水利工程硅酸鹽水泥快速修補材料的試驗研究

孟慶宇

(凌海市水利事務服務中心，遼寧 凌海 121200)

0 引 言

目前，水利工程技術人員越來越關注水泥快速修補材料的應用研究[1-4]。結合相關研究成果，可以將水泥快速修補材料劃分成以有機聚合物為主的材料、以瀝青及環(huán)氧樹脂為主的有機材料和以傳統(tǒng)水泥為基礎的無機材料[5-7]。其中，有機聚合物材料的早期強度和耐久性相對較低，有機瀝青及環(huán)氧樹脂材料容易老化且耐久性、融合特性較差，傳統(tǒng)水泥基材料的強度整體偏低且需要嚴格的養(yǎng)護措施。因此，為滿足水利工程快速修補需求有必要研究分析新的修補材料。通過化學反應硅酸鹽水泥能夠生成黏聚性能良好的材料，近年來被廣泛應用于重金屬固化等領域，而對水利工程的快速修補這種特性材料的試驗應用還鮮有報道[8-12]。鑒于此，文章通過試驗研究探討了硅酸鹽水泥快速修補材料的凝結時間、流動度、收縮率、抗凍性和力學特性，旨在為水利工程快速修補材料的合理應用提供一定技術支撐。

1 試驗配比方案

設計鋁質、硅質、鐵質等校正原料比例5%，助磨劑、晶種、礦化劑等外加劑比例5%，黏土質和石灰質原料比例10%、80%，經(jīng)科學配比組合生成硅酸鹽水泥。試驗時選用泥灰?guī)r作為石灰質原料，高鈣泥灰?guī)r與黏土混合配比，硅酸鹽水泥的原料配比見表1。

表1 原料配比參數(shù)值

2 結果與分析

2.1 不同水泥砂漿抗壓強度

試驗分析不同配合比和水泥類型的砂漿抗壓強度，試驗結果如表2，抗壓強度隨水膠比變化曲線見圖1。

表2 不同齡期的抗壓強度值

續(xù)表2 不同齡期的抗壓強度值

通過對比同一齡期不同類型水泥砂漿抗壓強度數(shù)據(jù)，結果顯示普通水泥、硅酸鹽水泥的水膠比為0.42-0.52和0.19-0.40之間，其21d抗壓強度處于46MPa-75MPa和18MPa-35MPa，試驗結果比較均衡。圖1表明，隨著齡期的延長不同水膠比下2種類型水泥的抗壓強度逐漸增加，變化趨勢整體一致，并且硅酸鹽水泥砂漿整體高于普通水泥砂漿的水膠比。

2.2 流動度與凝結時間試驗

在合理確定砂漿配比的情況下，試驗分析不同水膠比下各類型水泥的流動度及其凝結時間，見圖2。

(a)硅酸鹽水泥 (b)普通水泥

試驗表明，水膠比較小的條件下，硅酸鹽水泥明顯優(yōu)于普通水泥的流動度，硅酸鹽水泥與普通水泥材料相比其需水量更少，隨水膠比的增大兩種水泥的流動度均表現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢。結合凝結時間數(shù)據(jù)，硅酸鹽水泥比普通水泥材料的凝結時間明顯縮短，整體≤20min。因此，通過調整水泥膠比可以控制硅酸鹽水泥的凝結時間，憑借其較快的凝結速度以及優(yōu)越的流動性能硅酸鹽水泥逐漸成為水利工程快速修補材料[13-14]。

2.3 凝結強度與抗壓強度試驗

水泥砂漿的主要特征有凝結強度和抗壓強度，結合試驗數(shù)據(jù)對比分析兩種水泥不同齡期的凝結強度以及抗壓強度，見圖3。

試驗表明，齡期達到21d時兩種水泥的抗壓強度相差不大，并且變化趨勢整體一致。隨齡期的增大硅酸鹽水泥的抗壓強度變化趨勢總體高于普通水泥，其初期抗壓強度達到34.0MPa，明顯高于普通水泥。結合凝結強度試驗數(shù)據(jù)，無論是早期還是后期硅酸鹽水泥均高于普通水泥的凝結強度，硅酸鹽水泥的早期凝結強度達到1.5MPa，與普通水泥相比具有更優(yōu)的凝結性。

2.4 砂漿耐久性與收縮率試驗

結合試驗數(shù)據(jù)分析不同齡期各類型水泥的耐久強度以及干縮特性，見圖4。結果發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽水泥的21d干縮壓變相比于普通水泥砂漿減少了71.6%，抗磨沖刷強度即為水泥砂漿的耐久強度，硅酸鹽水泥較普通水泥的耐久強度提高41.6%。根據(jù)收縮率試驗數(shù)據(jù)，不同齡期內硅酸鹽水泥均低于普通水泥的收縮率，這表明硅酸鹽水泥優(yōu)于普通水泥的干縮穩(wěn)定性，具有更加穩(wěn)定的工程修補性能[15]；結合耐久強度數(shù)據(jù)，硅酸鹽水泥要高于普通水泥的耐久程度，隨著齡期的不斷延長其耐久度上升幅度逐漸趨于穩(wěn)定，但兩種水泥砂漿的耐久度差值也不斷增加。

(a)凝結強度 (b)抗壓強度

2.5 不同齡期抗凍及變形試驗

兩種類型水泥的不同齡期抗凍性能及變形特性試驗數(shù)據(jù)見表3、4。由表3可知，凍融循環(huán)達到90次時硅酸鹽水泥的質量損失率只有0.14%，凍融循環(huán)達到120次時硅酸鹽水泥的相對彈性模量達到56.1%，其抗凍性能明顯優(yōu)于普通水泥。總體而言，兩種水泥的抗凍性能相差不大[16-20]。結合表4中試驗數(shù)據(jù)，硅酸鹽水泥相比于普通水泥的1d、7d、21d極限拉伸值增加了26.9%、30.4%、28.2%，其抗拉彈性模量減少了13.7%、15.9%、22.6%，抗拉強度增加42.3%、25.0%、20.7%，抗壓彈性模量減少了35.5%、29.5%、25.0%，所以硅酸鹽水泥相對于普通水泥具有更好的力學特性。

表3 不同凍融循環(huán)下21d抗凍特性

表4 不同水泥各齡期變形特性值

3 結 論

1)硅酸鹽水泥相比于普通水泥具有更優(yōu)的干縮性能、凝結時間以及需水量，早期12h內的砂漿抗壓強度和凝結性能最佳，對于快速修補水利工程缺陷具有較強適用性與可行性。

2)隨水膠比的怎家硅酸鹽水泥抗壓強度逐漸下降，水膠比超過0.26之后砂漿強度變化趨于穩(wěn)定，為合理控制施工過程中的水泥凝結時間，應結合實際情況合理調整水膠比。

3)文章探討了水利工程常用的兩種水泥材料性能，未深入探討磷酸鎂等其它水泥類型，為保證水利工程修補質量和快速施工要求，仍需進一步研究其它快速修復材料性能。