新型水泥混凝土道路修補(bǔ)劑的制備與施工

王鴻非，徐波，代小曼，代超，孟祥靜

(武漢市市政科研有限公司，武漢 430023)

摘要：采用氧化鎂、磷鎂酸鹽和硼砂為主，添加部分礦物摻和料和鋼渣粉等，制備了快硬早強(qiáng)磷鎂酸鹽快硬水泥修補(bǔ)劑，提出了路面修補(bǔ)施工工藝，并應(yīng)用到了實(shí)際工程中。利用礦物摻和料(粉煤灰、硅灰、膨脹劑、鋼渣粉等)和鉻鐵礦渣粉替代部分磷鎂酸鹽水泥，降低了修補(bǔ)劑成本，節(jié)約了資源，同時(shí)有利于重金屬的固化。工程應(yīng)用表明：在早期強(qiáng)度損失率低的情況下，該修補(bǔ)劑的初始流動(dòng)度大，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)控，早強(qiáng)強(qiáng)度等級(jí)高，抗裂抗?jié)B好，滿(mǎn)足施工設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：磷鎂酸鹽水泥；緩凝劑；流動(dòng)度；早期強(qiáng)度

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.015

Abstract:This paper prepares the high early strength magnesium phosphate repair agent on the basis of using MgO,potassium dihydrogen phosphate and borax and adding mineral admixtures and steel slag powders. The craftsmanship process of pavement repair construction was put forward and applied to practical engineering.Using fly ash, silica fume, slag powders and chromium slag powders to replace partial magnesium phosphate cement, which reduces the cost and saves resources for heavy metal solidification. The engineering application shows:the initial fluidity and setting time can be controlled with less early strength loss.Thecrack permeability is better to meet the required construction indicators.

收稿日期：2015-04-06.

作者簡(jiǎn)介：王鴻非(1983-)，工程師.E-mail:289567334@qq.com

Preparation and Construction of New Phosphorus Magnesium

Aluminate Cement Road Repair Agent

WANGHong-fei,XUBo,DAIXiao-man,DAIChao,MENGXiang-jing

(Wuhan Civil Engineering Technology Development Co Ltd,Wuhan 430070，China)

Key words:magnesium phosphate cement;retarder;fluidity;early strength

磷酸鎂水泥(Magnesium Phosphate Cement，MPC)是由MgO、磷酸鹽及緩凝劑按適當(dāng)比例配制而成的一種早強(qiáng)快硬的新型膠凝材料[1]。通過(guò)工業(yè)磨細(xì)粉煤灰、硅灰及適量膨脹劑來(lái)提高修補(bǔ)劑的初始流動(dòng)性能，延長(zhǎng)施工操作時(shí)間；同時(shí)添加磨細(xì)鋼渣粉和鉻鐵尾礦渣粉增加了水泥中金屬氧化物的含量，促進(jìn)活性重金屬氧化物與磷酸鹽發(fā)生反應(yīng)，增加了砂漿的密實(shí)度和抗?jié)B等級(jí)，也有利于重金屬固體廢棄物的固化效應(yīng)。工業(yè)純級(jí)氧化鎂粉磨后添加磨細(xì)改性石膏，混合充分，有利于調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)性能，還有利于與活性鋼渣粉、活性鉻鐵尾礦渣粉中的C2S和鋁酸鹽反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠或者反應(yīng)生成鈣礬石，增加了結(jié)構(gòu)致密性能。試驗(yàn)中還通過(guò)添加微細(xì)改性鋼纖維來(lái)解決MPC水泥脆性大的問(wèn)題。該類(lèi)型修補(bǔ)劑具有低溫凝結(jié)快、粘結(jié)強(qiáng)度高、干縮小、耐磨性和抗凍性良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁、道路、機(jī)場(chǎng)跑道的快速修補(bǔ)，有害和放射性物質(zhì)的固化等，有著重要的民用和軍事用途[2]。

1原材料及技術(shù)指標(biāo)

1.1　原材料

1)氧化鎂采用工業(yè)重?zé)趸V，由菱鎂礦在1 500~1 700 ℃煅燒粉磨而成，棕黃色，比表面積為3 200 cm2/g，顆粒分布在50~80 μm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1　工業(yè)重?zé)趸V化學(xué)成分分析

2)磷鎂酸鹽采用磷酸二氫鉀，白色粉末。

3)硼酸采用工業(yè)純級(jí)硼砂。

4)礦物摻和料采用湖南石門(mén)電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定的Ⅱ級(jí)灰技術(shù)要求。采用微硅粉，SiO2含量92%，比表面積18 600 m2/kg，需水量比122%。

