水利工程水泥快速修補材料性能試驗研究

王 迪

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

隨著我國水利工程建設(shè)的發(fā)展，越來越多的工程修補問題也不斷涌現(xiàn)。材料的選擇是水利工程修補工程中的重要工作，修補材料的性能直接制約著材料的使用。因此，水利工程通常采用的修補材料也得到大量學(xué)者的關(guān)注與研究[1-5]。

現(xiàn)有研究通常把水利工程中的水泥修補材料劃分3類：第一類為普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥及粉煤灰等無機水泥[6-7]，水泥材料養(yǎng)護過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照要求執(zhí)行，相較于其他修補材料，水泥材料的強度總體上較好，材料價格低，取材方便。第二類為主要為以瀝青為主的有機材料[7-8]，瀝青材料施工程序較為簡單，施工操作容易，但瀝青材料與修補部位處的融合特性偏差，容易出現(xiàn)老化問題，耐久性不強。第三類為環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯、酚醛樹脂等有機聚合物材料[9]，這類材料前期強度低，耐久性也比較差。從上述研究可以看出，相較于有機類修補材料，無機類材料適用性具有突出的優(yōu)勢，但常用的普通水泥很難滿足部分水利工程需要在緊急情況下迅速完成修補的需求，而早強型硅酸鹽水泥稠度過小，粘接效果不佳，濃度過大則難以實現(xiàn)較好的注漿?；诖耍S多學(xué)者展開了大量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在早強硅酸鹽水泥中加入部分黏土和金屬礦物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)可以增強原有水泥的黏膠性，且流動性較好，該復(fù)合硅酸鹽水泥已大量應(yīng)用在重金屬固化中[10-11]，而黏土金屬復(fù)合型早強水泥在水利工程修復(fù)中鮮見使用。為了拓展水利工程修補材料選擇范圍，彌補現(xiàn)有材料的缺陷不足，研究此類復(fù)合早強型硅酸鹽的適用性，本文開展復(fù)合早強型硅酸鹽水泥的抗壓性能及流動性能實驗，對其凝結(jié)特性進(jìn)行分析，為水利工程修補提供理論數(shù)據(jù)參考。

2 試驗材料及配比

2.1 水泥配比

按照早強硅酸鹽水泥占比80%；鐵原料、鋁原料及硅質(zhì)原料作為輔助原料，占比5%；黏土占比10%；外加劑使用礦化劑、耐磨劑，控制比例為5%，將上述原料混合拌勻得到新復(fù)合早強水泥，其中原有早強硅酸鹽水泥中氧化鈣含量不低于45%，配比參數(shù)見表1。

表1 硅酸鹽水泥主要原料的配比參數(shù)值 /%

2.2 試驗設(shè)計及過程

試驗采用UJZ-15砂漿攪拌機低速攪拌、R6201A 型手持式電動攪拌機高速攪拌、HCZT-1 型混凝土程控磁盤振實臺振實的方法進(jìn)行新復(fù)合水泥抗壓試件制作。

攪拌過程：將硅酸水泥、輔助料、外加劑倒入攪拌筒內(nèi)低速干拌3 min；然后沿攪拌筒邊緣緩慢倒入20°清水，以獲得均勻流動的基材，攪拌3 min；隨后將黏土沿著攪拌筒旋轉(zhuǎn)的方向緩慢加入，時間控制在7 min 以內(nèi)；混合材全部加入后高速攪拌6 min，以確保黏土分散均勻，不出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，攪拌過程見圖1。攪拌好的漿液用鏟子挑起后，可觀察到其依靠自重下降，相互之間有粘連，說明新復(fù)合水泥具有較好的流動性和膠聚性。

圖1 攪拌中的復(fù)合早強硅酸鹽水泥

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 抗壓強度分析

對普通硅酸鹽水泥和復(fù)合早強硅酸鹽水泥采用多種水膠比進(jìn)行攪拌實驗，澆筑成15 cm3試塊進(jìn)行抗壓試驗，試驗結(jié)果見表2、表3，對應(yīng)分析結(jié)果見圖2。

