磷酸鎂水泥砂漿與寒區(qū)水工混凝土結(jié)合面力學(xué)性能研究

李芳存

（朝陽(yáng)縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧朝陽(yáng) 122629）

1 研究背景

水利工程具有防止洪澇災(zāi)害， 調(diào)節(jié)和分配水資源的重要作用，是穩(wěn)定國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要保障。 在當(dāng)前的水利工程建設(shè)領(lǐng)域， 混凝土是使用最多的工程材料， 水工結(jié)構(gòu)的完整性和耐久性不僅關(guān)乎工程效益的發(fā)揮， 同時(shí)也關(guān)系到工程本身的持久運(yùn)行[1]。 由于混凝土本身特性和不利環(huán)境因素的影響，水工混凝土結(jié)構(gòu)表面經(jīng)常出現(xiàn)開裂、剝落和老化現(xiàn)象[2]。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，局部損傷在初始出現(xiàn)階段其危害性較小， 由于沒有及時(shí)修補(bǔ)和抑制這些損害的發(fā)展導(dǎo)致破壞面積逐步增大， 危害程度增加，最終導(dǎo)致建筑物局部或整體失效。 水工混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)效果很大程度上取決于修補(bǔ)材料的特性， 合適的修補(bǔ)材料可以使修補(bǔ)結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度以及更好的耐久性和整體性， 降低后期的維護(hù)投入，提升整體結(jié)構(gòu)的服役效果。

磷酸鎂水泥是一種常溫環(huán)境下通過(guò)酸-堿中和反應(yīng)生成的新型快速膠凝材料， 與傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥相比，不僅操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，同時(shí)水化物本身具有陶瓷制品的優(yōu)良特性， 而聚合物改性磷酸鎂水泥砂漿具有強(qiáng)度發(fā)展快、 熱穩(wěn)定性好、抗凍、耐腐蝕等諸多優(yōu)勢(shì)，可以作為水利工程混凝土結(jié)構(gòu)病害和缺陷的快速修補(bǔ)材料， 具有十分廣泛的應(yīng)用前景[3]。 基于此，此次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式， 提出采用聚合物改性磷酸鎂水泥砂漿進(jìn)行寒區(qū)水利工程缺陷進(jìn)行修復(fù)， 探討磷酸鎂水泥砂漿與水工混凝土接觸面在北方冬季寒冷條件下的力學(xué)特征，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水工混凝土缺陷的快速修補(bǔ)，具有一定的創(chuàng)新性。

2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 改性磷酸鎂砂漿

試驗(yàn)中的磷酸鎂水泥由遼寧省海城市鑫和鎂制品有限公司提供，為細(xì)度200 目的重?zé)V砂，表觀為黃色粉末，其氧化鎂含量為92.66%；磷酸二氫鉀為遼寧沈陽(yáng)沈北化工原料試劑廠生產(chǎn)的化學(xué)純級(jí)別磷酸二氫鉀；緩凝劑選取的是硼砂，其主要作用延緩磷酸鎂水泥的凝結(jié)硬化速度， 便于施工操作；粉煤灰為本溪市二電廠出品的二級(jí)粉煤灰，其平均粒徑為43μm；細(xì)集料為普通河沙，細(xì)度模數(shù)為2.86； 聚合物乳液為上海懿錦工貿(mào)有限公司提供的丁二烯-苯乙烯共聚乳液；玄武巖纖維為上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的12mm 規(guī)格纖維；消泡劑選擇佛山市京旗化工科技有限公司生產(chǎn)的JQ-901 型非離子性消泡劑。

2.1.2 水工混凝土

在水工混凝土制作過(guò)程中， 使用大連市小野田水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5 早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥和廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂；減水劑使用的是山東省萊陽(yáng)市宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)的聚羥酸高性能減水劑， 其摻量為膠凝材料總量為0.2%； 試驗(yàn)用粗集料為級(jí)配良好的人工石灰石碎石，其粒徑分布為5—10mm 和10—30mm。

2.2 試件制作

水工混凝土試件采用100mm×100mm×100mm的C30 水泥混凝土試件[4]。 在混凝土制作完成之后，將其迅速倒入試模并成型，然后在陰涼通風(fēng)條件下的靜置24h 拆模， 然后將其放入養(yǎng)護(hù)室在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28d 齡期， 然后利用切割機(jī)切割成100mm×100mm×50mm 的試塊備用[5]。

為了研究基礎(chǔ)混凝土不同含水率對(duì)接觸面抗剪性能的影響，設(shè)定0%、1%、2%、3%、4%等5 種不同的含水率標(biāo)準(zhǔn)。 對(duì)于水工混凝土試件利用電熱烘干箱和自然泡水法控制基礎(chǔ)混凝土試件的含水率。 首先，將混凝土試件放入電熱烘干箱，在60℃的條件下烘干24h，使試件的質(zhì)量達(dá)到恒定。 然后將試件冷卻并放入20℃的溫水中浸泡， 使試件的含水率達(dá)到試驗(yàn)需要的不同含水率設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，然后用保鮮膜將試件密封保存， 靜置72h 使試件中的水分充分?jǐn)U散備用。

為了研究混凝土試件表面粗糙度的影響，研究中設(shè)定了A1、A2、A3、A4、A5 等5 種不同粗糙度等級(jí)。 其中A1 等級(jí)僅對(duì)表面刷毛，不做切槽處理；A2、A3、A4、A5 等級(jí)利用混凝土切割機(jī)在界面上切出5 道寬度10mm，深度分別為3mm、4mm、5mm 和6mm 的切槽。

