李昱岐 丁民 任國(guó)斌 吳來(lái)帝 魏定邦 李曉民

（1 甘肅長(zhǎng)達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；2 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；3 甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730203）

0 前言

橋梁伸縮縫不但要保證橋梁能夠自由變形，而且要使車輛在設(shè)縫處能平順通過，隨著交通壓力增大，橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修必須快速、耐久。因此眾多橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修工程材料屬于早期強(qiáng)度發(fā)展迅速、后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定的材料，其中大部分梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修工程材料的膠凝材料選用硫鋁酸鹽水泥。硫鋁酸鹽水泥是以無(wú)水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主要礦物成分的熟料摻入適當(dāng)石膏后磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，與普通硅酸鹽水泥相比，硫鋁酸鹽水泥具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)時(shí)間快、微膨脹等優(yōu)點(diǎn)。徐玲琳、楊曉杰等人研究硫鋁酸鹽水泥一硅酸鹽水泥一石膏三元體系在10、20℃和40℃下養(yǎng)護(hù)，三元體系的主要水化產(chǎn)物始終為水化硫鋁酸鈣類物相。養(yǎng)護(hù)溫度越高，相同齡期時(shí)無(wú)水硫鋁酸鈣熟料的剩余量越低，而相應(yīng)水化產(chǎn)物鈣礬石的生成量越高，片狀單硫型水化硫鋁酸鈣的生成時(shí)間越早、生成量越高；且所得硬化漿體的最大幾何孔徑越大。因此，三元體系的水化過程比單一水泥體系對(duì)環(huán)境溫度的變化更為敏感。

由于不同區(qū)域氣溫差異很大，同一地區(qū)冬夏、晝夜溫差相差較大。膠凝材料作為橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修材料主要載體之一，在施工過程中必然處于多變的自然溫度環(huán)境之中。若進(jìn)行材料設(shè)計(jì)是忽略環(huán)境溫度對(duì)其水化進(jìn)程和強(qiáng)度的影響，不僅會(huì)使橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修材料的性價(jià)比降低，還會(huì)產(chǎn)生安全隱患。因此本文針對(duì)不同溫度下不同膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，分析不同溫度下對(duì)和膠凝材料水化歷程和強(qiáng)度發(fā)展的影響機(jī)制。為了更好的理解硫鋁酸鹽復(fù)合水泥的水化特性，本文擬采用凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度指標(biāo)研究不同膠凝材料組成下橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)維修材料的特征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為鄭州王樓水泥工業(yè)有限公司生產(chǎn)的SAC42.5快硬硫鋁酸鹽水泥，相關(guān)性能見表1。采用京蘭P.O42.5普通硅酸鹽水泥，硅灰為甘肅三遠(yuǎn)公司硅灰，比表面27m2/g，聚合物采用瓦克5111L。

表1 水泥成分表

減水劑采用蘇博特公司產(chǎn)SBT-400減水劑，減水率大于30%。采用蘭州永登產(chǎn)破碎石英砂，砂漿配比砂灰比為1.2∶1。

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

采用砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方法測(cè)試砂漿強(qiáng)度；

凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)方法選用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

采用單因素考察橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)材料體系中各組分摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度性能的影響，設(shè)計(jì)五組試驗(yàn)如表2所示，測(cè)試指標(biāo)為：

實(shí)驗(yàn)環(huán)境選用-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。

砂漿抗壓抗折強(qiáng)度，測(cè)試齡期：3h，6h，1d，3d，28d。

凝結(jié)時(shí)間測(cè)定。

為考察不同溫度下橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)材料體系的水化過程，將抗壓、凝結(jié)時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)不同體系橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)材料特性。

表2 橋梁伸縮縫快速修補(bǔ)材料體系試驗(yàn)表

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響

溫度在10℃～40℃時(shí)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間變化如圖1所示，關(guān)系式如表3所示。五組試驗(yàn)?zāi)Y(jié)時(shí)間隨溫度變化的規(guī)律相近，都隨溫度升高凝結(jié)時(shí)間縮短，具有較高的線性相關(guān)。在硫鋁酸鹽水泥中摻加普硅、硅灰、碳酸鋰都會(huì)使得不同溫度下凝結(jié)時(shí)間縮短，聚合物的摻入會(huì)使凝結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)。

