馬正先 ，周傳貴 ，逄魯峰 ，常青山 ，付鵬 ，郎慧東 ，李兵

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南 250101；2.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟南 250001；3.山東建筑大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院，山東 濟南 250101）

0 引 言

許多高速鐵路、橋梁在惡劣的環(huán)境中，支座在整個結(jié)構(gòu)體系中是關(guān)鍵的傳力部位，因此對支座灌漿料提出了很高的要求，很多施工單位為趕工期往往不注意控制其用水量和及時的養(yǎng)護，導(dǎo)致支座灌漿料出現(xiàn)2 h強度不夠、后期強度不達標(biāo)或出現(xiàn)強度倒縮等各種問題。產(chǎn)品供應(yīng)商往往對產(chǎn)品各項性能缺乏深入的研究，沒有成熟穩(wěn)定的生產(chǎn)配方，盲目追求利益或者對產(chǎn)品檢測不及時，導(dǎo)致正常用水量下滿足不了工地施工要求，或者摻加過量緩凝劑使其早期強度不達標(biāo)。另一方面，生產(chǎn)供應(yīng)地與施工工地距離很遠(yuǎn)，以及放置時間過長，沒有考慮因環(huán)境溫度而引起的穩(wěn)定性問題[1]。上述一系列的問題尤其是用水量與緩凝劑的使用問題，將會對支座砂漿的流變性能與強度造成致命影響。

近年來，針對支座砂漿的特殊使用要求，通過改變支座砂漿膠凝體系比例、功能組分摻量以及引入各種活性礦物摻合料，開展了一些有關(guān)支座砂漿灌漿料的研究。查炎鵬等[2]以高鋁水泥-普通硅酸鹽水泥-石膏三元凝膠體系，通過確定緩凝劑、促凝劑等功能小料系統(tǒng)調(diào)整三者之間的比例，成功配制出適用于高速鐵路的支座砂漿。周文娟等[3]采用正交試驗方法，通過調(diào)整各種目數(shù)的砂進行合理級配，系統(tǒng)探究了砂級配對高強支座砂漿的影響。張敬雷[4]以低堿硫鋁酸水泥與石英砂為原材料，通過優(yōu)化緩凝劑、減水劑、促凝劑等各種功能小料，成功配制出滿足高鐵專用的支座砂漿，并對其進行抗水遷移能力與抗凍性能的研究。李正崗[5]通過在調(diào)整膠凝材料的基礎(chǔ)上引入礦物摻合料、膨脹劑、纖維等，系統(tǒng)探究了各種組分對支座砂漿性能的影響。杜鵬等[6]采用SEM分析了硼酸與硫酸鋁對硫鋁酸鹽水泥緩凝效果和力學(xué)性能的復(fù)合效應(yīng)，配制出一種適用于硫鋁酸鹽水泥的新型緩凝劑。

綜上所述，眾多學(xué)者通過大量試驗研究確定了硫鋁水泥/高鋁水泥-普通硅酸鹽水泥-石膏三元膠凝體系的比例，通過添加減水劑、緩凝劑、促凝劑等功能組分，在實驗室條件下調(diào)配出符合各項性能要求的支座砂漿，但對支座砂漿長期穩(wěn)定性能的研究卻很少。因此，本文在探索性性試驗初步確定硫鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、石膏膠凝材料的比例基礎(chǔ)上，利用正交試驗研究硼酸、酒石酸、葡萄糖酸鈉、檸檬酸鈉4種緩凝劑對支座砂漿流變性能及力學(xué)性能的影響，確定最終的緩凝組分比例。采用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，對隔絕空氣放置1、3、7、28、56 d的支座砂漿各項性能進行測試與表征，系統(tǒng)研究緩凝組分對支座砂漿長期的穩(wěn)定性能。

1 試驗

1.1 試驗原料

膠凝材料：P·O52.5水泥（OPC），山東山水建材集團生產(chǎn)；低堿42.5硫鋁酸鹽水泥（SAC），中國聯(lián)合水泥集團有限公司生產(chǎn)；無水石膏，山東棗莊信通石膏粉廠生產(chǎn)。水泥的主要性能見表1。

表1 水泥的主要性能

骨料：20~40目石英砂，40~70目、70~120目烘干砂，均為市售。

碳酸鋰：鄭州力邁化工有限公司生產(chǎn)，分析純。

減水劑：聚羧酸粉狀減水劑PC1701，減水率37%，固含量98.7%。

消泡劑：山東華迪建筑科技有限公司。

拌合水：自來水。

緩凝組分：酒石酸，河南興源化工有限公司生產(chǎn)；硼酸，鄭州得爾硼業(yè)有限公司生產(chǎn)；檸檬酸鈉、葡萄糖酸鈉，吳江市明浩化工有限公司生產(chǎn)。4種緩凝劑均為分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗步驟

