董麗華

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

冬季鹽凍破壞是造成混凝土橋梁破損的主要原因，鹽凍病害一般出現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)后的3～5年，主要發(fā)生在橋面鋪裝層、防撞墻馬蹄部位、泄水管下方邊梁等部位，其中尤以防撞墻馬蹄部位最為嚴(yán)重。在養(yǎng)護(hù)治理中，通常采用混凝土修補(bǔ)砂漿進(jìn)行整修。普通硅酸鹽水泥（OPC）制備的修補(bǔ)砂漿凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，硬化時(shí)伴隨細(xì)小裂紋，與砂漿作為整修材料的特性相偏離。硫鋁酸鹽水泥（SAC）具有快凝、早強(qiáng)，成型后期伴有微膨脹的特性，常常用來與OAC 共同制備復(fù)合砂漿，SAC 可縮短水泥砂漿的凝結(jié)時(shí)間，因自身的微膨脹可減少OAC 的干燥收縮[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，10%SAC-OPC 作為凝膠材料可有效提高砂漿的體積穩(wěn)定性[3]。

粉煤灰是一種低成本的活性材料，能與水泥發(fā)生二次反應(yīng)，形成密實(shí)型水泥石結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B性、力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的體積穩(wěn)定性[4]?？紤]到SAC 單價(jià)較高，本文選用超細(xì)粉煤灰部分代替復(fù)合水泥（SAC+OAC），研究超細(xì)粉煤灰對(duì)復(fù)合修補(bǔ)砂漿工作性、力學(xué)強(qiáng)度和耐久性的影響。

1 原材料

1.1 水泥

OAC 選用山西山水水泥廠生產(chǎn)的52.5 水泥。硫鋁酸鹽水泥選用山東中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的42.5R 水泥，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 硫鋁酸鹽水泥技術(shù)參數(shù)

1.2 骨料

研究中注意控制骨料質(zhì)量，本試驗(yàn)中骨料選用機(jī)制砂，試驗(yàn)前采用標(biāo)準(zhǔn)篩將骨料分成6 檔，調(diào)整砂率，借助Fuller 分布定律對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化，確定骨料級(jí)配滿足粗砂∶中砂∶細(xì)砂=1∶1∶1。該骨料經(jīng)測(cè)定表觀密度為2.734 g/cm3，吸水率2.2%。

1.3 超細(xì)粉煤灰

超細(xì)粉煤灰較粉煤灰粒徑更小，單體顆粒為表面光滑的微球，在水泥混凝土中起到“滾珠”的效果。由于粉煤灰為燒制產(chǎn)物，粒徑存在一定的分布，試驗(yàn)中選定的超細(xì)粉煤灰粒徑范圍為30～50 nm。

1.4 苯丙乳液

苯丙乳液（SBR）在修補(bǔ)砂漿中能夠提高砂漿的黏結(jié)性能和柔韌性，苯丙乳液固含量為60%，在計(jì)算水灰比時(shí)，需計(jì)算苯丙乳液的含水量。

2 配比和試驗(yàn)方法

2.1 材料配比

此次試驗(yàn)所選用的配比見表2，表中數(shù)據(jù)均為質(zhì)量比。超細(xì)粉煤灰摻量為SAC+OAC 總量的0～20%，考察不同摻量超細(xì)粉煤灰對(duì)砂漿性能的影響。

表2 復(fù)合修補(bǔ)砂漿配合比

2.2 測(cè)試方法

超細(xì)粉煤灰對(duì)復(fù)合修補(bǔ)砂漿的影響從砂漿的流動(dòng)性、力學(xué)性能、抗?jié)B性和收縮性能進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方法見表3。

表3 試驗(yàn)方法和設(shè)備

3 性能分析

3.1 流動(dòng)性

超細(xì)粉煤灰具有較大的比表面積，在砂漿中具有較強(qiáng)的吸附作用，可吸附更多的水分，對(duì)砂漿總體用水量具有顯著影響。同時(shí)，超細(xì)粉煤灰因其細(xì)小粒徑，在砂漿中能夠提供滾珠效應(yīng)，給予砂漿更大的流動(dòng)性。圖1 是水灰比0.5 時(shí)不同粉煤灰用量對(duì)砂漿流動(dòng)性的影響。

圖1 粉煤灰對(duì)流動(dòng)度的影響

當(dāng)水灰比為0.5 時(shí)，砂漿的流動(dòng)性隨著粉煤灰用量的增多出現(xiàn)先上升后下降的變化，在超細(xì)粉煤灰用量為10%時(shí)，砂漿流動(dòng)性達(dá)到最大值，峰值為190 mm，這是因?yàn)槌?xì)粉煤灰在砂漿中用量較少時(shí)，對(duì)砂漿起到“滾珠效應(yīng)”，粉煤灰降低了砂漿自身的滑動(dòng)阻力，為砂漿的拌合和流動(dòng)提供類似“潤(rùn)滑”的效果。當(dāng)超細(xì)粉煤灰用量繼續(xù)遞增時(shí)，粉煤灰的滾珠效應(yīng)減弱，粉煤灰比表面積大，吸附性強(qiáng)的特性在逐漸提高，砂漿流動(dòng)性逐漸降低。

