張廣興
(中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222)
高鐵現(xiàn)已成為當(dāng)代中國(guó)重要的一類交通基礎(chǔ)設(shè)施,然而高速鐵路專用的無(wú)砟軌道底座板在北方地區(qū)因施工、服役過(guò)程中日益突出的局部損傷問(wèn)題,給高鐵的營(yíng)運(yùn)帶來(lái)安全隱患,對(duì)其缺陷快速修補(bǔ)是當(dāng)前迫切需要解決的難題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研發(fā)的混凝土修補(bǔ)材料按其化學(xué)組分分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩類材料:有機(jī)修補(bǔ)材料主要以環(huán)氧類樹(shù)脂、環(huán)氧類砂漿、高聚合物或者無(wú)機(jī)加有機(jī)的聚合物組分[1-5],此類材料化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、可操作性施工性強(qiáng),但固化的有機(jī)組分韌性較差,抗凍、抗沖擊性較差[6-7];無(wú)機(jī)類修補(bǔ)材料眾多,諸如各品種硅酸鹽水泥,但其收縮大,易開(kāi)裂,限制了其推廣應(yīng)用;磷酸鎂水泥相繼被國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出,但其水化、凝結(jié)硬化速度快,加緩凝劑后強(qiáng)度顯著降低,也限制了施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[8-10]。
在無(wú)機(jī)膠凝材料中硫鋁酸鹽水泥鹽生產(chǎn)過(guò)程中CO2排放量低、可實(shí)現(xiàn)負(fù)溫硬化、微膨脹、堿度低抗酸堿腐蝕性能好、強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間可控,在重要工程中得到廣泛應(yīng)用,但其后期強(qiáng)度容易倒縮且作為修補(bǔ)材料時(shí)與混凝土斷面之間的黏結(jié)力相對(duì)弱,也有一定的局限性。針對(duì)CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板在北方地區(qū)施工過(guò)程中出現(xiàn)的破損與缺陷問(wèn)題,本文依據(jù)GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中結(jié)構(gòu)加固用聚合物改性砂漿的技術(shù)要求加固材料的流動(dòng)性不能太高,否則修補(bǔ)和加固效果較差。以快硬硫鋁酸鹽水泥為基材,通過(guò)調(diào)整硅灰、膠粉、偏高嶺土的摻量,來(lái)研究一種高黏結(jié)力和抑制后期強(qiáng)度倒縮的改性加固砂漿修補(bǔ)材料,通過(guò)測(cè)試其抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度、抗凍性能、磨耗性能的變化規(guī)律,旨在得出最佳改性砂漿配比,以期對(duì)工程應(yīng)用的重要指導(dǎo)意義。
水泥:金隅水泥有限公司生產(chǎn)的42.5快硬硫鋁酸鹽水泥;粉煤灰:河南裕東發(fā)電廠生產(chǎn)的FⅡ級(jí)灰;硅灰:山東博肯材料公司生產(chǎn),SiO2≥90%,平均粒徑 0.1~0.15 μm;砂:六安金寨提供的中砂,洗凈,選取粒徑為0.63~1.18 mm;膠粉:市場(chǎng)購(gòu)得821專用膠粉;偏高嶺土:濟(jì)南瑞盛祥化工有限公司提供。底座板設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40,確定修補(bǔ)材料的配合比如表1所示。
表1 高性能無(wú)機(jī)快速修補(bǔ)材料配合比
1) 強(qiáng)度測(cè)試:抗壓強(qiáng)度參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》測(cè)試,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用WED-300型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試;
2) 抗凍性能依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試;
