呂江鵬 張高望 袁 捷

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

水泥混凝土在公路路面和機(jī)場道面中廣泛使用。在服役期間，受到車輛荷載、環(huán)境溫濕度變化等周期性作用及有害離子的侵蝕，水泥混凝土?xí)霈F(xiàn)邊角剝落、接縫破碎和表面損傷等不同程度損壞。為保證水泥混凝土結(jié)構(gòu)安全、耐久，需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)。

目前用于水泥混凝土修補(bǔ)的材料種類比較多。而水泥基材料與原水泥混凝土具有良好的變形協(xié)調(diào)性，在工程中得以廣泛應(yīng)用[1-2]?，F(xiàn)有研究主要集中在通過改變材料不同組分含量或添加外加劑，制備出在一定環(huán)境條件下凝結(jié)時(shí)間能夠滿足施工要求且早期強(qiáng)度較高的修補(bǔ)材料。羅萍等[3]研究了在不同粉煤灰和礦渣摻量下修補(bǔ)材料的工作性和力學(xué)性能。郭唯一等[4]研究了普通硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-丁苯膠乳三元復(fù)合膠凝體系的力學(xué)性能和工作性。胡張莉等[5]分析了水灰比、硼砂摻量、氧化鎂比表面積等對(duì)磷酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響。齊召慶等[6]研究了MgO比表面積、M/P比值、水灰比等因素對(duì)磷酸鹽水泥力學(xué)強(qiáng)度的影響。目前，針對(duì)環(huán)境溫度對(duì)快硬性水泥基修補(bǔ)材料影響的研究較少，未有考慮施工環(huán)境溫度影響快硬性水泥基修補(bǔ)材料凝結(jié)時(shí)間，進(jìn)而影響后期服役強(qiáng)度的研究。

本文針對(duì)常用的改性硅酸鹽水泥基材料和磷酸鹽水泥基材料，擬通過凝結(jié)時(shí)間、內(nèi)部溫升和力學(xué)性能測試，研究不同環(huán)境溫度對(duì)材料凝結(jié)時(shí)間、內(nèi)部溫升峰值，以及峰值出現(xiàn)的時(shí)間、內(nèi)部溫度變化速率、早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的影響，以為快硬性水泥基修補(bǔ)材料的現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)和幫助。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1改性硅酸鹽水泥基材料

改性硅酸鹽水泥由電化無機(jī)材料(天津)有限公司生產(chǎn)，其通過增加C3S的含量和細(xì)度與摻加日本電氣化學(xué)生產(chǎn)的快硬劑，達(dá)到快速修復(fù)小時(shí)級(jí)強(qiáng)度要求。試驗(yàn)所用配合比為m(膠凝材料)∶m(水)∶m(細(xì)骨料)=1∶0.33∶1.5，其中細(xì)骨料為普通河砂，細(xì)度模數(shù)約為2.7。

1.1.2磷酸鹽水泥基材料

磷酸鹽水泥由杭州中港建工工程有限公司生產(chǎn)，其由氧化鎂、磷酸二氫氨、硼砂緩凝劑及礦物摻合料按照一定比例配制而成。試驗(yàn)所用配合比為m(膠凝材料)∶m(水)∶m(石英砂)=1∶0.12∶1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1凝結(jié)時(shí)間測試

水泥基修補(bǔ)材料的凝結(jié)時(shí)間測試方法參考JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用貫入阻力儀法?？煊残扪a(bǔ)材料的凝結(jié)時(shí)間較短，為保證凝結(jié)時(shí)間測試的精確性，以貫入阻力值為1 N時(shí)開始測量，其后每分鐘測試1次。通過將測試環(huán)境的溫度控制在10，15，20，25，30 ℃，研究環(huán)境溫度對(duì)水泥基修補(bǔ)材料凝結(jié)時(shí)間的影響。同時(shí)，當(dāng)材料拌和后倒入磨具中振動(dòng)時(shí)，在混合料中放入溫度傳感器外接探頭，以檢測材料內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)變化。溫度傳感器類型為精創(chuàng)RC-4，精度為0.1 ℃，記錄間隔為10 s。

1.2.2力學(xué)性能測試

水泥基修補(bǔ)材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度測試方法參考GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，測試齡期為3 h，1，3，7 d。在20 ℃環(huán)境溫度下成型，成型后分別放入3，20，30 ℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，相對(duì)濕度范圍為58%～63%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時(shí)間與內(nèi)部溫升

