超細粉煤灰對硫鋁酸鹽復合砂漿性能影響的研究

董麗華

（山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

冬季鹽凍破壞是造成混凝土橋梁破損的主要原因，鹽凍病害一般出現在運營后的3～5年，主要發生在橋面鋪裝層、防撞墻馬蹄部位、泄水管下方邊梁等部位，其中尤以防撞墻馬蹄部位最為嚴重。在養護治理中，通常采用混凝土修補砂漿進行整修。普通硅酸鹽水泥（OPC）制備的修補砂漿凝結時間長，硬化時伴隨細小裂紋，與砂漿作為整修材料的特性相偏離。硫鋁酸鹽水泥（SAC）具有快凝、早強，成型后期伴有微膨脹的特性，常常用來與OAC 共同制備復合砂漿，SAC 可縮短水泥砂漿的凝結時間，因自身的微膨脹可減少OAC 的干燥收縮[1-2]。研究發現，10%SAC-OPC 作為凝膠材料可有效提高砂漿的體積穩定性[3]。

粉煤灰是一種低成本的活性材料，能與水泥發生二次反應，形成密實型水泥石結構，提高抗滲性、力學性能和結構的體積穩定性[4]。考慮到SAC 單價較高，本文選用超細粉煤灰部分代替復合水泥（SAC+OAC），研究超細粉煤灰對復合修補砂漿工作性、力學強度和耐久性的影響。

1 原材料

1.1 水泥

OAC 選用山西山水水泥廠生產的52.5 水泥。硫鋁酸鹽水泥選用山東中聯水泥廠生產的42.5R 水泥，主要技術參數見表1。

表1 硫鋁酸鹽水泥技術參數

1.2 骨料

研究中注意控制骨料質量，本試驗中骨料選用機制砂，試驗前采用標準篩將骨料分成6 檔，調整砂率，借助Fuller 分布定律對機制砂進行級配優化，確定骨料級配滿足粗砂∶中砂∶細砂=1∶1∶1。該骨料經測定表觀密度為2.734 g/cm3，吸水率2.2%。

1.3 超細粉煤灰

超細粉煤灰較粉煤灰粒徑更小，單體顆粒為表面光滑的微球，在水泥混凝土中起到“滾珠”的效果。由于粉煤灰為燒制產物，粒徑存在一定的分布，試驗中選定的超細粉煤灰粒徑范圍為30～50 nm。

1.4 苯丙乳液

苯丙乳液（SBR）在修補砂漿中能夠提高砂漿的黏結性能和柔韌性，苯丙乳液固含量為60%，在計算水灰比時，需計算苯丙乳液的含水量。

2 配比和試驗方法

2.1 材料配比

此次試驗所選用的配比見表2，表中數據均為質量比。超細粉煤灰摻量為SAC+OAC 總量的0～20%，考察不同摻量超細粉煤灰對砂漿性能的影響。

表2 復合修補砂漿配合比

2.2 測試方法

超細粉煤灰對復合修補砂漿的影響從砂漿的流動性、力學性能、抗滲性和收縮性能進行試驗，具體試驗方法見表3。

表3 試驗方法和設備

3 性能分析

3.1 流動性

超細粉煤灰具有較大的比表面積，在砂漿中具有較強的吸附作用，可吸附更多的水分，對砂漿總體用水量具有顯著影響。同時，超細粉煤灰因其細小粒徑，在砂漿中能夠提供滾珠效應，給予砂漿更大的流動性。圖1 是水灰比0.5 時不同粉煤灰用量對砂漿流動性的影響。

圖1 粉煤灰對流動度的影響

當水灰比為0.5 時，砂漿的流動性隨著粉煤灰用量的增多出現先上升后下降的變化，在超細粉煤灰用量為10%時，砂漿流動性達到最大值，峰值為190 mm，這是因為超細粉煤灰在砂漿中用量較少時，對砂漿起到“滾珠效應”，粉煤灰降低了砂漿自身的滑動阻力，為砂漿的拌合和流動提供類似“潤滑”的效果。當超細粉煤灰用量繼續遞增時，粉煤灰的滾珠效應減弱，粉煤灰比表面積大，吸附性強的特性在逐漸提高，砂漿流動性逐漸降低。

