張廣興

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222）

0 引 言

高鐵現(xiàn)已成為當(dāng)代中國重要的一類交通基礎(chǔ)設(shè)施，然而高速鐵路專用的無砟軌道底座板在北方地區(qū)因施工、服役過程中日益突出的局部損傷問題，給高鐵的營運(yùn)帶來安全隱患，對其缺陷快速修補(bǔ)是當(dāng)前迫切需要解決的難題。當(dāng)前國內(nèi)外研發(fā)的混凝土修補(bǔ)材料按其化學(xué)組分分為有機(jī)和無機(jī)兩類材料：有機(jī)修補(bǔ)材料主要以環(huán)氧類樹脂、環(huán)氧類砂漿、高聚合物或者無機(jī)加有機(jī)的聚合物組分[1-5]，此類材料化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、可操作性施工性強(qiáng)，但固化的有機(jī)組分韌性較差，抗凍、抗沖擊性較差[6-7]；無機(jī)類修補(bǔ)材料眾多，諸如各品種硅酸鹽水泥，但其收縮大，易開裂，限制了其推廣應(yīng)用；磷酸鎂水泥相繼被國內(nèi)外學(xué)者提出，但其水化、凝結(jié)硬化速度快，加緩凝劑后強(qiáng)度顯著降低，也限制了施工現(xiàn)場應(yīng)用[8-10]。

在無機(jī)膠凝材料中硫鋁酸鹽水泥鹽生產(chǎn)過程中CO2排放量低、可實現(xiàn)負(fù)溫硬化、微膨脹、堿度低抗酸堿腐蝕性能好、強(qiáng)度和凝結(jié)時間可控，在重要工程中得到廣泛應(yīng)用，但其后期強(qiáng)度容易倒縮且作為修補(bǔ)材料時與混凝土斷面之間的黏結(jié)力相對弱，也有一定的局限性。針對CRTSⅢ型無砟軌道板在北方地區(qū)施工過程中出現(xiàn)的破損與缺陷問題，本文依據(jù)GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中結(jié)構(gòu)加固用聚合物改性砂漿的技術(shù)要求加固材料的流動性不能太高，否則修補(bǔ)和加固效果較差。以快硬硫鋁酸鹽水泥為基材，通過調(diào)整硅灰、膠粉、偏高嶺土的摻量，來研究一種高黏結(jié)力和抑制后期強(qiáng)度倒縮的改性加固砂漿修補(bǔ)材料，通過測試其抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度、抗凍性能、磨耗性能的變化規(guī)律，旨在得出最佳改性砂漿配比，以期對工程應(yīng)用的重要指導(dǎo)意義。

1 試 驗

1.1 原材料以及配合比

水泥：金隅水泥有限公司生產(chǎn)的42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；粉煤灰：河南裕東發(fā)電廠生產(chǎn)的FⅡ級灰；硅灰：山東博肯材料公司生產(chǎn)，SiO2≥90%，平均粒徑 0.1～0.15 μm；砂：六安金寨提供的中砂，洗凈，選取粒徑為0.63～1.18 mm；膠粉：市場購得821專用膠粉；偏高嶺土：濟(jì)南瑞盛祥化工有限公司提供。底座板設(shè)計強(qiáng)度為C40，確定修補(bǔ)材料的配合比如表1所示。

表1 高性能無機(jī)快速修補(bǔ)材料配合比

1.2 試驗方法

1） 強(qiáng)度測試：抗壓強(qiáng)度參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》測試，抗壓強(qiáng)度試驗采用WED-300型電子式萬能試驗機(jī)測試；

2） 抗凍性能依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試；

3） 黏結(jié)性測試：以 P·O 42.5R級水泥制作出水泥砂漿基塊（40 mm×40 mm×160 mm），放置28 d以上使其變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，用砂輪切割機(jī)從中間平均分成兩半，確保切割面垂直平整，用水洗去表面粉塵后擦干，重新放入三聯(lián)模內(nèi)，留出另一半以澆筑待測砂漿，成型1 d后拆模，將整個試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至28 d，依據(jù)GB/T 50081—2019測定其連接位置的黏結(jié)強(qiáng)度；

