王之鈞,徐杭東

(杭州蕭山國際機(jī)場有限公司,浙江 杭州 311200)

水泥混凝土結(jié)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、剛度大和耐久性好等優(yōu)點(diǎn),在公路、港口、橋梁和機(jī)場等領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。投入使用后,在荷載、干濕和凍融循環(huán)等反復(fù)作用下,水泥混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破損。

用于混凝土結(jié)構(gòu)破損的快速修補(bǔ)材料可分為無機(jī)類和有機(jī)類兩種。有機(jī)高分子聚合物材料主要包括聚氨酯、丙烯酸和環(huán)氧樹脂及各種乳膠配制的聚合物砂漿或聚合物水泥砂漿[1-2]。無機(jī)類修補(bǔ)材料主要以硅酸鹽、硫鋁酸鹽、氟鋁酸鹽、高鋁水泥、磷酸鹽水泥和地聚物合物水泥等為基材,再配以礦物摻合料、外加劑等材料進(jìn)行性能優(yōu)化和改良[3-6]。“快通9號”是一款快速修補(bǔ)材料產(chǎn)品,在公路、橋梁和市政等工程維修中得到廣泛的應(yīng)用,系統(tǒng)地分析了水膠比、砂膠比、集料類型以及攪拌和養(yǎng)護(hù)方式對“快通9號”產(chǎn)品性能的影響,并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,對該類修補(bǔ)材料的應(yīng)用提出幾點(diǎn)建議。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)修補(bǔ)材料

杭州修路人科技股份有限公司生產(chǎn)的快通9號,是一種聚合物改性水泥。

(2)細(xì)骨料

粗河砂產(chǎn)自江西贛江,砂的細(xì)度模數(shù)為3.01,最大粒徑4.75 mm,含泥量0.8%,級配情況見圖1,符合國標(biāo)《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)中1區(qū)級配的要求。細(xì)河砂含泥量4.6%,細(xì)度模數(shù)1.55。人工混合砂細(xì)度模數(shù)3.13,堅(jiān)固性差。

圖1 河砂的級配曲線

(3)粗骨料

產(chǎn)自安徽,為4.75～26.5 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石,其顆粒級配如圖2所示?；炷涟韬衔锱浜媳燃靶阅芤姳?。

圖2 碎石的級配曲線

表1 混凝土拌合物配合比及性能

1.2 試驗(yàn)方法

(1)工作性

砂漿工作性以流動度表征,參照《水泥膠砂流動度測試方法》(GB/T 2419—2005)進(jìn)行試驗(yàn),測試不振動狀態(tài)下的擴(kuò)展范圍來衡量其流動性?；炷涟韬衔锕ぷ餍砸蕴涠缺硎?試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)進(jìn)行,并觀測拌合物各組分相互粘聚情況和保水性。

(2)收縮率

材料收縮率用砂漿的干縮率表達(dá),按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》(JGJ/T 70—2009)中收縮試驗(yàn)的要求,采用BC156-300比長儀進(jìn)行測定。

(3)砂漿力學(xué)性能

砂漿抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

(4)混凝土力學(xué)性能

試驗(yàn)按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行測試?；炷量箟簭?qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體,混凝土抗折試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比對修補(bǔ)材料性能的影響

水膠比(水與膠凝材料的質(zhì)量比)是修補(bǔ)砂漿(混凝土)配合比設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用過程中最重要的參數(shù),直接影響砂漿(混凝土)內(nèi)部的孔隙率和孔結(jié)構(gòu),是衡量混凝土密實(shí)性、滲透性和力學(xué)性能的一個重要參數(shù),對修補(bǔ)材料的強(qiáng)度和耐久性具有決定性的影響作用。

從圖3中可知,隨著水膠比增大,砂漿流動性顯著提升,當(dāng)水膠比為0.25時,砂漿比較松散,工作性差;當(dāng)水膠比為0.35時,砂漿在不振動下擴(kuò)展度為295 mm,流動性非常好,隨著水膠比進(jìn)一步加大,砂漿出現(xiàn)離析現(xiàn)象。

