新型水泥混凝土道路修補劑的制備與施工

新型水泥混凝土道路修補劑的制備與施工

王鴻非，徐波，代小曼，代超，孟祥靜

(武漢市市政科研有限公司，武漢 430023)

摘要：采用氧化鎂、磷鎂酸鹽和硼砂為主，添加部分礦物摻和料和鋼渣粉等，制備了快硬早強磷鎂酸鹽快硬水泥修補劑，提出了路面修補施工工藝，并應用到了實際工程中。利用礦物摻和料(粉煤灰、硅灰、膨脹劑、鋼渣粉等)和鉻鐵礦渣粉替代部分磷鎂酸鹽水泥，降低了修補劑成本，節(jié)約了資源，同時有利于重金屬的固化。工程應用表明：在早期強度損失率低的情況下，該修補劑的初始流動度大，凝結時間可調控，早強強度等級高，抗裂抗?jié)B好，滿足施工設計指標要求。

關鍵詞：磷鎂酸鹽水泥；緩凝劑；流動度；早期強度

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.015

Abstract:This paper prepares the high early strength magnesium phosphate repair agent on the basis of using MgO,potassium dihydrogen phosphate and borax and adding mineral admixtures and steel slag powders. The craftsmanship process of pavement repair construction was put forward and applied to practical engineering.Using fly ash, silica fume, slag powders and chromium slag powders to replace partial magnesium phosphate cement, which reduces the cost and saves resources for heavy metal solidification. The engineering application shows:the initial fluidity and setting time can be controlled with less early strength loss.Thecrack permeability is better to meet the required construction indicators.

收稿日期：2015-04-06.

作者簡介：王鴻非(1983-)，工程師.E-mail:289567334@qq.com

Preparation and Construction of New Phosphorus Magnesium

Aluminate Cement Road Repair Agent

WANGHong-fei,XUBo,DAIXiao-man,DAIChao,MENGXiang-jing

(Wuhan Civil Engineering Technology Development Co Ltd,Wuhan 430070，China)

Key words:magnesium phosphate cement;retarder;fluidity;early strength

磷酸鎂水泥(Magnesium Phosphate Cement，MPC)是由MgO、磷酸鹽及緩凝劑按適當比例配制而成的一種早強快硬的新型膠凝材料[1]。通過工業(yè)磨細粉煤灰、硅灰及適量膨脹劑來提高修補劑的初始流動性能，延長施工操作時間；同時添加磨細鋼渣粉和鉻鐵尾礦渣粉增加了水泥中金屬氧化物的含量，促進活性重金屬氧化物與磷酸鹽發(fā)生反應，增加了砂漿的密實度和抗?jié)B等級，也有利于重金屬固體廢棄物的固化效應。工業(yè)純級氧化鎂粉磨后添加磨細改性石膏，混合充分，有利于調節(jié)水泥的凝結性能，還有利于與活性鋼渣粉、活性鉻鐵尾礦渣粉中的C2S和鋁酸鹽反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠或者反應生成鈣礬石，增加了結構致密性能。試驗中還通過添加微細改性鋼纖維來解決MPC水泥脆性大的問題。該類型修補劑具有低溫凝結快、粘結強度高、干縮小、耐磨性和抗凍性良好等優(yōu)點，被廣泛應用于橋梁、道路、機場跑道的快速修補，有害和放射性物質的固化等，有著重要的民用和軍事用途[2]。

1原材料及技術指標

1.1　原材料

1)氧化鎂采用工業(yè)重燒氧化鎂，由菱鎂礦在1 500~1 700 ℃煅燒粉磨而成，棕黃色，比表面積為3 200 cm2/g，顆粒分布在50~80 μm，化學成分見表1。

表1　工業(yè)重燒氧化鎂化學成分分析

2)磷鎂酸鹽采用磷酸二氫鉀，白色粉末。

3)硼酸采用工業(yè)純級硼砂。

4)礦物摻和料采用湖南石門電廠Ⅱ級粉煤灰，符合現行標準GB1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定的Ⅱ級灰技術要求。采用微硅粉，SiO2含量92%，比表面積18 600 m2/kg，需水量比122%。

