一種混凝土快速修復(fù)材料的組成設(shè)計(jì)研究

王 慧

(中建安裝集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210023)

由于其良好的加工性能和抗壓強(qiáng)度，水泥混凝土材料廣泛應(yīng)用于當(dāng)前土木工程各領(lǐng)域。但由于其體積穩(wěn)定性及抗拉強(qiáng)度不良，使其在溫、濕度條件變化時(shí)，變形較大，易產(chǎn)生裂縫；在彎折荷載作用下，易發(fā)生破壞；在凍融作用下，其表層易脫落。這些不良破壞均可導(dǎo)致混凝土的整體性能變差，其有效服役壽命降低。

混凝土實(shí)體裂縫，可以采用壓注修復(fù)漿體的方法彌合。路面、機(jī)場(chǎng)跑道、停車場(chǎng)等工程，由于混凝土受凍融破壞，表層容易脫落，石子裸露，使混凝土的耐久性能進(jìn)一步下降，這些水平面缺陷，可以采用自流平修復(fù)材料修復(fù)。為便于泵送、壓注，同時(shí)為達(dá)到免振密實(shí)，所以用于修復(fù)的漿體流動(dòng)性要求較高。另外，路面等交通工程需要短時(shí)間修復(fù)完畢，加快修復(fù)材料硬化速度，以縮短窗口期限。一般認(rèn)為，公路修補(bǔ)4～6 h后抗壓強(qiáng)度至少達(dá)到20 MPa、抗折強(qiáng)度不小于3.5 MPa，才能保證通車[1]，這就要求修復(fù)材料強(qiáng)度發(fā)展速度較快。

當(dāng)前用于快速修復(fù)的材料有無(wú)機(jī)水泥類修補(bǔ)材料、有機(jī)修補(bǔ)材料、有機(jī)無(wú)機(jī)混合料[2],其中無(wú)機(jī)水泥類材料與既有結(jié)構(gòu)混凝土粘結(jié)強(qiáng)度低、韌性差，有機(jī)修補(bǔ)材料耐老化性能差、價(jià)格昂貴、有些材料組分有毒性、不易推廣。有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合類修復(fù)材料兼有無(wú)機(jī)水泥類和有機(jī)類修復(fù)材料的優(yōu)點(diǎn)，克服二者缺點(diǎn)。本研究即采用無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合技術(shù)路線，研制流動(dòng)性良好、強(qiáng)度發(fā)展速度快、高強(qiáng)度快速修復(fù)材料。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 硫鋁酸鹽水泥熟料

硫鋁酸鹽水泥具有高早強(qiáng)、耐蝕性好等性能，多適用于搶修工程[3]。本研究所用無(wú)機(jī)膠結(jié)料為硫鋁酸鹽水泥熟料，河北的唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)，其物理性能和化學(xué)組成分別見(jiàn)表1和表2。

1.2 細(xì)骨料

表1 水泥熟料物理性能

表2 水泥熟料化學(xué)組成 %

本研究所用細(xì)骨料采用天然砂和石英砂。其中天然砂有兩種，分為Ⅱ區(qū)天然砂和Ⅲ區(qū)天然砂，其粒徑均小于4.75 mm。Ⅱ區(qū)天然砂的堆積密度為1 600 kg/m3，Ⅲ區(qū)天然砂的堆積密度為1 500 kg/m3，石英砂為18～30目。天然砂產(chǎn)地河北石家莊，石英砂由河北靈壽縣永順礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)。

1.3 石膏

石膏由石家莊雙乾建材有限公司生產(chǎn)。

1.4 外加劑

減水劑為巴斯夫2651F，減水率為30%，南京耀杰節(jié)能有限公司生產(chǎn)；早強(qiáng)劑主要成分為甲酸鈣，山東泰合瑞化工科技有限公司生產(chǎn)；緩凝劑主要有效成分為葡萄糖酸鈉，江蘇常州耀圣美環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)；消泡劑為明凌AGITANRJP803粉末消泡劑，北京萬(wàn)圖明科技有限公司生產(chǎn)。

1.5 乳液

試驗(yàn)研究所用乳液為實(shí)驗(yàn)室合成，有聚丙烯酸酯乳液、聚丙烯酸酯—聚氨酯共聚乳液、聚丙烯酸酯+聚氨酯機(jī)械混合乳液(混合質(zhì)量比1∶1)。

2 試驗(yàn)方法

修復(fù)所用漿體流動(dòng)性檢測(cè)參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077-2000)執(zhí)行。

修復(fù)材料硬化體各齡期的抗折、抗壓強(qiáng)度檢測(cè)參照《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》(GB/T17671-1999)執(zhí)行。

3 試驗(yàn)安排與結(jié)果

3.1 單因素試驗(yàn)