3.2 力學性能

圖2 砂漿的力學性能

超細粉煤灰對砂漿力學性能的影響與摻量密切相關，成型標準試件測試不同超細粉煤灰摻量3 d、7 d、28 d 的抗壓強度和抗彎強度，試驗結果見圖2。超細粉煤灰復合砂漿的抗壓強度和抗折強度均隨超細粉煤灰摻量的增加先增加再降低。在超細粉煤灰摻量達到10%時，3 d 抗壓強度和抗折強度均達到38.3 MPa、7.36 MPa。分析其中原因，在水化早期，超細粉煤灰復合砂漿孔隙內水溶液堿性較強，粉煤灰的主要組分為二氧化硅、三氧化二鋁，所以在堿性環境下能夠與水泥水化物氫氧化鈣發生二次凝膠反應，形成更為密實的C-S-H 凝膠結構，縮小混凝土的內部孔隙[5]。內部交聯結構更為密實，從而提高砂漿混凝土的抗壓強度和抗折強度。粉煤灰摻量繼續增多，由于水泥被過多取代，砂漿整體水化速率降低，硬化時間延長，混凝土強度降低。在水化反應的中后期，由于水化反應徹底，混凝土孔隙間水溶液堿性增強，粉煤灰的活性在不斷增強，混凝土試件最終強度趨于一致，以20%粉煤灰摻量試件的強度增長規律最為顯著。

3.3 抗滲性

采用SS-15 型抗滲儀對砂漿混凝土的抗滲性進行測試，在制備的混凝土試件上保壓72 h，測試試件的透水效果。試驗結果表明，試件均不透水，抗滲性效果顯著。超細粉煤灰的加入提高砂漿混凝土的密實性，縮小孔隙結構，從而提高砂漿混凝土的抗滲性和耐久性。而在試件的滲水高度上，由于試件的偏差較大，每個試件選取10 個測點，每5 個試件作為一組數據，取其平均值進行測試，滲水高度見圖3。在粉煤灰摻量為10%時，抗滲高度最低，粉煤灰摻量的繼續增加，由于凝膠材料數量降低過多，砂漿混凝土的致密程度在逐漸降低，粉煤灰雖能與水化物繼續發生二次反應，但在空間結構上致密性下降，抗滲性下降。

圖3 砂漿試件的抗滲性

3.4 收縮性能

按照《水泥膠砂干縮試驗方法》JC/T 603—2004制作標準銅釘試件，見圖4。對不同齡期的試件進行測試，對測試結果經計算處理繪制不同超細粉煤灰砂漿的干縮率圖，見圖5。

圖4 水泥膠砂干縮試件

砂漿收縮是水泥類材料的普遍現象，由于SAC的快硬特性，砂漿的收縮被加速和提前。隨著養護時間的逐漸增加，砂漿試件毛細孔內的水溶液在逐漸減少，內部濕度逐漸降低，干縮情況逐漸增大，超過30 d 后趨于穩定，這種穩定一方面是OPC 水化反應徹底，體積趨于穩定；另一方面SAC 水化后期鈣礬石含量增多，鈣礬石的微膨脹彌補了體系的收縮[6]。在相同齡期時，超細粉煤灰用量越多，水泥砂漿的自收縮越小。高摻量超細粉煤灰造成單位體積內水泥顆粒數量減少，水泥消耗的水分就相應減少，單位體積的自收縮也較小。整體上來看，粉煤灰數量的增多對減低砂漿自收縮具有積極影響。

圖5 砂漿的干燥收縮

4 結語

超細粉煤灰可以提高砂漿的流動性，但摻量超過10%后流動度會出現下降的趨勢。超細粉煤灰在堿性環境下能夠與水泥水化物發生二次反應，對提高砂漿的力學性能和抗滲性具有積極影響，摻量超過最大值后，水泥被過量取代，砂漿強度降低。同時，由于SAC 的快硬早強特性，摻入粉煤灰后可降低水泥砂漿的干燥收縮效果，粉煤灰用量越多，干燥收縮越小。