環境溫度對快硬性水泥基修補材料性能的影響*

呂江鵬 張高望 袁 捷

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

水泥混凝土在公路路面和機場道面中廣泛使用。在服役期間，受到車輛荷載、環境溫濕度變化等周期性作用及有害離子的侵蝕，水泥混凝土會出現邊角剝落、接縫破碎和表面損傷等不同程度損壞。為保證水泥混凝土結構安全、耐久，需要對其進行及時修補。

目前用于水泥混凝土修補的材料種類比較多。而水泥基材料與原水泥混凝土具有良好的變形協調性，在工程中得以廣泛應用[1-2]。現有研究主要集中在通過改變材料不同組分含量或添加外加劑，制備出在一定環境條件下凝結時間能夠滿足施工要求且早期強度較高的修補材料。羅萍等[3]研究了在不同粉煤灰和礦渣摻量下修補材料的工作性和力學性能。郭唯一等[4]研究了普通硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-丁苯膠乳三元復合膠凝體系的力學性能和工作性。胡張莉等[5]分析了水灰比、硼砂摻量、氧化鎂比表面積等對磷酸鹽水泥凝結時間的影響。齊召慶等[6]研究了MgO比表面積、M/P比值、水灰比等因素對磷酸鹽水泥力學強度的影響。目前，針對環境溫度對快硬性水泥基修補材料影響的研究較少，未有考慮施工環境溫度影響快硬性水泥基修補材料凝結時間，進而影響后期服役強度的研究。

本文針對常用的改性硅酸鹽水泥基材料和磷酸鹽水泥基材料，擬通過凝結時間、內部溫升和力學性能測試，研究不同環境溫度對材料凝結時間、內部溫升峰值，以及峰值出現的時間、內部溫度變化速率、早期強度和后期強度的影響，以為快硬性水泥基修補材料的現場施工提供指導和幫助。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1改性硅酸鹽水泥基材料

改性硅酸鹽水泥由電化無機材料(天津)有限公司生產，其通過增加C3S的含量和細度與摻加日本電氣化學生產的快硬劑，達到快速修復小時級強度要求。試驗所用配合比為m(膠凝材料)∶m(水)∶m(細骨料)=1∶0.33∶1.5，其中細骨料為普通河砂，細度模數約為2.7。

1.1.2磷酸鹽水泥基材料

磷酸鹽水泥由杭州中港建工工程有限公司生產，其由氧化鎂、磷酸二氫氨、硼砂緩凝劑及礦物摻合料按照一定比例配制而成。試驗所用配合比為m(膠凝材料)∶m(水)∶m(石英砂)=1∶0.12∶1。

1.2 試驗方法

1.2.1凝結時間測試

水泥基修補材料的凝結時間測試方法參考JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，采用貫入阻力儀法。快硬修補材料的凝結時間較短，為保證凝結時間測試的精確性，以貫入阻力值為1 N時開始測量，其后每分鐘測試1次。通過將測試環境的溫度控制在10，15，20，25，30 ℃，研究環境溫度對水泥基修補材料凝結時間的影響。同時，當材料拌和后倒入磨具中振動時，在混合料中放入溫度傳感器外接探頭，以檢測材料內部溫度的實時變化。溫度傳感器類型為精創RC-4，精度為0.1 ℃，記錄間隔為10 s。

1.2.2力學性能測試

水泥基修補材料的抗折強度、抗壓強度測試方法參考GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，測試齡期為3 h，1，3，7 d。在20 ℃環境溫度下成型，成型后分別放入3，20，30 ℃環境中養護，相對濕度范圍為58%～63%。

2 試驗結果與討論

2.1 凝結時間與內部溫升

改性硅酸鹽水泥基材料和磷酸鹽水泥基材料在不同環境溫度下的凝結時間見圖1。

圖1 不同環境溫度下的凝結時間

由圖1可見，2種材料的凝結時間都較短，通常在1 h之內，且對溫度都具有很高的敏感性。當溫度從10 ℃升高到30 ℃，磷酸鹽水泥基材料的凝結時間從51 min降到10 min；改性硅酸鹽水泥基材料的凝結時間從29 min降到7 min。溫度對修補用水泥顆粒的溶解、水化反應均有較大影響。較高的環境溫度可以增加水泥顆粒的溶解活性，加快水泥的水化反應，促進水泥水化產物的生成，在內部晶體之間快速相互搭接，從而凝結硬化。

