新型超早強(qiáng)磷酸鹽修補(bǔ)材料干縮影響因素研究

摘 要：【目的】研究影響磷酸鹽修補(bǔ)材料干縮的因素。【方法】通過膠砂試驗(yàn)，研究硼砂摻量、水膠比、粉煤灰摻量、膠砂比、集料種類對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料的干縮率的影響?！窘Y(jié)果】試驗(yàn)結(jié)果表明，硼砂摻量越大，水膠比越大，膠砂比越大，則膠砂的干燥收縮率也越大；石英砂的膠砂收縮值要比鋼渣小，摻入適量粉煤灰可以減少磷酸鹽修補(bǔ)材料的干縮?！窘Y(jié)論】研究成果可為磷酸鹽修補(bǔ)材料的配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：磷酸鹽修補(bǔ)材料；干縮；膠砂；影響因素

中圖分類號(hào)：TU528" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）20-0083-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.016

Study on the Influence Factors of Dry Shrinkage of New Ultra-Early Strength Phosphate Repairing Material Mortar

Abstract：[Purposes] This paper studies the influence factors of dry shrinkage phosphate repair materials. [Methods] Through the mortar test， the effects of borax content， water-binder ratio， fly ash content， mortar ratio and aggregate type on the dry shrinkage rate of phosphate repair materials were studied. [Findings] The results showed that the greater the borax content，the greater the ratio of cement to sand，the greater the water-cement ratio， the greater the dry shrinkage of cement sand; the mortar shrinkage value of quartz sand is smaller than that of steel slag， and the addition of appropriate fly ash could reduce the dry shrinkage of phosphate repair materials.[Conclusions] The research results can provide basis and reference for the mix ratio design of phosphate repair materials.

Keywords： phosphate repair material; dry shrinkage; mortar; influence factor

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)在一定的使用年限之后會(huì)產(chǎn)生各種病害，需要進(jìn)行修補(bǔ)加固才能繼續(xù)正常使用。因此，找到一種合適的修補(bǔ)加固材料十分重要。磷酸鹽修補(bǔ)材料是一種新型的膠凝材料，主要由氧化鎂、磷酸鹽及硼砂按一定比例配制而成，具有凝結(jié)時(shí)間短、早期強(qiáng)度高、黏結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)良性能，非常適用于高速公路、市政道路、橋梁工程、機(jī)場(chǎng)跑道等混凝土結(jié)構(gòu)的快速修補(bǔ)。現(xiàn)存巨量的混凝土結(jié)構(gòu)建筑物預(yù)示著修補(bǔ)加固工程有著巨大的市場(chǎng)需求［1-2］。

干燥收縮是混凝土最為常見的一種變形，也是引起混凝土開裂的主要原因之一?；炷凉こ绦扪a(bǔ)失敗的原因主要有修補(bǔ)材料黏結(jié)強(qiáng)度低、兩種材料的熱膨脹系數(shù)相差很大、修補(bǔ)材料本身的體積不穩(wěn)定（如收縮率過大）等。目前，市場(chǎng)上的磷酸鹽水泥作為一種新型快硬早強(qiáng)修補(bǔ)材料，越來越多地應(yīng)用于各種混凝土工程修補(bǔ)中，但該膠凝材料用于修補(bǔ)時(shí)的干燥收縮等問題仍需要進(jìn)一步研究。影響干縮性能的因素有很多，主要有配合比、骨料品種及齡期等［3-4］。本研究通過試驗(yàn)，從硼砂摻量、水膠比、粉煤灰摻量、集料種類等角度探討了它們對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料的干縮率的影響，以期為快速有效地修補(bǔ)混凝土路面提供技術(shù)參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

磷酸鹽修補(bǔ)材料干縮試采用的原材料見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

干縮試驗(yàn)參考水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法，采用25 mm×25 mm×280 mm試塊，用千分尺測(cè)量試塊的長(zhǎng)度值，干縮率取3條試塊干縮率的平均值，干縮率[St]計(jì)算公式為式（1）。

式中：[l0]為試塊初始長(zhǎng)度值；[lt]為試塊測(cè)試齡期的長(zhǎng)度值；[St]為試塊的干縮率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