4） 耐磨性測試：依據(jù)JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》，計算公式如下：

G=（m1-m2）/0.012 5

式中：G——單位面積的磨損量，kg /m2；

m1——試件初始質(zhì)量，kg；

m2——試件磨損后的質(zhì)量，kg；

0.012 5——試件磨損面積，m2。

5） X-CT測試：CT機(jī)為德國產(chǎn)的YXLON微焦點計算機(jī)斷層掃面系統(tǒng)，采用平板探測器具有較高的動態(tài)監(jiān)測范圍，試驗中采用直徑40 mm、高約為40 mm的圓柱體試件進(jìn)行掃描，分辨率以體積像素計算。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 硅灰摻量對修補(bǔ)材料性能影響

2.1.1 硅灰摻量對強(qiáng)度變化規(guī)律

確定不同硅灰摻量下修補(bǔ)砂漿組分的配合比為：硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.008∶0.06，硅灰的摻量分別為0、2%、4%、6%、8%。不同硅灰摻量下硬化砂漿體抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律如圖1所示。從圖1中可以得出：硬化體的強(qiáng)度變化呈現(xiàn)先增大后減小變化，當(dāng)硅灰摻量為6%時，抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均達(dá)到峰值，稍后隨摻量的增大而減?。还杌覔搅繛榱蜾X酸鹽質(zhì)量的2%、4%、6%、8%的硬化體抗壓強(qiáng)度分別為摻量為0的104.59%、111.13%、113.10%、107.20%，黏結(jié)強(qiáng)度分別為104.76%、138.09%、147.61%、126.19%。綜合抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度規(guī)律發(fā)展規(guī)律，硅灰的摻量適宜控制在4%～6%。

圖1 不同硅灰摻量下硬化砂漿強(qiáng)度變化規(guī)律

本研究所采用硅灰，其平均粒徑為0.1～0.15 μm之間，該粒徑下SiO2具有較高的活性，用于水泥膠凝材料中，可以提高硬化基體強(qiáng)度，其主要原因如下：硫鋁酸鹽水泥水化生成CAH10、C2AH8六方晶系，微觀結(jié)構(gòu)下呈針狀或片狀，相互膠結(jié)，重疊結(jié)合，形成堅硬的結(jié)晶結(jié)合體，使水泥獲得較高的機(jī)械強(qiáng)度，活性SiO2進(jìn)一步與硫鋁酸鹽水泥中的C2S以及石灰石在溶液中生成填充性良好的C-S-H凝膠[11-12]；硅灰微集料填充作用，增強(qiáng)膠凝基體的勻質(zhì)性和穩(wěn)定性。硅灰因其粒徑較小極易發(fā)生團(tuán)聚的作用，當(dāng)摻入量過大時會增大修補(bǔ)砂漿粘度，降低膠凝基體的勻質(zhì)性，從而降低強(qiáng)度。

2.1.2 硅灰摻量對抗凍性能影響

不同硅灰摻量下修補(bǔ)砂漿試件進(jìn)行150次凍融循環(huán)，其凍融循環(huán)質(zhì)量損失結(jié)果如圖2所示，對比不同硅灰摻量下質(zhì)量損失率，從圖2可以看出，質(zhì)量損失率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，硅灰摻量為6%時，質(zhì)量損失率最小，硅灰摻量為2%、4%、6%、8%的硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率分別為摻量為0的91.06%、86.03%、73.18%、88.55%。

圖2 不同硅灰摻量下硬化砂漿凍融循環(huán)質(zhì)量損失率

2.1.3 硅灰摻量對耐磨性能影響

修補(bǔ)材料在服役過程中面臨耐磨和沖刷雙重腐蝕，開展耐磨性相關(guān)試驗極其重要。依據(jù)JTG E30—2005試驗方法，對不同硅灰摻量下硬化砂體磨耗量結(jié)果如圖3所示，隨著硅灰摻量的增加其磨耗率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，其中摻量為6%時，磨損量達(dá)到最低值，不同硅灰摻量（2%、4%、6%、8%）硬化體的磨耗量分別較空白組為91.30%、78.26%、60.87%、82.61%。

