石明明

(安徽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，安徽 合肥 238076)

0 引 言

混凝土公路是我國(guó)最為常見(jiàn)的混凝土建筑，在全國(guó)交通中起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，私家車(chē)數(shù)量增多，交通量也大幅度上升，使得混凝土公路不可避免地出現(xiàn)不同程度的損壞，如斷板、開(kāi)裂、脫空、麻面、沉陷等。其中一些路面損壞比較輕微，僅需要對(duì)路面進(jìn)行薄層修補(bǔ)和養(yǎng)護(hù)，就能再次投入使用[2]。混凝土公路薄層修復(fù)技術(shù)跟傳統(tǒng)公路修復(fù)技術(shù)相比有著經(jīng)濟(jì)、便捷、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)修補(bǔ)材料有較高的需求[3]。有鑒于此，研究提出一種堿-偏高嶺土-礦渣膠凝復(fù)合材料作為混凝土公路的薄層修補(bǔ)材料，該復(fù)合材料早期強(qiáng)度發(fā)揮快，凝固時(shí)間較短，同時(shí)擁有粘結(jié)性強(qiáng)、收縮率和污染性低等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的綠色環(huán)保的修補(bǔ)材料。

1 堿膠凝材料在混凝土薄層修復(fù)的應(yīng)用

1.1 堿膠凝材料的激發(fā)劑與緩凝劑

混凝土公路是我國(guó)道路交通的重要組成部分，而道路交通是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)影響著人們的日常生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[4-5]。由于投入使用的時(shí)間、交通量增大、天氣狀況等因素的影響，混凝土公路會(huì)無(wú)法避免地出現(xiàn)損壞，其中一些損壞比較微小，可以采用混凝土公路薄層修復(fù)技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)[6]。

薄層修復(fù)技術(shù)的原理是利用修補(bǔ)材料和舊混凝土公路之間的粘結(jié)性，將修補(bǔ)材料填補(bǔ)在公路的損壞處，兩者粘結(jié)成一個(gè)新的整體，因此對(duì)修補(bǔ)材料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、粘結(jié)性以及造價(jià)等性能有較高的要求[7-8]。膠凝材料是指能從漿體變?yōu)楣腆w，且能膠結(jié)其他物料的材料。堿膠凝材料，又被稱(chēng)為堿激發(fā)膠凝材料，是一種主要由具有急冷熱歷史的含鋁硅酸鹽的礦物或者工業(yè)礦渣和堿激發(fā)劑組成的水硬性膠凝材料。研究提出一種偏高嶺土與礦渣的復(fù)合堿膠凝材料與水泥熟料結(jié)合，作為混凝土公路的薄層修復(fù)材料，并利用水玻璃，即硅酸鈉溶液(Na2O·nSiO2)作為堿激發(fā)劑，廣泛應(yīng)用于土木建筑等領(lǐng)域。之使用水玻璃作為堿性劑而不是使用NaOH溶液的原因是，水玻璃中含有硅酸鈉，而硅酸鈉在水解后會(huì)產(chǎn)生氫氧化鈉與硅膠。如果使用NaOH溶液作為堿激發(fā)劑，則僅有氫氧根離子催化礦渣中的玻璃體結(jié)構(gòu)解體；而水玻璃中不僅有氫氧根離子，水化產(chǎn)生的含水硅膠還能與鈣離子和鋁離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步促進(jìn)礦渣的水解，故而使用水玻璃做堿激發(fā)劑能夠使礦渣的水化過(guò)程加快，凝結(jié)所需時(shí)間縮短。研究所使用的水玻璃參數(shù)如圖1所示，水玻璃的模數(shù)可用NaOH調(diào)整。