改性硅酸鹽水泥基材料和磷酸鹽水泥基材料在不同環(huán)境溫度下的凝結(jié)時(shí)間見圖1。

圖1 不同環(huán)境溫度下的凝結(jié)時(shí)間

由圖1可見，2種材料的凝結(jié)時(shí)間都較短，通常在1 h之內(nèi)，且對(duì)溫度都具有很高的敏感性。當(dāng)溫度從10 ℃升高到30 ℃，磷酸鹽水泥基材料的凝結(jié)時(shí)間從51 min降到10 min；改性硅酸鹽水泥基材料的凝結(jié)時(shí)間從29 min降到7 min。溫度對(duì)修補(bǔ)用水泥顆粒的溶解、水化反應(yīng)均有較大影響。較高的環(huán)境溫度可以增加水泥顆粒的溶解活性，加快水泥的水化反應(yīng)，促進(jìn)水泥水化產(chǎn)物的生成，在內(nèi)部晶體之間快速相互搭接，從而凝結(jié)硬化。

為了定量描述溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響規(guī)律，將凝結(jié)時(shí)間和環(huán)境溫度通過回歸分析進(jìn)行擬合(見圖2)，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2大于0.9。根據(jù)擬合方程可以看出，環(huán)境溫度每升高5 ℃，磷酸鹽水泥基材料的凝結(jié)時(shí)間降低約10 min，改性硅酸鹽水泥基材料的凝結(jié)時(shí)間降低約5 min。因此，快硬性水泥基材料凝結(jié)時(shí)間受溫度影響顯著，在現(xiàn)場修補(bǔ)施工時(shí)，需根據(jù)實(shí)際溫度對(duì)施工工序、施工人員進(jìn)行合理的安排，防止材料凝結(jié)過快導(dǎo)致無法施工或修補(bǔ)質(zhì)量降低。

圖2 環(huán)境溫度與凝結(jié)時(shí)間的線性擬合圖

放熱行為是水泥水化過程的一個(gè)重要表現(xiàn)形式。通過測試水泥基修補(bǔ)材料實(shí)時(shí)內(nèi)部溫度θ(t)和計(jì)算溫度變化速率Δθ/Δt來研究環(huán)境溫度對(duì)材料水化進(jìn)程的影響。其中，根據(jù)θ(t)的斜率和達(dá)到峰值的時(shí)間，可以看出水泥水化速率的快慢；Δθ/Δt可以直觀地反映出各個(gè)時(shí)刻材料內(nèi)部溫度變化的快慢，根據(jù)其大小和達(dá)到峰值的時(shí)間，可以更加直觀地比較不同條件下的水泥水化速率。

改性硅酸鹽水泥基材料和磷酸鹽水泥基材料在不同環(huán)境溫度下的時(shí)間-內(nèi)部溫度θ(t)和時(shí)間-溫度變化速率Δθ/Δt分別見圖3、圖4。

圖3 環(huán)境溫度對(duì)水泥基修補(bǔ)材料內(nèi)部溫升的影響

圖4 環(huán)境溫度對(duì)水泥基修補(bǔ)材料內(nèi)部溫度變化速率的影響

由圖3可見，隨著環(huán)境溫度的升高，材料內(nèi)部溫度曲線峰值增大，且達(dá)到峰值的時(shí)間縮短。在圖3a)中，當(dāng)環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)，磷酸鹽水泥基材料內(nèi)部溫度峰值為36.5 ℃，達(dá)到峰值的時(shí)間為107 min；當(dāng)環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，其溫度峰值達(dá)到了86.6 ℃，達(dá)到峰值的時(shí)間為24 min。在圖3b)中，當(dāng)環(huán)境溫度10 ℃時(shí)，改性硅酸鹽水泥基材料內(nèi)部溫度峰值為49.8 ℃，達(dá)到峰值的時(shí)間為61.5 min；當(dāng)環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，其溫度峰值達(dá)到了71.0 ℃，達(dá)到峰值的時(shí)間為44 min。將溫度峰值減去材料內(nèi)部起始溫度，可以發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的升高，材料內(nèi)部的溫升值逐漸增大。

