劉濤, 李春偉

(1.內(nèi)江職業(yè)技術學院 土木工程系， 四川 內(nèi)江 641000； 2.西華大學 建筑與土木工程學院， 四川 成都 610000)

近幾年來隨著中國高鐵行業(yè)的崛起，混凝土以其抗壓強度高、使用靈活、施工方便、價格低廉等優(yōu)點成為施工應用中用量最大的建筑材料，發(fā)揮著無可替代的作用和功能。但混凝土屬脆性材料，服役過程中因不可抗拒的內(nèi)部因素和外部環(huán)境,易產(chǎn)生裂紋、局部損傷等,且隨著服役年限的增加，損傷趨于加重，致使混凝土結構的性能不斷降低,影響混凝土結構的耐久性。因此，為了提高混凝土結構的耐久性,增強混凝土結構的使用功能,可以對結構構件中出現(xiàn)的破損和裂縫進行修復。常用于混凝土裂縫修補的材料主要分為有機和無機修補材料：有機修補材料主要以環(huán)氧類樹脂為主，環(huán)氧樹脂是一種應用廣泛的化學灌漿補強材料[1]，具有化學穩(wěn)定性好、機械強度高、收縮率低等優(yōu)點，但是固化后的環(huán)氧樹脂膠黏物韌性不夠，耐沖擊性能差，限制了環(huán)氧樹脂在混凝土結構修補方面的應用[2-6]；無機修補材料修復效果與界面黏結力有直接關系[7]，申愛琴等研究了聚合物改性超細水泥微裂縫修補材料，得出改性后的聚合物可以提高抗腐蝕及抗?jié)B性，改性材料較未改性材料經(jīng)過腐蝕后的強度損失明顯減少[8]；何凡研究了4種不同聚合物對水泥基材的改性，得到聚合物的加入能夠明顯改善水泥基修補材料的抗氯離子滲透性[9]；耿飛和高培偉[10]等通過優(yōu)化配合比設計，研制出了一種力學性能好、耐老化的高性能丙烯酸類混凝土修補材料，目前針對普通混凝土裂縫修補的研究比較多[11-12]。

混凝土結構修復研究具有較大的理論價值和實踐意義，然而，環(huán)氧類結構膠在施工過程中存在諸多問題，例如，污染環(huán)境、固化慢、不耐高溫、易老化、耐鹽堿能力差、價格高等?；炷两Y構均屬無機材料，環(huán)氧類結構膠屬于有機材料，有機與無機類材料的結合能力較低。因此，為了避免此類情況，迫切需要一種與普通硅酸鹽混凝土膠結能力較好的無機膠凝材料。

1 試驗

1.1 原材料

(1) 高性能修補材料的原材料：① 氧化鎂粉(堿基)：鎂砂廠生產(chǎn)；② 磷酸二氫鉀(酸基)：化工廠提供；③ 復合緩凝劑：試驗室自制；④ 細骨料：中砂。

(2) 為了消除試驗誤差，黏結用混凝土的原材料均取自現(xiàn)場混凝土結構用原材料：① 水泥：P.O42.5級；② 粉煤灰：Ⅱ級灰；③ 細骨料：中砂；④ 粗骨料：5～20 mm碎石；⑤ 減水劑：聚羧酸高性能減水劑。

1.2 試驗方法

高性能修補材料配制方法：首先將磷酸二氫鉀、復合緩凝劑、1/2的水置于膠砂拌和機中均勻拌和1 min，然后加入氧化鎂粉攪拌2 min，氧化鎂粉攪拌過程中加入剩余的1/2水，最后加入細骨料攪拌2 min結束。

(1) 強度測試：依據(jù)GBT 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行抗壓強度測試。

(2) 黏結強度：依據(jù)JGJ 110—2017《建筑工程飾面磚黏結強度檢驗標準》進行黏結強度測試(該測試方法中提到了修補料采用填充形式，因此不必增加試件的制備方法)，為了消除試驗誤差，黏結用混凝土的配合比與現(xiàn)場混凝土結構一致，具體見表1。

表1 C40混凝土配合比

(3) 耐久性測試方法：依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試高性能修補材料干濕循環(huán)150次時的耐腐蝕系數(shù)。

