水利工程硅酸鹽水泥快速修補材料的試驗研究

2022-09-22 03:08:12孟慶宇

黑龍江水利科技 2022年8期

孟慶宇

(凌海市水利事務服務中心，遼寧凌海 121200)

0 引言

目前，水利工程技術人員越來越關注水泥快速修補材料的應用研究[1-4]。結合相關研究成果，可以將水泥快速修補材料劃分成以有機聚合物為主的材料、以瀝青及環氧樹脂為主的有機材料和以傳統水泥為基礎的無機材料[5-7]。其中，有機聚合物材料的早期強度和耐久性相對較低，有機瀝青及環氧樹脂材料容易老化且耐久性、融合特性較差，傳統水泥基材料的強度整體偏低且需要嚴格的養護措施。因此，為滿足水利工程快速修補需求有必要研究分析新的修補材料。通過化學反應硅酸鹽水泥能夠生成黏聚性能良好的材料，近年來被廣泛應用于重金屬固化等領域，而對水利工程的快速修補這種特性材料的試驗應用還鮮有報道[8-12]。鑒于此，文章通過試驗研究探討了硅酸鹽水泥快速修補材料的凝結時間、流動度、收縮率、抗凍性和力學特性，旨在為水利工程快速修補材料的合理應用提供一定技術支撐。

1 試驗配比方案

設計鋁質、硅質、鐵質等校正原料比例5%，助磨劑、晶種、礦化劑等外加劑比例5%，黏土質和石灰質原料比例10%、80%，經科學配比組合生成硅酸鹽水泥。試驗時選用泥灰巖作為石灰質原料，高鈣泥灰巖與黏土混合配比，硅酸鹽水泥的原料配比見表1。

表1 原料配比參數值

2 結果與分析

2.1 不同水泥砂漿抗壓強度

試驗分析不同配合比和水泥類型的砂漿抗壓強度，試驗結果如表2，抗壓強度隨水膠比變化曲線見圖1。

表2 不同齡期的抗壓強度值

續表2 不同齡期的抗壓強度值

通過對比同一齡期不同類型水泥砂漿抗壓強度數據，結果顯示普通水泥、硅酸鹽水泥的水膠比為0.42-0.52和0.19-0.40之間，其21d抗壓強度處于46MPa-75MPa和18MPa-35MPa，試驗結果比較均衡。圖1表明，隨著齡期的延長不同水膠比下2種類型水泥的抗壓強度逐漸增加，變化趨勢整體一致，并且硅酸鹽水泥砂漿整體高于普通水泥砂漿的水膠比。

2.2 流動度與凝結時間試驗

在合理確定砂漿配比的情況下，試驗分析不同水膠比下各類型水泥的流動度及其凝結時間，見圖2。

(a)硅酸鹽水泥 (b)普通水泥

試驗表明，水膠比較小的條件下，硅酸鹽水泥明顯優于普通水泥的流動度，硅酸鹽水泥與普通水泥材料相比其需水量更少，隨水膠比的增大兩種水泥的流動度均表現出逐漸上升的變化趨勢。結合凝結時間數據，硅酸鹽水泥比普通水泥材料的凝結時間明顯縮短，整體≤20min。因此，通過調整水泥膠比可以控制硅酸鹽水泥的凝結時間，憑借其較快的凝結速度以及優越的流動性能硅酸鹽水泥逐漸成為水利工程快速修補材料[13-14]。

2.3 凝結強度與抗壓強度試驗

水泥砂漿的主要特征有凝結強度和抗壓強度，結合試驗數據對比分析兩種水泥不同齡期的凝結強度以及抗壓強度，見圖3。

試驗表明，齡期達到21d時兩種水泥的抗壓強度相差不大，并且變化趨勢整體一致。隨齡期的增大硅酸鹽水泥的抗壓強度變化趨勢總體高于普通水泥，其初期抗壓強度達到34.0MPa，明顯高于普通水泥。結合凝結強度試驗數據，無論是早期還是后期硅酸鹽水泥均高于普通水泥的凝結強度，硅酸鹽水泥的早期凝結強度達到1.5MPa，與普通水泥相比具有更優的凝結性。

2.4 砂漿耐久性與收縮率試驗

結合試驗數據分析不同齡期各類型水泥的耐久強度以及干縮特性，見圖4。結果發現，硅酸鹽水泥的21d干縮壓變相比于普通水泥砂漿減少了71.6%，抗磨沖刷強度即為水泥砂漿的耐久強度，硅酸鹽水泥較普通水泥的耐久強度提高41.6%。根據收縮率試驗數據，不同齡期內硅酸鹽水泥均低于普通水泥的收縮率，這表明硅酸鹽水泥優于普通水泥的干縮穩定性，具有更加穩定的工程修補性能[15]；結合耐久強度數據，硅酸鹽水泥要高于普通水泥的耐久程度，隨著齡期的不斷延長其耐久度上升幅度逐漸趨于穩定，但兩種水泥砂漿的耐久度差值也不斷增加。

(a)凝結強度 (b)抗壓強度

2.5 不同齡期抗凍及變形試驗

兩種類型水泥的不同齡期抗凍性能及變形特性試驗數據見表3、4。由表3可知，凍融循環達到90次時硅酸鹽水泥的質量損失率只有0.14%，凍融循環達到120次時硅酸鹽水泥的相對彈性模量達到56.1%，其抗凍性能明顯優于普通水泥。總體而言，兩種水泥的抗凍性能相差不大[16-20]。結合表4中試驗數據，硅酸鹽水泥相比于普通水泥的1d、7d、21d極限拉伸值增加了26.9%、30.4%、28.2%，其抗拉彈性模量減少了13.7%、15.9%、22.6%，抗拉強度增加42.3%、25.0%、20.7%，抗壓彈性模量減少了35.5%、29.5%、25.0%，所以硅酸鹽水泥相對于普通水泥具有更好的力學特性。