高貝利特硫鋁酸鹽水泥- 普通硅酸鹽水泥- 高鋁水泥復合膠凝材料制備超早強修補砂漿

王德剛

河南五建混凝土有限公司（450100）

0 前言

當前基礎設施建設高速發展，公路、鐵路、橋梁、機場等交通基建設施在其中占據了重要地位[1-2]。當這些基建設施由于自然災害或者老化破損造成開裂塌陷時，需要對其快速搶修以盡快恢復交通秩序并降低生命財產損失。因此，研制道路快速搶修用超早強修補砂漿是十分必要的。

絕大多數是因為新舊混凝土（砂漿）在界面脫落而導致修補失敗。新混凝土或砂漿100～200 μm過渡層是黏結界面最薄弱層，該層富含氣孔、裂縫、水膜以及鈣礬石和氫氧化鈣粗大晶體，而此晶體強，是修補失效的一大關鍵因素。彈生模量相對低的材料變形更大，在另一相的約束下必然引起過渡區應力集中，如果過渡區沒有足夠的強度，不管修補材料的彈性模量或高或低都會在變形累積到一定程度時脫落。對于修補加固材料的力學性能，一般要求不得低于甚至高于基材的抗壓、抗折、抗拉強度；與基材有足夠的黏結抗折和黏結抗剪強度；且彈性模量和線膨脹系數與基材接近。

以適當成分的快凝快硬高貝利特硫鋁酸鹽水泥熟料、摻加適量的礦渣、粉煤灰、其混合物及適量石膏（或工業副產石膏）磨細制成的具有快凝快硬性能的水硬性膠凝材料，成為雙快高貝利特硫鋁酸鹽水泥，快硬高貝利特硫鋁酸鹽水泥具有快凝快硬、抗凍、抗硫酸鹽腐蝕等特性，早期強度沒有純硫鋁酸鹽水泥強度高，由于含有大量貝利特水泥，后期強度增長強勁，90 d 后仍有較大增長，因此用普通硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥對其進行改性[3]。

本試驗從修補加固材料的快硬而不速凝、承載性能、黏結耐久、變形等幾個關鍵性能要求出發，研制了超早強水泥基快速修補加固材料，并對其性能和工程應用情況進行了介紹。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

硫鋁酸鹽水泥:42. 5 級高貝利特硫鋁酸鹽水泥，唐山北極熊建材有限公司生產，基本性能和主要性能指標見表1；普通硅酸鹽水泥42.5 級，天瑞水泥有限公司生產其化學組成見表1；硅灰:比表面積23 559 m2/kg，SiO2含量92.24%；石英砂:20～40目和40～70 目；減水劑:聚羧酸減水劑（粉劑），西卡540P；消泡劑P803:德國明凌粉體消泡劑；緩凝劑:酒石酸；早強劑:碳酸鋰；可再分散乳膠粉:型號5010，德國瓦克化學公司生產。

表1 水泥化學組成

1.2 試驗方法

工作性能測試及力學性能測試：超早強聚合物修補砂漿的抗壓強度與抗折強度按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》規定的方法測定。黏結性能測試:按JC/T 2381—2016《修補砂漿》中拉伸黏結強度和界面彎拉強度試驗方法進行。對于拉伸黏結強度測試，應先在基底水泥砂漿試塊上成型厚度為10 mm 的修補砂漿，24 h 脫模后放置在標準試驗條件下養護13 d，然后在砂漿表面涂上環氧樹脂等高強度膠黏劑進行拉拔夾具的黏接，養護24 h 后進行拉伸黏結強度測試。

1.3 試驗配合比

根據流動度和抗折抗壓強度確定最佳比例，試驗配合比見表2 和表3。

表2 試驗配合比

表3 黏結強度

2 結果與分析

2.1 凝結時間

不同比例的BS.CAF/PO/CAC 對初凝和終凝時間的影響，隨著BS.CAF 的增加，凝結時間變長，因為高貝利特水泥中含有大量的C2S，而C2S 的早期活性比較低，水化比較慢，PO 水泥中的C3S 和高鋁水泥的CA 水化較快，因此，凝結時間較短如圖1 所示。

圖1 不同比例的BS.CAF/PO/CAC 凝結時間

2.2 抗壓強度

如圖2 所示，BS.CAF 水泥總用量為60%的3組配比對應的早期抗壓強度要高于總用量50%和70%的6 組配比。其中，BS.CAF/PO/CAC=60:20:20試樣的2 h 抗壓強度高40 MPa，1 d 強度大于60 MPa。通過對比發現，當PO/CAC 相同時，隨著BS.CAF 配比的升高，早期的抗壓強度呈先升高后降低的趨勢。早期膠凝體系的水化速率與體系CAS 和CA 的含量有關，CAS 和CA 含量越高水泥水化越快。但是，后期強度與C3S 和C2S 含量相關，C3S 和C2S 越高，后期強度越高[4]。高鋁水泥占比越高，水化反應速率越快，早期強度也會有一定程度的提升。綜合考慮后，確定BS.CAF 水泥的用量為60%，P·O42.5 水泥的用量為20%，CAC 水泥用量20%，此時修補砂漿的2 h 抗壓強度≥40 MP，1 d 抗壓強度≥60 MPa，3 d 抗壓強度接80 MPa。以下試驗均采用該最佳配比進行研究。

圖2 不同比例的BS.CAF/PO/CAC 抗壓強度

2.3 黏結強度

未摻膠粉時，體系的1、3、28 d 黏結強度分別為1.2、1.4、1.7 MPa；隨著膠粉摻量的增加，各齡期的黏結強度是在增加的，當膠粉含量大于2%時，體系黏結強度趨于穩定，這是由于漿體中能溶解的EVA已經趨于飽和[5]。但是，隨著膠粉的增加，各齡期的抗壓強度在降低，特別是早期強度，EVA 溶解后吸附在水泥顆粒表面，影響了水泥的水化，因此，強度會降低。摻入2%的膠粉，2 h 抗壓強度仍然大約40 MPa，1 d 抗壓強度大于60 MPa，而且后期強度影響不大，但是黏結強度有顯著提升，因此，膠粉建議添加量為2%。

3 結論

文章用以高貝利特硫鋁酸鹽水泥、P·O42.5 水泥、CA-50 高鋁水泥為膠凝材料，研究了三種水泥配比、緩凝劑、早強劑、EVA 膠粉研制了一種道路快速搶修用超早強修補砂漿，探究了影響體系性能的諸多因素，得出以下結論:①BS.CAF 水泥的用量為60%，P·O42.5 水泥的用量為20%，CAC 水泥用量20%；②體系中膠粉的最佳摻量是2%；③可制備出2 h 抗壓強度為43.5 MPa，1d 抗壓強度60.1 MPa，黏結強度2.0 MPa，28 d 抗壓強度為96.2 MPa，黏結強度為2.6 MPa 的快速修補砂漿。