堿膠凝材料技術(shù)在混凝土專用薄層修復(fù)中的應(yīng)用①

石明明

(安徽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，安徽 合肥 238076)

0 引 言

混凝土公路是我國最為常見的混凝土建筑，在全國交通中起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，私家車數(shù)量增多，交通量也大幅度上升，使得混凝土公路不可避免地出現(xiàn)不同程度的損壞，如斷板、開裂、脫空、麻面、沉陷等。其中一些路面損壞比較輕微，僅需要對路面進行薄層修補和養(yǎng)護，就能再次投入使用[2]?；炷凉繁有迯?fù)技術(shù)跟傳統(tǒng)公路修復(fù)技術(shù)相比有著經(jīng)濟、便捷、省時等優(yōu)點，但對修補材料有較高的需求[3]。有鑒于此，研究提出一種堿-偏高嶺土-礦渣膠凝復(fù)合材料作為混凝土公路的薄層修補材料，該復(fù)合材料早期強度發(fā)揮快，凝固時間較短，同時擁有粘結(jié)性強、收縮率和污染性低等優(yōu)點，是一種較為理想的綠色環(huán)保的修補材料。

1 堿膠凝材料在混凝土薄層修復(fù)的應(yīng)用

1.1 堿膠凝材料的激發(fā)劑與緩凝劑

混凝土公路是我國道路交通的重要組成部分，而道路交通是否正常運轉(zhuǎn)影響著人們的日常生活和經(jīng)濟發(fā)展[4-5]。由于投入使用的時間、交通量增大、天氣狀況等因素的影響，混凝土公路會無法避免地出現(xiàn)損壞，其中一些損壞比較微小，可以采用混凝土公路薄層修復(fù)技術(shù)進行修補[6]。

薄層修復(fù)技術(shù)的原理是利用修補材料和舊混凝土公路之間的粘結(jié)性，將修補材料填補在公路的損壞處，兩者粘結(jié)成一個新的整體，因此對修補材料的強度、穩(wěn)定性、粘結(jié)性以及造價等性能有較高的要求[7-8]。膠凝材料是指能從漿體變?yōu)楣腆w，且能膠結(jié)其他物料的材料。堿膠凝材料，又被稱為堿激發(fā)膠凝材料，是一種主要由具有急冷熱歷史的含鋁硅酸鹽的礦物或者工業(yè)礦渣和堿激發(fā)劑組成的水硬性膠凝材料。研究提出一種偏高嶺土與礦渣的復(fù)合堿膠凝材料與水泥熟料結(jié)合，作為混凝土公路的薄層修復(fù)材料，并利用水玻璃，即硅酸鈉溶液(Na2O·nSiO2)作為堿激發(fā)劑，廣泛應(yīng)用于土木建筑等領(lǐng)域。之使用水玻璃作為堿性劑而不是使用NaOH溶液的原因是，水玻璃中含有硅酸鈉，而硅酸鈉在水解后會產(chǎn)生氫氧化鈉與硅膠。如果使用NaOH溶液作為堿激發(fā)劑，則僅有氫氧根離子催化礦渣中的玻璃體結(jié)構(gòu)解體；而水玻璃中不僅有氫氧根離子，水化產(chǎn)生的含水硅膠還能與鈣離子和鋁離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進一步促進礦渣的水解，故而使用水玻璃做堿激發(fā)劑能夠使礦渣的水化過程加快，凝結(jié)所需時間縮短。研究所使用的水玻璃參數(shù)如圖1所示，水玻璃的模數(shù)可用NaOH調(diào)整。

圖1 水玻璃中主要物質(zhì)含量

水玻璃溶液中含有大量的氫氧根離子，整體呈堿性環(huán)境，這會使堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料分解出大量的鈣離子分布在水玻璃溶液中。這些鈣離子會與硅酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，使溶液的流動性快速流失，進而快速凝結(jié)。實驗中，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料在4min時流動性慢慢降低，開始凝結(jié)；而實際的混凝土公路薄層修復(fù)過程比較復(fù)雜，其中包括和水、攪拌、筑模、鋪筑、抹面等工序，耗費時間相對比較長，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料過早凝結(jié)無法滿足實際修復(fù)情況，因此需要添加緩凝劑，以延緩堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的凝結(jié)時間。綜合參考了實際施工所需時間，并考慮到施工出現(xiàn)意外時所需的搶修時間，實驗發(fā)現(xiàn)以0.5%的氯化鋇和0.5%的硝酸鋇作緩凝劑時，最符合實際操作情況。最終水玻璃與緩凝劑的混合溶液參數(shù)如表1所示。

表1 溶液參數(shù)

1.2 堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料參數(shù)

