道路橋梁修復(fù)材料強(qiáng)度與組成材料關(guān)系研究

張俊良,張 翼,馬占偉,劉平源

(1.包頭市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,內(nèi)蒙古 包頭 014040;2.包頭市市政設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 包頭 014040;3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;4.內(nèi)蒙古水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

20世紀(jì)80年代,美國(guó)的Ahmad將橡膠以作為骨料的方式加入到混凝土中制備成了一種新型的混凝土材料——彈性混凝土,隨后越來(lái)越多的學(xué)者們也相繼開(kāi)展彈性混凝土的研究[1-5]。Eldin和Senouci[6]等探究了橡膠顆粒對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)加入橡膠后會(huì)降低混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度。Toutanji[7]等探究了橡膠顆粒對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)混凝土的抗折強(qiáng)度會(huì)隨著橡膠摻量的不斷增加而逐漸降低。羅晴[8]等研究發(fā)現(xiàn),橡膠顆粒的摻入會(huì)使得彈性混凝土抗壓強(qiáng)度降低。李海龍[9]等也研究了橡膠摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)彈性混凝土的韌性及耗能能力有顯著提高。綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者均得出一致的結(jié)論:在混凝土中加入橡膠會(huì)降低抗壓強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度等,而且隨著橡膠摻量的不斷增加,強(qiáng)度降低幅度越大。硅酸鹽水泥[10]熟料與其他材料混合后所組成的水硬性膠凝材料即可稱做復(fù)合水泥,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,王紅[11]等分析了硅酸鹽水泥熟料對(duì)硫鋁酸鹽水泥一些性能的影響;李遷[12]等在硅酸鹽水泥中加入適量的硫鋁酸鹽水泥[13]后會(huì)使復(fù)合水泥的凝結(jié)時(shí)間變短;張?chǎng)蝃14]等研究均發(fā)現(xiàn)復(fù)合水泥體系使水泥水化過(guò)程變快;楊林[15]、丁軍[16]等研究均發(fā)現(xiàn),隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的不斷增加齡期為1d、3d、28d的復(fù)合水泥的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)出了先降低后升高的變化趨勢(shì)。目前水泥混凝土路面、橋梁修復(fù)時(shí)多采用將早強(qiáng)劑加入到普通硅酸鹽水泥中,以此來(lái)達(dá)到早強(qiáng)的效果。本研究以硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料來(lái)達(dá)到提升修補(bǔ)材料早期強(qiáng)度的目的。同時(shí)鮮有學(xué)者在快速修復(fù)材料中添加橡膠顆粒,本研究將橡膠顆粒按不同比例體積分?jǐn)?shù)取代天然河砂作為細(xì)骨料,研究對(duì)新型修復(fù)材料流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料和配合比

本試驗(yàn)材料組成為:PO42.5普通硅酸鹽水泥;天然砂:粒徑小于4.75mm;橡膠顆粒:粒徑為10～20目;玄武巖纖維:單絲直徑為7～1μm、拉伸強(qiáng)度3000～4800MPa、彈性模量91～100GPa;水:自來(lái)水。

通過(guò)前期配比預(yù)試驗(yàn),最終確定水膠比為0.3,以保證修復(fù)材料的強(qiáng)度。為研究橡膠顆粒以及普通硅酸鹽水泥對(duì)修復(fù)材料力學(xué)性能的影響,將普通硅酸鹽水泥0%、20%、30%、40%四種水平取代(質(zhì)量)硫鋁酸鹽水泥,橡膠顆粒0%、10%、20%、30%四種水平取代(體積)天然河砂,考慮到實(shí)際工作中硫鋁酸鹽水泥會(huì)過(guò)早凝結(jié),為減小施工難度,所以添加了緩凝劑(酒石酸)以保證材料20min的流動(dòng)性,修復(fù)材料配合比見(jiàn)表1。

表1 修復(fù)材料配合比 (kg/m3)

1.2 試驗(yàn)方法

流動(dòng)度試驗(yàn):參考《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[17]中截錐流動(dòng)度試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試;截錐形圓模:上口內(nèi)徑70mm,高35mm;下口內(nèi)徑100mm,高60mm;模壁厚5mm。

抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn):參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[18]進(jìn)行測(cè)試。采用山東路達(dá)試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的DYH-300B型全自動(dòng)水泥壓力試驗(yàn)機(jī),試件尺寸:40×40×160mm。