為了定量描述溫度對凝結時間的影響規律，將凝結時間和環境溫度通過回歸分析進行擬合(見圖2)，發現兩者具有很好的線性相關性，相關系數R2大于0.9。根據擬合方程可以看出，環境溫度每升高5 ℃，磷酸鹽水泥基材料的凝結時間降低約10 min，改性硅酸鹽水泥基材料的凝結時間降低約5 min。因此，快硬性水泥基材料凝結時間受溫度影響顯著，在現場修補施工時，需根據實際溫度對施工工序、施工人員進行合理的安排，防止材料凝結過快導致無法施工或修補質量降低。

圖2 環境溫度與凝結時間的線性擬合圖

放熱行為是水泥水化過程的一個重要表現形式。通過測試水泥基修補材料實時內部溫度θ(t)和計算溫度變化速率Δθ/Δt來研究環境溫度對材料水化進程的影響。其中，根據θ(t)的斜率和達到峰值的時間，可以看出水泥水化速率的快慢；Δθ/Δt可以直觀地反映出各個時刻材料內部溫度變化的快慢，根據其大小和達到峰值的時間，可以更加直觀地比較不同條件下的水泥水化速率。

改性硅酸鹽水泥基材料和磷酸鹽水泥基材料在不同環境溫度下的時間-內部溫度θ(t)和時間-溫度變化速率Δθ/Δt分別見圖3、圖4。

圖3 環境溫度對水泥基修補材料內部溫升的影響

圖4 環境溫度對水泥基修補材料內部溫度變化速率的影響

由圖3可見，隨著環境溫度的升高，材料內部溫度曲線峰值增大，且達到峰值的時間縮短。在圖3a)中，當環境溫度為10 ℃時，磷酸鹽水泥基材料內部溫度峰值為36.5 ℃，達到峰值的時間為107 min；當環境溫度為30 ℃時，其溫度峰值達到了86.6 ℃，達到峰值的時間為24 min。在圖3b)中，當環境溫度10 ℃時，改性硅酸鹽水泥基材料內部溫度峰值為49.8 ℃，達到峰值的時間為61.5 min；當環境溫度為30 ℃時，其溫度峰值達到了71.0 ℃，達到峰值的時間為44 min。將溫度峰值減去材料內部起始溫度，可以發現隨著環境溫度的升高，材料內部的溫升值逐漸增大。

由圖4可見，隨著環境溫度升高，水泥基修補材料內部溫度變化速率的峰值越高且達到峰值的時間也越短。在圖4a)中，當環境溫度較高時，磷酸鹽水泥基材料內部溫度變化速率隨時間的變化較為劇烈；而環境溫度較低時，溫度變化速率隨時間增長則基本保持平穩。主要是因為在低溫環境下，一方面磷酸鹽水泥中MgO和NH4H2PO4的溶解度和溶解速率較低，通過酸堿中和進行的水化反應較慢，水化放熱量積累速度較慢；另一方面水泥水化過程中釋放的熱量與外界環境進行快速的熱交換，通過水化放熱引起內部溫度升高而促進水化速率的作用較低。溫度變化速率在達到峰值后迅速降低，且環境溫度越高其最低值越小，可能是由于：①在高溫環境下材料內部水分快速向外界傳遞并蒸發，導致內部用于水化反應的水分不足；②水泥水化程度達到了硬化階段，未水化的水泥顆粒減少；③材料內部溫度較高，與外界環境進行快速的熱交換。在圖4b)中，環境溫度對改性硅酸鹽水泥基材料內部溫度變化速率隨時間變化規律的影響與磷酸鹽水泥基材料基本相同，但改性硅酸鹽水泥基材料水化過程受環境溫度影響較低。

綜合圖1～4可見，環境溫度對水泥基修補材料的凝結時間、內部溫度變化及溫度變化速率具有較大影響。通過分析發現，環境溫度通過影響修補用水泥顆粒的溶解度與溶解速度、水泥基修補材料內部和外界環境的熱交換速率，從而對水泥基修補材料的凝結時間產生較大影響。相對于改性硅酸鹽水泥基材料，磷酸鹽水泥基材料的凝結硬化過程受環境溫度影響更大，主要是由于磷酸鹽水泥中MgO溶解受溫度影響較顯著。當溫度升高時，漿體中Mg2+含量增加速度大于NH4H2PO4和硼砂，硼砂B4O72-通過吸附在MgO表面阻止其溶解而達到緩凝的作用減小。

