抗沖刷橋墩表面損傷修復材料的試驗研究

楊洪寬，李固華，李文強，伍威，雷景刊，朱偉超，王雪純

（西南交通大學，四川 成都 611756）

0 前言

處于自然環(huán)境下的山區(qū)河流橋墩日常不但要遭受流水的沖刷，在雨季時還要遭受來自泥水、流砂的沖刷，這會造成橋墩表面損傷，混凝土表面露沙、露石，保護層厚度降低，甚至外露鋼筋等問題。為此，本文以國家重點研發(fā)計劃項目《復雜環(huán)境下軌道交通系統(tǒng)全生命周期能力保持技術(shù)》為依托，選用工程水泥基復合材料作為橋墩表面損傷修復材料，這種修復材料應具有優(yōu)良的抗沖刷性能、抗裂性及密實性。

眾所周知，傳統(tǒng)混凝土抗拉強度低、韌性差且開裂后裂縫難以控制，基于細觀力學和斷裂力學理論，美國密西根大學Li教授和麻省理工的Leung教授[1]提出工程水泥基復合材料ECC（Engineered Cementitious Composites），此后工程材料界對其探索不斷。研究發(fā)現(xiàn)，ECC相比于傳統(tǒng)混凝土具有很好的延展性、微裂縫控制能力和應變硬化特性，目前已投入相關方面應用[2]。本文借鑒工程水泥基復合材料配制技術(shù)[3]，采用超低水膠比，通過調(diào)節(jié)硅灰、粉煤灰、聚丙烯（PP）纖維及減水劑摻量，采用正交試驗研究多因素、多水平下強度、耐磨耗性能、電通量變化規(guī)律，配制優(yōu)良的橋墩表面損傷修復材料。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：拉法基 P·O42.5；石英砂：20～40目，密度 2.65 g/cm3；硅灰：密度 2.14 g/cm3，0.5～1.0 μm 顆粒占 81.09%，SiO2含量為94.50%；粉煤灰：Ⅱ級，密度2.14 g/cm3；纖維：川維聚丙烯纖維，長6 mm，密度0.91 g/cm3；減水劑：液態(tài)聚羧酸減水劑，減水率30%，固含量27%，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》要求。膠凝材料的主要化學成分如表1所示。

表1 膠凝材料的主要化學成分 %

1.2 正交試驗設計

根據(jù)原材料的基本性能，借鑒ECC配制技術(shù)要點[4]，經(jīng)過實驗室內(nèi)試配調(diào)整以滿足流動性及低水膠比要求，修復材料的基準配合比為：m（水泥）∶m（石英砂）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）=1.00∶1.20∶0.17∶0.20，PP 纖維體積摻量為 1.0%，減水劑摻量占膠凝材料總質(zhì)量的1.5%，保持水膠比為0.16不變。因硅灰、粉煤灰、PP纖維及減水劑摻量是影響混凝土強度、耐久性的重要因素[5-7]，故以此設計L9（34）正交試驗，因素水平設計見表2。

表2 正交試驗因素水平

1.3 試驗方法

拌合方法：為實現(xiàn)修復材料的高密實度，配合比中水膠比極低，常規(guī)的試驗方法難以攪拌成漿體，甚至無法成型。在ECC的攪拌過程中，關鍵步驟是保證水泥砂漿基體拌合物的流動性，國內(nèi)外學者目前多采用后加纖維法進行攪拌，控制攪拌時長在5～20 min[8]，為便于對比，本試驗采用先加纖維攪拌法，整個攪拌成型時長為5～10 min，試驗證明該攪拌方法切實可行。

性能測試方法：強度試驗按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行；磨耗試驗按照JC/T 421—2004《水泥膠砂耐磨性試驗方法》進行；抗氯離子滲透試驗依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，經(jīng)歷試件澆筑、養(yǎng)護、打磨蠟封、真空飽水、電通量測試等環(huán)節(jié)測試9組試件的6 h電通量。

2 試驗結(jié)果與分析

正交試驗設計和性能測試結(jié)果如表3所示。

由表3可見：9組試件的抗折強度均遠高于普通混凝土，最低的為12.2 MPa，最高的達到20.1 MPa，這可以在一定程度上反映出材料的抗裂性能良好；抗壓強度均高于80 MPa，在80～90 MPa之間，屬高強混凝土。

表3 正交試驗設計和性能測試結(jié)果

2.1 基本力學性能分析

抗折、抗壓強度的極差分析見表4，方差分析見表5。

表4 抗折、抗壓強度的極差分析

由表4可以看出：硅灰摻量是影響修復材料抗折強度的主要因素，其次是減水劑摻量，達到最大抗折強度的組合是A2B3C3D2；對試件抗壓強度影響最大的同樣是硅灰摻量，其次是粉煤灰摻量，達到最大抗壓強度的組合是A3B2C1D1。