試驗(yàn)步驟:流動(dòng)度試驗(yàn):用濕布擦拭試驗(yàn)儀器,防止流動(dòng)度的損失。將拌合物沿上部模具倒錐形杯口倒入,當(dāng)漿體沒(méi)過(guò)下部模具上口時(shí)停止傾倒,用刮刀使?jié){體與模具上口齊平。將下部模具垂直提起,當(dāng)漿體完全停止時(shí)測(cè)量漿體的直徑,計(jì)算漿體直徑平均值并記錄,此為初始流動(dòng)度。攪拌加水20min后,將材料重新倒入水泥膠砂攪拌機(jī)中再次進(jìn)行攪拌,重復(fù)上述步驟,為20min流動(dòng)度。抗壓抗折試驗(yàn):將養(yǎng)護(hù)到2h、1d、7d、28d的試件從養(yǎng)護(hù)室取出,設(shè)置試驗(yàn)等參數(shù),進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。使用折斷后的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

修復(fù)材料抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式(1)中:

Δf——各齡期不同OPC摻量、橡膠摻量的修復(fù)材料強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比(%);

fc——養(yǎng)護(hù)28d時(shí)不同OPC、橡膠摻量的修復(fù)材料抗壓、抗折強(qiáng)度(MPa);

fi——各齡期不同OPC、橡膠摻量的修復(fù)材料抗壓、抗折強(qiáng)度(MPa)。

2 流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),以硫鋁酸鹽為主要膠凝材料的快速修復(fù)材料的流動(dòng)度應(yīng)該保持在20min以上[19]。修復(fù)材料橡膠顆粒摻量為0%時(shí),不同普通硅酸鹽水泥摻量的混凝土路面及橋梁新型修復(fù)材料的初始流動(dòng)度以及20min流動(dòng)度如圖1所示。修復(fù)材料OPC摻量為20%時(shí),不同橡膠摻量的水泥混凝土路面及橋梁新型修復(fù)材料的初始流動(dòng)度以及20min流動(dòng)度如圖2所示。

圖2 不同橡膠摻量的修復(fù)材料流動(dòng)度

如圖1所示,新型修復(fù)材料的初始流動(dòng)度與20min流動(dòng)度隨著OPC摻量的增加而增大,這是由于隨著OPC摻量的增加,材料中SAC的含量變少,前期SAC反應(yīng)的需水量變少,材料中剩余的水變多,流動(dòng)度增加。當(dāng)新型修復(fù)材料中OPC摻量為0%時(shí),材料的初始流動(dòng)度以及20min流動(dòng)度均為0mm,說(shuō)明在確定水膠比為0.3的前提下,此材料水泥只有SAC時(shí),不具有實(shí)際工作意義。當(dāng)新型修復(fù)材料OPC摻量增加至20%、30%、40%時(shí),新型修復(fù)材料都具有較高的流動(dòng)度(當(dāng)流動(dòng)度達(dá)到290mm時(shí)已達(dá)到III類水泥基灌漿材料流動(dòng)度初始值的要求)。新型修復(fù)材料20min流動(dòng)度保持良好,流動(dòng)度損失值分別為30mm、25mm、20mm,可以看出20min流動(dòng)度損失值隨著OPC摻量的增加而逐漸降低,這是因?yàn)殡S著OPC摻量的增加,SAC反應(yīng)的需水量減少,所以流動(dòng)度損失降低。新型修復(fù)材料OPC摻量為0%時(shí),新型修復(fù)材料無(wú)初始流動(dòng)度,所以選取OPC摻量為20%的新型修復(fù)材料來(lái)進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn)。

如圖2所示,新型修復(fù)材料的初始流動(dòng)度與20min流動(dòng)度均隨著橡膠摻量的增加逐漸降低。這可能是由于以下幾個(gè)原因引起:一是由于橡膠具有一定的吸水性,會(huì)攜裹一部分自由水,減少拌合物中的自由水,從而降低拌合物的流動(dòng)性。二是因?yàn)橄鹉z顆粒的粗糙表面增加了材料內(nèi)部骨料之間摩擦,降低了拌合物的流動(dòng)性。三是由于橡膠粒徑與砂粒徑相近,橡膠的摻入會(huì)改變拌合物的砂率。當(dāng)沒(méi)能達(dá)到最優(yōu)砂率時(shí),拌合物和易性會(huì)變差。隨著橡膠摻量的增加新型修復(fù)材料的流動(dòng)度損失未發(fā)生變化,均為30mm,說(shuō)明橡膠對(duì)流動(dòng)度損失沒(méi)有影響,原因是橡膠雖然會(huì)吸收少量水分,但其達(dá)到飽和時(shí),不再吸收水分,并且新型修復(fù)材料各橡膠摻量均不會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加或減少,不會(huì)對(duì)流動(dòng)度損失造成影響。