圖3 不同硅灰摻量下硬化砂漿磨耗量

綜合不同硅灰摻量下硬化體強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律、凍融循環(huán)質(zhì)量損失率、磨耗量結(jié)果可知，硅灰摻量在4%～6%時性能效果良好。硬化體的強(qiáng)度性能與抗凍性和耐磨性均呈反向發(fā)展規(guī)律，強(qiáng)度較高其水化生成的水化產(chǎn)物較多，微結(jié)構(gòu)顯示（見2.4和2.5部分）其水化產(chǎn)物相互堆積密實度也較高，抵抗凍融循環(huán)作用下的受流水剝蝕沖刷能力越強(qiáng)。

2.2 膠粉摻量對修補(bǔ)材料性能影響

2.2.1 膠粉摻量對強(qiáng)度變化規(guī)律

確定不同膠粉摻量修補(bǔ)砂漿組分的配合比為：硫鋁酸鹽水泥：粉煤灰∶砂∶硅灰∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.06，膠粉摻量分別為硫鋁酸鹽質(zhì)量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。不同膠粉摻量下修補(bǔ)砂漿硬化體強(qiáng)度變化規(guī)律如圖4所示，綜合抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律可得，膠粉摻量在0.8%時強(qiáng)度達(dá)到最大值，低于0.8%時隨著膠粉摻量增加強(qiáng)度而增加，高于0.8%時隨著摻量的增大而減小，不同膠粉摻量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）硬化體抗壓強(qiáng)度略有提高，為空白組（摻量為0） 的102.18%、103.27%、106.11%、108.95%、105.24%，黏結(jié)強(qiáng)度為空白組的104.76%、107.14%、109.52%、119.05%、109.47%，與其抗壓強(qiáng)度相比，黏結(jié)強(qiáng)度提高幅度較大。綜合抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度規(guī)律發(fā)展膠粉摻量適宜控制在0.6%～0.8%。

圖4 不同膠粉摻量下硬化砂漿強(qiáng)度變化規(guī)律

混凝土強(qiáng)度略有提高主要原因為膠粉的摻入。膠粉具有一定的減水效應(yīng)，其表面的活性成分起到了引氣的效果，同時膠粉顆粒之間具有潤滑作用，修補(bǔ)砂漿組分在引氣和潤滑雙重作用下流動性顯著提高，即修補(bǔ)砂漿的勻質(zhì)性得以提高，使其強(qiáng)度增加。摻加膠粉，即引入聚合物，聚合物的內(nèi)聚力會在修補(bǔ)砂漿組分之間產(chǎn)生鉚接和橋接，當(dāng)完成修補(bǔ)的硬化體再次發(fā)生破壞時，吸收來自于斷裂擴(kuò)展能量[13]，從而阻止微裂紋的擴(kuò)展，提高硬化體的黏結(jié)強(qiáng)度。

2.2.2 膠粉摻量對抗凍性影響

不同膠粉摻量下硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出，膠粉摻量在0.8%時質(zhì)量損失率最小，低于0.8%時隨著膠粉摻量增加質(zhì)量損失率而逐漸減小，高于0.8%時隨著摻量的增大而增大，不同膠粉摻量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）下修補(bǔ)砂漿硬化體質(zhì)量損失率分別是空白組93.85%、89.66%、86.03%、79.61%、86.59%。

圖5 不同膠粉摻量下硬化砂漿凍融質(zhì)量損失率

2.2.3 膠粉摻量對耐磨性影響

不同膠粉摻量下硬化體磨耗量變化規(guī)律如圖6所示，也表明膠粉摻量在0.8%時磨耗量最小，摻量低于0.8%時隨著膠粉摻量增加磨耗量而逐漸減小，高于0.8%時隨著摻量的增大而增大，不同膠粉摻量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）下修補(bǔ)砂漿硬化體質(zhì)量損失率分別是空白組95.65%、91.30%、86.96%、82.61%、89.13%。