圖1 水玻璃中主要物質(zhì)含量

水玻璃溶液中含有大量的氫氧根離子，整體呈堿性環(huán)境，這會(huì)使堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料分解出大量的鈣離子分布在水玻璃溶液中。這些鈣離子會(huì)與硅酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，使溶液的流動(dòng)性快速流失，進(jìn)而快速凝結(jié)。實(shí)驗(yàn)中，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料在4min時(shí)流動(dòng)性慢慢降低，開(kāi)始凝結(jié)；而實(shí)際的混凝土公路薄層修復(fù)過(guò)程比較復(fù)雜，其中包括和水、攪拌、筑模、鋪筑、抹面等工序，耗費(fèi)時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料過(guò)早凝結(jié)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際修復(fù)情況，因此需要添加緩凝劑，以延緩堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間。綜合參考了實(shí)際施工所需時(shí)間，并考慮到施工出現(xiàn)意外時(shí)所需的搶修時(shí)間，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以0.5%的氯化鋇和0.5%的硝酸鋇作緩凝劑時(shí)，最符合實(shí)際操作情況。最終水玻璃與緩凝劑的混合溶液參數(shù)如表1所示。

表1 溶液參數(shù)

1.2 堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料參數(shù)

混凝土公路薄層修補(bǔ)材料，在收縮性、抗壓強(qiáng)度、物理和化學(xué)的穩(wěn)定性、粘結(jié)性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等方面的性能要求比較高[9]。經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料與水泥熟料的混合修補(bǔ)材料的配比為：礦渣45%、偏高嶺土45%、水泥熟料10%，水玻璃模數(shù)為1時(shí)，修補(bǔ)材料的性能最佳，因此研究采用此配比材料進(jìn)行試驗(yàn)。研究所用材料的參數(shù)如表2所示。

表2 原材料的化學(xué)成分

礦渣指的是冶煉生鐵時(shí)廢棄的?；郀t礦渣。?；郀t礦渣中含有氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化硅(SiO)、氧化鋁(Al2O3)等氧化物，因此具有較高的活性。礦渣的活性大小一般是通過(guò)質(zhì)量系數(shù)、活性系數(shù)和堿性系數(shù)來(lái)判定，三種系數(shù)越大，說(shuō)明礦渣的活性越高。其中質(zhì)量系數(shù)=通常用三種系數(shù)來(lái)評(píng)定礦渣的活性：質(zhì)量系數(shù)=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)；活性系數(shù)=(Al2O3/SiO2)；堿性系數(shù)=(CaO+MgO)/(Al2O3+SiO2)。礦渣中氧化鈣和氧化鎂為堿性氧化物，氧化硅和氧化鋁為酸性氧化物，將選用兩者比值大于1的堿性礦渣作為材料。礦渣中的玻璃體有著兩相的分相結(jié)構(gòu)，其中一相是富含鈣的連續(xù)相，稱(chēng)之為富鈣相；另一相是富含硅的非連續(xù)相，稱(chēng)之為富硅相。由于氧化鈣的Ca-O鍵和氧化鎂的Mg-O鍵的鍵能比氧化硅的Si-O鍵的鍵能小很多，因此富鈣相的水硬活性較高。礦渣玻璃體中各氧化物的化學(xué)鍵強(qiáng)度如表3所示。

表3 礦渣玻璃體中各氧化物的化學(xué)鍵強(qiáng)度

在堿性環(huán)境中，礦渣的中的富鈣相被分解成鈣和其他物質(zhì)，接著鈣與氫氧根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而再次溶解，其反應(yīng)過(guò)程如式(1)。

2NaOH+≡Si-O-Ca-O-Si≡

→Ca(OH)2+2≡Si-ONa

(1)

富鈣相被分解后，礦渣的玻璃體結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生解體，包含在富鈣相中的富硅相會(huì)暴露出來(lái)，與氫氧根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如式(2)。

(2)

由上述內(nèi)容可知，礦渣在堿性條件下，前期富鈣相水化分解，然后包含在富鈣相中的富硅相會(huì)暴露在堿性環(huán)境中進(jìn)行水化分解，其水化產(chǎn)物會(huì)填補(bǔ)在富鈣相的水化產(chǎn)物的空隙中。因此能提高堿-礦渣膠凝材料的致密性和強(qiáng)度。而在水玻璃的作用下，礦渣在水玻璃溶液中會(huì)形成大量的[SiO3(OH)2]2-離子，使硅酸根離子在氫氧根離子作用下的縮聚反應(yīng)速度加快，從而使得礦渣擁有良好的膠凝性能。