磷酸鹽修補(bǔ)材料具有凝結(jié)硬化快且凝結(jié)時(shí)間可控、早期強(qiáng)度比較高、界面黏結(jié)強(qiáng)度高、耐磨性能好、原料來源廣泛等特點(diǎn) ，在用于混凝土結(jié)構(gòu)的快速修補(bǔ)加固方面具有無可比擬的優(yōu)越性。作為修補(bǔ)材料，其主要依靠黏結(jié)力與被修補(bǔ)面黏結(jié)成整體，在混凝土結(jié)構(gòu)服役期間，修補(bǔ)材料的收縮會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力產(chǎn)生，而拉應(yīng)力正是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂的主要原因之一。只有具有良好的體積穩(wěn)定性，修補(bǔ)材料與舊混凝土之間才可以良好黏結(jié)，不產(chǎn)生裂縫。磷酸鹽修補(bǔ)材料干縮影響試驗(yàn)主要從硼砂摻量、水膠比、粉煤灰摻量、集料種類等角度進(jìn)行探討［5-6］。

2.1 硼砂摻量對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料膠砂干縮的影響

由于磷酸鹽修補(bǔ)材料凝結(jié)非?？欤瑸楂@得足夠的可操作時(shí)間，必須摻入一定的緩凝劑，常用的緩凝劑主要有硼砂。硼砂不僅能夠有效延長(zhǎng)磷酸鹽修補(bǔ)材料的凝結(jié)時(shí)間，而且對(duì)其體積穩(wěn)定性具有顯著影響。試驗(yàn)中，P/M為1/5，水膠比為0.11，膠砂比為1/1。硼砂摻量分別為5%、10%和15%時(shí)，對(duì)磷酸鹽膠砂的干縮影響如圖1所示。

由圖1可知，硼砂摻量會(huì)影響膠砂的收縮，硼砂摻量越大，試件的干縮率就越大。硼砂摻量為5%時(shí)，90 d的干縮率為1.74×10-4；硼砂摻量為10%時(shí)，90 d的干縮率為2.11×10-4；硼砂摻量為15%時(shí)，90 d的干縮率為2.24×10-4且早期和后期的干縮率都比較大。硼砂在磷酸鹽修補(bǔ)材料中的緩凝作用只對(duì)氧化鎂起作用，對(duì)磷酸二氫銨的作用較小。如果硼砂摻量過多，試件中會(huì)存在一些未參與反應(yīng)的過量的硼砂顆粒，由于硼砂晶體表面光滑，強(qiáng)度比較低，與膠凝材料中骨料顆粒之間的黏結(jié)力很小，形成了試件中的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)試件受力時(shí)，膠結(jié)材料與硼砂接觸面之間產(chǎn)生了集中應(yīng)力，進(jìn)一步造成了試件強(qiáng)度的降低和干燥收縮的增大［7］。因此，由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，硼砂摻量對(duì)膠砂的收縮有較大影響，摻量不宜過大。

2.2 水膠比對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料膠砂干縮的影響

試驗(yàn)中，P/M為1/5，硼砂摻量為5%，膠砂比為1/1。水膠比分別為0.16、0.20、0.24時(shí)，對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料膠砂收縮的影響如圖2所示。

由圖2可知，水膠比越大，膠砂的干燥收縮率就越大。當(dāng)齡期為7 d時(shí)，水膠比為0.24的膠砂收縮值為1.46×10-4：水膠比為0.16的膠砂收縮值為0.67×10-4。當(dāng)齡期為90 d時(shí)，水膠比從0.16增大至0.24，其干縮率從1.75×10-4增大至3.06×10-4。但在后期，膠砂的干燥收縮趨于穩(wěn)定，齡期從28～90 d，膠砂的干燥收縮率增長(zhǎng)不大。

