水利工程常用水泥類型快速修補材料的性能試驗分析

畢冬旭

(遼寧澤成水利工程檢測服務有限公司，遼寧 新民 110300)

當前，水利工程常用的水泥快速修補材料得到學者的廣泛關注和研究[1-5]，通過這些研究可知，用于水利工程水泥快速修補的材料主要分為3類，第一類主要為傳統水泥為基礎的無機材料[6]，第二類為主要為以環氧樹脂及瀝青為主的有機材料[7]，第三類主要以有機聚合物為主的材料[8]。第一種水泥材料需要嚴格的養護措施且強度總體偏低，第二種材料相融合的特性較差，容易老化且耐久性能較差，第三種材料早期的耐久性和強度都要低于其他兩種修補材料。常用的傳統水泥修補材料不能較好的滿足水利工程的快速修補需求，亟需要對新的水泥修補材料進行分析。近些年來，硅酸鹽水泥通過化學反應得到黏膠性能較好的材料，在重金屬固化中得到廣泛應用[9-10]，但是這種特性材料在水利工程的快速修補中還未得到相關應用，為解決水利工程水泥快速修補材料的需求，進行硅酸鹽水泥快速修補材料的性能，分析其凝結和抗壓特性，為水利工程快速修補材料的研究提供重要的參考價值。

1 試驗材料及配比方案

按照石灰質原料占比80%，黏土質原料比例為10%，鐵質、硅質、鋁質原料作為校正原料，占比為5%，礦化劑、晶種、助磨劑作為外加劑的占比為5%，4種原料進行組合配比得到硅酸鹽水泥，其中石灰質原料可選用泥灰巖，其中高鈣泥灰巖中Cao的占比為45%，KH>0.95，與黏土進行混合配比。主要的配比參數見表1。

表1 硅酸鹽水泥主要原料的配比參數值 單位：%

2 試驗結果

2.1 砂漿配合比的確定

首先對不同類型水泥的砂漿配合比進行試驗分析，各類型水泥不同水膠比下的抗壓強度試驗結果見表2—3，并對各類型下不同齡期下的抗壓強度進行分析，分析結果如圖1所示。

對比分析2種類型水泥在同一齡期的抗壓性能，從試驗結果可看出，2種類型水泥的砂漿總體水膠比在1.0之內，硅酸鹽水泥和普通水泥的水膠比最高比值分別為0.4和0.51，此時對應的2種水泥類型的抗壓強度在35～75MPa之間，2種水泥類型的抗壓強度均在60～80MPa的范圍內，抗壓強度較為均衡。從圖1可看出，2種類型水泥在不同水膠比下隨著齡期的增加，其抗壓強度逐步增加，變化較為一致。普通水泥砂漿的水膠比總體要高于硅酸鹽水泥砂漿的水膠比。

表2 硅酸鹽水泥不同時間抗壓強度試驗結果 單位：MPa

表3 普通水泥不同時間抗壓強度試驗結果 單位：MPa

2.2 凝結時間與流動度對比結果

在砂漿配比確定的基礎上，對不同類型各水膠比下的凝結時間及流動度進行試驗分析，試驗結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，硅酸鹽水泥在較小的水膠比時其流動度明顯好于普通水泥材料，從而可以分析出硅酸鹽水泥的需水量要低于普通的水泥材料，其各類型水泥下隨著水膠比的增加，其流動度呈現明顯的遞增變化趨勢。從各類型水泥凝結時間分析數據可看出，硅酸鹽水泥的凝結時間要明顯短于普通水泥材料，硅酸鹽水泥的凝結時間可控制在20min之內。因此可看出，可以通過調整硅鹽酸水泥的水膠比來調整其凝結的時間。硅酸性水泥優越的流動性能以及快速的凝結時間使其可以成為水利工程較快速的修補材料。

