粉作为一种新型材料是由沥青经过物理、化学改性，利用喷雾干燥技术制得的可再分散沥青粉末，它在常温下遇水可迅速分散还原成改性乳化沥青，是良好的水性分散体，并可以与水泥按任意比例混合，在水泥水化过程中形成无机-有机复合体，从而使得硬化后的砂浆体系具有防水、防腐等功能，能够较好地应用于混凝土构件的修补工作中，对延长工程使用年限，确保生产作业安全有着重要意义[2-3]。本文从凝结时间、力学性能、粘结性能、抗氯离子渗透性能几个方面对砂浆综合性能进行试验研究。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

试验用的沥青胶粉为沥青胶粉KYL70，用的粉末状减水剂和消泡剂分别为聚羧酸类减水剂325C 和有机硅类消泡剂P801。

表1 沥青胶粉试验原材料主要性能指标

1.2 试验方案

试验温度为20℃，选定灰砂比1：1.5，水灰比0.4，为研究不同沥青胶粉掺量的砂浆性能，选择五种沥青胶粉含量，分别为0%、2%、3%、4%、6%，其中0%掺量沥青胶粉组为基准砂浆，作为试验对照组。为控制砂浆含气量保持一致，利用聚羧酸减水剂325c 和有机硅消泡剂P801 控制砂浆流动度，同时控制砂浆湿容重。在这种条件对比不同砂浆的综合性能。

2 不同沥青胶粉掺量聚合物砂浆的性能研究

2.1 凝结时间

针对空白砂浆和四种不同沥青胶粉含量的改性砂浆的终凝时间进行了相关研究，表2 为不同沥青胶粉掺量聚合物砂浆凝结时间，经试验加入沥青胶粉后的改性砂浆凝结时间要比空白砂浆长，且随着砂浆中沥青胶粉含量增多，凝结时间也随之增加，即聚合物的混入会造成水泥的缓凝，初凝和终凝时间与聚灰比曲线趋势基本相同。沥青胶粉含量为6%的砂浆初凝和终凝时间分别为空白砂浆的190.9%和176.4%。

表2 不同沥青胶粉掺量聚合物砂浆凝结时间

2.2 力学性能

本文主要从抗压强度、抗折强度、抗拉强度和压折比四个方面对沥青胶粉改性砂浆的力学性能进行分析，表3 为不同沥青胶粉含量砂浆的力学性能试验数据。

表3 对力学性能的影响

2.2.1 抗压强度

空白砂浆的抗压强度最大，随着砂浆中沥青胶粉含量增加，其抗压强度也随之下降，砂浆浇筑7d 与28 的抗压强度呈现相同趋势，沥青胶粉含量为6%的砂浆7d的抗压强度为空白砂浆的57.1%，由于聚合物导致砂浆硬化后内部空隙较多，另一方面随着沥青胶粉聚集程度提高，包裹水泥颗粒与细骨料的沥青膜厚度增大，水泥的水化产物无法穿过沥青膜生长，未能相互搭接形成连续的支撑结构。此时硬化复合浆体的骨架结构是由裹附在水泥颗粒及砂表面的沥青膜构成，这种骨架结构较为疏松，从而导致强度降低。

2.2.2 抗折强度

随着砂浆中沥青胶粉含量增加，其抗折强度呈现先增后减的趋势，在沥青胶粉掺量在3%KYL70 时，抗折强度最大，达到10.5Mpa，强度提升8.24%。由于在加入少量沥青胶粉后，硬而脆的水泥砂浆得到改性，柔韧性增加；随着掺量增大即大于4%时，大量的沥青胶粉导致水泥水化不完善，未能相互搭接形成连续的支撑结构，导致抗折强度降低。

2.2.3 抗拉强度

不同沥青胶粉含量砂浆抗拉强度呈现趋势与抗折强度趋势基本相同，随着砂浆中沥青胶粉含量增加，其抗拉强度呈现先增后减的趋势，在沥青胶粉含量在3%时，抗拉强度最大为4.3Mpa，性能提升30.3%。掺入沥青胶粉后，聚合物成膜与水泥水化产生的结构凝胶在砂浆内部形成互穿网络结构，从而提升砂浆内聚强度，沥青胶粉掺量过多后影响水化产物产生，导致砂浆骨架结构无法较好连接影响抗拉强度。