圖3 水膠比對擴(kuò)展度的影響

由圖4可以看出,隨著水膠比的逐漸增大,修補(bǔ)砂漿3 h抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均下降,當(dāng)水膠比為0.25時,砂漿3 h抗折、抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到8.9 MPa、44.7 MPa;當(dāng)水膠比低于0.4時,砂漿抗壓強(qiáng)度低于30 MPa,不能滿足快速開放交通的要求,且當(dāng)用水量很大時,由于砂漿內(nèi)部孔隙較大,后期強(qiáng)度的增長也非常有限。因此,在滿足施工性的前提下,水膠比應(yīng)盡可能小些,水膠比宜控制在0.3～0.35之間。

圖4 水膠比對早期力學(xué)性能的影響

2.2 膠砂比對修補(bǔ)材料性能的影響

為了保證修補(bǔ)砂漿具有良好的工作性,通常要求混合料中有較高的膠凝材料。試驗(yàn)用砂均選用粗河砂,其中對比例選用散裝海螺P·O 52.5水泥,外加劑為三聚氰胺高效減水劑,摻量0.8%。

從圖5可以得出,膠砂比(膠凝材料與砂子的質(zhì)量比)降低,修補(bǔ)砂漿的干縮率也隨之降低;采用P·O 52.5水泥配制的砂漿干縮率明顯高于快通9號修補(bǔ)砂漿。這是因?yàn)樾扪a(bǔ)材料含補(bǔ)償收縮的組分,在水化過程中產(chǎn)生鈣礬石等物質(zhì)填充內(nèi)部孔隙,降低了砂漿的干縮,從而提高其抗裂性能。另外,膠砂比降低,水泥漿體的含量減少,總收縮量降低,收縮應(yīng)變小,更不容易出現(xiàn)收縮裂縫。

圖5 膠砂比對干縮性能的影響

膠砂比對修補(bǔ)材料力學(xué)性能的影響見圖6,結(jié)果顯示,隨著膠砂比的降低,砂漿抗折和抗壓強(qiáng)度都先增后減,這是由于砂用量增大,砂漿工作性降低,用水量增加,水膠比增大,強(qiáng)度降低。綜合膠砂比對修補(bǔ)材料干縮性和力學(xué)性能的影響,當(dāng)采用該修補(bǔ)材料配制成砂漿來進(jìn)行修補(bǔ)時,膠砂比建議取1∶2左右。

圖6 膠砂比對力學(xué)性能的影響

2.3 砂子種類對修補(bǔ)材料性能的影響

隨著河砂的不斷開采,天然砂越來越少,且品質(zhì)也大幅下降,而砂子的種類對修補(bǔ)材料也有著重要的影響。含泥量高、細(xì)度模數(shù)小的砂子會導(dǎo)致修補(bǔ)砂漿(混凝土)工作性差,需要通過提高水膠比或膠砂比來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

從圖7中可以看出,砂子種類對修補(bǔ)砂漿的力學(xué)性能影響很大,砂漿流動性為粗河砂最大,細(xì)河砂次之,混合砂最小;采用干凈粗河砂的力學(xué)性能最好,各齡期砂漿的強(qiáng)度均最高;混合砂的3 h抗折和抗壓強(qiáng)度均為最低,后期強(qiáng)度略高于細(xì)河砂;這是因?yàn)樵摶旌仙邦w粒內(nèi)部孔隙率大,吸水量多,導(dǎo)致水膠比明顯提高;細(xì)河砂7 d的力學(xué)性能最差,這應(yīng)該是由于該細(xì)河砂含泥量大,吸附了部分修補(bǔ)材料里面的減水組分,同時細(xì)砂的比表面積大,因此也增加了材料的需水量,提高了水膠比,此外其顆粒狀態(tài)呈粉狀,級配差,砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)差,導(dǎo)致后期強(qiáng)度低。

圖7 砂子種類對力學(xué)性能的影響

2.4 攪拌方式對修補(bǔ)材料性能的影響

攪拌方式對拌合物的勻質(zhì)性關(guān)系密切,人工攪拌通常要提高水膠比,并容易引起離析、泌水等不良影響;機(jī)械攪拌設(shè)備類型、葉片和轉(zhuǎn)速等因素對拌合料性能也存在一定的差異。

