硫鋁酸鹽水泥修復(fù)材料研究綜述

劉斌清，徐國(guó)棟，葉超強(qiáng)，黃澤國(guó)

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

通用硅酸鹽水泥常用于一般工程項(xiàng)目中，其凝結(jié)速度和早期強(qiáng)度發(fā)展慢，在道路搶修、搶險(xiǎn)工程等情況中應(yīng)用受到限制。20世紀(jì)70年代，硫鋁酸鹽水泥在中國(guó)研制成功，該水泥采用生料煅燒得到以無(wú)水硫鋁酸鈣(C4A3$)和硅酸二鈣(C2S)為主要成分的熟料，再通過(guò)摻加石灰石和適量石膏磨細(xì)得到的膠凝材料[1]。因水泥熟料可以激發(fā)摻合料的活性，加入摻合料可提高硫鋁酸鹽水泥的性能，常用作摻合料的為粉煤灰。

硫鋁酸鹽水泥的生產(chǎn)和應(yīng)用主要在國(guó)內(nèi)，但因鋁礬土資源相對(duì)較為稀缺，國(guó)內(nèi)目前僅有約20多家硫鋁酸鹽水泥廠，2017年產(chǎn)量約在250萬(wàn)t左右。硫鋁酸鹽水泥煅燒穩(wěn)定較硅酸鹽水泥大約低了100 ℃～200 ℃，碳排量大約減少40%左右，熱能消耗減少15%左右，研磨耗電量減少40%左右，各方面優(yōu)勢(shì)明顯。硫鋁酸鹽水泥經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，形成了快硬型、低堿度型、自應(yīng)力型、復(fù)合改性型四種類(lèi)型。硫鋁酸鹽水泥具有快硬、早強(qiáng)、抗?jié)B、抗凍、微收縮、更加環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此非常適合用作快速修復(fù)材料。

1 硫鋁酸鹽水泥水化特性

硫鋁酸鹽水泥在發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)，C4A3$、C2S與水生成鈣礬石(AFt)、C-S-H凝膠、Al(OH)3凝膠，此外還會(huì)生成AFm[3]。石膏摻量直接影響了水化產(chǎn)物AFt和AFm之間含量的平衡，石膏摻量高時(shí)，平衡向生成足夠Aft偏移；石膏摻量不足時(shí)，AFt會(huì)轉(zhuǎn)化為AFm，致使水化產(chǎn)物中殘留部分AFm，因此合理的礦物組成對(duì)于性能的保證起主導(dǎo)作用[4]。

快速修復(fù)技術(shù)一般需要有足夠的初凝時(shí)間以滿足施工要求，又需要過(guò)短的終凝時(shí)間以達(dá)到快速形成強(qiáng)度，原結(jié)構(gòu)得以快速修復(fù)重新使用。硫鋁酸鹽水泥的水化速度過(guò)快，初凝時(shí)間過(guò)短，往往需要采用一定措施進(jìn)行初凝時(shí)間調(diào)節(jié)，并且在延長(zhǎng)初凝時(shí)間的同時(shí)應(yīng)滿足終凝時(shí)間不得過(guò)長(zhǎng)，以及強(qiáng)度不損失，從而達(dá)到快速修復(fù)目的。除了凝結(jié)時(shí)間方面的要求外，修復(fù)材料與原界面之間的粘結(jié)問(wèn)題、修復(fù)材料韌性改善問(wèn)題、修復(fù)材料持續(xù)耐久問(wèn)題等都對(duì)修復(fù)材料提出了要求。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 硫鋁酸鹽水泥修補(bǔ)材料研究現(xiàn)狀

Glasser等研究了采用不同組分、不同摻配比例摻合料的硫鋁酸鹽水泥的水化熱和水化過(guò)程；Winnerfield等研究了該水泥的水化機(jī)理、反應(yīng)過(guò)程等，發(fā)現(xiàn)其水化速度要遠(yuǎn)快于普硅水泥。

馮修吉等系統(tǒng)地研究了3CaO·2Al2O3·MSO4的晶體結(jié)構(gòu)，并發(fā)明了早強(qiáng)性能好的含鋇硫鋁酸鹽水泥，通過(guò)測(cè)試對(duì)比3 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)前者達(dá)到了后者的80%。P.Yan[5]研究了含Sr、Ba的硫鋁酸鈣的水化反應(yīng)。以上研究表明，隨著熟料中含鋇量的增長(zhǎng)，早強(qiáng)性能是不斷提高的。

快速修復(fù)材料的變形量大小影響著快速修復(fù)成功與否，張君[6]發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥基自流平水泥砂漿的干縮很小，且低于同標(biāo)號(hào)普硅水泥。除此以外，張君還建立了濕度-收縮預(yù)測(cè)模型，以及混凝土內(nèi)部濕度場(chǎng)計(jì)算模型、混凝土機(jī)構(gòu)收縮應(yīng)力模型。

目前主流的方法是采用高吸水性樹(shù)脂和預(yù)吸水輕骨料內(nèi)養(yǎng)生技術(shù)進(jìn)行快速?gòu)?fù)補(bǔ)材料收縮性能調(diào)控。Estevs等[7]研究高吸水樹(shù)脂內(nèi)養(yǎng)生對(duì)水泥漿收縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)內(nèi)養(yǎng)生可有效調(diào)控水泥漿的收縮性。Bentz等研究了采用預(yù)吸水輕骨料的水泥砂漿早期收縮性能，發(fā)現(xiàn)預(yù)吸水輕骨料可以調(diào)控水泥砂漿早期收縮性能。然而研究?jī)H停留在高吸水樹(shù)脂和預(yù)吸水輕骨料均對(duì)水泥漿和砂漿層收縮性能影響方面，對(duì)混凝土的收縮控制方面研究較少。

