馬正先 ，周傳貴 ，逄魯峰 ，常青山 ，付鵬 ，宋沛霖 ，李兵

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的大力投入，高速客運(yùn)鐵路和大跨度橋梁的建設(shè)力度逐漸增大，為了縮短冬季施工工期而又不影響支座砂漿的性能，對(duì)冬季支座施工就提出了新的挑戰(zhàn)。在冬季施工中，持續(xù)低溫下水泥的水化特性將發(fā)生顯著變化，主要是由于施工環(huán)境溫度為負(fù)溫時(shí)，水泥水化所需要的自由水會(huì)結(jié)冰，使水泥水化反應(yīng)所需要的自由水減少，水泥不能在持續(xù)低溫環(huán)境下繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)，導(dǎo)致其早期強(qiáng)度較低[1]。為了使水泥能在持續(xù)低溫環(huán)境下繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)，提高其早期強(qiáng)度，研制一種能夠滿足冬季施工要求的特種支座砂漿勢(shì)在必行。

近年來，針對(duì)支座砂漿的特殊要求，通過改變支座砂漿的原料組成和配比，開展了一些有關(guān)支座砂漿灌漿材料的研究。馬保國(guó)等[2-4]以硫鋁酸鹽水泥為基本膠凝材料，添加減水劑、緩凝劑和自制的功能組分并優(yōu)化配比，成功研制出TXRG-Ⅱ型早強(qiáng)支座砂漿。研究發(fā)現(xiàn)，混雜纖維的摻入可以起到彌合裂縫的作用，并能推遲砂漿內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。查炎鵬等[5]以高鋁水泥、石膏、普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，復(fù)配早強(qiáng)劑和緩凝劑，研制出高鐵用支座砂漿。張勇和楊富民[6]以水泥、減水劑、石英砂、礦物摻合料、增稠組分、調(diào)凝組分和高分子聚合物為原料，研制出TK-Z支座灌漿材料。周華新等[7]以低堿硫鋁酸鹽水泥為基本膠凝材料，配以減水、早強(qiáng)、緩凝和消泡組分并經(jīng)試驗(yàn)確定其最佳摻量，研制出高速鐵路專用支座砂漿材料。

本文先通過正交試驗(yàn)確定防凍劑的最佳摻量，再通過調(diào)整硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥與普通硅酸鹽水泥的比例，緩凝劑的摻量，考察其對(duì)砂漿早期強(qiáng)度的影響，從而給出支座砂漿的最佳配比，并使其各項(xiàng)性能指標(biāo)符合科技基函[2005]101號(hào)《客運(yùn)專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件》中支座砂漿的技術(shù)要求[8]。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料：P·O52.5水泥，山東山水建材集團(tuán)生產(chǎn)；高鋁水泥，鄭州新興特種水泥廠生產(chǎn)；42.5級(jí)硫鋁酸鹽水泥，中國(guó)聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；無水石膏，山東棗莊信通石膏粉廠生產(chǎn)。骨料：20～40目石英砂、40～70目烘干砂、70～120目烘干砂，均為市售。外加劑：酒石酸，鄭州明瑞化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)，分析純（AR）；碳酸鋰，鄭州力邁化工有限公司生產(chǎn)，分析純（AR）；亞硝酸鈉、甲酸鈉、甲酸鈣、粉狀聚羧酸粉水劑PC1701，均來自山東華迪建筑科技有限公司。拌合水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)步驟

在普通支座砂漿配方研究的基礎(chǔ)上，確定負(fù)溫支座砂漿的基準(zhǔn)配比：膠凝材料組成為70%硫鋁酸鹽水泥+24%普硅水泥+6%石膏，膠砂比為1∶1，用水量占膠凝材料質(zhì)量的27%，酒石酸、減水劑摻量分別占膠凝材料總質(zhì)量的0.26%、0.24%。（1）首先通過正交試驗(yàn)確定防凍劑的最佳摻量；（2）在防凍劑最佳摻量條件下，以普通硅酸鹽水泥和石膏作為基本膠凝材料，在單摻硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥進(jìn)行復(fù)摻試驗(yàn)，研究－5℃環(huán)境溫度下對(duì)支座砂漿性能的影響；（3）通過調(diào)整緩凝劑優(yōu)化配比，確定最優(yōu)摻量，并給出最終的支座砂漿優(yōu)化配比。

1.2.2 性能測(cè)試方法

負(fù)溫支座砂漿的攪拌、養(yǎng)護(hù)成型方法按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法（ISO法）》進(jìn)行。漿體流動(dòng)性依據(jù)GB/T50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測(cè)試。防凍劑依據(jù)JC475—2004《混凝土防凍劑》進(jìn)行測(cè)試，彈性模量依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，支座砂漿各項(xiàng)性能指標(biāo)依據(jù)科技基函[2005]101號(hào)《客運(yùn)專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件》規(guī)定執(zhí)行。

