道路桥梁修复材料强度与组成材料关系研究

张俊良,张 翼,马占伟,刘平源

(1.包头市交通规划设计院,内蒙古 包头 014040;2.包头市市政设计有限责任公司,内蒙古 包头 014040;3.内蒙古工业大学 土木工程学院,内蒙古 呼和浩特 010051;4.内蒙古水利水电勘测设计院有限公司,内蒙古 呼和浩特 010051)

20世纪80年代,美国的Ahmad将橡胶以作为骨料的方式加入到混凝土中制备成了一种新型的混凝土材料——弹性混凝土,随后越来越多的学者们也相继开展弹性混凝土的研究[1-5]。Eldin和Senouci[6]等探究了橡胶颗粒对混凝土抗压强度以及抗拉强度的影响,发现加入橡胶后会降低混凝土的抗压、抗拉强度。Toutanji[7]等探究了橡胶颗粒对混凝土抗折强度的影响,发现混凝土的抗折强度会随着橡胶掺量的不断增加而逐渐降低。罗晴[8]等研究发现,橡胶颗粒的掺入会使得弹性混凝土抗压强度降低。李海龙[9]等也研究了橡胶掺量对混凝土力学性能的影响,发现弹性混凝土的韧性及耗能能力有显著提高。综上所述,国内外学者均得出一致的结论:在混凝土中加入橡胶会降低抗压强度以及抗折强度等,而且随着橡胶掺量的不断增加,强度降低幅度越大。硅酸盐水泥[10]熟料与其他材料混合后所组成的水硬性胶凝材料即可称做复合水泥,许多学者进行了相关研究,王红[11]等分析了硅酸盐水泥熟料对硫铝酸盐水泥一些性能的影响;李迁[12]等在硅酸盐水泥中加入适量的硫铝酸盐水泥[13]后会使复合水泥的凝结时间变短;张鑫[14]等研究均发现复合水泥体系使水泥水化过程变快;杨林[15]、丁军[16]等研究均发现,随着硫铝酸盐水泥掺量的不断增加龄期为1d、3d、28d的复合水泥的抗压强度与抗折强度都呈现出了先降低后升高的变化趋势。目前水泥混凝土路面、桥梁修复时多采用将早强剂加入到普通硅酸盐水泥中,以此来达到早强的效果。本研究以硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥作为胶凝材料来达到提升修补材料早期强度的目的。同时鲜有学者在快速修复材料中添加橡胶颗粒,本研究将橡胶颗粒按不同比例体积分数取代天然河砂作为细骨料,研究对新型修复材料流动度、抗压强度、抗折强度的影响。

1 试验材料及试验设计

1.1 原材料和配合比

本试验材料组成为:PO42.5普通硅酸盐水泥;天然砂:粒径小于4.75mm;橡胶颗粒:粒径为10～20目;玄武岩纤维:单丝直径为7～1μm、拉伸强度3000～4800MPa、弹性模量91～100GPa;水:自来水。

通过前期配比预试验,最终确定水胶比为0.3,以保证修复材料的强度。为研究橡胶颗粒以及普通硅酸盐水泥对修复材料力学性能的影响,将普通硅酸盐水泥0%、20%、30%、40%四种水平取代(质量)硫铝酸盐水泥,橡胶颗粒0%、10%、20%、30%四种水平取代(体积)天然河砂,考虑到实际工作中硫铝酸盐水泥会过早凝结,为减小施工难度,所以添加了缓凝剂(酒石酸)以保证材料20min的流动性,修复材料配合比见表1。

表1 修复材料配合比 (kg/m3)

1.2 试验方法

流动度试验:参考《水泥基灌浆材料应用技术规范》[17]中截锥流动度试验进行测试;截锥形圆模:上口内径70mm,高35mm;下口内径100mm,高60mm;模壁厚5mm。

抗压、抗折强度试验:参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[18]进行测试。采用山东路达试验仪器有限公司生产的DYH-300B型全自动水泥压力试验机,试件尺寸:40×40×160mm。

试验步骤:流动度试验:用湿布擦拭试验仪器,防止流动度的损失。将拌合物沿上部模具倒锥形杯口倒入,当浆体没过下部模具上口时停止倾倒,用刮刀使浆体与模具上口齐平。将下部模具垂直提起,当浆体完全停止时测量浆体的直径,计算浆体直径平均值并记录,此为初始流动度。搅拌加水20min后,将材料重新倒入水泥胶砂搅拌机中再次进行搅拌,重复上述步骤,为20min流动度。抗压抗折试验:将养护到2h、1d、7d、28d的试件从养护室取出,设置试验等参数,进行抗折强度试验。使用折断后的试件进行抗压强度试验。

修复材料抗压、抗折强度增长百分比计算公式如式(1)所示。

(1)

式(1)中:

Δf——各龄期不同OPC掺量、橡胶掺量的修复材料强度增长百分比(%);

fc——养护28d时不同OPC、橡胶掺量的修复材料抗压、抗折强度(MPa);

fi——各龄期不同OPC、橡胶掺量的修复材料抗压、抗折强度(MPa)。

2 流动度试验结果分析

根据施工经验,以硫铝酸盐为主要胶凝材料的快速修复材料的流动度应该保持在20min以上[19]。修复材料橡胶颗粒掺量为0%时,不同普通硅酸盐水泥掺量的混凝土路面及桥梁新型修复材料的初始流动度以及20min流动度如图1所示。修复材料OPC掺量为20%时,不同橡胶掺量的水泥混凝土路面及桥梁新型修复材料的初始流动度以及20min流动度如图2所示。

图2 不同橡胶掺量的修复材料流动度

如图1所示,新型修复材料的初始流动度与20min流动度随着OPC掺量的增加而增大,这是由于随着OPC掺量的增加,材料中SAC的含量变少,前期SAC反应的需水量变少,材料中剩余的水变多,流动度增加。当新型修复材料中OPC掺量为0%时,材料的初始流动度以及20min流动度均为0mm,说明在确定水胶比为0.3的前提下,此材料水泥只有SAC时,不具有实际工作意义。当新型修复材料OPC掺量增加至20%、30%、40%时,新型修复材料都具有较高的流动度(当流动度达到290mm时已达到III类水泥基灌浆材料流动度初始值的要求)。新型修复材料20min流动度保持良好,流动度损失值分别为30mm、25mm、20mm,可以看出20min流动度损失值随着OPC掺量的增加而逐渐降低,这是因为随着OPC掺量的增加,SAC反应的需水量减少,所以流动度损失降低。新型修复材料OPC掺量为0%时,新型修复材料无初始流动度,所以选取OPC掺量为20%的新型修复材料来进行流动度试验。

如图2所示,新型修复材料的初始流动度与20min流动度均随着橡胶掺量的增加逐渐降低。这可能是由于以下几个原因引起:一是由于橡胶具有一定的吸水性,会携裹一部分自由水,减少拌合物中的自由水,从而降低拌合物的流动性。二是因为橡胶颗粒的粗糙表面增加了材料内部骨料之间摩擦,降低了拌合物的流动性。三是由于橡胶粒径与砂粒径相近,橡胶的掺入会改变拌合物的砂率。当没能达到最优砂率时,拌合物和易性会变差。随着橡胶掺量的增加新型修复材料的流动度损失未发生变化,均为30mm,说明橡胶对流动度损失没有影响,原因是橡胶虽然会吸收少量水分,但其达到饱和时,不再吸收水分,并且新型修复材料各橡胶掺量均不会随着时间的推移而增加或减少,不会对流动度损失造成影响。

3 修复材料基本力学性能研究

3.1 抗压与抗折强度试验结果分析

各组材料的抗压、抗折强度试验结果如图3和图4所示。

(a)R0组

如图3、图4所示,随着养护龄期的增加,新型修复材料抗压、抗折强度逐渐增加是由于随着养护龄期的增加,水泥熟料的水化反应持续进行,使得材料中水化产物增多,基体结构变得更加密实,所以强度随之不断增高。当橡胶掺量固定时,各养护龄期的新型修复材料抗压、抗折强度随着OPC掺量的增加呈现降低的趋势。因为硫铝酸盐水泥主要的水化产物为AFt(钙矾石)和CAH10(水化铝酸钙),加入普通硅酸盐水泥后为孔溶液提供了大量的硅酸根,与C4A3S(无水硫铝酸钙)反应后生成C2ASH8(水化钙铝黄长石),且OPC掺量越高,生成的C2ASH8数量越多新型修复材料胶凝体系抗压、抗折强度下降的越多。

如图3、图4所示,当养护龄期和OPC掺量相同时,新型修复材料的抗压、抗折强度随着橡胶掺量的增加而降低。原因是橡胶相较于砂石来说材质较软,其在内部结构的支撑作用微乎其微,在施加外部荷载的条件下,不能提供有效的承载力。同时橡胶还有引气剂的作用,掺入橡胶后提高了含气量,使内部孔隙变多,从而使内部结构缺陷增加。除此之外,橡胶质量相对较轻,在试件搅拌成型过程中,容易上浮,内部结构变得不均匀,进而发生应力集中的现象,所以掺入橡胶降低了新型修复材料抗压、抗折强度。同时从图中还可发现,新型修复材料的抗压、抗折强度随着养护龄期的增加,并没有发生强度倒缩的现象。