（1）先通過大量探索性試驗選定硫鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、石膏的比例，再通過正交試驗研究硼酸、葡萄糖酸鈉、酒石酸、檸檬酸鈉4種緩凝組分對支座砂漿流變性能以及力學(xué)性能的影響，確定其最佳的緩凝劑摻量；（2）配制各緩凝組分最佳摻量的支座砂漿并在隔絕空氣的條件下放置待用，采用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，分別測試砂漿放置1、3、7、28、56 d后的初始流動度、30 min流動度及2 h、1 d、7 d抗壓強度并作為關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，研究支座砂漿的長期穩(wěn)定性問題。

1.2.2 測試方法

支座砂漿的攪拌、養(yǎng)護成型方法按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》規(guī)定執(zhí)行。漿體流動性依據(jù)GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行測試。支座砂漿各項性能指標(biāo)依據(jù)科技基函[2005]101號《客運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 試驗儀器設(shè)備

砂漿攪拌機：JJ-5，無錫建議-江蘇華創(chuàng)；壓力試驗機：DKZ-500，揚州博瑞克儀器；抗折試驗機：DKE-50000，濟南海威爾儀器；試模：4 cm×4 cm×16 cm，無錫華南試驗儀器；電子天平：LP 5001B，杭州萬特衡器。

2 試驗結(jié)果與分析

在普通支座砂漿配方的基礎(chǔ)上，通過探索性試驗初步確定支座砂漿膠凝材料及功能小料的配比為：膠凝材料由75%硫鋁酸鹽水泥+20%普通硅酸鹽水泥+5%無水石膏組成，膠砂比為1∶1，砂子級配為20~40目石英砂20%、40~70目烘干砂45%、70~120目烘干砂35%，水、減水劑、碳酸鋰和消泡劑摻量分別占膠凝材料質(zhì)量的28%、0.24%、0.15%、0.04%。

2.1 正交試驗設(shè)計

根據(jù)探索性試驗，選取緩凝組分酒石酸、硼酸、葡萄糖酸鈉、檸檬酸鈉摻量（均按占膠凝材料質(zhì)量計）為因素進行L9（34）平行正交試驗，以30 min流動度，2 h、1 d、7 d抗壓強度為指標(biāo)，正交試驗因素水平見表2，正交試驗設(shè)計及性能測試結(jié)果見表3，極差分析見表4。

表2 正交試驗因素水平

表3 正交試驗設(shè)計及性能測試結(jié)果

由表3和表4可以得出：

（1）各因素對支座砂漿30 min流動度、2 h抗壓強度、1 d抗壓強度的影響順序均為：酒石酸＞硼酸＞檸檬酸鈉＞葡萄糖酸鈉；對7 d抗壓強度的影響順序為：硼酸＞酒石酸＞葡萄糖酸鈉＞檸檬酸鈉。

（2）支座砂漿30 min流動度最佳組合為：A2B3C3D3；2 h、1 d抗壓強度最佳組合為：A1B1C2D1；7 d抗壓強度最佳組合為：A2B1C2D1。

檸檬酸鈉緩凝原理：檸檬酸鈉是一種有機鈉鹽類緩凝劑，其緩凝原理可以分為物理作用與化學(xué)作用。物理層面講其分子有很高的表面能，在固-液界面上通過本身的親水性基團吸附大量的自由水形成較厚水膜層，可以有效地屏蔽水泥顆粒之間的相互接觸，從而減緩水泥水化進程[7]。有研究表明[8]，檸檬酸鈉會延緩CaSO4水化生成石膏晶體和鈣礬石的速度，同時C-S-H膠凝生成量會有所增加。這可能是檸檬酸鈉對后期強度影響比較小的原因。

硼酸緩凝原理：硼酸緩凝作用主要是化學(xué)作用，拌和水加入后，在漿體中游離的Ca2+作用下會在水泥熟料表面生成硼酸鈣包裹層，當(dāng)摻量小時，由于其熟料微觀表面凹凸不平，不同部位表面Ca2+濃度不同，生成硼酸鈣包裹層的厚度不同，自由水、SO42-可以摻入包裹層進一步水化，包裹內(nèi)部生成的鈣礬石具有膨脹性，包裹層很容易破裂，造成緩凝效果差[9]。當(dāng)摻量過大時，生成的包裹層致密，水分子很難深入，造成緩凝過度。