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)備

砂漿攪拌機(jī)：JJ-5，無錫建儀-江蘇華創(chuàng)；壓力試驗(yàn)機(jī)：DKZ-500，揚(yáng)州博瑞克儀器；抗折試驗(yàn)機(jī)：DKE-50000，濟(jì)南海威爾儀器；試模：4 cm×4 cm×16 cm，無錫華南試驗(yàn)儀器；電子天平：LP5001B，杭州萬特衡器。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 防凍劑的選擇及最佳摻量

冬季在負(fù)溫施工環(huán)境下，根據(jù)冰晶畸變理論[9]，在不摻加防凍劑時(shí)由于氫鍵作用，水分子很容易聚合成龐大的分子集合體，從而產(chǎn)生冰晶，液相中的冰點(diǎn)開始析水，摻加防凍劑后，由于防凍劑分子在一定程度上對(duì)水分子中的氫鍵有干擾作用，從而減緩了聚合成水分子集合體的速度，使析出的冰晶呈細(xì)小絮狀結(jié)構(gòu)。另外，根據(jù)液灰比理論[10]，水分子在溫度下降至冰點(diǎn)時(shí)開始析出冰晶，在一定的負(fù)溫狀態(tài)下又達(dá)到了新的平衡狀態(tài)即冰液共存狀態(tài)，由于仍有液態(tài)水存在，水泥可以在新的負(fù)溫狀態(tài)下繼續(xù)水化，水泥水化所消耗的水由冰融化來補(bǔ)充。本試驗(yàn)在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，選擇亞硝酸鈉、甲酸鈉、甲酸鈣3種防凍劑和碳酸鋰早強(qiáng)劑用量4個(gè)因素進(jìn)行研究，每個(gè)因素取3個(gè)水平，以2 h抗壓強(qiáng)度，24 h抗折強(qiáng)度，24 h抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，正交試驗(yàn)因素水平見表1，測(cè)試結(jié)果見表2，極差分析見表3。

表1 防凍劑選擇正交試驗(yàn)因素水平

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

從表3可以看出：影響負(fù)溫支座砂漿2h抗壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)?D＞A＞B＞C，最優(yōu)組合為 A2B3C1D3；影響負(fù)溫支座砂漿24h抗折強(qiáng)度的主次順序 D＞B＞A＜C，最優(yōu)組合為 A2B2C2D3；影響負(fù)溫支座砂漿24 h抗壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)镈＞A＞B＞C，最優(yōu)組合為A2B3C2D3。

3種防凍劑中，亞硝酸鈉對(duì)支座砂漿的早期強(qiáng)度影響最大，但沒有考慮到對(duì)后期強(qiáng)度的影響以及與室溫下普通支座砂漿的強(qiáng)度差距。通過正交試驗(yàn)得出3組最優(yōu)組合，與相同配合比而不摻防凍劑、只摻碳酸鋰早強(qiáng)劑在室溫情況下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，確定防凍劑的最佳摻量。負(fù)溫支座砂漿的配合比見表4，性能測(cè)試結(jié)果見表5。

表4 負(fù)溫支座砂漿的配合比 kg

表5 摻不同防凍劑負(fù)溫支座砂漿的性能指標(biāo)

由表5可以看出，摻防凍劑的3組配比中，F(xiàn)2組強(qiáng)度最高，與在室溫下不摻防凍劑的F4組試樣相比，F(xiàn)2組支座砂漿的2 h抗壓強(qiáng)度降低了9.0%，24 h抗折強(qiáng)度降低了9.2%，但是3、7、28 d抗壓強(qiáng)度僅分別降低了1.4%、1.7%、2.7%。防凍劑對(duì)初始流動(dòng)度以及30 min流動(dòng)影響不大。

由此可以確定最佳防凍劑摻量為：亞硝酸鈉0.12%、甲酸鈉0.12%、甲酸鈣0.14%，同時(shí)摻加0.2%的酸碳鋰。

2.2 膠凝材料的調(diào)整

通過上述正交試驗(yàn)初步確定了防凍劑的最佳摻量，但強(qiáng)度和流動(dòng)度尚不能滿足支座砂漿的要求，需要通過調(diào)整普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥硫鋁酸鹽水泥三者之間的比例來解決。試驗(yàn)中，外加劑摻量均參照F2組，膠凝材料中石膏摻量為6%不變。

2.2.1 單摻硫鋁酸鹽水泥

單摻硫鋁酸鹽水泥對(duì)支座砂漿流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響分別見圖 1、圖 2。