按照確定的配合比稱量好磷酸二氫鉀和硼砂緩蝕劑加入攪拌鍋中緩慢攪拌30s，然后加入重?zé)趸V再慢速攪拌30s，然后緩慢加入拌合水先慢速攪拌1min，再快速攪拌2min。 基礎(chǔ)混凝土試件放入恒溫箱靜置6h， 使其溫度和試驗(yàn)預(yù)設(shè)溫度相同， 然后利用制作好的磷酸鎂水泥砂漿和基礎(chǔ)混凝土試塊重新制作成標(biāo)準(zhǔn)試件。 將澆筑完成的組合試件用保鮮膜密封， 然后在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)以不-5℃和-10℃條件繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28d 齡期進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

為了研究界面的抗剪強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度， 需要對(duì)組合試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，其中，剪切試驗(yàn)使用TJXW-600 型巖石直剪儀。 結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，此次試?yàn)采用雙剪試驗(yàn)，施加法向荷載在0.4MPa， 剪切荷載速率為0.4MPa/min 進(jìn)行剪切破壞試驗(yàn)。

試驗(yàn)的劈拉試驗(yàn)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中試件粘結(jié)面上下接縫部位分別放置墊條并與界面接縫對(duì)齊，然后以0.05MPa/min 的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄下粘結(jié)失效時(shí)的極限荷載值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 劈拉強(qiáng)度

3.1.1 不同含水率界面劈拉強(qiáng)度

對(duì)不同基礎(chǔ)混凝土含水率工況下磷酸鎂水泥砂漿與混凝土界面劈拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。 由表中的結(jié)果可以看出，在北方低溫環(huán)境下， 組合試件界面的劈拉強(qiáng)度會(huì)隨著基礎(chǔ)混凝土含水率的升高而降低，并且含水率越高，下降的幅度越明顯。 究其原因，主要是低溫環(huán)境下，磷酸鎂砂漿的稠度變大，流動(dòng)性變小，會(huì)造成界面接觸不充分。 此外，在基礎(chǔ)混凝土含水率較高的情況下，界面部位會(huì)形成一薄層冰晶，阻礙了砂漿和混凝土的有效接觸， 從而降低了界面的機(jī)械咬合力和物理吸附能力。

表1 不同含水率界面劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 不同粗糙度界面劈拉強(qiáng)度

對(duì)不同基礎(chǔ)混凝土表面粗糙度工況下磷酸鎂水泥砂漿與混凝土界面劈拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。 由表中的結(jié)果可以看出，在北方低溫環(huán)境下， 界面的粗糙度對(duì)界面劈拉強(qiáng)度存在顯著影響。 從具體的變化規(guī)律來(lái)看，在相同的環(huán)境溫度下，隨著界面粗糙程度的增加，界面的劈拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增加后逐漸減小的變化特點(diǎn)，當(dāng)粗糙度為A4 級(jí)時(shí)界面的劈拉強(qiáng)度最大， 究其原因，主要是隨著基礎(chǔ)混凝土表面粗糙度的增加，磷酸鎂砂漿嵌入切槽的體積增大， 從而有效提高了粘結(jié)面的有效接觸面積， 進(jìn)而提高了結(jié)合面的物理吸附能力。 但是，隨著基礎(chǔ)混凝土表面粗糙度的進(jìn)一步增大， 過(guò)深的切槽容易造成砂漿的壓實(shí)度不足， 因此界面部位會(huì)存在更多的空氣氣泡和邊界卷曲，反而不利于界面劈拉強(qiáng)度的增加。

表2 不同粗糙度劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 抗剪強(qiáng)度

3.2.1 不同含水率界面抗剪強(qiáng)度

對(duì)不同基礎(chǔ)混凝土含水率工況下磷酸鎂水泥砂漿與混凝土界面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。 由表中的結(jié)果可以看出，在北方低溫環(huán)境下， 組合試件界面的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著基礎(chǔ)混凝土含水率的升高而降低，并且含水率越高，下降的幅度越明顯。 其原因和劈拉強(qiáng)度類似，這里不再敷述。

表3 不同含水率界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 不同粗糙度界面抗剪強(qiáng)度

對(duì)不同基礎(chǔ)混凝土表面粗糙度工況下磷酸鎂水泥砂漿與混凝土界面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。 由表中的結(jié)果可以看出，在北方低溫環(huán)境下， 界面的粗糙度對(duì)界面抗剪強(qiáng)度存在顯著影響。 從具體的變化規(guī)律來(lái)看，在相同的環(huán)境溫度下，隨著界面粗糙程度的增加，界面的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增加后逐漸減小的變化特點(diǎn)，當(dāng)粗糙度為A4 級(jí)時(shí)界面的抗剪強(qiáng)度最大，其原因和劈拉強(qiáng)度類似，這里不再敷述。

表4 不同粗糙度抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式探討了寒冷條件下界面粗糙度和混凝土含水率對(duì)磷酸鎂水泥砂漿與水工混凝土結(jié)合面力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下：

1）隨著混凝土含水率的增加，界面抗剪強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度會(huì)迅速降低。

2）隨著基礎(chǔ)混凝土表面粗糙度的增加，界面抗剪強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增加后逐漸減小的變化特點(diǎn)。

3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議在低溫環(huán)境下利用磷酸鎂水泥砂漿進(jìn)行水工混凝土缺陷加固補(bǔ)強(qiáng)施工時(shí)，應(yīng)該盡量控制基礎(chǔ)混凝土的含水率，同時(shí)選擇合適的混凝土表面粗糙度。 □