表4 正交試驗結(jié)果極差分析

葡萄糖酸鈉化緩凝原理：葡萄糖酸鈉相對其他3種緩凝組分，相對分子量較小，分子結(jié)構(gòu)簡單，溶解度高，在漿體溶液中擴散速度快，能很快吸附于水泥顆粒表面，相對于聚羧酸分子，會在水泥顆粒表面占據(jù)較多的活性空位[10]，由于與聚羧酸分子存在“競爭吸附作用”，聚羧酸分子一方面是直接吸附于未被包裹的水泥顆粒表面；另一方面作用于其水化溶劑膜上，在一定程度上會減弱聚羧酸分子的“空間位阻效應(yīng)”，這可能是其緩凝效果最差的原因。

酒石酸是一種極性較強的二元羥酸，在漿體中與Ca（OH）2反應(yīng)析出溶度積較低的酒石酸鈣，使C3S水化漿體固相溶解，提高了整個膠凝體系的動力穩(wěn)定性，在一定程度上延長了C3S水化體的結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)期。

2.2 長期穩(wěn)定性試驗

通過上述正交試驗，得出緩凝組分3種最佳摻量，分別為A2B3C3D3、A1B1C2D1、A2B1C2D1，為了探究緩凝組分對支座砂漿長期穩(wěn)定性的問題，現(xiàn)選取單摻0.26%酒石酸、0.33%硼酸以及上述3種最佳組合作為緩凝組分配制支座砂漿，緩凝組分配比見表5。其它配比為：膠凝材料由75%硫鋁酸鹽水泥+20%普通硅酸鹽水泥+5%無水石膏組成，膠砂比為1∶1，水、減水劑、碳酸鋰和消泡劑摻量分別占膠凝材料質(zhì)量的28%、0.24%、0.15%、0.04%。對摻5種不同緩凝組分的支座砂漿充分?jǐn)嚢杈鶆?，各配?5 kg放在相同的條件下（隔絕空氣），分別放置 1、3、7、28、56 d進行標(biāo)準(zhǔn)化測試。以初始及 30 min流動度，2 h、1 d、7 d抗壓強度作為關(guān)鍵指標(biāo)考察其穩(wěn)定性。試驗結(jié)果如圖1所示。

表5 緩凝組分試驗配比

由圖1可以看出：

（1）對初始流動度影響最大的緩凝組分是單摻硼酸，隨著放置時間的延長，支座砂漿的初始流動度呈明顯下降趨勢，漿體變稠，單摻酒石酸時初始流動度有增長趨勢，摻1#、2#、3#復(fù)配緩凝劑支座砂漿的初始流動度下降趨勢變緩。

圖1 緩凝組分對支座砂漿流動度及強度的影響

（2）摻1#、2#、3#復(fù)配緩凝劑支座砂漿的30 min流動度均比單摻硼酸、酒石酸穩(wěn)定性好；對2#緩凝組合，隨著放置時間的延長初始流動度呈下降趨勢，30 min流動度基本保持不變，綜合圖1（a）、（b），各種緩凝組合按一定的比例復(fù)配，其穩(wěn)定性明顯高于單摻酒石酸與硼酸。

（3）綜合圖 1（c）、（d），摻各種緩凝組分的支座砂漿的抗壓強度均隨著放置時間的延長有不同程度的下降。2#、3#組合要比1#組合穩(wěn)定性好，對1 d、2 h抗壓強度來說，單摻硼酸、酒石酸放置56 d后強度會損失8~10 MPa。

（4）由圖 1（e）可以看出，相對單摻酒石酸、硼酸，1#、2#、3#放置7 d測得的7 d抗壓強度穩(wěn)定性能更好，抗壓強度基本不損失。

隨著放置時間的延長，對支座砂漿2 h、1 d抗壓強度影響比較大，對后期強度影響不大。由此可以確定，對不同緩凝組分進行合理復(fù)配，可以有效提高支座砂漿的穩(wěn)定性能。

3 結(jié)論

（1）通過正交試驗分析可知，影響支座砂漿30 min流動度、2 h抗壓強度、1 d抗壓強度的順序為：酒石酸＞硼酸＞檸檬酸鈉＞葡萄糖酸鈉；影響支座砂漿7 d抗壓強度的順序為：硼酸＞酒石酸＞葡萄糖酸鈉＞檸檬酸鈉。

（2）隨著放置時間的延長，支座砂漿的初始及30 min流動度都有一定的下降；單摻硼酸，隨著放置時間的延長，流動度下降明顯；單摻酒石酸，隨著放置時間的延長，流動度呈上升趨勢；1#、2#、3#緩凝劑復(fù)摻會有效改善流動度的損失。

（3）相對單摻酒石酸、硼酸，1#、2#、3#放置 7 d 測得的 7 d抗壓強度穩(wěn)定性更好，抗壓強度基本不損失。由此可以確定，隨著放置時間的延長，對支座砂漿2 h、1 d抗壓強度影響比較大，對后期強度影響不大。相對單摻一種緩凝劑，對不同緩凝組分進行合理復(fù)配可以有效提高支座砂漿的長期穩(wěn)定性。