2 試驗結果與分析

2.1 不同堿酸比例下高性能修補材料硬化漿體性能變化規(guī)律

2.1.1 不同堿酸比例下高性能修補材料對抗壓強度的影響規(guī)律

該文提出的高性能修補材料主要是以MgO(堿基)、KH2PO4(酸基)與一定的復合緩凝劑加水拌和而成的無機膠凝材料，堿基與酸基的比例制約著硬化漿體的強度發(fā)展。不同堿酸比例下抗壓強度發(fā)展規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同堿酸比例下抗壓強度發(fā)展規(guī)律

由圖1可以得出：① 堿酸比例對強度的發(fā)展影響較大，其中硬化漿體強度呈現(xiàn)堿酸比例4∶1>5∶1>3∶1，其中堿酸比例為4∶1時的硬化漿體強度在不同齡期下均高于其余兩組，56 d時抗壓強度達到58 MPa；② 隨著養(yǎng)護齡期的增長高性能修補材料的強度發(fā)展亦呈增強趨勢，其中7～28 d硬化漿體強度增長趨勢最為明顯，即此階段水化產(chǎn)物的生成量逐漸增多，水化反應程度最強，28 d后強度的增長趨勢較緩，水化反應趨于穩(wěn)定。

2.1.2 不同堿酸比例下高性能修補材料對黏結強度的影響規(guī)律

黏結強度是制約修補料質(zhì)量的關鍵，TG/GW115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》中規(guī)定修補材料的黏結強度>2.5 MPa或者混凝土基層被破壞。不同堿酸比例下黏結強度發(fā)展規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同堿酸比例下黏結強度發(fā)展規(guī)律

從圖2中可以得出：① 堿酸比例為3∶1時、齡期為3 d時，最小的黏結強度為2.7 MPa，滿足高速鐵路無砟軌道的修補要求；② 硬化漿體黏結強度發(fā)展規(guī)律與抗壓強度發(fā)展規(guī)律一致，即4∶1>5∶1>3∶1，其中堿酸比例為4∶1時的硬化漿體黏結強度在不同齡期下均高于其余兩組，56 d時黏結強度達到6.2 MPa；③ 隨著養(yǎng)護齡期的增長黏結強度的發(fā)展呈增長趨勢，其中3～28 d的增長趨勢最大，28 d后隨著養(yǎng)護齡期的增加黏結強度逐漸趨于穩(wěn)定。

2.1.3 不同堿酸比例下高性能修補材料腐蝕性影響規(guī)律

耐久性是評判混凝土結構使用壽命的主要參評指標，其中抗壓強度耐腐蝕系數(shù)是主要制約參數(shù)。養(yǎng)護齡期為56 d、不同堿酸比例下抗壓強度耐腐蝕系數(shù)發(fā)展規(guī)律如圖3所示。

從圖3中可以得出：① 耐腐蝕系數(shù)的發(fā)展規(guī)律為 4∶1>5∶1>3∶1，其中堿酸比例為4∶1時，150次干濕循環(huán)下的抗壓強度耐腐蝕系數(shù)達到0.97；② 堿酸比為4∶1時，抗壓強度、黏結強度均高于堿酸比3∶1和5∶1，其微觀斷面形貌水化產(chǎn)物的排列堆積密實度最大，抵抗腐蝕破壞的能力愈強，因此抗壓強度和黏結強度一定程度上制約了耐腐蝕系數(shù)的變化，綜合圖1、2堿酸比例均為4∶1時水化產(chǎn)物生成量最多、強度最高，歷經(jīng)干濕循環(huán)后耐腐蝕系數(shù)亦最高。

圖3 不同堿酸比例下耐腐蝕系數(shù)發(fā)展規(guī)律

2.2 不同復合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體性能變化規(guī)律

2.2.1 不同復合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體對抗壓強度的影響規(guī)律

該文提出的高性能修補材料歸屬陶瓷質(zhì)水泥，普通硅酸鹽水泥屬于礦物質(zhì)水泥，遇水發(fā)生反應程度較為緩慢，而陶瓷質(zhì)水泥屬于化學水泥，與水反應較為劇烈，因此就推廣、應用而言，開展復合緩凝成分的研究十分重要。復合緩凝劑不同摻量下抗壓強度發(fā)展規(guī)律如圖4所示。