2.2 力學性能

不同環境溫度養護條件下，磷酸鹽水泥基材料力學性能隨齡期增加的變化情況見圖5。

圖5 環境溫度對磷酸鹽水泥基材料強度的影響

如圖5所示，3 h齡期的抗折強度和抗壓強度隨環境溫度的升高而增加，3，20，30 ℃環境溫度養護下的抗折強度分別為2.57，6.37，7.67 MPa，抗壓強度分別為9.7，37.23，52.88 MPa。而在1 d齡期時，20 ℃條件下養護的試件抗折強度和抗壓強度高于30 ℃條件下養護的，且3 ℃條件下養護的試件強度逐漸接近前兩種條件下的。當齡期為3 d和7 d時，試件強度依次為：3 ℃條件下養護>20 ℃條件下養護>30 ℃條件下養護。根據上述結果可以得出，養護環境溫度越高，磷酸鹽水泥基材料的早期強度越高，而后期強度越低。對比圖5a)和圖5b)可見，后期的抗折強度受環境溫度的影響比抗壓強度大。相比于3 ℃條件下的強度，30 ℃條件下7 d的抗折強度減少了22.8%，抗壓強度減少了8.7%。

不同環境溫度養護條件下，改性硅酸鹽水泥基材料力學性能隨齡期增加的變化情況見圖6。

圖6 環境溫度對改性硅酸鹽水泥基材料強度的影響

由圖6可見，3，20，30 ℃環境溫度養護下3h齡期的抗折強度分別為5.3，5.5，4.9 MPa，抗壓強度分別為27.82，30.23，27.5 MPa。當齡期為3 d和7 d時，試件的抗折強度為：3 ℃條件下養護>20 ℃條件下養護>30 ℃條件下養護，而抗壓強度基本相同。根據上述結果可以得出，當養護環境溫度小于等于20 ℃時，改性硅酸鹽水泥基材料早期強度隨著環境溫度升高而輕微增加。當環境溫度大于20 ℃時，早期抗折強度則會隨環境溫度增加而降低。改性硅酸鹽水泥基材料后期抗折強度受環境溫度影響較大，隨環境溫度的升高而逐漸降低，而抗壓強度則相對受環境溫度影響較小。相比于3 ℃條件下的抗折強度，30 ℃條件下7 d的抗折強度減少了17.4%，抗壓強度減少了1.0%。

綜合圖5和圖6可見，當環境溫度在一定范圍內，水泥基修補材料的早期抗折強度和抗壓強度會隨環境溫度升高而增加，后期強度則隨著環境溫度升高而降低。水泥基修補材料早期強度的發展主要受水泥水化速率的影響，當達到一定齡期后，水泥水化程度逐步趨于穩定[7]，材料的強度主要取決于最終水化程度和內部微細觀結構[8]。較高的環境溫度可以加快水泥在早期的水化速率，促使材料快速凝結硬化，但同時由于水化熱量的快速積累，材料內部溫度升高，水分蒸發，使用于水化反應的水分減少，導致最終水化程度降低，水化產物分布不均且粗晶體較多[9-10]，同時由于較大拉應力的產生對材料內微環境和微結構造成損傷[11-12]，從而對后期強度產生影響。因此，在修補施工中，需根據環境條件平衡好材料的凝結時間和強度，保證在材料快速凝結硬化的過程中水化產物晶粒生長完好，微結構損傷小。夏季溫度較高時，除非緊急搶修，否則不推薦施工。

3 結論

1)水泥基修補材料的凝結時間通常在1 h之內，且對環境溫度具有較大的敏感性。隨環境溫度升高，凝結時間逐漸減小。

通過回歸分析，凝結時間和環境溫度具有很好的線性相關性，相關系數R2>0.9。環境溫度每升高5 ℃，磷酸鹽水泥基材料凝結時間減少10 min，改性硅酸鹽水泥基材料凝結時間減少5 min。因此，在修補施工時，需根據實際溫度對施工工序和施工人員進行合理的安排，以防止材料凝結過快導致無法施工或修補質量降低。

2)環境溫度對水泥基修補材料內部溫升峰值和峰值出現的時間、溫度變化速率均有較大影響。相對于改性硅酸鹽水泥基材料，磷酸鹽水泥基材料的凝結硬化過程受環境溫度影響更大。

3)當環境溫度在一定范圍內，水泥基修補材料的早期強度會隨環境溫度升高而增加，后期強度則隨著環境溫度升高而降低。其中，后期抗折強度受環境溫度影響較為顯著。相比于3 ℃條件下的強度，30 ℃條件下的磷酸鹽水泥基材料7 d齡期抗折強度減少了22.8%，抗壓強度較少了8.7%；改性硅酸鹽水泥基材料7 d齡期抗折強度減少了17.4%，抗壓強度減少了1.0%。

在修補施工中，需根據環境條件平衡好材料的凝結時間和強度。夏季溫度較高時，除非緊急搶修，否則不推薦施工。