采用天津豹鳴HCSA高性能混凝土膨脹劑。采用武鋼生產的鋼渣粉，由鋼渣煅燒磨細而成。

5)鉻鐵礦渣粉采用武鋼生產的高碳鉻鐵尾礦渣，淡黑色，化學成分見表2 。

表2　高碳鉻鐵礦渣粉化學成分分析　 w/%

6)微細鋼纖維市場購買，符合現行標準JT/T 524—2004《公路水泥混凝土纖維材料-鋼纖維》和YB/T 151-1999《混凝土用鋼纖維》規(guī)定技術要求。

7)外加劑阻銹組分包括氨基醇、氨基酯，市場購買。減水組分采用FDN9001減水粉劑，市場購買。符合現行標準GB 8076—2008《混凝土外加劑》規(guī)定技術要求。

1.2　設計技術指標

設計工程應用技術標準：2 h抗壓強度強度滿足20 MPa以上，1天抗壓強度滿足40 MPa以上，28抗壓強度滿足60 MPa以上；初始流動度180~200 mm，凝結時間15-25 min；抗?jié)B等級達到P10，抗凍系數大于F300，抗氯離子滲透系數小于1.0×10-12，抗硫酸鹽侵蝕系數大于0.95。

2新型修補劑配合比優(yōu)化設計

2.1　氧化鎂比表面積對修補劑性能的影響

氧化鎂在磷鎂酸鹽修補劑中占的比例到達60%~80%，所以氧化鎂的質量嚴重影響著修補劑的性能。本試驗設計通過改變氧化鎂比表面積來研究其對水泥水化后流動度、凝結時間和強度的影響。將試驗用的氧化鎂粉末分別裝入行星式球磨機中進行粉磨，控制行星式球磨機的旋轉速度和粉磨時間，然后測定其比表面積，按設計A料、B料組分稱量進行水泥凈漿試驗。試驗控制A/B為1∶4，硼酸摻量占A料的5%，水膠比為0.3，試驗結果見表3。

表3　氧化鎂比表面積對修補劑性能的影響

從表3中可以看出：隨著氧化鎂比表面積的增加，其水泥凈漿的初始流動性能在逐漸減小，凝結時間提前，早期抗壓強度得到提升，表明氧化鎂的活性使水泥的水化速度得到了提升，引起水泥早期水化熱增加，釋放的熱量進一步促進了水化的進程，從而影響了水泥初始流動度和凝結時間，早期抗壓強度變大，后期強度略有降低，但波動幅度小。

2.2　A/B值對修補劑性能的影響

通過上述試驗，以M1作為參照配合比，控制硼酸占A料的比例為5%，水膠比為0.3，設計一系列A/B值，測試水泥凈漿的初始流動度、凝結時間和抗壓強度等級，試驗結果見圖1。

從圖1中可以看出：A/B的值對水泥性能的影響權重:較大，隨著A/B值的減小，水泥凈漿的初始流動度逐漸減小，同時水泥的凝結時間也逐漸縮短，因為氧化鎂的溶解含量控制整個反應的快慢和水化產物的生成[3]。當A/B值較大時，氧化鎂溶解含量相對較少，與其生成的水化產物就越少，消耗的水量就少，同時包裹未溶解水化顆粒的時間就越長，從而增加了水泥凈漿的流動度和凝結時間。當A/B較小時，氧化鎂溶解量增加，增加了與磷酸鹽的反應，形成的晶核越多，水化速度越快，致密的水化結晶核包裹住氧化鎂顆粒形成空間網絡結構，同時限制了水泥的流動性，縮短了凝結時間。

