水利工程水泥快速修補材料性能試驗研究

2020-06-23 03:32:02王迪

水利科技與經濟 2020年6期

王迪

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概述

隨著我國水利工程建設的發展，越來越多的工程修補問題也不斷涌現。材料的選擇是水利工程修補工程中的重要工作，修補材料的性能直接制約著材料的使用。因此，水利工程通常采用的修補材料也得到大量學者的關注與研究[1-5]。

現有研究通常把水利工程中的水泥修補材料劃分3類：第一類為普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥及粉煤灰等無機水泥[6-7]，水泥材料養護過程中應當嚴格按照要求執行，相較于其他修補材料，水泥材料的強度總體上較好，材料價格低，取材方便。第二類為主要為以瀝青為主的有機材料[7-8]，瀝青材料施工程序較為簡單，施工操作容易，但瀝青材料與修補部位處的融合特性偏差，容易出現老化問題，耐久性不強。第三類為環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯、酚醛樹脂等有機聚合物材料[9]，這類材料前期強度低，耐久性也比較差。從上述研究可以看出，相較于有機類修補材料，無機類材料適用性具有突出的優勢，但常用的普通水泥很難滿足部分水利工程需要在緊急情況下迅速完成修補的需求，而早強型硅酸鹽水泥稠度過小，粘接效果不佳，濃度過大則難以實現較好的注漿。基于此，許多學者展開了大量研究，結果發現在早強硅酸鹽水泥中加入部分黏土和金屬礦物質進行化學反應可以增強原有水泥的黏膠性，且流動性較好，該復合硅酸鹽水泥已大量應用在重金屬固化中[10-11]，而黏土金屬復合型早強水泥在水利工程修復中鮮見使用。為了拓展水利工程修補材料選擇范圍，彌補現有材料的缺陷不足，研究此類復合早強型硅酸鹽的適用性，本文開展復合早強型硅酸鹽水泥的抗壓性能及流動性能實驗，對其凝結特性進行分析，為水利工程修補提供理論數據參考。

2 試驗材料及配比

2.1 水泥配比

按照早強硅酸鹽水泥占比80%；鐵原料、鋁原料及硅質原料作為輔助原料，占比5%；黏土占比10%；外加劑使用礦化劑、耐磨劑，控制比例為5%，將上述原料混合拌勻得到新復合早強水泥，其中原有早強硅酸鹽水泥中氧化鈣含量不低于45%，配比參數見表1。

表1 硅酸鹽水泥主要原料的配比參數值 /%

2.2 試驗設計及過程

試驗采用UJZ-15砂漿攪拌機低速攪拌、R6201A 型手持式電動攪拌機高速攪拌、HCZT-1 型混凝土程控磁盤振實臺振實的方法進行新復合水泥抗壓試件制作。

攪拌過程：將硅酸水泥、輔助料、外加劑倒入攪拌筒內低速干拌3 min；然后沿攪拌筒邊緣緩慢倒入20°清水，以獲得均勻流動的基材，攪拌3 min；隨后將黏土沿著攪拌筒旋轉的方向緩慢加入，時間控制在7 min 以內；混合材全部加入后高速攪拌6 min，以確保黏土分散均勻，不出現結團現象，攪拌過程見圖1。攪拌好的漿液用鏟子挑起后，可觀察到其依靠自重下降，相互之間有粘連，說明新復合水泥具有較好的流動性和膠聚性。

