快速修补材料性能分析试验

王之钧,徐杭东

(杭州萧山国际机场有限公司,浙江 杭州 311200)

水泥混凝土结构具有承载能力强、刚度大和耐久性好等优点,在公路、港口、桥梁和机场等领域的基础设施建设中得到广泛应用。投入使用后,在荷载、干湿和冻融循环等反复作用下,水泥混凝土结构产生破损。

用于混凝土结构破损的快速修补材料可分为无机类和有机类两种。有机高分子聚合物材料主要包括聚氨酯、丙烯酸和环氧树脂及各种乳胶配制的聚合物砂浆或聚合物水泥砂浆[1-2]。无机类修补材料主要以硅酸盐、硫铝酸盐、氟铝酸盐、高铝水泥、磷酸盐水泥和地聚物合物水泥等为基材,再配以矿物掺合料、外加剂等材料进行性能优化和改良[3-6]。“快通9号”是一款快速修补材料产品,在公路、桥梁和市政等工程维修中得到广泛的应用,系统地分析了水胶比、砂胶比、集料类型以及搅拌和养护方式对“快通9号”产品性能的影响,并结合试验结果,对该类修补材料的应用提出几点建议。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

(1)修补材料

杭州修路人科技股份有限公司生产的快通9号,是一种聚合物改性水泥。

(2)细骨料

粗河砂产自江西赣江,砂的细度模数为3.01,最大粒径4.75 mm,含泥量0.8%,级配情况见图1,符合国标《建设用砂》(GB/T 14684—2011)中1区级配的要求。细河砂含泥量4.6%,细度模数1.55。人工混合砂细度模数3.13,坚固性差。

图1 河砂的级配曲线

(3)粗骨料

产自安徽,为4.75～26.5 mm连续级配石灰岩碎石,其颗粒级配如图2所示。混凝土拌合物配合比及性能见表1。

图2 碎石的级配曲线

表1 混凝土拌合物配合比及性能

1.2 试验方法

(1)工作性

砂浆工作性以流动度表征,参照《水泥胶砂流动度测试方法》(GB/T 2419—2005)进行试验,测试不振动状态下的扩展范围来衡量其流动性。混凝土拌合物工作性以坍落度表示,试验依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)进行,并观测拌合物各组分相互粘聚情况和保水性。

(2)收缩率

材料收缩率用砂浆的干缩率表达,按照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70—2009)中收缩试验的要求,采用BC156-300比长仪进行测定。

(3)砂浆力学性能

砂浆抗折强度和抗压强度试验依照《水泥胶砂强度检测方法》(GB/T 17671—1999)进行,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

(4)混凝土力学性能

试验按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行测试。混凝土抗压强度试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体,混凝土抗折试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm的棱柱体。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对修补材料性能的影响

水胶比(水与胶凝材料的质量比)是修补砂浆(混凝土)配合比设计和实际应用过程中最重要的参数,直接影响砂浆(混凝土)内部的孔隙率和孔结构,是衡量混凝土密实性、渗透性和力学性能的一个重要参数,对修补材料的强度和耐久性具有决定性的影响作用。

从图3中可知,随着水胶比增大,砂浆流动性显著提升,当水胶比为0.25时,砂浆比较松散,工作性差;当水胶比为0.35时,砂浆在不振动下扩展度为295 mm,流动性非常好,随着水胶比进一步加大,砂浆出现离析现象。

图3 水胶比对扩展度的影响

由图4可以看出,随着水胶比的逐渐增大,修补砂浆3 h抗折强度和抗压强度均下降,当水胶比为0.25时,砂浆3 h抗折、抗压强度分别达到8.9 MPa、44.7 MPa;当水胶比低于0.4时,砂浆抗压强度低于30 MPa,不能满足快速开放交通的要求,且当用水量很大时,由于砂浆内部孔隙较大,后期强度的增长也非常有限。因此,在满足施工性的前提下,水胶比应尽可能小些,水胶比宜控制在0.3～0.35之间。

图4 水胶比对早期力学性能的影响

2.2 胶砂比对修补材料性能的影响

为了保证修补砂浆具有良好的工作性,通常要求混合料中有较高的胶凝材料。试验用砂均选用粗河砂,其中对比例选用散装海螺P·O 52.5水泥,外加剂为三聚氰胺高效减水剂,掺量0.8%。

从图5可以得出,胶砂比(胶凝材料与砂子的质量比)降低,修补砂浆的干缩率也随之降低;采用P·O 52.5水泥配制的砂浆干缩率明显高于快通9号修补砂浆。这是因为修补材料含补偿收缩的组分,在水化过程中产生钙矾石等物质填充内部孔隙,降低了砂浆的干缩,从而提高其抗裂性能。另外,胶砂比降低,水泥浆体的含量减少,总收缩量降低,收缩应变小,更不容易出现收缩裂缝。