表2對比分析了兩種攪拌方式對修補(bǔ)材料綜合性能的影響,機(jī)械攪拌設(shè)備為手提式高速攪拌機(jī)。結(jié)果表明, 人工攪拌的拌合料工作性較差, 初凝時間更長,早期抗折和抗壓強(qiáng)度也更低;手提式高速攪拌機(jī)可以將絮凝狀的膠凝材料內(nèi)部包裹的水分釋放出來,并在減水組分的空間位阻作用下,顯著提高了砂漿的流動性;水泥顆粒與水的接觸面積也有所增加,另外在摩擦阻力的作用下,拌合料內(nèi)部的溫度升高,進(jìn)一步促進(jìn)了水化反應(yīng),從而縮短了初凝時間,提高了早期強(qiáng)度。

表2 攪拌方式對修補(bǔ)材料性能的影響

2.5 養(yǎng)護(hù)方式對修補(bǔ)材料的影響

養(yǎng)護(hù)方式對修補(bǔ)材料早期干縮性能影響大,養(yǎng)護(hù)不良可能導(dǎo)致材料產(chǎn)生干縮裂縫,常規(guī)無機(jī)類修補(bǔ)材料應(yīng)采取灑水或覆蓋等保濕養(yǎng)護(hù)措施,但也有例外,如磷酸鹽水水泥基修補(bǔ)材料不適合灑水養(yǎng)護(hù)。

圖8對比分析了干、濕養(yǎng)護(hù)方式對修補(bǔ)材料力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,采用浸水養(yǎng)護(hù)的方式提高了修補(bǔ)砂漿早期抗折和抗壓強(qiáng)度,3 h抗折強(qiáng)度對養(yǎng)護(hù)方式更為敏感,但28 d抗折強(qiáng)度反而略有降低。這是因?yàn)榻B(yǎng)護(hù)保證了內(nèi)部有充足的自由水參與水化反應(yīng),促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)程,生成更多的水化產(chǎn)物,使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密,從而提高了早期強(qiáng)度;隨著浸水齡期的延長,試塊內(nèi)部的可溶性鹽類物質(zhì)不斷析出,增大了結(jié)構(gòu)孔隙,導(dǎo)致濕養(yǎng)護(hù)的試塊28 d抗折強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象。

圖8 養(yǎng)護(hù)方式對力學(xué)性能的影響

2.6 混凝土的性能

混凝土拌合物的工作性和硬化后混凝土的力學(xué)性能是修補(bǔ)材料最主要的性能要求。由表1可知,當(dāng)水膠比為0.32時,混凝土拌合物的工作性非常好,坍落度大,粘聚性和保水性好。從圖9可以看出,混凝土2 h抗壓強(qiáng)度大于30 MPa,7 d抗折強(qiáng)度大于5 MPa,抗壓強(qiáng)度接近60 MPa,后期強(qiáng)度還在持續(xù)增長,可以滿足水泥混凝土結(jié)構(gòu)破損的修補(bǔ)要求。

圖9 混凝土力學(xué)性能

3 結(jié) 論

(1)隨著水膠比逐漸增加,砂漿流動性明顯提高,但是力學(xué)性能也逐漸下降,水膠比(質(zhì)量比)宜控制在0.3～0.35的范圍。

(2)修補(bǔ)材料的干縮率低于普通硅酸鹽水泥,當(dāng)膠砂比為1∶2時,砂漿的力學(xué)性能和干縮率均較優(yōu)。

(3)砂子種類對修補(bǔ)材料性能影響很大,應(yīng)優(yōu)先選用含泥量低的中粗砂,使用含泥量高的細(xì)砂時,可適當(dāng)降低膠砂比來確保修補(bǔ)材料的力學(xué)性能。

(4)攪拌方式對拌合物性能有較大的影響,當(dāng)使用修補(bǔ)砂漿進(jìn)行維修時,宜選擇高速分散機(jī),當(dāng)配制成混凝土?xí)r,應(yīng)選擇強(qiáng)制式攪拌機(jī)。

(5)抗折強(qiáng)度對養(yǎng)護(hù)方式更為敏感,濕養(yǎng)護(hù)提高了修補(bǔ)材料早期強(qiáng)度,后期抗折強(qiáng)度略有降低,應(yīng)注重修補(bǔ)材料的早期保濕養(yǎng)護(hù)。

(6)采用該修補(bǔ)材料配制的混凝土的工作性好,力學(xué)性能優(yōu)異,滿足修補(bǔ)材料相關(guān)性能要求。