3) 黏結(jié)性測(cè)試:以 P·O 42.5R級(jí)水泥制作出水泥砂漿基塊(40 mm×40 mm×160 mm),放置28 d以上使其變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),用砂輪切割機(jī)從中間平均分成兩半,確保切割面垂直平整,用水洗去表面粉塵后擦干,重新放入三聯(lián)模內(nèi),留出另一半以澆筑待測(cè)砂漿,成型1 d后拆模,將整個(gè)試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至28 d,依據(jù)GB/T 50081—2019測(cè)定其連接位置的黏結(jié)強(qiáng)度;
4) 耐磨性測(cè)試:依據(jù)JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》,計(jì)算公式如下:
G=(m1-m2)/0.012 5
式中:G——單位面積的磨損量,kg /m2;
m1——試件初始質(zhì)量,kg;
m2——試件磨損后的質(zhì)量,kg;
0.012 5——試件磨損面積,m2。
5) X-CT測(cè)試:CT機(jī)為德國(guó)產(chǎn)的YXLON微焦點(diǎn)計(jì)算機(jī)斷層掃面系統(tǒng),采用平板探測(cè)器具有較高的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)范圍,試驗(yàn)中采用直徑40 mm、高約為40 mm的圓柱體試件進(jìn)行掃描,分辨率以體積像素計(jì)算。
2.1.1 硅灰摻量對(duì)強(qiáng)度變化規(guī)律
確定不同硅灰摻量下修補(bǔ)砂漿組分的配合比為:硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.008∶0.06,硅灰的摻量分別為0、2%、4%、6%、8%。不同硅灰摻量下硬化砂漿體抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律如圖1所示。從圖1中可以得出:硬化體的強(qiáng)度變化呈現(xiàn)先增大后減小變化,當(dāng)硅灰摻量為6%時(shí),抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均達(dá)到峰值,稍后隨摻量的增大而減小;硅灰摻量為硫鋁酸鹽質(zhì)量的2%、4%、6%、8%的硬化體抗壓強(qiáng)度分別為摻量為0的104.59%、111.13%、113.10%、107.20%,黏結(jié)強(qiáng)度分別為104.76%、138.09%、147.61%、126.19%。綜合抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度規(guī)律發(fā)展規(guī)律,硅灰的摻量適宜控制在4%~6%。
圖1 不同硅灰摻量下硬化砂漿強(qiáng)度變化規(guī)律
本研究所采用硅灰,其平均粒徑為0.1~0.15 μm之間,該粒徑下SiO2具有較高的活性,用于水泥膠凝材料中,可以提高硬化基體強(qiáng)度,其主要原因如下:硫鋁酸鹽水泥水化生成CAH10、C2AH8六方晶系,微觀結(jié)構(gòu)下呈針狀或片狀,相互膠結(jié),重疊結(jié)合,形成堅(jiān)硬的結(jié)晶結(jié)合體,使水泥獲得較高的機(jī)械強(qiáng)度,活性SiO2進(jìn)一步與硫鋁酸鹽水泥中的C2S以及石灰石在溶液中生成填充性良好的C-S-H凝膠[11-12];硅灰微集料填充作用,增強(qiáng)膠凝基體的勻質(zhì)性和穩(wěn)定性。硅灰因其粒徑較小極易發(fā)生團(tuán)聚的作用,當(dāng)摻入量過(guò)大時(shí)會(huì)增大修補(bǔ)砂漿粘度,降低膠凝基體的勻質(zhì)性,從而降低強(qiáng)度。
2.1.2 硅灰摻量對(duì)抗凍性能影響
不同硅灰摻量下修補(bǔ)砂漿試件進(jìn)行150次凍融循環(huán),其凍融循環(huán)質(zhì)量損失結(jié)果如圖2所示,對(duì)比不同硅灰摻量下質(zhì)量損失率,從圖2可以看出,質(zhì)量損失率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì),硅灰摻量為6%時(shí),質(zhì)量損失率最小,硅灰摻量為2%、4%、6%、8%的硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率分別為摻量為0的91.06%、86.03%、73.18%、88.55%。
圖2 不同硅灰摻量下硬化砂漿凍融循環(huán)質(zhì)量損失率
2.1.3 硅灰摻量對(duì)耐磨性能影響