3 修復(fù)材料基本力學(xué)性能研究

3.1 抗壓與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

各組材料的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

(a)R0組

如圖3、圖4所示,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,新型修復(fù)材料抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸增加是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水泥熟料的水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,使得材料中水化產(chǎn)物增多,基體結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí),所以強(qiáng)度隨之不斷增高。當(dāng)橡膠摻量固定時(shí),各養(yǎng)護(hù)齡期的新型修復(fù)材料抗壓、抗折強(qiáng)度隨著OPC摻量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥主要的水化產(chǎn)物為AFt(鈣礬石)和CAH10(水化鋁酸鈣),加入普通硅酸鹽水泥后為孔溶液提供了大量的硅酸根,與C4A3S(無(wú)水硫鋁酸鈣)反應(yīng)后生成C2ASH8(水化鈣鋁黃長(zhǎng)石),且OPC摻量越高,生成的C2ASH8數(shù)量越多新型修復(fù)材料膠凝體系抗壓、抗折強(qiáng)度下降的越多。

如圖3、圖4所示,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期和OPC摻量相同時(shí),新型修復(fù)材料的抗壓、抗折強(qiáng)度隨著橡膠摻量的增加而降低。原因是橡膠相較于砂石來(lái)說(shuō)材質(zhì)較軟,其在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的支撐作用微乎其微,在施加外部荷載的條件下,不能提供有效的承載力。同時(shí)橡膠還有引氣劑的作用,摻入橡膠后提高了含氣量,使內(nèi)部孔隙變多,從而使內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷增加。除此之外,橡膠質(zhì)量相對(duì)較輕,在試件攪拌成型過(guò)程中,容易上浮,內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得不均勻,進(jìn)而發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象,所以摻入橡膠降低了新型修復(fù)材料抗壓、抗折強(qiáng)度。同時(shí)從圖中還可發(fā)現(xiàn),新型修復(fù)材料的抗壓、抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,并沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)度倒縮的現(xiàn)象。

3.2 強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比計(jì)算結(jié)果分析

各組材料的抗壓和抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比如圖5和圖6所示。

(a)R0組

如圖5、圖6所示,四組新型修復(fù)材料的2h抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比隨著OPC摻量的增加而降低的趨勢(shì)。原因是硫鋁酸鹽水泥的反應(yīng)速率較普通硅酸鹽水泥更快,2h的抗壓強(qiáng)度主要是硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行水化反應(yīng)產(chǎn)生的,隨著OPC摻量占比變大,反應(yīng)程度有所減弱,2h強(qiáng)度提升較慢。1d抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比隨著OPC摻量的增加逐漸增加。這說(shuō)明OPC的摻入可以加速SAC的水化,且在OPC摻量為0%～40%范圍內(nèi),摻量越多水化速率越快。7d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比變化規(guī)律與2h時(shí)相同,7d、28d抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比、28d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比無(wú)一致規(guī)律,原因在于SAC和OPC水化速度不同,SAC的水化反應(yīng)速度快,數(shù)小時(shí)內(nèi)即可提高材料強(qiáng)度,而OPC的水化反應(yīng)是在數(shù)小時(shí)內(nèi)形成初期強(qiáng)度,然后在數(shù)周內(nèi)逐漸增長(zhǎng)至最大強(qiáng)度,四組新型修復(fù)材料的OPC摻量不同,導(dǎo)致7d、28d強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比無(wú)一致規(guī)律。但是可以發(fā)現(xiàn)摻入OPC的新型修復(fù)材料的28d抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比均大于該組未摻OPC的新型修復(fù)材料。這表明,摻入OPC對(duì)SAC后期強(qiáng)度的增加有促進(jìn)作用。