從水泥凈漿抗壓強度的變化中可以看出：A/B的變化使水泥抗壓強度先增加后降低，這與水泥中氧化鎂與磷酸鹽形成網絡狀結晶體與未溶解氧化鎂顆粒的包裹程度有關[4]，當A/B值較大時，水泥水化程度低，不足以將氧化鎂完全包裹住，隨著A/B值的降低，氧化鎂含量逐漸增加，包裹程度不斷改善，但是當A/B低于1∶5以后水泥氧化鎂含量過量，相反生成的水化產物降低，包裹率逐漸降低。所以在實際工程中我們要控制A/B值在1∶4～1∶5之間變化，使之流動度滿足施工要求，早期強度大，且對后期強度無明顯影響。

2.3　緩凝劑對修補劑性能的影響

試驗采用硼砂緩凝劑，可以適當延遲水泥水化反應，延長水泥凝結時間，使新拌修補劑保塑時間長，方便施工操作，提高了施工效率。試驗控制A/B值1∶4，水膠比0.3，設計硼酸在A料中的摻量3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%八組試驗，測試水泥凈漿的初始流動度、凝結時間和抗壓強度等級，詳見圖2。

從圖2中可以看出硼酸對修補劑的緩凝效果較好，使凈漿的流動度增大，凝結時間也有較大延長。在較低硼酸摻量的情況下，水泥凈漿流動度小，凝結迅速，無法滿足施工操作要求；當硼酸摻量增加，水泥凈漿的流動度不斷增加；當硼酸摻量增加到8%以后，凈漿流動度增長趨勢下降。硼砂緩凝的主要機理就是與溶解的氧化鎂表面發(fā)生絡合效應，形成一層保護膜，延緩磷酸根離子與鎂離子的接觸，達到緩凝的效果，所以過多的硼酸摻量對凈漿的流動性能無明顯改善作用。硼酸摻量的增加會引起氧化鎂表面保護膜的厚度增厚，抑制脹破時間，延緩的水化時間；同時硼砂的添加增加了pH值，導致氧化鎂的溶解速率下降，液相體積增加；還有硼砂中的結晶水釋放，導致水泥水膠比提高，水泥凈漿的流動度增加，但強度損失大。但是隨著硼酸摻量的增加，水泥修補劑的早期強度和中期強度都發(fā)生明顯的損失，不利于水泥強度發(fā)展[1,5]。所以考慮到強度和流動性能等綜合性能，硼酸的摻量適宜設置在5%～8%區(qū)間內，且凝結時間可調控。

2.4　W/C值對修補劑性能的影響

試驗設計水膠比0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34十組試驗，測試數據見圖3。

從圖3中可以看出：水膠比會明顯影響水泥的凝結時間。修補劑凝結與硬化受到水泥水化產物在空間填充情況的影響，隨著水膠比的增加，水泥凝結時間明顯延長，流動性能也顯著增大；但是隨著水膠比的增加，修補劑的早期抗壓強度損失過快，尤其是當水膠比上升到0.32以后，繼續(xù)增加會導致強度跳躍性降低，削弱了界面過渡區(qū)結構。綜合考慮，修補劑的水膠比宜控制在0.28～0.30范圍內，流動性和強度匹配效果好。

3施工工藝

3.1　新老界面的處理

確定施工方案后，在施工前一個星期左右在需處理的老混凝土表面按照一定的深度間隔進行機械切割，完全破除病害板塊，切割線最好是與混凝土面層垂直，嚴禁出現銳角的情況，但是鈍角角度也不能太大，太大會導致原混凝土上層變薄，易發(fā)生脫落，最好是方案①，方案③可行，但嚴禁使用方案②，如圖4、圖5所示。

然后仔細清除掉老混凝土結合面上所有損壞的，松動的和附著的骨料、砂漿和雜質雜物，并使堅固的部分骨料露出表面，構成粗糙面以提高粘結性，用觀察法對界面粗糙度進行檢查，外露粗骨料需達到30%～40%。