采用天津豹鳴HCSA高性能混凝土膨脹劑。采用武鋼生產(chǎn)的鋼渣粉，由鋼渣煅燒磨細(xì)而成。

5)鉻鐵礦渣粉采用武鋼生產(chǎn)的高碳鉻鐵尾礦渣，淡黑色，化學(xué)成分見(jiàn)表2 。

表2　高碳鉻鐵礦渣粉化學(xué)成分分析　 w/%

6)微細(xì)鋼纖維市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JT/T 524—2004《公路水泥混凝土纖維材料-鋼纖維》和YB/T 151-1999《混凝土用鋼纖維》規(guī)定技術(shù)要求。

7)外加劑阻銹組分包括氨基醇、氨基酯，市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。減水組分采用FDN9001減水粉劑，市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 8076—2008《混凝土外加劑》規(guī)定技術(shù)要求。

1.2　設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：2 h抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度滿(mǎn)足20 MPa以上，1天抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足40 MPa以上，28抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足60 MPa以上；初始流動(dòng)度180~200 mm，凝結(jié)時(shí)間15-25 min；抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P10，抗凍系數(shù)大于F300，抗氯離子滲透系數(shù)小于1.0×10-12，抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)大于0.95。

2新型修補(bǔ)劑配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1　氧化鎂比表面積對(duì)修補(bǔ)劑性能的影響

氧化鎂在磷鎂酸鹽修補(bǔ)劑中占的比例到達(dá)60%~80%，所以氧化鎂的質(zhì)量嚴(yán)重影響著修補(bǔ)劑的性能。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)改變氧化鎂比表面積來(lái)研究其對(duì)水泥水化后流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響。將試驗(yàn)用的氧化鎂粉末分別裝入行星式球磨機(jī)中進(jìn)行粉磨，控制行星式球磨機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和粉磨時(shí)間，然后測(cè)定其比表面積，按設(shè)計(jì)A料、B料組分稱(chēng)量進(jìn)行水泥凈漿試驗(yàn)。試驗(yàn)控制A/B為1∶4，硼酸摻量占A料的5%，水膠比為0.3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　氧化鎂比表面積對(duì)修補(bǔ)劑性能的影響

從表3中可以看出：隨著氧化鎂比表面積的增加，其水泥凈漿的初始流動(dòng)性能在逐漸減小，凝結(jié)時(shí)間提前，早期抗壓強(qiáng)度得到提升，表明氧化鎂的活性使水泥的水化速度得到了提升，引起水泥早期水化熱增加，釋放的熱量進(jìn)一步促進(jìn)了水化的進(jìn)程，從而影響了水泥初始流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間，早期抗壓強(qiáng)度變大，后期強(qiáng)度略有降低，但波動(dòng)幅度小。

2.2　A/B值對(duì)修補(bǔ)劑性能的影響

通過(guò)上述試驗(yàn)，以M1作為參照配合比，控制硼酸占A料的比例為5%，水膠比為0.3，設(shè)計(jì)一系列A/B值，測(cè)試水泥凈漿的初始流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度等級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1中可以看出：A/B的值對(duì)水泥性能的影響權(quán)重:較大，隨著A/B值的減小，水泥凈漿的初始流動(dòng)度逐漸減小，同時(shí)水泥的凝結(jié)時(shí)間也逐漸縮短，因?yàn)檠趸V的溶解含量控制整個(gè)反應(yīng)的快慢和水化產(chǎn)物的生成[3]。當(dāng)A/B值較大時(shí)，氧化鎂溶解含量相對(duì)較少，與其生成的水化產(chǎn)物就越少，消耗的水量就少，同時(shí)包裹未溶解水化顆粒的時(shí)間就越長(zhǎng)，從而增加了水泥凈漿的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)A/B較小時(shí)，氧化鎂溶解量增加，增加了與磷酸鹽的反應(yīng)，形成的晶核越多，水化速度越快，致密的水化結(jié)晶核包裹住氧化鎂顆粒形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)限制了水泥的流動(dòng)性，縮短了凝結(jié)時(shí)間。

從水泥凈漿抗壓強(qiáng)度的變化中可以看出：A/B的變化使水泥抗壓強(qiáng)度先增加后降低，這與水泥中氧化鎂與磷酸鹽形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)晶體與未溶解氧化鎂顆粒的包裹程度有關(guān)[4]，當(dāng)A/B值較大時(shí)，水泥水化程度低，不足以將氧化鎂完全包裹住，隨著A/B值的降低，氧化鎂含量逐漸增加，包裹程度不斷改善，但是當(dāng)A/B低于1∶5以后水泥氧化鎂含量過(guò)量，相反生成的水化產(chǎn)物降低，包裹率逐漸降低。所以在實(shí)際工程中我們要控制A/B值在1∶4～1∶5之間變化，使之流動(dòng)度滿(mǎn)足施工要求，早期強(qiáng)度大，且對(duì)后期強(qiáng)度無(wú)明顯影響。

