硫鋁酸鹽水泥基路面修補材料物理力學特性研究

劉 嬌

（遼寧工程技術(shù)大學 土木工程學院，遼寧 阜新）

引言

隨著城市化和交通運輸發(fā)展，水泥混凝土路面的維護和修復(fù)任務(wù)變得越來越重要。施工技術(shù)、自然環(huán)境、配合比設(shè)計等因素會對路面結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)造成影響。水泥混凝土路面損傷問題多樣，需要選擇匹配的修復(fù)材料。尋找精準有效、契合路面損傷特點的修復(fù)材料至關(guān)重要。

研究者致力于改進水泥基路面修補材料的性能。為了實現(xiàn)這一目標，王晶等[1]通過混合不同特種水泥與普通硅酸鹽水泥，可以實現(xiàn)水泥路面的快速凝固和高強度修補。曹瑞軍等[2]開發(fā)了一種新型膠粘劑，成功制備了水泥混凝土路面的快速修補材料。John Bensted[3]利用磷酸鎂水泥與水的酸堿反應(yīng)來快速修復(fù)公路和機場路面，實現(xiàn)了最佳抗壓強度。Beno t Bissonnette等[4]以水泥基粘結(jié)材料覆蓋層為基礎(chǔ)，用于修復(fù)、襯砌或加固樓板和人行道，涵蓋了設(shè)計、施工和維護等實際問題。

盡管已有一些研究對水泥基路面修補材料的性能進行了探索，但仍存在一些問題有待進一步研究。本研究旨在通過系統(tǒng)的性能試驗，探究不同配比和添加外加劑條件下水泥基路面修補材料的力學性能、粘結(jié)性能和干縮方式等方面的變化規(guī)律，為優(yōu)化修補材料的配制和施工提供科學依據(jù)。

1 材料和試驗方法

1.1 原材料

試驗所用的主要原材料包括：水泥、河沙、膠粉。水泥選用42.5 快硬硫鋁酸鹽水泥。細骨料為通過2.36 mm 篩分并進行水洗和干燥的普通河沙，膠粉選用4023 膠粉。外加劑主要包括：聚羧酸類減水劑、脫硫石膏和消泡劑等。將聚丙烯腈纖維作為纖維增強材料，將實驗室自來水作為配制材料的水源。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用了1:1.4 的膠砂比例，試驗溫度在19～21℃范圍內(nèi)，并采用了W/C=0.29 的水膠比，使用標準養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護。試驗所使用的材料及其摻量詳見表1，試樣編號為S0～S6。

表1 試驗配合比設(shè)計

1.3 試件的制備、養(yǎng)護和測試

試件制備、養(yǎng)護：先準備好硫鋁酸鹽水泥和砂作為骨料，進行干混攪拌1 min。然后，按照表1 的配合比逐步添加石膏、膠粉、聚丙烯纖維和外加劑。接著，準備摻有消泡劑的拌合水，并將混合好的粉料倒入其中，邊倒邊攪拌。最后，倒入40 mm×40 mm×160 mm的模具中成型，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護4 h，1 d，3 d和28 d 形成砂漿試塊。

（1） 力學強度測試：抗壓強度和抗折強度根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-2021）中的ISO 法[5]測試。

（2） 粘結(jié)強度測試：粘結(jié)強度測定采用水泥砂漿抗折強度方法進行測定。首先，使用電鋸將40 mm×40 mm×160 mm 試塊從中間鋸開，并用粗砂紙打毛截面。然后，將一半普通砂漿試件放在模具的一邊，另一邊用高性能修補砂漿填滿。在標準養(yǎng)護室中繼續(xù)養(yǎng)護至28 d 后，進行抗折強度測試，如圖1 所示。

圖1 水泥基快速修復(fù)砂漿粘結(jié)強度測定

（3） 干縮強度測試：試驗方法參照《水泥膠砂干縮試驗方法》（JC/T 603-2004）[6]，采用圖2 所示三聯(lián)試模，制作25 mm×25 mm×280 mm 兩端有測量值預(yù)埋銅頭試件。將試件放置標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護，1 d 后脫模將試件放入標準養(yǎng)護室里，并用卡尺測量試件長度，記錄長度記作L0，之后測量各齡期的長度后按規(guī)范計算出其收縮率，精確至1.0×10-6。