2.2 硫鋁酸鹽水泥復(fù)配硅酸鹽水泥修補(bǔ)材料研究現(xiàn)狀

J.Ambroise將硫鋁酸鹽水泥與適量普硅水泥復(fù)配研制了自流平砂漿。此外，J.Ambroise在普硅水泥中摻入15%～20%的C4A3$和游離CaO制備了微膨脹水泥；I.Janotka等人對(duì)復(fù)合水泥的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究，研究包括水化相組成和孔隙結(jié)構(gòu)等。

王復(fù)生等人通過(guò)加入適量的硅酸鹽水泥和礦渣，降低了硫鋁酸鹽水泥的生產(chǎn)成本，并且對(duì)摻量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在10%～15%的摻量時(shí)，兩種水泥復(fù)合后水化反應(yīng)加快，且早期強(qiáng)度較不摻硅酸鹽水泥相差不大。蘭明章[8]等研究發(fā)現(xiàn)摻入含適量石膏的粉煤灰硅酸鹽水泥，早期強(qiáng)度得到提高，凝結(jié)時(shí)間縮短，究其原因認(rèn)為鈣礬石和鋁膠對(duì)整個(gè)水化反應(yīng)起到促進(jìn)作用。

2.3 改性硫鋁酸鹽水泥修補(bǔ)材料研究現(xiàn)狀

2.3.1 丁苯乳液改性硫鋁酸鹽水泥

李洪軍[9]研究發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽水泥復(fù)合后再摻加適量丁苯乳液，有助于復(fù)合水泥結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的形成，整體變得更加致密，各齡期的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律均為先增大后減小，說(shuō)明存在最佳摻量使得復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度最高。此外，由于丁苯乳液含有的羧基能夠延緩熟料中C2S、C3S、C3A的水化速度，從而延長(zhǎng)復(fù)合材料的初凝時(shí)間，提供充足的施工操作時(shí)間。緩凝作用還可以減低復(fù)合水泥凈漿的黏度，達(dá)到自流平的效果。黃從運(yùn)[10]嘗試將丁苯膠乳加入硫鋁酸鹽水泥中制備了改性修補(bǔ)材料，具有界面粘結(jié)強(qiáng)度高、抗?jié)B能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，此外抵抗Na2SO4、MgSO4腐蝕方面的能力得到顯著增強(qiáng)。

2.3.2 可分散乳膠粉改性硫鋁酸鹽水泥

陳娟等[11]發(fā)現(xiàn)在可再分散乳膠粉摻入硫鋁酸鹽水泥砂漿對(duì)于韌性和早期抗折強(qiáng)度改善作用明顯。葉正茂等[12]認(rèn)為摻入可再分散乳膠粉同樣發(fā)現(xiàn)了其在改善砂漿柔韌性、增加抗折強(qiáng)度方面的顯著作用。

3 目前存在問(wèn)題

(1)硫鋁酸鹽水泥在使用聚合物改性方面研究需要深化，尤其是對(duì)改性后材料的微觀水化機(jī)理、復(fù)合材料的耐久性、與待修復(fù)界面的粘結(jié)性能等方面的研究目前還很少。

(2)目前硫鋁酸鹽水泥基水泥修補(bǔ)材料的設(shè)計(jì)、改性的思路大都從改善凝結(jié)時(shí)間、早期強(qiáng)度、節(jié)約生產(chǎn)成本的角度進(jìn)行，但通過(guò)上述方法得到的復(fù)合改性水泥并未得到生產(chǎn)應(yīng)用，研究思路可能需要轉(zhuǎn)變。

(3)外加劑種類(lèi)多種多樣，目前較多是采用丁苯乳液、可分散乳膠粉對(duì)硫鋁酸鹽水泥改性研究，采用緩凝劑、減水劑等進(jìn)行改性的研究還太少，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于這種水泥使用的改性劑也未作出相應(yīng)規(guī)定。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是最早發(fā)明研制硫鋁酸鹽水泥的國(guó)家，并且也是生產(chǎn)、應(yīng)用最多的國(guó)家，目前產(chǎn)量達(dá)到了250萬(wàn)t。在硫鋁酸鹽水泥研究和創(chuàng)新方面，我國(guó)研究人員做了大量的工作，為進(jìn)一步發(fā)展硫鋁酸鹽水泥作出了貢獻(xiàn)。我國(guó)關(guān)于硫鋁酸鹽水泥方面的研究同樣最多，在水化反應(yīng)方面，研究發(fā)現(xiàn)含鋇硫鋁酸鹽水泥較含鈣硫鋁酸鹽水泥3 d抗壓強(qiáng)度可提高80%左右；在抵抗收縮方面，研究表明通過(guò)摻配高吸水樹(shù)脂和預(yù)吸水輕骨料進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)生，可以調(diào)控硫鋁酸鹽水泥修補(bǔ)材料收縮性能；在添加劑改性硫鋁酸鹽水泥研究方面，復(fù)合水泥摻配丁苯乳液可顯著改善抗?jié)B性能、延長(zhǎng)緩凝時(shí)間、達(dá)到自流平效果。摻配分散乳膠粉則可改善其韌性，提高早期抗折強(qiáng)度。通過(guò)以上研究，為硫鋁酸鹽水泥在解決界面粘結(jié)問(wèn)題、改性劑使用標(biāo)準(zhǔn)化、微觀機(jī)理研究等方面工作的深入研究提供了指導(dǎo)作用。