2.3　緩凝劑對(duì)修補(bǔ)劑性能的影響

試驗(yàn)采用硼砂緩凝劑，可以適當(dāng)延遲水泥水化反應(yīng)，延長(zhǎng)水泥凝結(jié)時(shí)間，使新拌修補(bǔ)劑保塑時(shí)間長(zhǎng)，方便施工操作，提高了施工效率。試驗(yàn)控制A/B值1∶4，水膠比0.3，設(shè)計(jì)硼酸在A料中的摻量3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%八組試驗(yàn)，測(cè)試水泥凈漿的初始流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度等級(jí)，詳見(jiàn)圖2。

從圖2中可以看出硼酸對(duì)修補(bǔ)劑的緩凝效果較好，使凈漿的流動(dòng)度增大，凝結(jié)時(shí)間也有較大延長(zhǎng)。在較低硼酸摻量的情況下，水泥凈漿流動(dòng)度小，凝結(jié)迅速，無(wú)法滿(mǎn)足施工操作要求；當(dāng)硼酸摻量增加，水泥凈漿的流動(dòng)度不斷增加；當(dāng)硼酸摻量增加到8%以后，凈漿流動(dòng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)下降。硼砂緩凝的主要機(jī)理就是與溶解的氧化鎂表面發(fā)生絡(luò)合效應(yīng)，形成一層保護(hù)膜，延緩磷酸根離子與鎂離子的接觸，達(dá)到緩凝的效果，所以過(guò)多的硼酸摻量對(duì)凈漿的流動(dòng)性能無(wú)明顯改善作用。硼酸摻量的增加會(huì)引起氧化鎂表面保護(hù)膜的厚度增厚，抑制脹破時(shí)間，延緩的水化時(shí)間；同時(shí)硼砂的添加增加了pH值，導(dǎo)致氧化鎂的溶解速率下降，液相體積增加；還有硼砂中的結(jié)晶水釋放，導(dǎo)致水泥水膠比提高，水泥凈漿的流動(dòng)度增加，但強(qiáng)度損失大。但是隨著硼酸摻量的增加，水泥修補(bǔ)劑的早期強(qiáng)度和中期強(qiáng)度都發(fā)生明顯的損失，不利于水泥強(qiáng)度發(fā)展[1,5]。所以考慮到強(qiáng)度和流動(dòng)性能等綜合性能，硼酸的摻量適宜設(shè)置在5%～8%區(qū)間內(nèi)，且凝結(jié)時(shí)間可調(diào)控。

2.4　W/C值對(duì)修補(bǔ)劑性能的影響

試驗(yàn)設(shè)計(jì)水膠比0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34十組試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

從圖3中可以看出：水膠比會(huì)明顯影響水泥的凝結(jié)時(shí)間。修補(bǔ)劑凝結(jié)與硬化受到水泥水化產(chǎn)物在空間填充情況的影響，隨著水膠比的增加，水泥凝結(jié)時(shí)間明顯延長(zhǎng)，流動(dòng)性能也顯著增大；但是隨著水膠比的增加，修補(bǔ)劑的早期抗壓強(qiáng)度損失過(guò)快，尤其是當(dāng)水膠比上升到0.32以后，繼續(xù)增加會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度跳躍性降低，削弱了界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)。綜合考慮，修補(bǔ)劑的水膠比宜控制在0.28～0.30范圍內(nèi)，流動(dòng)性和強(qiáng)度匹配效果好。

3施工工藝

3.1　新老界面的處理

確定施工方案后，在施工前一個(gè)星期左右在需處理的老混凝土表面按照一定的深度間隔進(jìn)行機(jī)械切割，完全破除病害板塊，切割線(xiàn)最好是與混凝土面層垂直，嚴(yán)禁出現(xiàn)銳角的情況，但是鈍角角度也不能太大，太大會(huì)導(dǎo)致原混凝土上層變薄，易發(fā)生脫落，最好是方案①，方案③可行，但嚴(yán)禁使用方案②，如圖4、圖5所示。

然后仔細(xì)清除掉老混凝土結(jié)合面上所有損壞的，松動(dòng)的和附著的骨料、砂漿和雜質(zhì)雜物，并使堅(jiān)固的部分骨料露出表面，構(gòu)成粗糙面以提高粘結(jié)性，用觀察法對(duì)界面粗糙度進(jìn)行檢查，外露粗骨料需達(dá)到30%～40%。