圖1 攪拌中的復合早強硅酸鹽水泥

3 試驗及結果分析

3.1 抗壓強度分析

對普通硅酸鹽水泥和復合早強硅酸鹽水泥采用多種水膠比進行攪拌實驗，澆筑成15 cm3試塊進行抗壓試驗，試驗結果見表2、表3，對應分析結果見圖2。

表2 復合早強硅酸鹽水泥不同時間抗壓強度試驗結果

續表2

表3 普通硅酸鹽水泥不同時間抗壓強度試驗結果

圖2 水泥水膠比與抗壓強度關系

由圖2(a)可以看出，復合早強型硅酸鹽水泥第3天與第22天抗壓強度相比，明顯偏小；兩者均表現出抗壓強度隨著水灰比的增大而減小的趨勢，減小速率趨向于線性，且兩者抗壓強度隨著水灰比的增大差值有所降低；在水灰比為0.18時，第3天的抗壓強度為53 MPa，約為第22天抗壓強度的70%，表明復合早強型硅酸鹽水泥3天內的強度增長速度非常快，隨著時間的推移強度增長速度減小；水灰比為0.39時，第3天抗壓強度為31 MPa，約為第22天抗壓強度的65%，表明復合早強硅酸鹽水泥受水灰比影響明顯，隨時間推移水泥每天抗壓強度增長速度較為均衡。由圖2(b)、表3分析可知，普通硅酸鹽水泥第3天與第22天抗壓強度相比，明顯偏小；抗壓強度隨著水灰比的增大而減小的趨勢，且兩者抗壓強度隨著水灰比的增大差值有所降低；在水灰比為0.41時，第3天的抗壓強度為25 MPa，約為第22天抗壓強度的71%，表明復合早強型硅酸鹽水泥3天內的強度增長速度非常快，隨著時間的推移強度增長速度與復合硅酸鹽水泥相同，均表現減小；水灰比為0.51時，第3天抗壓強度為13 MPa，約為第22天抗壓強度的68%，表明普通硅酸鹽水泥受水灰比影響明顯，隨時間推移水泥每天抗壓強度增長速度較為衡。

對比復合早強型水泥與普通硅酸鹽水泥在同一齡期的抗壓性能，可以看出，2 種類型水泥漿水膠比均不超過1，兩者水膠比最高值分別為0.4和0.51，兩種水泥類型在第22天的抗壓強度為35和75 MPa，抗壓強度較為均衡。綜合圖2可以得出，兩種類型水泥漿，在不同水膠比均表現出隨著試驗塊的養護期齡的增長而增加，變化規律接近。普通硅酸鹽水泥漿的水膠比均表現比復合硅酸鹽水泥的水膠比高。

3.2 水泥凝結時間與流動性

對普通硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥的各種水膠比的凝結時間和流動性進行試驗，試驗結果見圖3。

圖3 水泥凝結時間與流動度特性

從圖3可以看出，在水膠比較小時，復合硅酸鹽水泥的流動性相較于普通硅酸鹽水泥明顯要強，因此能夠分析出普通硅酸鹽水泥要高于復合硅酸鹽水泥的需水量，兩種水泥的流動性隨水膠比的增加，流動性呈現顯著的遞增變化；對兩種類型的水泥凝結時間的實驗數據進行分析，得出普通硅酸鹽水泥凝結時間明顯高于復合硅酸鹽水泥，復合硅酸鹽水泥凝結時間能夠控制在20 min之內。由圖3(b)可以看出，凝結時間隨著水膠比的增大而增大，表明可以通過控制兩種水泥的水膠比來控制水泥的凝結時間。復合硅酸鹽水泥不僅具有良好的流動性能，而且具有快速的凝結時間，使其能夠成為快速修補水利工程損壞處的材料。

3.3 水泥期齡與抗壓強度分析

水泥的抗壓強度與凝結強度是水利工程修補材料特性中的兩項非常重要的指標，通過試驗數據分析展開不同期齡情況下兩種類型水泥的抗壓強度和凝結強度分析，結果見圖4。

由圖4(a)可以看出，在22天期齡內，兩種水泥的抗壓強度呈現非線性增長，且兩種水泥增長規律較為一致，均表現為增長速度由大到小的規律；復合硅酸鹽水泥抗壓強度整體高于普通硅酸鹽水泥，隨著期齡的增加，兩中水泥的抗壓強度的差值減小，逐漸趨于相等，由初期兩種水泥抗壓強度相差35 MPa到第22天相差5 MPa。由圖4(b)可以看出，復合硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥的凝結強度均隨水泥期齡的增加而增加，且無論是在水泥凝結初期還是在其末期，增長速度表現出線性增長的規律；復合硅酸鹽水泥的凝結強度相比普通硅酸鹽水泥高，其初期凝結強度為1.65 MPa；與普通硅酸鹽水泥相比，復合硅酸鹽水泥凝結性能更好，更能適應水利工程修補。