圖6 不同膠粉摻量下硬化砂漿磨耗量

2.3 偏高嶺土摻量對修補(bǔ)材料性能影響

2.3.1 不同偏高嶺土摻量下強(qiáng)度變化規(guī)律

確定不同偏高嶺土摻量下修補(bǔ)砂漿組分的配合比為：硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008，偏高嶺土摻量分別為硫鋁酸鹽質(zhì)量的0、2%、4%、6%、8%、10%。不同偏高嶺土摻量下硬化體抗壓和黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律如圖7所示，從圖中可以看出，隨著偏高嶺土摻量的增加，強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長后降低趨勢，峰值點摻量為8%，不同偏高嶺土摻量（2%、4%、6%、8%、10%）下硬化體強(qiáng)度分別是空白組（摻量0）的105.02%、108.08%、112.88%、116.16%、111.35%，黏結(jié)強(qiáng)度分別為空白組的104.77%、116.67%、123.81%、161.90%、121.43%。

圖7 不同偏高嶺土摻量下硬化砂漿強(qiáng)度變化規(guī)律

本研究所用偏高嶺土是經(jīng)高嶺土600 ℃煅燒而得，經(jīng)煅燒而得偏高嶺土分子排布不規(guī)則，呈現(xiàn)熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài)，且其內(nèi)部有大量的活性SiO2和Al2O3，硫鋁酸鹽水泥中C2S和石灰石水化下激發(fā)下具有膠凝性，生成鋁硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)和C-S-H凝膠，再加上無水硫鋁酸鈣反應(yīng)，整個體系的水化產(chǎn)物以離子鍵和共價鍵為主、范德華鍵為輔，因而具有更優(yōu)越的性能，從而增加水泥混凝土的密實性，大幅度地改善混凝土的強(qiáng)度[14]。活性較低未參與水化反應(yīng)的偏高嶺土因其粒徑小，具有良好的填充性。但隨著摻量的增大，強(qiáng)度開始出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象，主要是由于偏高嶺土粉末粒徑較小需水量相對較大，且在拌和過程總顆粒極易帶電發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，造成修補(bǔ)砂漿流動性降低，凝結(jié)硬化后試件的勻質(zhì)性降低，同一試件強(qiáng)度波動較大。

2.3.2 不同偏高嶺土摻量下抗凍性能影響

不同偏高嶺土摻量下，硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率發(fā)展結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著偏高嶺土摻量的增加，硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率呈先減少后增加，即摻量低于8%時，摻量增大質(zhì)量損失率逐漸減小，超出8%時，摻量增大質(zhì)量損失率亦增大，不同偏高嶺土摻量（2%、4%、6%、8%、10%）下硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率較空白組（摻量為0）為88.27%、81.84%、78.21%、69.27%、83.24%，基于此可得偏高嶺土適合的摻量為6%～8%。

圖8 不同偏高嶺土摻量下硬化砂漿凍融質(zhì)量損失率

2.3.3 不同偏高嶺土摻量下耐磨性能影響

不同偏高嶺土摻量下硬化體磨耗量發(fā)展情況如圖9所示。偏高嶺土摻量的增加，磨耗量發(fā)展呈先減小后增大趨勢，摻量在8%時，磨耗量達(dá)到最小值，即此摻量下修補(bǔ)砂漿試件強(qiáng)度最高，性能最優(yōu)，不同偏高嶺土摻量（2%、4%、6%、8%、10%）下硬化體磨耗量較空白組為 89.13%、78.26%、65.22%、56.52%、69.56%，因此偏高嶺土的摻量在6%～8%最佳。

圖9 不同偏高嶺土摻量下硬化砂漿磨耗量

2.4 SEM分析

上述研究可得高性能無機(jī)快速修補(bǔ)料的最佳配合比為：硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008∶0.08，基于此展開，最佳配合比齡期28天時，硬化體的SEM結(jié)果如圖10所示。從圖10（a）中硬化體微結(jié)構(gòu)水化結(jié)晶相排布較為密實，其水化結(jié)晶相呈現(xiàn)六方片狀分布（圖10（b）為圖10（a）的局部放大結(jié)果圖），主要是硫鋁酸鹽水泥水化生成的產(chǎn)物，片狀結(jié)構(gòu)相互膠結(jié)、重疊形成大尺寸結(jié)晶結(jié)合體，進(jìn)一步促進(jìn)強(qiáng)度的發(fā)展；偏高嶺土中活性SiO2和Al2O3以及硅灰成分中SiO2微集料的存在加劇了硫鋁酸鹽水泥基體的水化反應(yīng)，相互膠結(jié)的結(jié)晶相緊密排布提高了微結(jié)構(gòu)斷面的致密程度[15]。