修補(bǔ)材料在服役過(guò)程中面臨耐磨和沖刷雙重腐蝕,開(kāi)展耐磨性相關(guān)試驗(yàn)極其重要。依據(jù)JTG E30—2005試驗(yàn)方法,對(duì)不同硅灰摻量下硬化砂體磨耗量結(jié)果如圖3所示,隨著硅灰摻量的增加其磨耗率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì),其中摻量為6%時(shí),磨損量達(dá)到最低值,不同硅灰摻量(2%、4%、6%、8%)硬化體的磨耗量分別較空白組為91.30%、78.26%、60.87%、82.61%。
圖3 不同硅灰摻量下硬化砂漿磨耗量
綜合不同硅灰摻量下硬化體強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律、凍融循環(huán)質(zhì)量損失率、磨耗量結(jié)果可知,硅灰摻量在4%~6%時(shí)性能效果良好。硬化體的強(qiáng)度性能與抗凍性和耐磨性均呈反向發(fā)展規(guī)律,強(qiáng)度較高其水化生成的水化產(chǎn)物較多,微結(jié)構(gòu)顯示(見(jiàn)2.4和2.5部分)其水化產(chǎn)物相互堆積密實(shí)度也較高,抵抗凍融循環(huán)作用下的受流水剝蝕沖刷能力越強(qiáng)。
2.2.1 膠粉摻量對(duì)強(qiáng)度變化規(guī)律
確定不同膠粉摻量修補(bǔ)砂漿組分的配合比為:硫鋁酸鹽水泥:粉煤灰∶砂∶硅灰∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.06,膠粉摻量分別為硫鋁酸鹽質(zhì)量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。不同膠粉摻量下修補(bǔ)砂漿硬化體強(qiáng)度變化規(guī)律如圖4所示,綜合抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律可得,膠粉摻量在0.8%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值,低于0.8%時(shí)隨著膠粉摻量增加強(qiáng)度而增加,高于0.8%時(shí)隨著摻量的增大而減小,不同膠粉摻量(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)硬化體抗壓強(qiáng)度略有提高,為空白組(摻量為0) 的102.18%、103.27%、106.11%、108.95%、105.24%,黏結(jié)強(qiáng)度為空白組的104.76%、107.14%、109.52%、119.05%、109.47%,與其抗壓強(qiáng)度相比,黏結(jié)強(qiáng)度提高幅度較大。綜合抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度規(guī)律發(fā)展膠粉摻量適宜控制在0.6%~0.8%。
圖4 不同膠粉摻量下硬化砂漿強(qiáng)度變化規(guī)律
混凝土強(qiáng)度略有提高主要原因?yàn)槟z粉的摻入。膠粉具有一定的減水效應(yīng),其表面的活性成分起到了引氣的效果,同時(shí)膠粉顆粒之間具有潤(rùn)滑作用,修補(bǔ)砂漿組分在引氣和潤(rùn)滑雙重作用下流動(dòng)性顯著提高,即修補(bǔ)砂漿的勻質(zhì)性得以提高,使其強(qiáng)度增加。摻加膠粉,即引入聚合物,聚合物的內(nèi)聚力會(huì)在修補(bǔ)砂漿組分之間產(chǎn)生鉚接和橋接,當(dāng)完成修補(bǔ)的硬化體再次發(fā)生破壞時(shí),吸收來(lái)自于斷裂擴(kuò)展能量[13],從而阻止微裂紋的擴(kuò)展,提高硬化體的黏結(jié)強(qiáng)度。
2.2.2 膠粉摻量對(duì)抗凍性影響
不同膠粉摻量下硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率結(jié)果如圖5所示,從圖5中可以看出,膠粉摻量在0.8%時(shí)質(zhì)量損失率最小,低于0.8%時(shí)隨著膠粉摻量增加質(zhì)量損失率而逐漸減小,高于0.8%時(shí)隨著摻量的增大而增大,不同膠粉摻量(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)下修補(bǔ)砂漿硬化體質(zhì)量損失率分別是空白組93.85%、89.66%、86.03%、79.61%、86.59%。
圖5 不同膠粉摻量下硬化砂漿凍融質(zhì)量損失率
2.2.3 膠粉摻量對(duì)耐磨性影響
不同膠粉摻量下硬化體磨耗量變化規(guī)律如圖6所示,也表明膠粉摻量在0.8%時(shí)磨耗量最小,摻量低于0.8%時(shí)隨著膠粉摻量增加磨耗量而逐漸減小,高于0.8%時(shí)隨著摻量的增大而增大,不同膠粉摻量(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)下修補(bǔ)砂漿硬化體質(zhì)量損失率分別是空白組95.65%、91.30%、86.96%、82.61%、89.13%。