图5 胶砂比对干缩性能的影响

胶砂比对修补材料力学性能的影响见图6,结果显示,随着胶砂比的降低,砂浆抗折和抗压强度都先增后减,这是由于砂用量增大,砂浆工作性降低,用水量增加,水胶比增大,强度降低。综合胶砂比对修补材料干缩性和力学性能的影响,当采用该修补材料配制成砂浆来进行修补时,胶砂比建议取1∶2左右。

图6 胶砂比对力学性能的影响

2.3 砂子种类对修补材料性能的影响

随着河砂的不断开采,天然砂越来越少,且品质也大幅下降,而砂子的种类对修补材料也有着重要的影响。含泥量高、细度模数小的砂子会导致修补砂浆(混凝土)工作性差,需要通过提高水胶比或胶砂比来进行调节。

从图7中可以看出,砂子种类对修补砂浆的力学性能影响很大,砂浆流动性为粗河砂最大,细河砂次之,混合砂最小;采用干净粗河砂的力学性能最好,各龄期砂浆的强度均最高;混合砂的3 h抗折和抗压强度均为最低,后期强度略高于细河砂;这是因为该混合砂颗粒内部孔隙率大,吸水量多,导致水胶比明显提高;细河砂7 d的力学性能最差,这应该是由于该细河砂含泥量大,吸附了部分修补材料里面的减水组分,同时细砂的比表面积大,因此也增加了材料的需水量,提高了水胶比,此外其颗粒状态呈粉状,级配差,砂浆内部孔结构差,导致后期强度低。

图7 砂子种类对力学性能的影响

2.4 搅拌方式对修补材料性能的影响

搅拌方式对拌合物的匀质性关系密切,人工搅拌通常要提高水胶比,并容易引起离析、泌水等不良影响;机械搅拌设备类型、叶片和转速等因素对拌合料性能也存在一定的差异。

表2对比分析了两种搅拌方式对修补材料综合性能的影响,机械搅拌设备为手提式高速搅拌机。结果表明, 人工搅拌的拌合料工作性较差, 初凝时间更长,早期抗折和抗压强度也更低;手提式高速搅拌机可以将絮凝状的胶凝材料内部包裹的水分释放出来,并在减水组分的空间位阻作用下,显著提高了砂浆的流动性;水泥颗粒与水的接触面积也有所增加,另外在摩擦阻力的作用下,拌合料内部的温度升高,进一步促进了水化反应,从而缩短了初凝时间,提高了早期强度。

表2 搅拌方式对修补材料性能的影响

2.5 养护方式对修补材料的影响

养护方式对修补材料早期干缩性能影响大,养护不良可能导致材料产生干缩裂缝,常规无机类修补材料应采取洒水或覆盖等保湿养护措施,但也有例外,如磷酸盐水水泥基修补材料不适合洒水养护。

图8对比分析了干、湿养护方式对修补材料力学性能的影响,结果表明,采用浸水养护的方式提高了修补砂浆早期抗折和抗压强度,3 h抗折强度对养护方式更为敏感,但28 d抗折强度反而略有降低。这是因为浸水养护保证了内部有充足的自由水参与水化反应,促进了反应的进程,生成更多的水化产物,使得内部结构更为致密,从而提高了早期强度;随着浸水龄期的延长,试块内部的可溶性盐类物质不断析出,增大了结构孔隙,导致湿养护的试块28 d抗折强度出现倒缩现象。

图8 养护方式对力学性能的影响

2.6 混凝土的性能

混凝土拌合物的工作性和硬化后混凝土的力学性能是修补材料最主要的性能要求。由表1可知,当水胶比为0.32时,混凝土拌合物的工作性非常好,坍落度大,粘聚性和保水性好。从图9可以看出,混凝土2 h抗压强度大于30 MPa,7 d抗折强度大于5 MPa,抗压强度接近60 MPa,后期强度还在持续增长,可以满足水泥混凝土结构破损的修补要求。

图9 混凝土力学性能

3 结 论

(1)随着水胶比逐渐增加,砂浆流动性明显提高,但是力学性能也逐渐下降,水胶比(质量比)宜控制在0.3～0.35的范围。

(2)修补材料的干缩率低于普通硅酸盐水泥,当胶砂比为1∶2时,砂浆的力学性能和干缩率均较优。

(3)砂子种类对修补材料性能影响很大,应优先选用含泥量低的中粗砂,使用含泥量高的细砂时,可适当降低胶砂比来确保修补材料的力学性能。

(4)搅拌方式对拌合物性能有较大的影响,当使用修补砂浆进行维修时,宜选择高速分散机,当配制成混凝土时,应选择强制式搅拌机。

(5)抗折强度对养护方式更为敏感,湿养护提高了修补材料早期强度,后期抗折强度略有降低,应注重修补材料的早期保湿养护。

(6)采用该修补材料配制的混凝土的工作性好,力学性能优异,满足修补材料相关性能要求。