水膠比越大，在攪拌時(shí)加入的水越多。當(dāng)漿體硬化后，多余的水分殘留在漿體中形成水泡，水分蒸發(fā)后形成毛細(xì)孔，從而降低了漿體的密實(shí)性，實(shí)質(zhì)上是降低了試件抵抗荷載的有效斷面面積且孔隙處往往產(chǎn)生應(yīng)力集中促使試件發(fā)生裂紋擴(kuò)展甚至斷裂。水膠比越低，所測(cè)得的收縮值也隨之減小，因此，降低膠砂的干縮率的有效措施之一是降低水膠比。

2.3 粉煤灰摻量對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料干縮的影響

試驗(yàn)中，P/M為1/5，硼砂摻量為5%，膠砂比為1/1，水膠比為0.18，粉煤灰摻量分別為10%、30%時(shí)，對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料膠砂干縮的影響如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，膠砂90 d的干縮率為1.42×10-4，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，膠砂90 d的干縮率為1.22×10-4。當(dāng)粉煤灰摻量為10%和30%時(shí)，其早期和后期的干縮率均小于基準(zhǔn)膠砂的干縮率。粉煤灰摻量在一定范圍內(nèi)，膠砂干縮值隨粉煤灰摻量增加而減少。粉煤灰摻量增加時(shí)，干縮減少，粉煤灰摻量比較少時(shí)，干縮值比較大。主要原因可能是一方面膠凝材料用量一定，當(dāng)粉煤灰摻量增加，則磷酸鹽修補(bǔ)材料的膠凝材料總量相對(duì)減少，水化反應(yīng)之后所形成的水化產(chǎn)物也相應(yīng)減少，從而也導(dǎo)致膠砂的干燥收縮值也減少。另一方面由于粉煤灰顆粒很細(xì)，填充在砂漿體中，密實(shí)了膠砂的孔結(jié)構(gòu)，使得粉煤灰砂漿的收縮率較基準(zhǔn)砂漿低。

2.4 膠砂比對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料膠砂干縮的影響

試驗(yàn)中，P/M為1/5，硼砂摻量為5%，膠砂比分別為1∶0.5、1∶1和1∶2時(shí)，對(duì)砂漿的干縮影響如圖4所示。由圖4可知，配合比對(duì)膠砂干縮有很大的影響，膠砂比增大則干縮值也隨之增大。膠砂比為1∶0.5時(shí)，膠砂的干縮值最大；膠砂比為1∶1時(shí)，膠砂的干縮值次之，膠砂比為1∶2時(shí)，膠砂的干縮值最小。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是一方面膠砂比不同，磷酸鹽修補(bǔ)材料中的氧化鎂和石英砂共同形成的集料的級(jí)配不同，在膠砂比達(dá)到某個(gè)值時(shí)，孔隙率越大，越不密實(shí)，集料形成的框架結(jié)構(gòu)比較松，更容易形成散失水分的通道，從而減弱了抑制漿體收縮的能力。在膠砂比達(dá)到某個(gè)值時(shí)，其孔隙率最小，級(jí)配越好，集料形成的框架結(jié)構(gòu)越密實(shí)，其抑制漿體收縮的能力也越強(qiáng)。另一方面，膠砂比越小，石英砂越多，石英砂與未反應(yīng)的氧化鎂顆粒共同形成的骨架抑制膠砂干縮的能力就越強(qiáng)。故在膠砂比對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料膠砂干縮的試驗(yàn)中就表現(xiàn)為膠砂比為1∶2時(shí)，膠砂的干縮比較小，而膠砂比為1∶0.5時(shí)，膠砂的干縮比較大。

2.5 集料種類對(duì)磷酸鹽膠砂干縮的影響

隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鋼渣產(chǎn)生量迅速增長(zhǎng)，鋼渣的處理和資源化利用問題也越來越突出。鋼渣是煉鋼過程中的一種副產(chǎn)品，它由生鐵中的硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)在熔煉過程中氧化而成的各種氧化物和這些氧化物與溶劑反應(yīng)生成的鹽類所組成。集料是影響膠砂干縮的重要因素之一，堅(jiān)硬密實(shí)的集料其收縮較小，質(zhì)地疏松彈性模量小的集料通常會(huì)導(dǎo)致較高的收縮［8］。在進(jìn)行膠砂的干縮性能試驗(yàn)時(shí)，基準(zhǔn)組骨料采用標(biāo)準(zhǔn)砂，用鋼渣取代標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，P/M為1/5，硼砂摻量為5%，膠砂比為1/1，水膠比為0.18。不同集料種類對(duì)磷酸鹽膠砂干縮的影響如圖5所示。