混凝土公路薄層修補材料，在收縮性、抗壓強度、物理和化學(xué)的穩(wěn)定性、粘結(jié)性、環(huán)保性、經(jīng)濟性等方面的性能要求比較高[9]。經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料與水泥熟料的混合修補材料的配比為：礦渣45%、偏高嶺土45%、水泥熟料10%，水玻璃模數(shù)為1時，修補材料的性能最佳，因此研究采用此配比材料進行試驗。研究所用材料的參數(shù)如表2所示。

表2 原材料的化學(xué)成分

礦渣指的是冶煉生鐵時廢棄的?；郀t礦渣。?；郀t礦渣中含有氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化硅(SiO)、氧化鋁(Al2O3)等氧化物，因此具有較高的活性。礦渣的活性大小一般是通過質(zhì)量系數(shù)、活性系數(shù)和堿性系數(shù)來判定，三種系數(shù)越大，說明礦渣的活性越高。其中質(zhì)量系數(shù)=通常用三種系數(shù)來評定礦渣的活性：質(zhì)量系數(shù)=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)；活性系數(shù)=(Al2O3/SiO2)；堿性系數(shù)=(CaO+MgO)/(Al2O3+SiO2)。礦渣中氧化鈣和氧化鎂為堿性氧化物，氧化硅和氧化鋁為酸性氧化物，將選用兩者比值大于1的堿性礦渣作為材料。礦渣中的玻璃體有著兩相的分相結(jié)構(gòu)，其中一相是富含鈣的連續(xù)相，稱之為富鈣相；另一相是富含硅的非連續(xù)相，稱之為富硅相。由于氧化鈣的Ca-O鍵和氧化鎂的Mg-O鍵的鍵能比氧化硅的Si-O鍵的鍵能小很多，因此富鈣相的水硬活性較高。礦渣玻璃體中各氧化物的化學(xué)鍵強度如表3所示。

表3 礦渣玻璃體中各氧化物的化學(xué)鍵強度

在堿性環(huán)境中，礦渣的中的富鈣相被分解成鈣和其他物質(zhì)，接著鈣與氫氧根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進而再次溶解，其反應(yīng)過程如式(1)。

2NaOH+≡Si-O-Ca-O-Si≡

→Ca(OH)2+2≡Si-ONa

(1)

富鈣相被分解后，礦渣的玻璃體結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生解體，包含在富鈣相中的富硅相會暴露出來，與氫氧根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如式(2)。

(2)

由上述內(nèi)容可知，礦渣在堿性條件下，前期富鈣相水化分解，然后包含在富鈣相中的富硅相會暴露在堿性環(huán)境中進行水化分解，其水化產(chǎn)物會填補在富鈣相的水化產(chǎn)物的空隙中。因此能提高堿-礦渣膠凝材料的致密性和強度。而在水玻璃的作用下，礦渣在水玻璃溶液中會形成大量的[SiO3(OH)2]2-離子，使硅酸根離子在氫氧根離子作用下的縮聚反應(yīng)速度加快，從而使得礦渣擁有良好的膠凝性能。

高嶺土的主要的構(gòu)成物質(zhì)是氧化鋁和氧化硅，在600～900℃的煅燒下會得到無水硅酸鋁，利用其分子排列不規(guī)則的特點，可以在堿性條件下激發(fā)其強度[10]。在堿性條件下，高嶺土中的化學(xué)物質(zhì)會與氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鋁和硅酸，形成混合膠體溶液，其化學(xué)式如式(3)。

(Na,K)2n(OH)3-Si-O-Al(OH)2-

O-Si-(OH)3

(3)

作為薄層修補材料，需要材料的收縮率盡可能小，而偏高嶺土具有膨脹性，因此偏高嶺土的參入能補償?shù)V渣水泥的收縮。此外，偏高嶺土具有比較理想的體積穩(wěn)定性，在堿性條件下的水化反應(yīng)快，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)性能穩(wěn)定，擁有早、強的特點，因此十分適合作為混凝土路面的薄層修補材料。

2 三種薄層修補材料的性能對比

2.1 三種薄層修復(fù)材料的收縮率對比

混凝土在和水時會有放熱反應(yīng)，導(dǎo)致體積膨脹，在凝固時不再發(fā)生放熱反應(yīng)，因此體積會收縮。當(dāng)混凝土發(fā)生收縮時，往往會有裂紋產(chǎn)生，使得混凝土建筑不美觀的同時，還存在一定的安全隱患。混凝土薄層修復(fù)材料如果收縮率過大，會導(dǎo)致修復(fù)層開裂，修復(fù)層和原混凝土之間的粘結(jié)性降低，從而脫落。因此，收縮率是混凝土薄層修復(fù)材料的一個重要性能指標。為驗證研究中提出的修復(fù)材料的性能，將堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料與水泥、堿-礦渣膠凝材料在3d、7d、28d、56d時的收縮率進行對比實驗，將堿-礦渣膠凝材料記為材料1，水泥記為材料2，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料記為材料3，實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，堿-礦渣膠凝材料在3d、7d、28d、56d時的收縮率分別為0.60、0.62、0.64、0.63；水泥在3d、7d、28d、56d時的收縮率分別為0.54、0.58、0.70、0.74；堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料在3d、7d、28d、56d時的收縮率分別為0.31、0.34、0.36、0.37。堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的收縮率最低值僅為31%，最高值為37%，均低于水泥和堿-礦渣膠凝材料。且堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料比堿-礦渣膠凝材料的收縮率平均低27.75%，比水泥平均低29.5%。以上結(jié)果說明，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的收縮率較小，比較適合做混凝土薄層修補材料。