3.2 强度增长百分比计算结果分析

各组材料的抗压和抗折强度增长百分比如图5和图6所示。

(a)R0组

如图5、图6所示,四组新型修复材料的2h抗压、抗折强度增长百分比随着OPC掺量的增加而降低的趋势。原因是硫铝酸盐水泥的反应速率较普通硅酸盐水泥更快,2h的抗压强度主要是硫铝酸盐水泥进行水化反应产生的,随着OPC掺量占比变大,反应程度有所减弱,2h强度提升较慢。1d抗压、抗折强度增长百分比随着OPC掺量的增加逐渐增加。这说明OPC的掺入可以加速SAC的水化,且在OPC掺量为0%～40%范围内,掺量越多水化速率越快。7d抗压强度增长百分比变化规律与2h时相同,7d、28d抗折强度增长百分比、28d抗压强度增长百分比无一致规律,原因在于SAC和OPC水化速度不同,SAC的水化反应速度快,数小时内即可提高材料强度,而OPC的水化反应是在数小时内形成初期强度,然后在数周内逐渐增长至最大强度,四组新型修复材料的OPC掺量不同,导致7d、28d强度增长百分比无一致规律。但是可以发现掺入OPC的新型修复材料的28d抗压、抗折强度增长百分比均大于该组未掺OPC的新型修复材料。这表明,掺入OPC对SAC后期强度的增加有促进作用。

R0组新型修复材料的2h与1d抗压、抗折强度增长百分比之和可以达到56%～60%、66%～74%,R10组的2h与1d的抗压、抗折强度增长百分比之和可以达到57%～61%、56%～69%,R20组新型修复材料的2h与1d抗压、抗折强度增长百分比之和可以达到62%～70%、59%～82%,R30组的2h与1d抗压、抗折强度增长百分比之和可以达到66%～74%、60%～83%,可以看出R0与R10两组新型修复材料1d抗压强度可以达到28d抗压强度的60%左右,R20和R30组新型修复材料1d抗压强度可以达到28d抗压强度的70%左右。

在橡胶掺量相同的条件下,新型修复材料OPC掺量为0%的试验组7d抗压强度增长百分比是最大的,2h与1d的抗折强度增长百分比之和最大,掺入40%的OPC的新型修复材料2h与7d的抗折强度增长百分比之和最小。2h、1d和7d抗压强度增长百分比之和可以达到90%左右,2h、1d和7d的抗折强度增长百分比之和均在75%以上。

3.3 折压比计算结果分析

折压比(即抗折强度与抗压强的比值)是用来衡量混凝土材料韧性的指标之一,其值越大,说明材料的韧性与抵抗开裂性能越好。因其试验方法简单,试验数据容易处理,目前已被专家学者们广泛使用。新型修复材料折压比计算结果如图7所示。

(a)2h折压比

如图7(a)所示,当橡胶掺量相同时,新型修复材料2h折压比随OPC掺量的增加呈现出先降低后增加的变化趋势。如图7(b)所示,在R0、R10、R20和R30组中均发现了新型修复材料的1d折压比随着OPC掺量增加而降低的现象。这说明掺入OPC对新型修复材料1d折压比有消极影响,这是因为相对于OPC来说,SAC在早期开裂控制方面具有更好的表现,所以加入了OPC后降低了新型修复材料1d的抗开裂性能和韧性。当OPC掺量相同时,不同的橡胶掺量的新型修复材料折压比变化不明显,这意味着橡胶对新型修复材料1d折压比影响不大。

如图7(c)和(d)所示,当橡胶掺入量一定时,新型修复材料7d和28d的折压比变化规律一致,均总体呈现出随OPC掺量增加而升高的趋势。这与新型修复材料1d的折压比规律相反,说明OPC的掺入对新型修复材料7d和28d的折压比是有利的,这是主要是由于OPC的水化产物硬化时间较长,当养护龄期达到7d时,OPC的作用逐渐发挥,因增加了结构密实度,提高了韧性。

当OPC掺量相同时,新型修复材料折压比随着橡胶掺量的增加而逐渐变大。这是因为,橡胶颗粒的弹性和韧性好,使其能够在混凝土中承担一部分的拉力作用,因此能够提高混凝土的抗拉强度,从而随着橡胶掺量的增加,折压比提高。另一方面,橡胶颗粒的存在可以缓和混凝土内部的应力分布,避免新型修复材料因应力集中而产生裂缝,进一步提高折压比。

4 结论

(1)在一定范围内,橡胶掺量与修复材料的初始流动度和20min流动度呈负相关关系,而OPC掺量与流动度呈正相关关系。流动度损失随着OPC掺量的增加而减少,与橡胶掺量关系不显著。

(2)修复材料的抗压和抗折强度随着养护龄期的增加而增大。在相同养护龄期下,抗压和抗折强度与OPC掺量和橡胶掺量呈负相关关系。

(3)在相同橡胶掺量下,随着OPC掺量的增加,修复材料的2小时强度增长百分比呈下降趋势,而1d强度增长百分比呈上升趋势。掺入OPC的修复材料的28d抗压和抗折强度增长百分比均高于未掺OPC的样本。

(4)在相同OPC掺量下,随着橡胶掺量的增加,修复材料的2小时折压比呈先降低后增加的变化趋势,而1d折压比逐渐降低,7d和28d折压比逐渐增加。