高嶺土的主要的構(gòu)成物質(zhì)是氧化鋁和氧化硅，在600～900℃的煅燒下會(huì)得到無(wú)水硅酸鋁，利用其分子排列不規(guī)則的特點(diǎn)，可以在堿性條件下激發(fā)其強(qiáng)度[10]。在堿性條件下，高嶺土中的化學(xué)物質(zhì)會(huì)與氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鋁和硅酸，形成混合膠體溶液，其化學(xué)式如式(3)。

(Na,K)2n(OH)3-Si-O-Al(OH)2-

O-Si-(OH)3

(3)

作為薄層修補(bǔ)材料，需要材料的收縮率盡可能小，而偏高嶺土具有膨脹性，因此偏高嶺土的參入能補(bǔ)償?shù)V渣水泥的收縮。此外，偏高嶺土具有比較理想的體積穩(wěn)定性，在堿性條件下的水化反應(yīng)快，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)性能穩(wěn)定，擁有早、強(qiáng)的特點(diǎn)，因此十分適合作為混凝土路面的薄層修補(bǔ)材料。

2 三種薄層修補(bǔ)材料的性能對(duì)比

2.1 三種薄層修復(fù)材料的收縮率對(duì)比

混凝土在和水時(shí)會(huì)有放熱反應(yīng)，導(dǎo)致體積膨脹，在凝固時(shí)不再發(fā)生放熱反應(yīng)，因此體積會(huì)收縮。當(dāng)混凝土發(fā)生收縮時(shí)，往往會(huì)有裂紋產(chǎn)生，使得混凝土建筑不美觀的同時(shí)，還存在一定的安全隱患?；炷帘有迯?fù)材料如果收縮率過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致修復(fù)層開(kāi)裂，修復(fù)層和原混凝土之間的粘結(jié)性降低，從而脫落。因此，收縮率是混凝土薄層修復(fù)材料的一個(gè)重要性能指標(biāo)。為驗(yàn)證研究中提出的修復(fù)材料的性能，將堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料與水泥、堿-礦渣膠凝材料在3d、7d、28d、56d時(shí)的收縮率進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將堿-礦渣膠凝材料記為材料1，水泥記為材料2，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料記為材料3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，堿-礦渣膠凝材料在3d、7d、28d、56d時(shí)的收縮率分別為0.60、0.62、0.64、0.63；水泥在3d、7d、28d、56d時(shí)的收縮率分別為0.54、0.58、0.70、0.74；堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料在3d、7d、28d、56d時(shí)的收縮率分別為0.31、0.34、0.36、0.37。堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的收縮率最低值僅為31%，最高值為37%，均低于水泥和堿-礦渣膠凝材料。且堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料比堿-礦渣膠凝材料的收縮率平均低27.75%，比水泥平均低29.5%。以上結(jié)果說(shuō)明，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的收縮率較小，比較適合做混凝土薄層修補(bǔ)材料。

