三元復合修補砂漿的研究

(1.北京首都國際機場股份有限公司 北京 100621；2.北京中企卓創科技發展有限公司 北京市 100621)

一、引言

本文主要研究應用于機場水泥混凝土道面薄層修補砂漿的問題。機場水泥混凝土道面由于長期暴露于自然環境中，尤其冬季北方地區機場常常噴灑道面除冰液及飛機除冰液，對道面造成了嚴重的侵蝕，加之道面長期經受飛機荷載作用，加速了道面的損壞，尤其是道面薄層損壞情況嚴重。機場混凝土道面薄層修補的基本要求是：修補砂漿施工快，完成施工后硬化快，強度高，尤其抗折強度要達到設計要求的70%。

對于傳統的硅酸鹽水泥，其性能穩定，生產成本低，但凝結時間較長，早期強度較低；硫鋁酸鹽水泥具有早期強度高，水化時體積微膨脹等特點，相比于硅酸鹽水泥有煅燒溫度低的優點[1]，但其后期強度增長不大甚至倒縮[2]。有研究發現硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復合，可以發揮硫鋁酸鹽礦物和硅酸鹽礦物各自的優點，使性能互補，提高體系的穩定性[3]。有學者認為，硫鋁酸鹽水泥水化產物為體系提供了早期強度，硅酸鹽水泥水化產物則保證了體系后期強度的穩定增長[4]。

根據機場混凝土道面薄層修補的要求，本文主要研究硫鋁酸鹽、硅酸鹽、硬石膏三元體系凝結硬化機理，在三元體系基礎上研究復合緩凝劑對凝結時間及3h抗折強度的影響，以制備出凝結時間在15min，3h抗折強度大于5MPa的快凝快硬修補砂漿。

二、原材料與試驗方法

(一)原材料

試驗選用硫鋁酸鹽水泥為唐山北極熊建材有限公司生產的北極熊牌42.5硫鋁酸鹽水泥；硅酸鹽水泥為安徽海螺水泥有限公司生產的海螺牌P·Ⅱ 42.5硅酸鹽水泥，兩種水泥的化學組成如表1所示。復合緩凝劑為酒石酸、硼砂、葡萄糖酸鈉混合物，促凝劑采用硫酸鋰鹽，減水劑采用西卡540P聚羧酸減水劑。

表1 水泥化學組成 %

(二)試驗方法

砂漿凝結時間的測定參照JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，采用貫入阻力法確定砂漿拌合物的凝結時間。抗折強度參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行測定。

三、實驗結果與分析

本實驗固定膠砂比1:1，促凝劑硫酸鋰摻量占水泥總量0.05%，硬石膏摻量占水泥總量20%，減水劑摻量占水泥總量0.2%，研究P·Ⅱ/SAC及復合緩凝劑各組分比重對三元體系凝結時間及強度的影響。

(一)復合緩凝劑對三元體系凝結時間的影響

本節探討復合緩凝劑對復合體系凝結時間的影響，P·Ⅱ/SAC為1.5，三元體系緩凝劑采用酒石酸、硼砂、與葡萄糖酸鈉的復合緩凝劑，復合緩凝劑各成分所占比重如表2所示，復合緩凝劑摻量占水泥總量的1%。

表2 緩凝劑各組分所占比重 %

各試樣凝結時間如圖1所示。A0為不摻任何緩凝劑，不摻緩凝劑時三元體系初凝時間為6min；A1、A2、A3為單一種類緩凝劑，摻入單一種類緩凝劑后均不同程度延長了三元體系初凝時間，而且可以看出三種單一緩凝劑對三元體系的緩凝作用從強到若依次為葡萄糖酸鈉、酒石酸、硼砂。A4、A5為復合緩凝劑，可以看出復合緩凝劑相比于單一種類緩凝劑對三元體系的緩凝作用更強，對于該三元體系，復合緩凝劑效果更好，當采用A5組復合緩凝劑時，體系初凝時間達到14min，相較于不摻緩凝劑A0組提高了8min。

圖1 復合緩凝劑對體系初凝時間的影響

(二)P·Ⅱ/SAC對復合體系3h抗折強度的影響

本實驗采用B4組復合緩凝劑，研究P·Ⅱ/SAC對復合體系3h抗折強度的影響。將SAC以水泥總量的50%、55%、60%分別摻入硅酸鹽水泥中，制成復合水泥體系，如表3所示。

表3 硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥所占比重 %

各試樣3h抗折強度如圖2所示。B1及B5分別為單一種類硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥，B2、B3、B4抗折強度明顯高于B1及B5，說明硅酸鹽、硫鋁酸鹽復摻水泥的早期抗折強度高于單一種類水泥，其中B4組3h抗折強度達到5.2MPa，滿足機場修補對早期強度的要求。

硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-硬石膏三元體系早期強度高是因為，三元體系中硅酸鹽水泥對硫鋁酸鹽的水化具有促進作用，在水化初期，SO42-與C3A和C4A3(S迅速反應生成鈣礬石，如下所示：

接著水化生成物間發生如下反應：

因此，三元復合體系呈現出很強的早期強度。

圖2 P·Ⅱ/SAC對體系早期強度的影響

四、結論

硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-硬石膏三元膠凝材料體系水化是個非常復雜的過程，本文主要討論了在固定緩凝劑摻量情況下復合緩凝劑各成分組成對三元體系凝結時間的影響，以及固定硬石膏摻量情況下硅酸鹽與硫鋁酸鹽水泥比重對三元體系3h抗折強度的影響，以期得到滿足機場修補要求的復合修補材料。得到以下結論：

1.復合緩凝劑較單一種類的緩凝劑，對三元體系的緩凝作用更好，且當復合緩凝劑中酒石酸：硼砂：葡萄糖酸鈉為4:3:3時，復合緩凝劑的緩凝效果最優。

2.相較于單一品種水泥，硅酸鹽與硫鋁酸鹽水泥復摻能夠顯著增強早期強度，且P·Ⅱ/SAC對三元體系的強度有很大影響，當P·Ⅱ/SAC為1.5時，三元體系3h強度最高。

3.復合緩凝劑摻量1%，P·Ⅱ/SAC為1.5時，三元復合體系凝結時間及3h抗折強度滿足機場修補要求。