表5 抗折、抗壓強度的方差分析

由表5可知，由于纖維摻量的偏差平方和最小，可作為誤差項，用于分析各因素對試驗結(jié)果影響的顯著水平。當信度取0.05時，硅灰摻量對抗折和抗壓強度都有顯著影響，而粉煤灰摻量、纖維摻量和減水劑摻量對結(jié)果無顯著性影響。

2.2 耐磨耗性能分析

試驗中為便于對比，對硫鋁酸鹽水泥標準膠砂試件進行同樣的耐磨性能測試，其磨耗值為8.24 kg/m2。由表3可見，9組試件的磨耗值在0.520～1.627 kg/m2之間，遠低于硫鋁酸鹽水泥標準膠砂試件，足見修復材料的耐磨優(yōu)勢。磨耗值的極差分析見表6，方差分析見表7。

表6 磨耗值的極差分析

由表6可知，在試驗取值范圍內(nèi)對試件磨耗值影響最大的是硅灰摻量，其次是粉煤灰摻量，達到最小磨耗值的組合為A1B1C1D2。

表7 磨耗值的方差分析

由表7可知，減水劑摻量的偏差平方和最小，故作為誤差項，分析各因素對磨耗值影響的顯著水平。當信度取0.10時，硅灰摻量對磨耗值有顯著影響，而粉煤灰摻量、纖維摻量和減水劑摻量對結(jié)果無顯著性影響。

2.3 抗氯離子滲透性能分析

試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，9組試件的電通量在76.4～92.8 C之間，試驗后將試件取出用重錘敲破，觀察到試件內(nèi)部基本處于干燥狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 飽水24 h后試件的內(nèi)部

參照美國ASTM C1202法判據(jù)（見表8），當通過的電荷量小于100 C時，混凝土的氯離子滲透性可忽略不計[9]，這說明該材料的密實性極好，自然環(huán)境下能有效抵抗氯離子的侵蝕。

表8 直流電量法混凝土抗氯離子滲透性分級評定標準

2.4 微觀分析

有研究指出[10]，通常情況下水膠比越小，電通量越小。以3#試樣為例，借助掃描電子顯微鏡SEM觀察其微觀結(jié)構(gòu)，特別是各水化物之間尤其是硅灰、粉煤灰與C-S-H之間的結(jié)合及PP纖維與水化物之間的結(jié)合界面。3#試樣水化28 d的微觀形貌如圖2所示。

圖2 3#試樣水化28 d的微觀形貌

由圖2可見，總體看來試件內(nèi)部密實，無孔隙、裂隙的產(chǎn)生。絮狀細密的C-S-H凝膠體密布試件內(nèi)部形成整體狀；球狀粉煤灰顆粒表面光滑，反應物很少，說明粉煤灰沒有完全參與水化反應，不是強度的主要貢獻者，后期還將發(fā)揮更好的作用；內(nèi)部基本看不到片狀的Ca（OH）2；PP纖維的嵌入部位未見水泥基體的明顯隆起與碎裂，嵌入端無明顯間隙，纖維表面水化反應的痕跡明顯，纖維很少有被完全拔出的現(xiàn)象；纖維拉斷點其直徑略微縮小且伴有翻卷松弛現(xiàn)象，說明試件受力后纖維被拉長一段距離直至斷裂，這體現(xiàn)了纖維阻裂增韌的功能。原料之間緊密結(jié)合形成致密的結(jié)構(gòu)體系，有利于抵抗外界不良介質(zhì)的腐蝕，這符合材料的功能要求。

3 結(jié)論

（1）采用工程水泥基復合材料配制技術(shù)，能夠獲得力學性能優(yōu)異、特別是抗折強度較高的復合材料。正交試驗結(jié)果表明，達到最大抗折強度的配比為：m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（PP 纖維）∶m（減水劑）=1.00∶1.20∶0.22∶0.17∶0.23∶0.013∶0.015，達到最大抗壓強度的配比為：m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（PP 纖維）∶m（減水劑）=1.00∶1.20∶0.22∶0.15∶0.20∶0.007∶0.014。

（2）配制的修復材料的耐磨性能遠優(yōu)于普通混凝土材料。對本試驗磨耗值影響最大的是硅灰摻量，其次是粉煤灰，達到最小磨耗值的配比為：m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）∶m（硅灰）∶m（粉煤灰）∶m（PP 纖維）∶m（減水劑）=1.00∶1.20∶0.21∶0.13∶0.17∶0.007∶0.015。

（3）抗氯離子滲透試驗結(jié)果表明，該材料的氯離子滲透性可忽略不計，自然環(huán)境下能有效地抵抗氯離子的侵蝕。

（4）微觀分析結(jié)果表明，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、缺陷很少，纖維具有很好的阻裂增韌的功能，且材料存在強度繼續(xù)提高的可能性。

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