采用單因素試驗(yàn)，確定漿體水灰比、石膏摻量(占水泥百分比)、減水劑摻量、早強(qiáng)劑摻量、緩凝劑摻量及消泡劑摻量。

首先變化漿體水灰比測(cè)試漿體流動(dòng)性(擴(kuò)展度)，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，水灰比在0.28～0.30漿體流動(dòng)性較大，故后繼試驗(yàn)采用水灰比(漿體中的水與水泥用量比)為0.30。

采用水灰比為0.30。變化石膏摻量(石膏用量/(石膏+無(wú)水硫鋁酸鹽水泥熟料與石膏用量))制備漿體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至1 d，測(cè)試凈漿硬化體強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 水灰比對(duì)凈漿流動(dòng)性的影響 圖2 石膏摻量對(duì)漿體硬化體1 d抗壓強(qiáng)度的影響

固定水灰比為0.30、石膏摻量6%，變化減水劑摻量，攪拌漿體，測(cè)試其流動(dòng)擴(kuò)展度，結(jié)果見(jiàn)圖3。

固定水灰比為0.30、石膏摻量6%、減水劑摻量1.5%，變化早強(qiáng)劑摻量，攪拌漿體，標(biāo)養(yǎng)4 h、1 d后測(cè)試硬化體強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 減水劑摻量對(duì)漿體流動(dòng)性的影響 圖4 早強(qiáng)劑對(duì)漿體硬化體抗壓強(qiáng)度的影響

固定水灰比為0.30、石膏摻量6%、減水劑摻量1.5%、早強(qiáng)劑摻量1.0%，變化緩凝劑摻量，攪拌漿體，測(cè)試漿體初凝時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 緩凝劑對(duì)初凝時(shí)間的影響

固定水灰比為0.30、石膏摻量6%、減水劑摻量1.5%、早強(qiáng)劑摻量1.0%、緩凝劑摻量0.12%，變化消泡劑摻量，攪拌漿體，測(cè)試漿體硬化體1 d強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 消泡劑對(duì)1 d抗壓強(qiáng)度的影響

由上述試驗(yàn)，確定水灰比為0.30，石膏摻量為6%，減水劑1.5%，早強(qiáng)劑1%，緩凝劑0.12%，消泡劑0.10%。以此為基本條件，后繼試驗(yàn)經(jīng)正交設(shè)計(jì)確定漿體最佳組成。

3.2 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)

選取灰砂比(A)、骨料品種(B)、乳液品種(C)、聚灰比(聚合物用量(折合固態(tài))/水泥用量)(D)為因素，研究上述條件對(duì)修復(fù)材料漿體流動(dòng)擴(kuò)展度、硬化體強(qiáng)度(4 h、1 d)的影響。因素水平見(jiàn)表3。

表3 因素水平表

選用L934正交表[4]安排試驗(yàn)：根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，計(jì)算出試驗(yàn)各原材料所需量；為了確保試驗(yàn)最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，每一組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，以進(jìn)行誤差分析。每組試驗(yàn)材料用量見(jiàn)表4。

嚴(yán)格按表4的各材料用量拌制漿體，測(cè)試漿體的流動(dòng)擴(kuò)展度、不同齡期(4 h、1 d)抗折及抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5及表6。

分別計(jì)算不同指標(biāo)的功效系數(shù)[5]，進(jìn)而計(jì)算總功效系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表4 正交試驗(yàn)各組分的實(shí)際用量 g

表5 修復(fù)材料漿體流動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表7數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果見(jiàn)表8。由極差分析結(jié)果可知，因素D(聚灰比)對(duì)綜合指標(biāo)影響程度最大，C因素(乳液種類)次之，A因素(灰砂比)更次，B因素(骨料品種)最次。綜合指標(biāo)較好的因素水平組合是：D1C2A2B1，具體條件為：聚灰比3%、乳液品種聚丙烯酸酯-聚氨酯共聚物、灰砂比1∶1.3、骨料品種Ⅱ區(qū)天然砂。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)最優(yōu)試驗(yàn)條件組合D1C2A2B1進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：采用聚灰比3%、聚丙烯酸酯-聚氨酯共聚物、灰砂比1∶1.3、Ⅱ區(qū)天然砂、水膠比0.30、石膏摻量6%、減水劑1.5%、早強(qiáng)劑1%、緩凝劑0.12%、消泡劑0.1%制備的快速修復(fù)材料漿體流動(dòng)擴(kuò)展度達(dá)310 mm，漿體硬化體4 h抗折強(qiáng)度達(dá)6.90 MPa，4 h抗壓強(qiáng)度達(dá)37.0 MPa，1 d抗折強(qiáng)度達(dá)11.42 MPa，1 d抗壓強(qiáng)度達(dá)68.8 MPa，完全適用于道路、廣場(chǎng)快速修復(fù)。

表6 各齡期修復(fù)材料漿體硬化體強(qiáng)度 MPa

表7 各指標(biāo)功效系數(shù)及總功效系數(shù)

表8正交設(shè)計(jì)極差分析結(jié)果