由圖4可見，隨著環(huán)境溫度升高，水泥基修補(bǔ)材料內(nèi)部溫度變化速率的峰值越高且達(dá)到峰值的時(shí)間也越短。在圖4a)中，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，磷酸鹽水泥基材料內(nèi)部溫度變化速率隨時(shí)間的變化較為劇烈；而環(huán)境溫度較低時(shí)，溫度變化速率隨時(shí)間增長則基本保持平穩(wěn)。主要是因?yàn)樵诘蜏丨h(huán)境下，一方面磷酸鹽水泥中MgO和NH4H2PO4的溶解度和溶解速率較低，通過酸堿中和進(jìn)行的水化反應(yīng)較慢，水化放熱量積累速度較慢；另一方面水泥水化過程中釋放的熱量與外界環(huán)境進(jìn)行快速的熱交換，通過水化放熱引起內(nèi)部溫度升高而促進(jìn)水化速率的作用較低。溫度變化速率在達(dá)到峰值后迅速降低，且環(huán)境溫度越高其最低值越小，可能是由于：①在高溫環(huán)境下材料內(nèi)部水分快速向外界傳遞并蒸發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部用于水化反應(yīng)的水分不足；②水泥水化程度達(dá)到了硬化階段，未水化的水泥顆粒減少；③材料內(nèi)部溫度較高，與外界環(huán)境進(jìn)行快速的熱交換。在圖4b)中，環(huán)境溫度對(duì)改性硅酸鹽水泥基材料內(nèi)部溫度變化速率隨時(shí)間變化規(guī)律的影響與磷酸鹽水泥基材料基本相同，但改性硅酸鹽水泥基材料水化過程受環(huán)境溫度影響較低。

綜合圖1～4可見，環(huán)境溫度對(duì)水泥基修補(bǔ)材料的凝結(jié)時(shí)間、內(nèi)部溫度變化及溫度變化速率具有較大影響。通過分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度通過影響修補(bǔ)用水泥顆粒的溶解度與溶解速度、水泥基修補(bǔ)材料內(nèi)部和外界環(huán)境的熱交換速率，從而對(duì)水泥基修補(bǔ)材料的凝結(jié)時(shí)間產(chǎn)生較大影響。相對(duì)于改性硅酸鹽水泥基材料，磷酸鹽水泥基材料的凝結(jié)硬化過程受環(huán)境溫度影響更大，主要是由于磷酸鹽水泥中MgO溶解受溫度影響較顯著。當(dāng)溫度升高時(shí)，漿體中Mg2+含量增加速度大于NH4H2PO4和硼砂，硼砂B4O72-通過吸附在MgO表面阻止其溶解而達(dá)到緩凝的作用減小。

2.2 力學(xué)性能

不同環(huán)境溫度養(yǎng)護(hù)條件下，磷酸鹽水泥基材料力學(xué)性能隨齡期增加的變化情況見圖5。

圖5 環(huán)境溫度對(duì)磷酸鹽水泥基材料強(qiáng)度的影響

如圖5所示，3 h齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨環(huán)境溫度的升高而增加，3，20，30 ℃環(huán)境溫度養(yǎng)護(hù)下的抗折強(qiáng)度分別為2.57，6.37，7.67 MPa，抗壓強(qiáng)度分別為9.7，37.23，52.88 MPa。而在1 d齡期時(shí)，20 ℃條件下養(yǎng)護(hù)的試件抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度高于30 ℃條件下養(yǎng)護(hù)的，且3 ℃條件下養(yǎng)護(hù)的試件強(qiáng)度逐漸接近前兩種條件下的。當(dāng)齡期為3 d和7 d時(shí)，試件強(qiáng)度依次為：3 ℃條件下養(yǎng)護(hù)>20 ℃條件下養(yǎng)護(hù)>30 ℃條件下養(yǎng)護(hù)。根據(jù)上述結(jié)果可以得出，養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度越高，磷酸鹽水泥基材料的早期強(qiáng)度越高，而后期強(qiáng)度越低。對(duì)比圖5a)和圖5b)可見，后期的抗折強(qiáng)度受環(huán)境溫度的影響比抗壓強(qiáng)度大。相比于3 ℃條件下的強(qiáng)度，30 ℃條件下7 d的抗折強(qiáng)度減少了22.8%，抗壓強(qiáng)度減少了8.7%。