圖2 各修補材料隨天數(shù)的收縮率

2.2 三種薄層修復(fù)材料的抗壓強度對比

除了收縮率以外，抗壓強度(compressive strength)也是混凝土薄層修復(fù)材料的一個重要指標。抗壓強度是指材料能夠承受的外部施加壓力的強度極限。今年來交通量越來越大，車流量越來越多，如果修復(fù)材料的抗壓強度不達標，會導(dǎo)致修復(fù)的混凝土公路很快就再次破損，需要再次修復(fù)，浪費人力物力。因此需要薄層修復(fù)材料的最終抗壓強度達到一定標準，才能通車。除了強度要求外，為了盡快恢復(fù)交通，讓人們方便出行，還需要材料能盡早有較高的抗壓強度，即早強性能。將堿-礦渣膠凝材料記為材料1，水泥記為材料2，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料記為材料3，對幾種材料在1d、3d、7d、28d時的抗壓強度進行實驗探究，實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料在相同時間段的抗壓強度都高于水泥和堿-礦渣膠凝材料。在前7d，三種材料的抗壓強度隨著時間的增加而增加，在7到28d，三種材料的抗壓強度均有所下降，但下降不多。在第7d時，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的抗壓強度達到最大值，為67.4MPa；而同時間的堿-礦渣膠凝材料的抗壓強度為62.4MPa，比堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料低5.2MPa；水泥則是54.6MPa，比堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料低12.8MPa。從圖4可以看出，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料能更早地達到更大的抗壓強度，符合對混凝土薄層修復(fù)材料早強的性能期望，是一種比較理想的材料。此外，堿-礦渣膠凝材料的抗壓強度也比較理想，但相比堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料仍要略差一些。

2.3 三種薄層修復(fù)材料的修復(fù)效果

吸水率是用來表示材料在常規(guī)氣壓下規(guī)定時間內(nèi)的吸水量，能夠作為建筑材料的評估依據(jù)。吸水率的大小通常決定于材料的孔隙度的大小，孔隙度越大，吸水率越大，反之則越小。當(dāng)材料的吸水率大時，說明材料內(nèi)部和表面的裂縫較多，有害物質(zhì)更容易侵入，修復(fù)的混凝土公路的路面就更容易發(fā)生開裂、脫落、起殼等病害，影響道路美觀和使用壽命。研究以道路開裂前和修復(fù)前的吸水率為對照，對三種材料修補后的道路薄層吸水率進行實驗探究，圖4為三種材料的吸水率實驗結(jié)果。

圖4 各材料的吸水率

由圖4可以看出，在開裂后，混凝土公路的吸水率急劇上升，在40h后達到了0.13g/cm2。修復(fù)后混凝土公路的吸水率降低，但與開裂前仍有一定差距，其中堿-礦渣膠凝材料修復(fù)后的混凝土公路吸水率與開裂前的吸水率最為接近，在40h時，兩者的吸水率幾乎相同，為0.02g/cm2。以上結(jié)果說明堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的修復(fù)效果最好，能使混凝土公路幾乎恢復(fù)到開裂前的狀況，能有效地填補裂縫，延長道路的使用壽命。綜上所述，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料是一種理想的用于混凝土薄層修補的材料。

3 結(jié) 語

混凝土建筑是我國最常見的建筑，混凝土公路則是其中的代表?；炷凉方?jīng)常會產(chǎn)生病害，而一些病害比較微小，僅需要對其進行薄層修復(fù)。研究提出一種堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料，與水泥熟料結(jié)合作為修復(fù)材料。實驗結(jié)果表明，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的收縮率最低值僅為31%，最高值為37%，比堿-礦渣膠凝材料的收縮率平均低27.75%，比水泥平均低29.5%；堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的抗壓強度最高為67.4MPa，比堿-礦渣膠凝材料高5.2MPa，比水泥高12.8MPa；經(jīng)堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料修復(fù)后的混凝土公路吸水率在40h后達到了0.13g/cm2，幾乎能恢復(fù)到開裂之前，修復(fù)效果比較理想。以上結(jié)果說明，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料能夠較好地實現(xiàn)混凝土薄層的修復(fù)，為人們的日常出行提供便利。但對該材料的緩凝性尚未進行深入研究，未來需要進一步探索。