圖1 10℃～40℃溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響

由關(guān)系式的系數(shù)可以看出，在硫鋁酸鹽水泥中加入普硅水泥、硅灰、碳酸鋰所得系數(shù)分別是-1.1071、-1.4071、-1.4929、-1.6357，說明摻加普硅水泥、硅灰、碳酸鋰的四組試驗(yàn)的凝結(jié)時(shí)間的溫度敏感性增大，凝結(jié)時(shí)間隨溫度敏感性由大到小的順序是5＞3＞2＞1；但是聚合物的摻入極大地降低了系數(shù)，由-1.6357增大到-1.2857，系數(shù)降低了22%，說明聚合物的摻入可改善材料凝結(jié)時(shí)間對(duì)溫度的敏感性。

表3 10℃-40℃溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響關(guān)系

圖2 -5℃～10℃溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響

溫度在-5℃～10℃時(shí)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間變化如圖2所示，關(guān)系式如表4所示。五組試驗(yàn)的變化規(guī)律相近，都是隨溫度的升高凝結(jié)時(shí)間縮短并且較高的指數(shù)相關(guān)性。在硫鋁酸鹽水泥中摻加普硅、硅灰、聚合物和碳酸鋰都會(huì)使得不同溫度下凝結(jié)時(shí)間縮短。

由關(guān)系式的系數(shù)可以看出，在硫鋁酸鹽水泥中加入普硅水泥、硅灰、聚合物和碳酸鋰所得指數(shù)是-0.056、-0.052、-0.051、-0.045、-0.04依次減小，說明多元組分膠凝材料和早強(qiáng)劑對(duì)膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間隨溫度變化的敏感性依次是1＞2＞3＞4＞5；說明多元膠凝材料體系、聚合物、早強(qiáng)劑都會(huì)降低溫度對(duì)其凝結(jié)時(shí)間的影響。

表4 -5℃-10℃溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間的影響關(guān)系

以10℃為界限，10℃以上為高溫，10℃一下為低溫；多元膠凝材料體系和早強(qiáng)劑在高溫區(qū)時(shí)凝結(jié)時(shí)間隨溫度變化較為敏感，而在低溫區(qū)時(shí)凝結(jié)時(shí)間的明感性將低；聚合物的摻入都會(huì)降低溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響。

2.2 溫度對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系強(qiáng)度的影響

測(cè)試硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。分別測(cè)試環(huán)境溫度-5℃、10℃、25℃和40℃下硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度。

-5℃環(huán)境和10℃環(huán)境的硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖3a、圖3b所示，試驗(yàn)1、2、3、4、5中強(qiáng)度由大到小依次是3＞2＞5＞1＞4，即摻加普硅和硅灰試驗(yàn)3強(qiáng)度發(fā)展較快且28d抗壓強(qiáng)度最高，原因在于普硅的摻入加速了硫鋁酸鹽水泥的水化，以及硅灰的摻入起到微集料效應(yīng)，并且改善了水化產(chǎn)物，因此提高了硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度；摻加聚合物的試驗(yàn)4強(qiáng)度發(fā)展最慢，28d抗壓強(qiáng)度最低，原因在于聚合物的糖衣會(huì)消耗部分氫氧化鈣，導(dǎo)致前期氫氧化鈣濃度的降低，并且由于低溫影響導(dǎo)致聚合物成膜受阻，導(dǎo)致聚合物不連續(xù)缺陷增多，因此抗壓強(qiáng)度降低；在硫鋁酸鹽水泥中摻加普硅、硅灰、氯化鋰都會(huì)提高混凝土28d抗壓強(qiáng)度，氯化鋰則顯著提高6h抗壓強(qiáng)度，對(duì)28d抗壓強(qiáng)度無(wú)不利影響。