圖1 硫鋁酸鹽水泥摻量對(duì)支座砂漿流動(dòng)度的影響

圖2 硫鋁酸鹽水泥摻量對(duì)支座砂漿強(qiáng)度的影響

由圖1、圖2可見：隨硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，支座砂漿的流動(dòng)度有一定程度的降低，當(dāng)摻量高于65%以后，30 min流動(dòng)度損失較大；2 h抗壓強(qiáng)度及24 h抗壓強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)摻量為70%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高。

分析其原因主要是，硫鋁酸鹽水泥主要礦物成分為無水硫鋁酸鈣與硅酸二鈣，在常溫下的主要水化產(chǎn)物為AFt晶體，是早期強(qiáng)度的主要來源，而且硫鋁酸鹽水泥在負(fù)溫下水化產(chǎn)物種類與常溫下一致。與常溫時(shí)相比，負(fù)溫時(shí)硫鋁酸鹽水泥的誘導(dǎo)期更長(zhǎng)，AFt晶體成核自由能和成核速率與溫度有關(guān)，溫度越低，AFt晶體越難成核，強(qiáng)度發(fā)展就越慢[11]。

2.2.2 單摻高鋁水泥

單摻高鋁水泥對(duì)支座砂漿流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響分別見圖3、圖 4。

圖3 高鋁水泥摻量對(duì)支座砂漿流動(dòng)度的影響

圖4 高鋁水泥摻量對(duì)支座砂漿強(qiáng)度的影響

由圖3、圖4可以看出：隨高鋁水泥摻量的增加，支座砂漿的流動(dòng)度降低；2 h抗壓強(qiáng)度及24 h抗壓強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)摻量為70%時(shí)達(dá)到最高。與單摻硫鋁酸鹽水泥的相比，單摻高鋁水泥的支座砂漿2 h抗壓強(qiáng)度、24 h抗折強(qiáng)度要高，但30 min流動(dòng)度損失也大。

分析其原因主要是，高鋁水泥主要礦物成分為鋁酸一鈣（CA）和鋁酸二鈣（C2A）等鋁酸鹽礦物，在有普通硅酸鹽水泥和石膏存在的情況下，其水化過程更加迅速，其中石膏的加入使CA和C2A的水化速度明顯加快，產(chǎn)生大量的AFt和水化鋁膠凝體。而普通硅酸鹽水泥的加入，為反應(yīng)體系提供了可溶性硫酸鈣，提供了高鋁水泥水化的堿性，可以促進(jìn)高鋁水泥的水化，因此石膏和硅酸鹽水泥的加入，在一定程度上為反應(yīng)體系提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和反應(yīng)條件，從而大大提高了整個(gè)反應(yīng)體系的水化速度，使膠凝體系強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)迅速提高[12]。

2.2.3 復(fù)摻硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥

通過單摻硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)普通硅酸鹽水泥占膠凝材料的19%～34%時(shí)，初始流動(dòng)度、30 min流動(dòng)度、2h抗壓強(qiáng)度以及24 h抗折強(qiáng)度最接近標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。本節(jié)試驗(yàn)確定以普通硅酸鹽水泥摻量為24%、29%、34%，硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥質(zhì)量比分別為 3∶7、5∶5、7∶3進(jìn)行復(fù)摻。不同水泥摻量對(duì)流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響見表6。

表6 不同水泥摻量對(duì)支座砂漿流動(dòng)度與強(qiáng)度的影響

由表6可以看出：

（1）通過復(fù)摻硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥，當(dāng)普通硅酸鹽水泥摻量以相同的比例提高時(shí)，通過調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥之間的比例，可以有效的調(diào)節(jié)支座砂漿的流動(dòng)度損失。

（2）當(dāng)普通硅酸鹽水泥占膠凝材料24%～29%，硫鋁酸鹽水泥占膠凝材料的20%～35%，高鋁水泥占膠凝材料的32%～35%時(shí)，初始流動(dòng)度達(dá)到315～330 mm，30 min流動(dòng)度達(dá)到215～235mm，2 h抗壓及24 h抗折強(qiáng)度滿足支座砂漿的性能指標(biāo)要求。

2.3 緩凝劑摻量的調(diào)整

上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，支座砂漿的30 min流動(dòng)度損失過大，因此，選擇石膏和酒石酸作為緩凝劑，通過調(diào)整石膏與酒石酸的比例來解決30 min流動(dòng)度損失過大的問題。

根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，確定普通硅酸鹽水泥25%、硫鋁酸鹽水泥34%、高鋁水泥35%，亞硝酸鈉、甲酸鈉、甲酸鈣、碳酸鋰、減水劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0.12%、0.12%、0.14%、0.20%、0.24%，通過調(diào)整石膏和酒石酸摻量來考察其對(duì)流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 石膏與酒石酸摻量對(duì)支座砂漿性能的影響