不同環(huán)境溫度養(yǎng)護(hù)條件下，改性硅酸鹽水泥基材料力學(xué)性能隨齡期增加的變化情況見圖6。

圖6 環(huán)境溫度對(duì)改性硅酸鹽水泥基材料強(qiáng)度的影響

由圖6可見，3，20，30 ℃環(huán)境溫度養(yǎng)護(hù)下3h齡期的抗折強(qiáng)度分別為5.3，5.5，4.9 MPa，抗壓強(qiáng)度分別為27.82，30.23，27.5 MPa。當(dāng)齡期為3 d和7 d時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度為：3 ℃條件下養(yǎng)護(hù)>20 ℃條件下養(yǎng)護(hù)>30 ℃條件下養(yǎng)護(hù)，而抗壓強(qiáng)度基本相同。根據(jù)上述結(jié)果可以得出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度小于等于20 ℃時(shí)，改性硅酸鹽水泥基材料早期強(qiáng)度隨著環(huán)境溫度升高而輕微增加。當(dāng)環(huán)境溫度大于20 ℃時(shí)，早期抗折強(qiáng)度則會(huì)隨環(huán)境溫度增加而降低。改性硅酸鹽水泥基材料后期抗折強(qiáng)度受環(huán)境溫度影響較大，隨環(huán)境溫度的升高而逐漸降低，而抗壓強(qiáng)度則相對(duì)受環(huán)境溫度影響較小。相比于3 ℃條件下的抗折強(qiáng)度，30 ℃條件下7 d的抗折強(qiáng)度減少了17.4%，抗壓強(qiáng)度減少了1.0%。

綜合圖5和圖6可見，當(dāng)環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)，水泥基修補(bǔ)材料的早期抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度會(huì)隨環(huán)境溫度升高而增加，后期強(qiáng)度則隨著環(huán)境溫度升高而降低。水泥基修補(bǔ)材料早期強(qiáng)度的發(fā)展主要受水泥水化速率的影響，當(dāng)達(dá)到一定齡期后，水泥水化程度逐步趨于穩(wěn)定[7]，材料的強(qiáng)度主要取決于最終水化程度和內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)[8]。較高的環(huán)境溫度可以加快水泥在早期的水化速率，促使材料快速凝結(jié)硬化，但同時(shí)由于水化熱量的快速積累，材料內(nèi)部溫度升高，水分蒸發(fā)，使用于水化反應(yīng)的水分減少，導(dǎo)致最終水化程度降低，水化產(chǎn)物分布不均且粗晶體較多[9-10]，同時(shí)由于較大拉應(yīng)力的產(chǎn)生對(duì)材料內(nèi)微環(huán)境和微結(jié)構(gòu)造成損傷[11-12]，從而對(duì)后期強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此，在修補(bǔ)施工中，需根據(jù)環(huán)境條件平衡好材料的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度，保證在材料快速凝結(jié)硬化的過程中水化產(chǎn)物晶粒生長完好，微結(jié)構(gòu)損傷小。夏季溫度較高時(shí)，除非緊急搶修，否則不推薦施工。

3 結(jié)論

1)水泥基修補(bǔ)材料的凝結(jié)時(shí)間通常在1 h之內(nèi)，且對(duì)環(huán)境溫度具有較大的敏感性。隨環(huán)境溫度升高，凝結(jié)時(shí)間逐漸減小。

通過回歸分析，凝結(jié)時(shí)間和環(huán)境溫度具有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2>0.9。環(huán)境溫度每升高5 ℃，磷酸鹽水泥基材料凝結(jié)時(shí)間減少10 min，改性硅酸鹽水泥基材料凝結(jié)時(shí)間減少5 min。因此，在修補(bǔ)施工時(shí)，需根據(jù)實(shí)際溫度對(duì)施工工序和施工人員進(jìn)行合理的安排，以防止材料凝結(jié)過快導(dǎo)致無法施工或修補(bǔ)質(zhì)量降低。

2)環(huán)境溫度對(duì)水泥基修補(bǔ)材料內(nèi)部溫升峰值和峰值出現(xiàn)的時(shí)間、溫度變化速率均有較大影響。相對(duì)于改性硅酸鹽水泥基材料，磷酸鹽水泥基材料的凝結(jié)硬化過程受環(huán)境溫度影響更大。

3)當(dāng)環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)，水泥基修補(bǔ)材料的早期強(qiáng)度會(huì)隨環(huán)境溫度升高而增加，后期強(qiáng)度則隨著環(huán)境溫度升高而降低。其中，后期抗折強(qiáng)度受環(huán)境溫度影響較為顯著。相比于3 ℃條件下的強(qiáng)度，30 ℃條件下的磷酸鹽水泥基材料7 d齡期抗折強(qiáng)度減少了22.8%，抗壓強(qiáng)度較少了8.7%；改性硅酸鹽水泥基材料7 d齡期抗折強(qiáng)度減少了17.4%，抗壓強(qiáng)度減少了1.0%。

在修補(bǔ)施工中，需根據(jù)環(huán)境條件平衡好材料的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度。夏季溫度較高時(shí)，除非緊急搶修，否則不推薦施工。