圖4 復合緩凝劑不同摻量下抗壓強度發(fā)展規(guī)律(堿酸比例為4∶1)

由圖4可知：① 堿酸比例為4∶1時，28、56 d硬化漿體抗壓強度的發(fā)展規(guī)律為8%>10%>6%，其中復合緩凝劑摻量為8%時，硬化漿體28、56 d的抗壓強度值均達到最大值，56 d的強度值為65.2 MPa；② 堿酸比例為4∶1時，3、7 d抗壓強度的發(fā)展規(guī)律均為6%>8%>10%，早期復合緩凝劑加入削弱了漿體的水化反應，致使早期抗壓強度較低；③ 緩凝劑摻入量較少(6%)時，水化反應較為劇烈，水化產(chǎn)物的生成量較多，早期強度較高，但水化產(chǎn)物的微結構排列較為疏松，隨著養(yǎng)護齡期的增加，后期的抗壓強度較其余2組低，緩凝劑摻入量過大時，降低了漿體中部分反應產(chǎn)物的活化能，阻礙了水化反應的正常進行，已經(jīng)參與水化反應生成的水化產(chǎn)物微結構排布較為密實。

2.2.2 不同復合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體對黏結強度的影響規(guī)律

復合緩凝劑不同摻量下黏結強度發(fā)展規(guī)律如圖5所示。

圖5 復合緩凝劑不同摻量下黏結強度發(fā)展規(guī)律(堿酸比例為4∶1)

由圖5可知：① 堿酸比例為4∶1時，28、56 d硬化漿體黏結強度的發(fā)展規(guī)律與圖4抗壓強度發(fā)展規(guī)律一致，均為8%>10%>6%，其中復合緩凝劑摻量為8%時，56 d的黏結強度值為6.4 MPa；② 堿酸比例為4∶1時，3、7 d黏結強度的發(fā)展規(guī)律與抗壓強度發(fā)展規(guī)律一致，摻量為10%時3 d黏結強度值最小為3.5 MPa，亦滿足無砟軌道修補料的中黏結強度的技術要求。

2.2.3 復合緩凝劑不同摻量下高性能修補材料硬化漿體耐腐蝕性影響規(guī)律

養(yǎng)護齡期為56 d、相同堿酸比例、復合緩凝劑不同摻量下抗壓強度耐腐蝕系數(shù)發(fā)展規(guī)律如圖6所示。

圖6 復合緩凝劑不同摻量下耐腐蝕系數(shù)發(fā)展規(guī)律

從圖6中可以得出：① 耐腐蝕系數(shù)的發(fā)展規(guī)律為8%>10%>6%，其中復合緩凝劑摻量為8%時，150次干濕循環(huán)下的抗壓強度耐腐蝕系數(shù)達到0.98；② 緩凝劑的摻入量制約著抗壓強度耐腐蝕系數(shù)的變化，適量緩凝劑的摻入雖然制約硬化漿體早期強度的發(fā)展，但為早期生成的水化產(chǎn)物提供了微結構排列的時間，硬化漿體微結構排布致密材料的強度和耐久性均有所提高。