圖2 水泥基快速修復(fù)砂漿干縮性測定

2 結(jié)果與討論

2.1 抗折強度和抗壓強度

如圖3、圖4 所示，硫鋁酸鹽水泥具有快速獲得基本強度的特點。在4 h 內(nèi)，其能夠滿足基本強度要求，1 d 內(nèi)的抗壓強度可達到40 MPa，抗折強度可達到7 MPa。后期強度增長平緩，7 d 內(nèi)基本達到最高強度。水泥砂漿的強度穩(wěn)定，沒有倒縮現(xiàn)象。

圖3 修補砂漿抗折強度時間變化

圖4 修補砂漿抗壓強度時間變化

適量摻加石膏和膠粉可以提高水泥砂漿的強度。經(jīng)過對比實驗，發(fā)現(xiàn)石膏摻量為2.5%時，效果最佳，對強度影響不大，且略微提高了抗折強度。膠粉摻量為1.25%時，配比最佳，1 d 內(nèi)抗壓強度為43.4/43.3 MPa，抗折強度為7.3 MPa。過量或過少的石膏和膠粉摻量都會對砂漿強度產(chǎn)生影響。

適量摻加緩凝劑和減水劑可維持修補材料的流動性。加入0.06%纖維可以提高修補材料的抗折強度，同時添加消泡劑可減少表層氣泡，提升修補材料的強度。

2.2 粘結(jié)強度

表2 為所設(shè)計的界面處理方式，由連接角度與連接形狀分為A、B、C、D 四組，進行試驗分析。

表2 不同界面處理方式

根據(jù)圖5 的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在A1（斜面粘結(jié)角度為30°）、C4（凸面粘結(jié)直徑3 mm）、D2（棱柱面粘結(jié)深度4 mm）、D3（凹面粘結(jié)直徑4 mm）、D4（凸面粘結(jié)直徑4 mm）等背景條件下，粘結(jié)面強度都高于4 MPa，與材料的抗折強度類似。試驗結(jié)果顯示，在粘結(jié)面進行試驗時，所有的試驗試塊都是在粘結(jié)面破壞，研究表明，粘結(jié)面形狀越復(fù)雜、無雜質(zhì)，粘結(jié)強度越大，且粘結(jié)深度越大，粘結(jié)力也隨之增強。修復(fù)材料直接與混凝土板結(jié)合時，強度較低，而在進行A1 結(jié)合時，粘結(jié)強度較高，說明在沒有接口處理的情況下，有必要采取一定的夾角角度來進一步增強粘結(jié)強度。凹凸形邊緣粘結(jié)，如果保持較大的深度，粘結(jié)強度往往更高。最后，也需要注意到，剔鑿后的混凝土邊角也可以保證修補材料和混凝土的良好結(jié)合。

圖5 不同粘結(jié)方式強度對比

2.3 干縮性能

根據(jù)圖6 的結(jié)果，可以觀察到快速修復(fù)砂漿在1、4、6 號編號時的干縮率低于0、2、3、5 號編號。其中，1號砂漿的收縮率最低，而2 號砂漿的收縮率最高。在石膏適量摻入后，可以降低后期的收縮率，從而有利于修補。同時，隨著齡期的延長，1 號砂漿與其他編號砂漿的干縮率差異也越來越大。這是因為減水劑和緩凝劑的使用可以提高砂漿的流動性，減少用水量，降低干縮。此外，膠粉的加入可以降低砂漿早期水化熱釋放速率，減少微裂縫和寬度。膠粉形成的膜在水泥砂漿中形成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，封閉微孔結(jié)構(gòu)，明顯改善收縮性能。

圖6 修補砂漿干縮率時間變化

3 結(jié)論

通過對修補砂漿的反應(yīng)機理、力學性能、粘結(jié)強度和干縮強度等方面的研究，得出以下結(jié)論：

（1） 快硬硫鋁酸鹽水泥是修補砂漿的理想選擇，因為它具有快速水化反應(yīng)、早期微膨脹、后期收縮較小以及出色的耐腐蝕性能。

（2） 修補材料在4 h 內(nèi)就能達到基本強度要求，在1 d 內(nèi)能達到抗壓強度40 MPa、抗折強度7 MPa 的標準。此外，后期也未出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象。

（3） 界面平滑性不佳反而有利于新老混凝土界面的粘結(jié)。

（4） 加入石膏和聚合物膠粉可以減少修補砂漿的干縮現(xiàn)象，從而有利于新老混凝土的粘結(jié)。