3.2 力學(xué)性能

圖2 砂漿的力學(xué)性能

超細(xì)粉煤灰對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響與摻量密切相關(guān)，成型標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)試不同超細(xì)粉煤灰摻量3 d、7 d、28 d 的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。超細(xì)粉煤灰復(fù)合砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨超細(xì)粉煤灰摻量的增加先增加再降低。在超細(xì)粉煤灰摻量達(dá)到10%時(shí)，3 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均達(dá)到38.3 MPa、7.36 MPa。分析其中原因，在水化早期，超細(xì)粉煤灰復(fù)合砂漿孔隙內(nèi)水溶液堿性較強(qiáng)，粉煤灰的主要組分為二氧化硅、三氧化二鋁，所以在堿性環(huán)境下能夠與水泥水化物氫氧化鈣發(fā)生二次凝膠反應(yīng)，形成更為密實(shí)的C-S-H 凝膠結(jié)構(gòu)，縮小混凝土的內(nèi)部孔隙[5]。內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，從而提高砂漿混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。粉煤灰摻量繼續(xù)增多，由于水泥被過多取代，砂漿整體水化速率降低，硬化時(shí)間延長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度降低。在水化反應(yīng)的中后期，由于水化反應(yīng)徹底，混凝土孔隙間水溶液堿性增強(qiáng)，粉煤灰的活性在不斷增強(qiáng)，混凝土試件最終強(qiáng)度趨于一致，以20%粉煤灰摻量試件的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律最為顯著。

3.3 抗?jié)B性

采用SS-15 型抗?jié)B儀對(duì)砂漿混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行測(cè)試，在制備的混凝土試件上保壓72 h，測(cè)試試件的透水效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，試件均不透水，抗?jié)B性效果顯著。超細(xì)粉煤灰的加入提高砂漿混凝土的密實(shí)性，縮小孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高砂漿混凝土的抗?jié)B性和耐久性。而在試件的滲水高度上，由于試件的偏差較大，每個(gè)試件選取10 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每5 個(gè)試件作為一組數(shù)據(jù)，取其平均值進(jìn)行測(cè)試，滲水高度見圖3。在粉煤灰摻量為10%時(shí)，抗?jié)B高度最低，粉煤灰摻量的繼續(xù)增加，由于凝膠材料數(shù)量降低過多，砂漿混凝土的致密程度在逐漸降低，粉煤灰雖能與水化物繼續(xù)發(fā)生二次反應(yīng)，但在空間結(jié)構(gòu)上致密性下降，抗?jié)B性下降。

圖3 砂漿試件的抗?jié)B性

3.4 收縮性能

按照《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》JC/T 603—2004制作標(biāo)準(zhǔn)銅釘試件，見圖4。對(duì)不同齡期的試件進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果經(jīng)計(jì)算處理繪制不同超細(xì)粉煤灰砂漿的干縮率圖，見圖5。

圖4 水泥膠砂干縮試件

砂漿收縮是水泥類材料的普遍現(xiàn)象，由于SAC的快硬特性，砂漿的收縮被加速和提前。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的逐漸增加，砂漿試件毛細(xì)孔內(nèi)的水溶液在逐漸減少，內(nèi)部濕度逐漸降低，干縮情況逐漸增大，超過30 d 后趨于穩(wěn)定，這種穩(wěn)定一方面是OPC 水化反應(yīng)徹底，體積趨于穩(wěn)定；另一方面SAC 水化后期鈣礬石含量增多，鈣礬石的微膨脹彌補(bǔ)了體系的收縮[6]。在相同齡期時(shí)，超細(xì)粉煤灰用量越多，水泥砂漿的自收縮越小。高摻量超細(xì)粉煤灰造成單位體積內(nèi)水泥顆粒數(shù)量減少，水泥消耗的水分就相應(yīng)減少，單位體積的自收縮也較小。整體上來看，粉煤灰數(shù)量的增多對(duì)減低砂漿自收縮具有積極影響。

圖5 砂漿的干燥收縮

4 結(jié)語

超細(xì)粉煤灰可以提高砂漿的流動(dòng)性，但摻量超過10%后流動(dòng)度會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。超細(xì)粉煤灰在堿性環(huán)境下能夠與水泥水化物發(fā)生二次反應(yīng)，對(duì)提高砂漿的力學(xué)性能和抗?jié)B性具有積極影響，摻量超過最大值后，水泥被過量取代，砂漿強(qiáng)度降低。同時(shí)，由于SAC 的快硬早強(qiáng)特性，摻入粉煤灰后可降低水泥砂漿的干燥收縮效果，粉煤灰用量越多，干燥收縮越小。