鑿掉破損路面的破壞層，盡量使得路面不留疙瘩、坑槽，以保證路面的基本平整。對于一些突起的部位，若突起較高，需將其銑刨后，再用打磨機進行磨平，若突起較小，可不預處理以保證一定的粗糙度；對于一些低洼的部位，若坑槽太深，則需采用高粘結強度的水泥漿體進行補平。清掃路面殘余的碎石、混凝土廢渣，保證施工作業(yè)面兩邊10 m以外的清潔，以免在施工過程中廢渣被帶進施工路段，降低施工質量。

3.2　修補劑的拌合

磷鎂酸鹽水泥基修補劑為酸堿反應，施工拌合前嚴禁將A料和B料混合存放。施工過程中一般采用兩種混合攪拌方式：

1)AB料按1∶4.0～1∶5.0稱量，先按水膠比0.3左右稱取所需水量，將B料與水放入便攜式攪拌器中拌合1~2 min至均勻，再加入A料繼續(xù)拌合至1~2 min至均勻，迅速進行施工修補，在10 min內振實收平抹面，用濕毛毯覆蓋，3 h后即可開發(fā)交通。這種方式一般為機械攪拌器拌合，攪拌出鍋修補劑流動度大，易于施工操作。

2)控制水膠比0.30，將A料與B料放入便攜式攪拌器中拌合1~2 min至均勻，再加入水繼續(xù)拌合至1~2 min至均勻，迅速進行施工修補，在10 min內振實收平抹面，標準條件養(yǎng)護。這種方式一般是采用人工拌合，易于將A料與B料昏混合均勻，保證了修補劑的性能要求，同時也易于人工操作。

3.3　工程應用

磷鎂酸鹽水泥快硬修補劑主要應用到武漢市江岸區(qū)堤邊路市政交通道路修補中。武漢市堤邊路疏通了城區(qū)通往外界的道路，為武漢市的發(fā)展帶來了機遇。全線由于道路建成年限已久，車流量及荷載量已超過早期設計要求，導致現狀路面水泥砼板出現斷裂，沉陷等，局部破損嚴重，影響行車安全。本項目依托城市主干道堤邊路的道路維修改造工程，通過采用道路快速修補材料對局部車行道路面破損處進行面層修復，實現快硬、早強、耐久、可迅速通車(1 d)的施工效果。此道路快速修補材料的應用與推廣可明顯加快武漢市區(qū)破損道路的維修改造進度，有利于城市交通的便捷和城市面貌的改善，其經濟價值和社會價值不可估量。

工程應用表明：該配合比修補劑的初始流動度達到210 mm，凝結時間13~15 min，2 h抗壓強度達到24 MPa，3 h達到27 MPa，1 d抗壓強度達到44 MPa，滿足快速施工和短時間開發(fā)交通要求。且修補劑實驗室抗?jié)B等級達到P10，抗凍系數大于F300，抗氯離子滲透系數為0.92×10-12，抗硫酸鹽侵蝕系數為0.96，滿足耐久性要求。

4結論

a.基于試驗原材料，制備出了具有良好力學性能、工作性能和符合施工要求的道路快速修補劑，具有初始流動度大、高強早強和凝結時間可調控的特點。

b.摻加工業(yè)副產品粉煤灰、硅灰、鋼渣粉，能有效解決修補劑成本問題，HCSA膨脹劑的使用限制了修補劑早期收縮，結構穩(wěn)定和耐久性能增加。

c.通過對不同施工地點的施工配合比微調，合理調配施工工藝，順利進行道路邊角處修補施工，滿足設計要求。

參考文獻

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[2]蘇柳銘.磷酸鎂水泥纖維改性及其路面修補應用研究[D].重慶大學,2012.

[3]黃義雄.磷酸鎂水泥的粉煤灰改性與修補性能研究[D].重慶大學,2011.

[4]馮春花,陳苗苗,李東旭.磷酸鎂水泥的水化體系[J].材料科學與工程學報,2013,31(6):902-905.

[5]夏錦紅,袁大偉,王立久.磷酸鎂水泥水化機理研究[J].武漢理工大學學報,2009,31(9):26-27.