由表7可以看出：

（1）隨著石膏摻量的提高，支座砂漿的凝結(jié)時(shí)間越來越長(zhǎng)，30 min流動(dòng)度損失變小，當(dāng)石膏摻量在6%～9%時(shí)，滿足支座砂漿的指標(biāo)要求，石膏摻量繼續(xù)提高，強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

（2）酒石酸的緩凝效果比石膏好，酒石酸摻量在0.24%～0.26%時(shí)，緩凝效果最佳，當(dāng)酒石酸摻量提高到0.28%時(shí)，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間明顯延長(zhǎng)，在低溫環(huán)境下，水化進(jìn)行得太慢，使強(qiáng)度降低。

石膏在硅酸鹽水泥、高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥三元膠凝體系水化過程中起著重要作用，由于C3A水化速度非常快，在水化過程中二水硫酸鈣能夠迅速溶解，并與鋁酸三鈣水化產(chǎn)生的凝膠反應(yīng)生成鈣礬石，而且在水化過程中能包裹在鋁酸三鈣礦物顆粒的表面，阻止水分子進(jìn)入，從而延緩鋁酸三鈣的進(jìn)一步水化反應(yīng)。酒石酸是一種二元羧酸，有很強(qiáng)的極性，其緩凝機(jī)理主要是通過延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)期而達(dá)到，能提高C3S的水化體溶液中的介穩(wěn)過飽和度，過飽和度越高，析出的晶核越小，數(shù)量越多，從而形成一個(gè)高分散性的溶膠體系，起到緩凝的效果。

2.4 負(fù)溫支座砂漿的最終配比與性能

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，確定負(fù)溫支座砂漿的最終配比為：膠砂比1∶1，用水量占膠凝材料的27%，普通硅酸鹽水泥占膠凝材料24%～29%，硫鋁酸鹽水泥占膠凝材料的20%～35%，高鋁水泥占膠凝材料的32%～35%，石膏摻量占膠凝材料的6%～9%，酒石酸為0.25%～0.27%，粉狀聚羧酸減水劑為0.24%，亞硝酸鈉為0.12%，甲酸鈉為0.12%，甲酸鈣為0.14%，碳酸鋰為0.2%。在上述變量中優(yōu)選3組進(jìn)行試驗(yàn)（其余不變），在－5℃條件下測(cè)試支座砂漿的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足要求。試驗(yàn)配比和測(cè)試結(jié)果見表8。

表8 支座砂漿的優(yōu)選配比和性能測(cè)試結(jié)果

由表8可以看出，3組優(yōu)化配比制備的支座砂漿各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合科技基函[2005]101號(hào)《客運(yùn)專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件》中預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁盆式橡膠支座重力灌漿用灌漿材料的性能技術(shù)要求。此負(fù)溫支座砂漿已在山東華迪建筑科技有限公司投入生產(chǎn)并獲得應(yīng)用，效果良好。

3 結(jié)論

（1）3種防凍劑中，亞硝酸鈉對(duì)支座砂漿的早期強(qiáng)度影響最大。最佳防凍劑摻量：亞硝酸鈉0.12%、甲酸鈉0.12%、甲酸鈣0.14%，同時(shí)摻加0.2%的碳酸鋰早強(qiáng)劑。

（2）隨著硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥摻量的增加，支座砂漿的強(qiáng)度先提高后降低，初始及30 min流動(dòng)度逐漸減小；單摻高鋁水泥比單摻硫鋁酸鹽水泥30 min流動(dòng)度損失大。

（3）復(fù)摻硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥，當(dāng)普通硅酸鹽水泥摻量以相同的比例提高時(shí)，通過調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥之間的摻比，可以有效地調(diào)節(jié)支座砂漿的流動(dòng)度損失。

（4）隨著石膏和酒石酸摻量的提高，初凝和終凝時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，30 min流動(dòng)度損失減小，酒石酸的緩凝效果要強(qiáng)于石膏。當(dāng)石膏摻量＞9%、酒石酸摻量提高到0.28%時(shí)，初凝與終凝時(shí)間明顯延長(zhǎng)，強(qiáng)度有下降的趨勢(shì)。

（5）負(fù)溫支座砂漿的最佳配比為：膠砂比1∶1，用水量占膠凝材料的27%，普通硅酸鹽水泥占膠凝材料24%～29%，硫鋁酸鹽水泥占膠凝材料的20%～35%，高鋁水泥占膠凝材料的32%～35%，石膏摻量占膠凝材料的6%～9%，粉狀聚羧酸減水劑為0.24%，酒石酸為0.24%～0.26%，亞硝酸鈉為0.12%，甲酸鈉為0.12%，甲酸鈣為0.14%，碳酸鋰為0.2%。