圖6 不同膠粉摻量下硬化砂漿磨耗量
2.3.1 不同偏高嶺土摻量下強(qiáng)度變化規(guī)律
確定不同偏高嶺土摻量下修補(bǔ)砂漿組分的配合比為:硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008,偏高嶺土摻量分別為硫鋁酸鹽質(zhì)量的0、2%、4%、6%、8%、10%。不同偏高嶺土摻量下硬化體抗壓和黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律如圖7所示,從圖中可以看出,隨著偏高嶺土摻量的增加,強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低趨勢(shì),峰值點(diǎn)摻量為8%,不同偏高嶺土摻量(2%、4%、6%、8%、10%)下硬化體強(qiáng)度分別是空白組(摻量0)的105.02%、108.08%、112.88%、116.16%、111.35%,黏結(jié)強(qiáng)度分別為空白組的104.77%、116.67%、123.81%、161.90%、121.43%。
圖7 不同偏高嶺土摻量下硬化砂漿強(qiáng)度變化規(guī)律
本研究所用偏高嶺土是經(jīng)高嶺土600 ℃煅燒而得,經(jīng)煅燒而得偏高嶺土分子排布不規(guī)則,呈現(xiàn)熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài),且其內(nèi)部有大量的活性SiO2和Al2O3,硫鋁酸鹽水泥中C2S和石灰石水化下激發(fā)下具有膠凝性,生成鋁硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)和C-S-H凝膠,再加上無(wú)水硫鋁酸鈣反應(yīng),整個(gè)體系的水化產(chǎn)物以離子鍵和共價(jià)鍵為主、范德華鍵為輔,因而具有更優(yōu)越的性能,從而增加水泥混凝土的密實(shí)性,大幅度地改善混凝土的強(qiáng)度[14]?;钚暂^低未參與水化反應(yīng)的偏高嶺土因其粒徑小,具有良好的填充性。但隨著摻量的增大,強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象,主要是由于偏高嶺土粉末粒徑較小需水量相對(duì)較大,且在拌和過(guò)程總顆粒極易帶電發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,造成修補(bǔ)砂漿流動(dòng)性降低,凝結(jié)硬化后試件的勻質(zhì)性降低,同一試件強(qiáng)度波動(dòng)較大。
2.3.2 不同偏高嶺土摻量下抗凍性能影響
不同偏高嶺土摻量下,硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率發(fā)展結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,隨著偏高嶺土摻量的增加,硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率呈先減少后增加,即摻量低于8%時(shí),摻量增大質(zhì)量損失率逐漸減小,超出8%時(shí),摻量增大質(zhì)量損失率亦增大,不同偏高嶺土摻量(2%、4%、6%、8%、10%)下硬化體凍融循環(huán)質(zhì)量損失率較空白組(摻量為0)為88.27%、81.84%、78.21%、69.27%、83.24%,基于此可得偏高嶺土適合的摻量為6%~8%。
圖8 不同偏高嶺土摻量下硬化砂漿凍融質(zhì)量損失率
2.3.3 不同偏高嶺土摻量下耐磨性能影響
不同偏高嶺土摻量下硬化體磨耗量發(fā)展情況如圖9所示。偏高嶺土摻量的增加,磨耗量發(fā)展呈先減小后增大趨勢(shì),摻量在8%時(shí),磨耗量達(dá)到最小值,即此摻量下修補(bǔ)砂漿試件強(qiáng)度最高,性能最優(yōu),不同偏高嶺土摻量(2%、4%、6%、8%、10%)下硬化體磨耗量較空白組為 89.13%、78.26%、65.22%、56.52%、69.56%,因此偏高嶺土的摻量在6%~8%最佳。
圖9 不同偏高嶺土摻量下硬化砂漿磨耗量