圖10 最佳配比下高性能無機(jī)快速修補(bǔ)料的SEM譜圖

2.5 X-CT分析

X-CT分析旨在探究硬化體材料的體積與缺陷體積的占比情況，即孔隙率=缺陷體積/材料體積，最佳配比下高性能無機(jī)快速修補(bǔ)料的三維結(jié)構(gòu)掃描圖如圖11所示。由圖11知空白組（硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂=1∶0.1∶1，未摻加硅灰、膠粉、偏高嶺土）的材料體積為 7 197.440 92 mm3，缺陷體積為1 383.666 50 mm3，孔隙率為 16.12 %，最佳配合比（硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008∶0.08）材料體積為 9 677.614 26 mm3，缺陷體積為 380.779 42 mm3，孔隙率為 3.79 %。最佳配合比下的孔隙率低于空白組，即最佳配合比內(nèi)部材料體積的缺陷率低于空白組，與上述微觀電鏡下分析結(jié)論、強(qiáng)度發(fā)展結(jié)論相一致。

圖11 最佳配比下高性能無機(jī)快速修補(bǔ)料的三維結(jié)構(gòu)掃描圖

2.6 工程應(yīng)用

基于所研制的無機(jī)快速修補(bǔ)料中硅灰、膠粉、偏高嶺土最佳摻量分別為硫鋁酸鹽質(zhì)量的6%、0.8%、8%，其配合比為硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008∶0.08，將此配合比應(yīng)用于修補(bǔ)現(xiàn)場。修補(bǔ)使用工具：高壓噴槍、小型攪拌機(jī)、抹刀、小型打磨機(jī)；修補(bǔ)過程：先將混凝土破損部位剔除，用鋼刷除去軟弱顆粒，用高壓水槍沖刷界面漏出新鮮混凝土；按照高強(qiáng)配比均勻混合材料，加水至拌和均勻為止，最后將修補(bǔ)料均勻填充于混凝土缺陷部位，同時預(yù)留150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件，修補(bǔ)部位及試件的養(yǎng)護(hù)均保持與軌道板養(yǎng)護(hù)條件相同，即用薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)的方法，便于同條件檢測現(xiàn)場實際強(qiáng)度；對于混凝土結(jié)構(gòu)破損較大的部位，采用木模板固定，凝結(jié)硬化1 h后拆除木模板，待修補(bǔ)料凝結(jié)硬化6 h后找平與原有混凝土結(jié)構(gòu)的平整度。圖12為修補(bǔ)前拉崩部位，圖13為修補(bǔ)后打磨效果，底座板設(shè)計強(qiáng)度等級為C40，修補(bǔ)材料齡期28 d后試件抗壓強(qiáng)度可達(dá)53.0 MPa，滿足高性能修補(bǔ)料的技術(shù)要求。修補(bǔ)后的養(yǎng)護(hù)條件與原軌道板養(yǎng)護(hù)條件一致。

圖12 修補(bǔ)前拉崩部位

圖13 修補(bǔ)后打磨效果

3 結(jié)束語

高鐵軌道施工以及后期服役過程中不可避免帶來底座板缺陷問題。北方地區(qū)溫度和濕度相對低，需開發(fā)相應(yīng)環(huán)境下的新型高性能無機(jī)快速修補(bǔ)料，基于此以硫鋁酸鹽水泥為基材適宜。在硫鋁酸鹽水泥中摻入硅灰、膠粉和偏高嶺土分別是其質(zhì)量的6%、0.8%和8%時所制備的修補(bǔ)砂漿，強(qiáng)度最大且凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率、磨耗量均最低；并借助SEM和X-CT水化產(chǎn)物微觀形貌分析證實，最佳配合比下的硬化體的水化結(jié)晶相尺寸較小、缺陷較小，微結(jié)構(gòu)整體更加致密；通過修補(bǔ)工藝和修補(bǔ)材料工程應(yīng)用，進(jìn)一步證明該材料修補(bǔ)效果良好。