2.3 粘结性能

在研究砂浆粘结性能时，将普通砂浆成型时在砂浆试件中间用马口铁片隔断成两半，24h 拆模，干养护至28d，然后将砂浆截面打毛，在水中浸泡6h，取出后擦干表面，放入试模一边，另一半用聚合物砂浆浇筑填满，24h 后拆模。继续养护至28d，测其抗折强度，用以表征新旧材料之间的粘结强度。表4 为沥青胶粉改性砂浆粘结性能数据。

表4 沥青胶粉改性砂浆粘结性能数据

表5 不同沥青胶粉含量砂浆的抗Cl-渗透能力

粘结性能是修补材料一个关键指标，粘结界面是新老界面最薄弱、最易发生破坏的地方。

粘接强度和抗拉强度均呈现先增后减的趋势，在沥青胶粉掺量达到4%时，粘结强度可达到2.45MPa，性能提升明显，达到642.4%，抗拉强度达到4.17Mpa，性能提升96.7%，随掺量继续增加，粘结强度和抗拉强度均开始降低，这是由于在聚灰比过大时，沥青胶粉砂浆中聚合物逐渐成为主要骨架，水泥水化产物所占比例降低。

2.4 抗氯离子渗透性能

混凝土的抗Cl-渗透性是表征混凝土耐久性的关键指标。氯盐侵蚀导致钢筋锈蚀，进而引发钢筋混凝土的耐久性破坏，尤其是在海洋环境中，这种侵蚀更为严重。因此，可借助混凝土的实验方法表征聚合物砂浆的抗Cl-渗透性能。本实验主要是采用电通量法、快速Cl-迁移系数法（RCM 法）和盐水自然浸渍后Cl-渗透深度法测试表征聚合物砂浆的抗Cl-渗透能力。

试件长、宽、高均为100mm，试验所用NaCl 溶液质量浓度为3%，盐水自然浸渍后Cl-渗透深度：3%NaCl溶液浸渍28d 后，从Cl-渗透深度可以看出，沥青胶粉改性砂浆盐水浸渍后Cl-渗透深度较低，空白砂浆可达到15mm，而对于沥青胶粉聚合物砂浆渗透深度随着沥青胶粉掺量增加而降低，在沥青胶粉掺量为6%时仅渗透了4mm，渗透深度降低73.3%；随沥青胶粉含量增加，电通量和扩散系数均随之减小。

综合以上数据分析，沥青胶粉改性砂浆明显改善了砂浆的抗Cl-渗透性能，从而沥青胶粉砂浆用于混凝土修补，提高了混凝土Cl-侵入混凝土的概率，可以有效防止因钢筋锈蚀对混凝土结构造成的破坏。

3 结论

本文从砂浆凝结时间、力学性能、粘结性能、抗Cl-渗透性能以及耐腐蚀性5 个方面研究沥青胶粉砂浆的综合性能，主要得出以下结论：

（1）沥青胶粉能够造成砂浆缓凝，随着砂浆中沥青胶粉含量增多，凝结时间也随之增加；

（2）沥青胶粉会导致砂浆内部空隙增多，并随含量增加，沥青胶粉在砂浆内部聚集度较高，影响水泥水化产物生长，改变砂浆内部支撑结构，因此其抗压强度随沥青胶粉含量增加而减小，沥青胶粉含量为6%的砂浆7d 的抗压强度为空白砂浆的57.1%；

（3）加入少量沥青胶粉会使得水泥砂浆得到改性，增加其柔韧性，在沥青胶粉含量在3%时，抗折强度、抗拉强度分别提升8.24%，30.3%，随沥青胶粉含量增加到定值后大量的沥青胶粉阻碍水泥水化反应，砂浆颗粒无法相互搭接形成连续的支撑结构，导致相应性能随之降低；

（4）沥青胶粉改性砂浆明显改善了砂浆的抗Cl-渗透性能和耐腐蚀性能，能够较好地减少粉化、掉砂等现象，相较于空白砂浆，沥青胶粉含量为6%时，Cl-渗透深度降低73.3%。

（5）通过上述实验的验证分析，沥青胶粉改性水泥砂浆具有优异的粘结性能、防水性能、抵抗硫酸盐、氯离子腐蚀的性能。通过砂浆配合比的调整和优化，沥青胶粉可达到码头工程维修的相关标准和规范要求，具备应用前景。