2.3 抗壓強度與凝結強度對比結果

抗壓強度與凝結強度是其主要特性，因此結合試驗分析，對不同齡期各類型水泥的抗壓強度以及凝結強度進行試驗分析，分析結果如圖3所示。

圖1 不同類型水泥水膠比與抗壓強度對比結果

圖2 不同類型水泥凝結時間與流動度特性對比試驗結果

圖3 不同齡期各類型水泥抗壓強度和凝結強度對比試驗結果

圖4 不同齡期各類型水泥收縮率和耐久強度對比試驗結果

從圖3可以分析出，在22d的齡期下，各類型水泥的抗壓強度總體較為一致，且變化趨勢較為相同，硅酸鹽水泥隨著齡期的增加，其抗壓強度總體變化趨勢要高于普通水泥，其初期的抗壓強度為32.35MPa，早期的抗壓強度較大。從各類型水泥的凝結強度試驗結果可看出，在早期還是后期，硅酸鹽水泥的凝結強度均要高于普通水泥，早期其凝結強度為1.65MPa，相比普通的水泥，硅酸鹽水泥的凝結性更佳。

2.4 收縮率與耐久度對比結果

對比分析了不同類型水泥在各齡期段的干縮以及耐久特性，試驗分析結果如圖4所示。

從圖4中可看出，相比于普通水泥砂漿，其22d內的干縮壓變降低65.7%，而耐久強度即為水泥砂漿的抗磨沖刷強度，其強度提高35.7%。從其收縮率變化過程可看出，硅酸鹽水泥的收縮率在各齡期都要高于普通水泥，可見硅酸鹽水泥的干縮體積穩定性要好于普通水泥，對于水利工程修補材料而言，更為穩定。從耐久度分析結果可看出，硅酸鹽水泥的耐久程度明顯好于普通水泥，隨著齡期的逐步增加，其耐久度的變幅也逐步在增加，達到22d穩定期內其耐久度之間的變幅達到最大。

2.5 不同齡期水泥變形及抗凍試驗結果

對不同齡期各水泥類型的變形特性及抗凍性能進行試驗分析，試驗分析結果見表4—5。

從表4中可看出，相比于普通水泥，硅酸鹽水泥3、11、22d靜力抗壓彈性模量分別下降31.2%、28.5%、24.4%，抗拉彈性模量下降比例分別為14.5%、16.6%、22.3%，而相比于普通水泥，硅酸鹽水泥的抗拉強度則分別提高43.7%、25.5%、20.8%，其極限拉伸值分別提高27.6%、29.6%及28.4%，硅酸鹽水泥的力學特性明顯好于普通水泥。從表5可看出，經過90次凍融循環試驗后，硅酸鹽水泥的質量損失率為0.13%，相對彈性模量經過110次凍融循環試驗后為55.5%，其凍融循環試驗下的抗凍性能較高，從2種類型水泥的凍融循環試驗可看出，2種水泥下的抗凍性能較為接近。相比于普通水泥，硅酸鹽水泥的抗磨沖刷強度提高35.7%。

3 試驗結論

(1)硅酸鹽水泥的需水量、凝結時間以及干縮性能都要好于普通水泥，且在早期5h以內，其砂漿的抗壓強度最佳，小時凝結性能最佳，水利工程快速修補施工性能最優。

表4 各類型水泥不同齡期變形特性試驗分析結果

注:GSY表示硅酸鹽水泥；PTS表示為普通水泥

表5 各類型水泥22d內抗凍特性試驗結果 單位：%

注:GSY表示硅酸鹽水泥；PTS表示為普通水泥

(2)硅酸鹽水泥隨著水膠比的增加，其強度逐步降低，當砂漿水膠比達到0.26后強度變化較小，在具體施工過程中，應控制水膠比從而調整硅酸鹽水泥的凝結時間。

(3)本文主要對比兩種常用水泥材料的主要性能，對于其他類型水泥還未進行深入探討，比如磷酸鎂水泥材料，在以后的研究中，還需要進一步分析更多類型的快速修補的水泥材料。