R0組新型修復(fù)材料的2h與1d抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比之和可以達(dá)到56%～60%、66%～74%,R10組的2h與1d的抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比之和可以達(dá)到57%～61%、56%～69%,R20組新型修復(fù)材料的2h與1d抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比之和可以達(dá)到62%～70%、59%～82%,R30組的2h與1d抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比之和可以達(dá)到66%～74%、60%～83%,可以看出R0與R10兩組新型修復(fù)材料1d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的60%左右,R20和R30組新型修復(fù)材料1d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的70%左右。

在橡膠摻量相同的條件下,新型修復(fù)材料OPC摻量為0%的試驗(yàn)組7d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比是最大的,2h與1d的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比之和最大,摻入40%的OPC的新型修復(fù)材料2h與7d的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比之和最小。2h、1d和7d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比之和可以達(dá)到90%左右,2h、1d和7d的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比之和均在75%以上。

3.3 折壓比計(jì)算結(jié)果分析

折壓比(即抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)的比值)是用來(lái)衡量混凝土材料韌性的指標(biāo)之一,其值越大,說(shuō)明材料的韌性與抵抗開(kāi)裂性能越好。因其試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單,試驗(yàn)數(shù)據(jù)容易處理,目前已被專家學(xué)者們廣泛使用。新型修復(fù)材料折壓比計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

(a)2h折壓比

如圖7(a)所示,當(dāng)橡膠摻量相同時(shí),新型修復(fù)材料2h折壓比隨OPC摻量的增加呈現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢(shì)。如圖7(b)所示,在R0、R10、R20和R30組中均發(fā)現(xiàn)了新型修復(fù)材料的1d折壓比隨著OPC摻量增加而降低的現(xiàn)象。這說(shuō)明摻入OPC對(duì)新型修復(fù)材料1d折壓比有消極影響,這是因?yàn)橄鄬?duì)于OPC來(lái)說(shuō),SAC在早期開(kāi)裂控制方面具有更好的表現(xiàn),所以加入了OPC后降低了新型修復(fù)材料1d的抗開(kāi)裂性能和韌性。當(dāng)OPC摻量相同時(shí),不同的橡膠摻量的新型修復(fù)材料折壓比變化不明顯,這意味著橡膠對(duì)新型修復(fù)材料1d折壓比影響不大。

如圖7(c)和(d)所示,當(dāng)橡膠摻入量一定時(shí),新型修復(fù)材料7d和28d的折壓比變化規(guī)律一致,均總體呈現(xiàn)出隨OPC摻量增加而升高的趨勢(shì)。這與新型修復(fù)材料1d的折壓比規(guī)律相反,說(shuō)明OPC的摻入對(duì)新型修復(fù)材料7d和28d的折壓比是有利的,這是主要是由于OPC的水化產(chǎn)物硬化時(shí)間較長(zhǎng),當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7d時(shí),OPC的作用逐漸發(fā)揮,因增加了結(jié)構(gòu)密實(shí)度,提高了韌性。

當(dāng)OPC摻量相同時(shí),新型修復(fù)材料折壓比隨著橡膠摻量的增加而逐漸變大。這是因?yàn)?橡膠顆粒的彈性和韌性好,使其能夠在混凝土中承擔(dān)一部分的拉力作用,因此能夠提高混凝土的抗拉強(qiáng)度,從而隨著橡膠摻量的增加,折壓比提高。另一方面,橡膠顆粒的存在可以緩和混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布,避免新型修復(fù)材料因應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂縫,進(jìn)一步提高折壓比。

4 結(jié)論

(1)在一定范圍內(nèi),橡膠摻量與修復(fù)材料的初始流動(dòng)度和20min流動(dòng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而OPC摻量與流動(dòng)度呈正相關(guān)關(guān)系。流動(dòng)度損失隨著OPC摻量的增加而減少,與橡膠摻量關(guān)系不顯著。

(2)修復(fù)材料的抗壓和抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。在相同養(yǎng)護(hù)齡期下,抗壓和抗折強(qiáng)度與OPC摻量和橡膠摻量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)在相同橡膠摻量下,隨著OPC摻量的增加,修復(fù)材料的2小時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比呈下降趨勢(shì),而1d強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比呈上升趨勢(shì)。摻入OPC的修復(fù)材料的28d抗壓和抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)百分比均高于未摻OPC的樣本。

(4)在相同OPC摻量下,隨著橡膠摻量的增加,修復(fù)材料的2小時(shí)折壓比呈先降低后增加的變化趨勢(shì),而1d折壓比逐漸降低,7d和28d折壓比逐漸增加。