鑿掉破損路面的破壞層，盡量使得路面不留疙瘩、坑槽，以保證路面的基本平整。對(duì)于一些突起的部位，若突起較高，需將其銑刨后，再用打磨機(jī)進(jìn)行磨平，若突起較小，可不預(yù)處理以保證一定的粗糙度；對(duì)于一些低洼的部位，若坑槽太深，則需采用高粘結(jié)強(qiáng)度的水泥漿體進(jìn)行補(bǔ)平。清掃路面殘余的碎石、混凝土廢渣，保證施工作業(yè)面兩邊10 m以外的清潔，以免在施工過(guò)程中廢渣被帶進(jìn)施工路段，降低施工質(zhì)量。

3.2　修補(bǔ)劑的拌合

磷鎂酸鹽水泥基修補(bǔ)劑為酸堿反應(yīng)，施工拌合前嚴(yán)禁將A料和B料混合存放。施工過(guò)程中一般采用兩種混合攪拌方式：

1)AB料按1∶4.0～1∶5.0稱(chēng)量，先按水膠比0.3左右稱(chēng)取所需水量，將B料與水放入便攜式攪拌器中拌合1~2 min至均勻，再加入A料繼續(xù)拌合至1~2 min至均勻，迅速進(jìn)行施工修補(bǔ)，在10 min內(nèi)振實(shí)收平抹面，用濕毛毯覆蓋，3 h后即可開(kāi)發(fā)交通。這種方式一般為機(jī)械攪拌器拌合，攪拌出鍋修補(bǔ)劑流動(dòng)度大，易于施工操作。

2)控制水膠比0.30，將A料與B料放入便攜式攪拌器中拌合1~2 min至均勻，再加入水繼續(xù)拌合至1~2 min至均勻，迅速進(jìn)行施工修補(bǔ)，在10 min內(nèi)振實(shí)收平抹面，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)。這種方式一般是采用人工拌合，易于將A料與B料昏混合均勻，保證了修補(bǔ)劑的性能要求，同時(shí)也易于人工操作。

3.3　工程應(yīng)用

磷鎂酸鹽水泥快硬修補(bǔ)劑主要應(yīng)用到武漢市江岸區(qū)堤邊路市政交通道路修補(bǔ)中。武漢市堤邊路疏通了城區(qū)通往外界的道路，為武漢市的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。全線(xiàn)由于道路建成年限已久，車(chē)流量及荷載量已超過(guò)早期設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致現(xiàn)狀路面水泥砼板出現(xiàn)斷裂，沉陷等，局部破損嚴(yán)重，影響行車(chē)安全。本項(xiàng)目依托城市主干道堤邊路的道路維修改造工程，通過(guò)采用道路快速修補(bǔ)材料對(duì)局部車(chē)行道路面破損處進(jìn)行面層修復(fù)，實(shí)現(xiàn)快硬、早強(qiáng)、耐久、可迅速通車(chē)(1 d)的施工效果。此道路快速修補(bǔ)材料的應(yīng)用與推廣可明顯加快武漢市區(qū)破損道路的維修改造進(jìn)度，有利于城市交通的便捷和城市面貌的改善，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值不可估量。

工程應(yīng)用表明：該配合比修補(bǔ)劑的初始流動(dòng)度達(dá)到210 mm，凝結(jié)時(shí)間13~15 min，2 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到24 MPa，3 h達(dá)到27 MPa，1 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到44 MPa，滿(mǎn)足快速施工和短時(shí)間開(kāi)發(fā)交通要求。且修補(bǔ)劑實(shí)驗(yàn)室抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P10，抗凍系數(shù)大于F300，抗氯離子滲透系數(shù)為0.92×10-12，抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)為0.96，滿(mǎn)足耐久性要求。

4結(jié)論

a.基于試驗(yàn)原材料，制備出了具有良好力學(xué)性能、工作性能和符合施工要求的道路快速修補(bǔ)劑，具有初始流動(dòng)度大、高強(qiáng)早強(qiáng)和凝結(jié)時(shí)間可調(diào)控的特點(diǎn)。

b.摻加工業(yè)副產(chǎn)品粉煤灰、硅灰、鋼渣粉，能有效解決修補(bǔ)劑成本問(wèn)題，HCSA膨脹劑的使用限制了修補(bǔ)劑早期收縮，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和耐久性能增加。

c.通過(guò)對(duì)不同施工地點(diǎn)的施工配合比微調(diào)，合理調(diào)配施工工藝，順利進(jìn)行道路邊角處修補(bǔ)施工，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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