3 SEM分析

3.1 不同堿酸比例下高性能修補材料硬化漿體SEM分析

圖7為不同堿酸比例下高性能修補材料28 d硬化漿體斷面SEM圖。堿酸比為3∶1自然養(yǎng)護28 d的樣品斷面窩中有針棒狀晶體松散地堆積在一起形成網(wǎng)狀結構[圖7(a)]，晶體直徑為10 μm左右，呈亂向無序排布。圖7(b)為堿酸比4∶1齡期28 d的樣品斷面SEM圖，斷面窩中布滿柱狀晶體，晶體長50 μm左右、寬約25 μm，其尺寸明顯大于圖7(a) 堿酸比3∶1自然養(yǎng)護樣品窩中的晶體，且結晶程度較高，晶相排布呈近似有序排布，堆積緊密，其排布密實度、堆積度均高于7(a)、圖7(c)。圖7(c)為堿酸比5∶1樣品斷面的SEM圖，窩中堆滿柱狀晶體，晶相排布較為緊密，空隙中晶體的填充程度高于圖7(a)。對比圖7(a)、(b)、(c)，堿酸比為4∶1時，微觀斷面的晶相尺寸較大且排布密實、堆積度也較高，宏觀上反映出強度最大、耐久性最優(yōu)。堿酸比為3∶1時，溶液中酸性成分較高，過燒氧化鎂的溶解度增加，水化產(chǎn)物生成速度較快，無充足時間彼此相互搭接形成密實的網(wǎng)絡狀結構；堿酸比例中堿性成分的增多，酸性成分的減少，即堿酸比為5∶1時，隨著酸性組分減少，過燒氧化鎂的溶解度減少，水化生成的產(chǎn)物在足夠的過燒氧化鎂顆粒上相互搭接形成網(wǎng)絡狀結構。

圖7 不同堿酸比例下高性能修補材料硬化漿體SEM圖

3.2 不同復合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體SEM分析

圖8為不同復合緩凝劑摻量下高性能修補材料28 d硬化漿體斷面SEM圖。

復合緩凝劑摻量為6%齡期28 d微觀斷面圖如圖8(a)所示，晶相直徑尺寸大多集中在10 μm左右，呈紡錘絲狀堆積，近似無序且排列雜亂，無網(wǎng)絡狀結構形成。圖8(b)為復合緩凝劑摻量為8%微觀斷面SEM譜圖，晶相直徑大多相同為15 μm左右，斷面坑窩內(nèi)晶相整齊排列，堆積密實，其堆積密實度高于圖8(a)、(c)。復合緩凝劑摻量為10%齡期為28 d硬化漿體微觀斷面形貌如圖8(c)所示，斷面中殘存部分未水化的過燒氧化鎂顆粒，經(jīng)歷水化反應后的晶相直徑尺寸相差較大，細小晶相緊密堆積在一起，形成密實度較高的網(wǎng)絡狀結構，尺寸較大的晶相排布稀疏，堆積密實度較低，但其整體堆積密實度高于圖8(a)，低于圖8(b)。

圖8 不同復合緩凝劑摻量下高性能修補材料硬化漿體SEM圖

對比圖8(a)、(b)、(c)，復合緩凝劑摻量為8%時水化產(chǎn)物的晶相排布最佳，形成較高的密實度網(wǎng)絡堆積狀態(tài)；緩凝劑摻量為6%時，微觀形貌中水化結晶相生成量最少，且尺寸相差較多，排列雜亂；當緩凝劑摻量超過8%時，磷酸鎂漿體的水化反應開始減緩，已生成的水化結晶相開始呈現(xiàn)規(guī)則排布，但由于水化放緩，微觀斷面中殘存部分未水化的過燒氧化鎂顆粒。究其原因：高性能磷酸鎂水泥早期水化，由于水化反應較高，大量水化結晶相生成，一方面大量結晶相附著于過燒氧化鎂顆粒的表面阻隔了水化持續(xù)時間；另一方面，已經(jīng)生成的結晶相由于沒有充足的時間相互搭接成網(wǎng)絡狀結構因此相互雜亂排列，致使強度下降；緩凝組分的摻量超過限量后水化反應變緩，水化結晶相的數(shù)量較少，強度下降。

4 結論

(1) 綜合不同堿酸比例下高性能修補材料的抗壓強度、黏結強度、抗壓強度耐腐蝕發(fā)展規(guī)律可以得出，堿酸比例為4∶1時硬化漿體的發(fā)展狀況較優(yōu)。

(2) 以堿酸比例4∶1為基準，綜合復合緩凝劑不同摻量下高性能修補材料的抗壓強度、黏結強度、抗壓強度耐腐蝕發(fā)展規(guī)律，可以得出，復合緩凝劑摻量為8%時硬化漿體的發(fā)展狀況較優(yōu)。

(3) 高性能修補材料的最佳配合比例為：堿酸比4∶1，復合緩凝劑8%，該比例已應用于混凝土結構的破損修補，可施工性、耐久性均滿足現(xiàn)場施工要求。