圖2 各修補(bǔ)材料隨天數(shù)的收縮率

2.2 三種薄層修復(fù)材料的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

除了收縮率以外，抗壓強(qiáng)度(compressive strength)也是混凝土薄層修復(fù)材料的一個(gè)重要指標(biāo)?？箟簭?qiáng)度是指材料能夠承受的外部施加壓力的強(qiáng)度極限。今年來(lái)交通量越來(lái)越大，車(chē)流量越來(lái)越多，如果修復(fù)材料的抗壓強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致修復(fù)的混凝土公路很快就再次破損，需要再次修復(fù)，浪費(fèi)人力物力。因此需要薄層修復(fù)材料的最終抗壓強(qiáng)度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，才能通車(chē)。除了強(qiáng)度要求外，為了盡快恢復(fù)交通，讓人們方便出行，還需要材料能盡早有較高的抗壓強(qiáng)度，即早強(qiáng)性能。將堿-礦渣膠凝材料記為材料1，水泥記為材料2，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料記為材料3，對(duì)幾種材料在1d、3d、7d、28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料在相同時(shí)間段的抗壓強(qiáng)度都高于水泥和堿-礦渣膠凝材料。在前7d，三種材料的抗壓強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加而增加，在7到28d，三種材料的抗壓強(qiáng)度均有所下降，但下降不多。在第7d時(shí)，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，為67.4MPa；而同時(shí)間的堿-礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度為62.4MPa，比堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料低5.2MPa；水泥則是54.6MPa，比堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料低12.8MPa。從圖4可以看出，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料能更早地達(dá)到更大的抗壓強(qiáng)度，符合對(duì)混凝土薄層修復(fù)材料早強(qiáng)的性能期望，是一種比較理想的材料。此外，堿-礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度也比較理想，但相比堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料仍要略差一些。

2.3 三種薄層修復(fù)材料的修復(fù)效果

吸水率是用來(lái)表示材料在常規(guī)氣壓下規(guī)定時(shí)間內(nèi)的吸水量，能夠作為建筑材料的評(píng)估依據(jù)。吸水率的大小通常決定于材料的孔隙度的大小，孔隙度越大，吸水率越大，反之則越小。當(dāng)材料的吸水率大時(shí)，說(shuō)明材料內(nèi)部和表面的裂縫較多，有害物質(zhì)更容易侵入，修復(fù)的混凝土公路的路面就更容易發(fā)生開(kāi)裂、脫落、起殼等病害，影響道路美觀和使用壽命。研究以道路開(kāi)裂前和修復(fù)前的吸水率為對(duì)照，對(duì)三種材料修補(bǔ)后的道路薄層吸水率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，圖4為三種材料的吸水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 各材料的吸水率

由圖4可以看出，在開(kāi)裂后，混凝土公路的吸水率急劇上升，在40h后達(dá)到了0.13g/cm2。修復(fù)后混凝土公路的吸水率降低，但與開(kāi)裂前仍有一定差距，其中堿-礦渣膠凝材料修復(fù)后的混凝土公路吸水率與開(kāi)裂前的吸水率最為接近，在40h時(shí)，兩者的吸水率幾乎相同，為0.02g/cm2。以上結(jié)果說(shuō)明堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的修復(fù)效果最好，能使混凝土公路幾乎恢復(fù)到開(kāi)裂前的狀況，能有效地填補(bǔ)裂縫，延長(zhǎng)道路的使用壽命。綜上所述，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料是一種理想的用于混凝土薄層修補(bǔ)的材料。

3 結(jié) 語(yǔ)

混凝土建筑是我國(guó)最常見(jiàn)的建筑，混凝土公路則是其中的代表?；炷凉方?jīng)常會(huì)產(chǎn)生病害，而一些病害比較微小，僅需要對(duì)其進(jìn)行薄層修復(fù)。研究提出一種堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料，與水泥熟料結(jié)合作為修復(fù)材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的收縮率最低值僅為31%，最高值為37%，比堿-礦渣膠凝材料的收縮率平均低27.75%，比水泥平均低29.5%；堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的抗壓強(qiáng)度最高為67.4MPa，比堿-礦渣膠凝材料高5.2MPa，比水泥高12.8MPa；經(jīng)堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料修復(fù)后的混凝土公路吸水率在40h后達(dá)到了0.13g/cm2，幾乎能恢復(fù)到開(kāi)裂之前，修復(fù)效果比較理想。以上結(jié)果說(shuō)明，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料能夠較好地實(shí)現(xiàn)混凝土薄層的修復(fù)，為人們的日常出行提供便利。但對(duì)該材料的緩凝性尚未進(jìn)行深入研究，未來(lái)需要進(jìn)一步探索。