25℃環(huán)境的硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖3c所示，試驗(yàn)1、2、3、4、5的28d抗壓強(qiáng)度由大到小依次是3＞2＞4＞1＞5，摻加聚合物、硅灰、普硅的試驗(yàn)28d抗壓強(qiáng)度都大于硫鋁酸鹽水泥的試驗(yàn)1，而摻加氯化鋰后強(qiáng)度降低；前期強(qiáng)度發(fā)展速率由大到小的是5＞3＞4＞2＞1，摻加普硅、硅灰、氯化鋰、聚合物后前期抗壓強(qiáng)度都大于試驗(yàn)1的抗壓強(qiáng)度，氯化鋰對(duì)前期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大；對(duì)比前后期抗壓強(qiáng)度，普硅、硅灰、聚合物對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度都有利，氯化鋰對(duì)前期抗壓強(qiáng)度提高較多，但對(duì)后期抗壓強(qiáng)度有不利影響。

40℃環(huán)境的硫鋁酸鹽膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖3d所示，試驗(yàn)1、2、3、4、5的28d抗壓強(qiáng)度由大到小依次是4＞1＞3＞2＞5，摻加普、硅硅灰的試驗(yàn)3、試驗(yàn)3強(qiáng)度比試驗(yàn)1強(qiáng)度降低了，而摻加聚合物的試驗(yàn)4抗壓強(qiáng)度較試驗(yàn)1高，而摻加氯化鋰的試驗(yàn)5強(qiáng)度較試驗(yàn)1低且為五組試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度最低；前期抗壓強(qiáng)度由大到小依次是5＞3＞2＞4＞1，摻加硅灰、普硅、氯化鋰和聚合物后促進(jìn)水泥的水化，加快水泥水化進(jìn)程；由此可見，摻加聚合物的試驗(yàn)4有利于抗壓強(qiáng)度的持續(xù)增長(zhǎng)，而摻加普硅、硅灰、氯化鋰的試驗(yàn)2、試驗(yàn)3、試驗(yàn)5可加快前期強(qiáng)度但會(huì)降低后期強(qiáng)度。

5組試驗(yàn)84d抗壓強(qiáng)度如圖4所示，實(shí)驗(yàn)1、2、3、5隨溫度升高抗壓強(qiáng)度先增大后減小，而試驗(yàn)4抗壓強(qiáng)度隨溫度升高抗壓強(qiáng)度不大增大，實(shí)驗(yàn)1、2最高強(qiáng)度都出現(xiàn)在25℃，試驗(yàn)3的抗壓強(qiáng)度最高出現(xiàn)在10℃，試驗(yàn)4抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在40℃，實(shí)驗(yàn)5最高抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在25℃；對(duì)于-5℃～25℃時(shí)，試驗(yàn)3抗壓強(qiáng)度最高，而40℃時(shí)試驗(yàn)4的抗壓強(qiáng)度最高。

3 結(jié)論

硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間在10℃～40℃時(shí)大致呈現(xiàn)出隨溫度變化線性關(guān)系，即y=-ax+b，而在-5℃～10℃時(shí)大致呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系，即y=ae-bx；摻加硅灰、普硅和氯化鋰時(shí)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間縮短，摻加聚合物時(shí)硫鋁酸鹽膠凝材料體系凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。

圖3 溫度硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 不同溫度下硫鋁酸鹽膠凝材料體系84d抗壓強(qiáng)度

硫鋁酸鹽膠凝材料體系中摻加普硅、硅灰后，在-5℃～25℃時(shí)有助于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高，但是在40℃時(shí)不利于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高；摻加聚合物后，在-5℃～10℃時(shí)不利于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高，但是在25℃～40℃時(shí)有利于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高；摻加氯化鋰后，在-5℃～10℃℃時(shí)對(duì)硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高無(wú)不利影響，但是在25℃～40℃時(shí)不利于硫鋁酸鹽膠凝材料體系抗28d壓強(qiáng)度的提高。