上述研究可得高性能無(wú)機(jī)快速修補(bǔ)料的最佳配合比為:硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008∶0.08,基于此展開(kāi),最佳配合比齡期28天時(shí),硬化體的SEM結(jié)果如圖10所示。從圖10(a)中硬化體微結(jié)構(gòu)水化結(jié)晶相排布較為密實(shí),其水化結(jié)晶相呈現(xiàn)六方片狀分布(圖10(b)為圖10(a)的局部放大結(jié)果圖),主要是硫鋁酸鹽水泥水化生成的產(chǎn)物,片狀結(jié)構(gòu)相互膠結(jié)、重疊形成大尺寸結(jié)晶結(jié)合體,進(jìn)一步促進(jìn)強(qiáng)度的發(fā)展;偏高嶺土中活性SiO2和Al2O3以及硅灰成分中SiO2微集料的存在加劇了硫鋁酸鹽水泥基體的水化反應(yīng),相互膠結(jié)的結(jié)晶相緊密排布提高了微結(jié)構(gòu)斷面的致密程度[15]。
圖10 最佳配比下高性能無(wú)機(jī)快速修補(bǔ)料的SEM譜圖
X-CT分析旨在探究硬化體材料的體積與缺陷體積的占比情況,即孔隙率=缺陷體積/材料體積,最佳配比下高性能無(wú)機(jī)快速修補(bǔ)料的三維結(jié)構(gòu)掃描圖如圖11所示。由圖11知空白組(硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂=1∶0.1∶1,未摻加硅灰、膠粉、偏高嶺土)的材料體積為 7 197.440 92 mm3,缺陷體積為1 383.666 50 mm3,孔隙率為 16.12 %,最佳配合比(硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008∶0.08)材料體積為 9 677.614 26 mm3,缺陷體積為 380.779 42 mm3,孔隙率為 3.79 %。最佳配合比下的孔隙率低于空白組,即最佳配合比內(nèi)部材料體積的缺陷率低于空白組,與上述微觀電鏡下分析結(jié)論、強(qiáng)度發(fā)展結(jié)論相一致。
圖11 最佳配比下高性能無(wú)機(jī)快速修補(bǔ)料的三維結(jié)構(gòu)掃描圖
基于所研制的無(wú)機(jī)快速修補(bǔ)料中硅灰、膠粉、偏高嶺土最佳摻量分別為硫鋁酸鹽質(zhì)量的6%、0.8%、8%,其配合比為硫鋁酸鹽水泥∶粉煤灰∶砂∶硅灰∶膠粉∶偏高嶺土=1∶0.1∶1∶0.06∶0.008∶0.08,將此配合比應(yīng)用于修補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)。修補(bǔ)使用工具:高壓噴槍、小型攪拌機(jī)、抹刀、小型打磨機(jī);修補(bǔ)過(guò)程:先將混凝土破損部位剔除,用鋼刷除去軟弱顆粒,用高壓水槍沖刷界面漏出新鮮混凝土;按照高強(qiáng)配比均勻混合材料,加水至拌和均勻?yàn)橹梗詈髮⑿扪a(bǔ)料均勻填充于混凝土缺陷部位,同時(shí)預(yù)留150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件,修補(bǔ)部位及試件的養(yǎng)護(hù)均保持與軌道板養(yǎng)護(hù)條件相同,即用薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)的方法,便于同條件檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際強(qiáng)度;對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)破損較大的部位,采用木模板固定,凝結(jié)硬化1 h后拆除木模板,待修補(bǔ)料凝結(jié)硬化6 h后找平與原有混凝土結(jié)構(gòu)的平整度。圖12為修補(bǔ)前拉崩部位,圖13為修補(bǔ)后打磨效果,底座板設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40,修補(bǔ)材料齡期28 d后試件抗壓強(qiáng)度可達(dá)53.0 MPa,滿足高性能修補(bǔ)料的技術(shù)要求。修補(bǔ)后的養(yǎng)護(hù)條件與原軌道板養(yǎng)護(hù)條件一致。
圖12 修補(bǔ)前拉崩部位
圖13 修補(bǔ)后打磨效果
高鐵軌道施工以及后期服役過(guò)程中不可避免帶來(lái)底座板缺陷問(wèn)題。北方地區(qū)溫度和濕度相對(duì)低,需開(kāi)發(fā)相應(yīng)環(huán)境下的新型高性能無(wú)機(jī)快速修補(bǔ)料,基于此以硫鋁酸鹽水泥為基材適宜。在硫鋁酸鹽水泥中摻入硅灰、膠粉和偏高嶺土分別是其質(zhì)量的6%、0.8%和8%時(shí)所制備的修補(bǔ)砂漿,強(qiáng)度最大且凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率、磨耗量均最低;并借助SEM和X-CT水化產(chǎn)物微觀形貌分析證實(shí),最佳配合比下的硬化體的水化結(jié)晶相尺寸較小、缺陷較小,微結(jié)構(gòu)整體更加致密;通過(guò)修補(bǔ)工藝和修補(bǔ)材料工程應(yīng)用,進(jìn)一步證明該材料修補(bǔ)效果良好。