修補(bǔ)材料中發(fā)生收縮的主要組分是水化反應(yīng)后生成的水化產(chǎn)物，因此減少水化產(chǎn)物的相對(duì)含量，也就是增加骨料的相對(duì)含量，可以減少膠砂的干縮。此外，骨料對(duì)水化產(chǎn)物的收縮有限制作用，所以骨料對(duì)膠砂的收縮有很大的影響。骨料的種類不同其彈性模量等性質(zhì)也不相同，也就決定膠砂收縮的程度。

由圖5可知，集料為石英砂的砂漿收縮值要比鋼渣小，其中的原因可能是呈酸性的磷酸鹽與鋼渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)收縮，生成的水化產(chǎn)物加大了膠砂的干縮。石英砂具有顆粒間隙較小、彈性模量大等特點(diǎn)，對(duì)水化產(chǎn)物的收縮有限制作用，因此，在試驗(yàn)中石英砂膠砂的干縮值比較小。通過對(duì)鋼渣的化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，鋼渣的氧化鈣的含量很高，由于鋼渣中大量的氧化鈣與磷酸鹽中的酸性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成松散強(qiáng)度低的固體物質(zhì)，導(dǎo)致試塊強(qiáng)度降低干燥收縮增大。因此，在磷酸鹽修補(bǔ)材料體系中如何對(duì)鋼渣進(jìn)行有效的利用還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

磷酸鹽修補(bǔ)材料是一種新型的膠凝材料，主要由氧化鎂、磷酸鹽及硼砂按一定比例配制而成，硼砂摻量、水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量、集料種類等都會(huì)對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料的干縮率產(chǎn)生影響。硼砂摻量會(huì)影響膠砂的收縮，硼砂摻量越大，試件的干縮率就越大。水膠比越低，試件收縮值就越小，因此，降低水膠比是減小膠砂干縮率的重要途徑之一。配合比對(duì)膠砂干縮有很大的影響，膠砂比增大則干縮值也隨之增大。粉煤灰對(duì)凈漿干縮性能的影響表現(xiàn)為粉煤灰可以降低磷酸鹽修補(bǔ)材料的干縮率，延緩干縮變形，在一定范圍內(nèi)干縮值隨粉煤灰摻量增加而下降。集料是影響膠砂干縮的重要因素之一，集料為石英砂的砂漿收縮值要比鋼渣小。以上研究成果可為磷酸鹽修補(bǔ)材料的配合比設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］俞家歡，閆林偉.磷酸鎂混凝土路面快速修補(bǔ)材料的耐水性試驗(yàn)［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，34（5）：855-863.

［2］秦繼輝，錢覺時(shí)，宋慶，等.磷酸鎂水泥的研究進(jìn)展與應(yīng)用［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2022，50（6）：1592-1606.

［3］苑兆瑜，馬旺坤，付文靜，等.侵蝕環(huán)境下磷酸鎂基快速修補(bǔ)材料的力學(xué)性能研究［J］.混凝土世界，2020（9）：73-79.

［4］張愛蓮，張林春，俞金艷，等.磷酸鎂水泥基材料力學(xué)性能研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2020，39（2）：422-427.

［5］杜杰貴，王雄鋒，陳波，等.磷酸鎂水泥在快速修補(bǔ)工程中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.施工技術(shù)（中英文），2022，51（15）：6-11.

［6］馮哲，虎東霞，趙龍.磷酸鹽水泥砂漿修復(fù)劑的制備與性能研究［J］.路基工程，2019（2）：96-98，119.

［7］韋宇，周新濤，黃靜，等.緩凝劑對(duì)磷酸鎂水泥性能及其水化機(jī)制影響研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2022，36（4）：77-83.

［8］徐穎，鄧?yán)兀瑮钸M(jìn)超，等.磷酸鎂水泥的制備及其快速修補(bǔ)應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2019，33（S2）：278-282.