表2 復(fù)合早強硅酸鹽水泥不同時間抗壓強度試驗結(jié)果

續(xù)表2

表3 普通硅酸鹽水泥不同時間抗壓強度試驗結(jié)果

圖2 水泥水膠比與抗壓強度關(guān)系

由圖2(a)可以看出，復(fù)合早強型硅酸鹽水泥第3天與第22天抗壓強度相比，明顯偏??；兩者均表現(xiàn)出抗壓強度隨著水灰比的增大而減小的趨勢，減小速率趨向于線性，且兩者抗壓強度隨著水灰比的增大差值有所降低；在水灰比為0.18時，第3天的抗壓強度為53 MPa，約為第22天抗壓強度的70%，表明復(fù)合早強型硅酸鹽水泥3天內(nèi)的強度增長速度非?？欤S著時間的推移強度增長速度減??；水灰比為0.39時，第3天抗壓強度為31 MPa，約為第22天抗壓強度的65%，表明復(fù)合早強硅酸鹽水泥受水灰比影響明顯，隨時間推移水泥每天抗壓強度增長速度較為均衡。由圖2(b)、表3分析可知，普通硅酸鹽水泥第3天與第22天抗壓強度相比，明顯偏小；抗壓強度隨著水灰比的增大而減小的趨勢，且兩者抗壓強度隨著水灰比的增大差值有所降低；在水灰比為0.41時，第3天的抗壓強度為25 MPa，約為第22天抗壓強度的71%，表明復(fù)合早強型硅酸鹽水泥3天內(nèi)的強度增長速度非?？欤S著時間的推移強度增長速度與復(fù)合硅酸鹽水泥相同，均表現(xiàn)減小；水灰比為0.51時，第3天抗壓強度為13 MPa，約為第22天抗壓強度的68%，表明普通硅酸鹽水泥受水灰比影響明顯，隨時間推移水泥每天抗壓強度增長速度較為衡。

對比復(fù)合早強型水泥與普通硅酸鹽水泥在同一齡期的抗壓性能，可以看出，2 種類型水泥漿水膠比均不超過1，兩者水膠比最高值分別為0.4和0.51，兩種水泥類型在第22天的抗壓強度為35和75 MPa，抗壓強度較為均衡。綜合圖2可以得出，兩種類型水泥漿，在不同水膠比均表現(xiàn)出隨著試驗塊的養(yǎng)護期齡的增長而增加，變化規(guī)律接近。普通硅酸鹽水泥漿的水膠比均表現(xiàn)比復(fù)合硅酸鹽水泥的水膠比高。

3.2 水泥凝結(jié)時間與流動性

對普通硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥的各種水膠比的凝結(jié)時間和流動性進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 水泥凝結(jié)時間與流動度特性

從圖3可以看出，在水膠比較小時，復(fù)合硅酸鹽水泥的流動性相較于普通硅酸鹽水泥明顯要強，因此能夠分析出普通硅酸鹽水泥要高于復(fù)合硅酸鹽水泥的需水量，兩種水泥的流動性隨水膠比的增加，流動性呈現(xiàn)顯著的遞增變化；對兩種類型的水泥凝結(jié)時間的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時間明顯高于復(fù)合硅酸鹽水泥，復(fù)合硅酸鹽水泥凝結(jié)時間能夠控制在20 min之內(nèi)。由圖3(b)可以看出，凝結(jié)時間隨著水膠比的增大而增大，表明可以通過控制兩種水泥的水膠比來控制水泥的凝結(jié)時間。復(fù)合硅酸鹽水泥不僅具有良好的流動性能，而且具有快速的凝結(jié)時間，使其能夠成為快速修補水利工程損壞處的材料。

3.3 水泥期齡與抗壓強度分析

水泥的抗壓強度與凝結(jié)強度是水利工程修補材料特性中的兩項非常重要的指標(biāo)，通過試驗數(shù)據(jù)分析展開不同期齡情況下兩種類型水泥的抗壓強度和凝結(jié)強度分析，結(jié)果見圖4。

由圖4(a)可以看出，在22天期齡內(nèi)，兩種水泥的抗壓強度呈現(xiàn)非線性增長，且兩種水泥增長規(guī)律較為一致，均表現(xiàn)為增長速度由大到小的規(guī)律；復(fù)合硅酸鹽水泥抗壓強度整體高于普通硅酸鹽水泥，隨著期齡的增加，兩中水泥的抗壓強度的差值減小，逐漸趨于相等，由初期兩種水泥抗壓強度相差35 MPa到第22天相差5 MPa。由圖4(b)可以看出，復(fù)合硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥的凝結(jié)強度均隨水泥期齡的增加而增加，且無論是在水泥凝結(jié)初期還是在其末期，增長速度表現(xiàn)出線性增長的規(guī)律；復(fù)合硅酸鹽水泥的凝結(jié)強度相比普通硅酸鹽水泥高，其初期凝結(jié)強度為1.65 MPa；與普通硅酸鹽水泥相比，復(fù)合硅酸鹽水泥凝結(jié)性能更好，更能適應(yīng)水利工程修補。

圖4 水泥抗壓強度和凝結(jié)強度

4 結(jié) 論

對普通硅酸鹽水泥與復(fù)合早強型硅酸鹽水泥的抗壓強度對比試驗，且根據(jù)試驗結(jié)果對兩種水泥特性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1) 兩種類型水泥漿，在不同水膠比均表現(xiàn)出隨著試驗塊的養(yǎng)護期齡的增長而增加，變化規(guī)律接近。普通硅酸鹽水泥漿的水膠比均表現(xiàn)比復(fù)合硅酸鹽水泥的水膠比高。

2) 復(fù)合硅酸鹽水泥的需水量、流動性、凝結(jié)時間和抗壓強度均優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，能夠很好的充當(dāng)水利工程修補材料。

3) 復(fù)合硅酸鹽水泥隨水膠比的增加其抗壓強度減小，在水膠比達(dá)0.26之后，抗壓強度變化幅度減小。在實際施工中，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)乃z比，從而控制復(fù)合硅酸鹽水泥的抗壓強度和凝結(jié)時間。