季凍區路橋新型快速修補混凝土應用性能試驗研究

摘" 要：該文從北方季凍區公路養護工程實際出發，利用傳統硅酸鹽水泥作為基材的混凝土快速修補材料，用富含Al2O3、SiO2、含硫氧化物的礦渣微粉和添加的石膏來激發水泥加快水化形成、穩定鈣礬石，以提供快修混凝土早期強度。同時將三萜皂甙類引氣劑添加到混合料中，改善水泥混凝土的和易性，增大其密實度，從而提高此類快修混凝土的耐久性能。通過不同階段的SEM觀測其水化過程及產物、分析其機理，最后通過強度、凍融循環和耐磨試驗驗證此種快速修補混凝土的應用性能。

關鍵詞：季凍區;早強混凝土;鈣礬石;三萜皂甙;激發劑

中圖分類號：TU528" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0058-05

Abstract： Based on the reality of highway maintenance project in seasonal freezing area of North China， aiming at the rapid repair material of concrete using traditional Portland cement as base material， this paper uses slag powder rich in Al2O3 amp; SiO2 and sulfur oxides and added gypsum to stimulate cement hydration to form and stabilize ettringite， so as to provide early strength of rapid repair concrete. At the same time， triterpene saponin air entraining agent is added to the mixture to improve the workability and compactness of cement concrete， so as to improve the durability of this kind of rapid repair concrete. The hydration process and products were observed by SEM in different stages. Finally， the application performance of this rapid repair concrete was verified by strength， freeze-thaw cycle and wear resistance test.

Keywords： seasonal frozen area; early strength concrete; ettringite; triterpenoid saponins; activator

隨著我國經濟的高速發展，交通運輸與道路養護之間的矛盾日益明顯，道路損壞后不能及時恢復交通勢必給道路運輸造成巨大的壓力[1]。隨之產生了大量的道路、橋梁等混凝土結構及路面因超負荷服役而發生破損，亟需維修加固或快速修補。進而一種具有凝結時間短、早期強度高特點的快速修補混凝土被廣泛應用于橋梁、港口等混凝土結構維修加固和混凝土路面的快速維修以及軍工搶修等快速搶修搶建工程中[2-4]。我國從2000年開始，對早強混凝土進行了廣泛的研究工作，李煒光等[5]利用熱重分析法討論了混凝土早強的機理，并通過研究證明了HV早強修補劑可以抑制Ca（OH）2晶體的數量從而提高了修補混凝土的早強強度。陳德鵬等[6]利用研發的能夠明顯改善混凝土早期強度、與減水劑有良好相容性的三元復合早強摻合劑配制早強混凝土，使其5H的抗折強度達到3.7 MPa。Sho等[7]、Kim等[8]利用硅酸鹽水泥生產過程中分離過濾后的水泥（SBFC），結果發現摻入20%的超細水泥后，相對于不摻情況，初凝、終凝時間縮短了超過3%，24 h抗壓強度提高了57%。范建平[9]則通過使用產量大易獲取的硅酸鹽水泥，結合自主研制的無堿、無氯的新型復超早強劑，制備了具有超早強性能、施工性能良好的修補混凝土，并利用基于掃描電鏡（SEM）、射線衍射實驗（XRD）和水化熱試驗，揭示了其此產品的早凝早強的細觀機理。近年來，很多學者也對新型早強混凝土進行了大量的研究，如丁斌等[10]則從早強型混凝土的制備方法的角度，將早強混凝土材料的制備分為摻早強劑、使用特種水泥和摻高分子聚合物3種，認為其中摻早強劑的方法為最優。鄧攀等[11]針對配合比這一技術指標配制出纖維早強混凝土，其施工性好，24 h的抗折強度滿足通車要求。

經過大量研究及工程實踐應用，人們發現此類快速修補工程中僅僅要求快速修補混凝土具有良好的力學性能、工作性是不夠的，還應該具有良好的耐久性能，特別是在我國季凍區范圍內，正負溫度交替變化使得道路橋梁混凝土凍融破壞非常嚴重，因此，還要求其具有良好抗凍性、抗滲性等耐久性能。因此，本文以普通硅酸鹽水泥為基材，通過摻加礦物微粉激發劑、三萜皂甙類混凝土引氣劑，并添加適量石膏，配制了一種新型快速修補混凝土，通過電鏡測試，揭示其水化、硬化過程中的微觀特征及對其進行力學性能、耐久性，揭示其早強、快硬、高耐久性機理及其優良的工作性能，為我國季凍區路橋新型快速修補混凝土產品的研發及應用積累了寶貴的研究經驗及成果。

1" 試驗材料及分析

1.1" 試驗用材料

本試驗選用的膠凝材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，通過試驗測得其物理力學性指標見表1。

本試驗所采用的激發劑為礦渣微粉，目的是激發水泥水化快速產生鈣礬石，提升修補混凝土早期強度，其化學組成和物理性能見表2、表3。為了生成穩定的鈣礬石晶體，還添加了適量的石膏。

細骨料砂則選用天然河砂，細度模數2.2，含泥量控制在1.5%以下，經過洗砂后備用，同時為了提高級配效率、限制混凝土溫升峰值的溫度可有效預防混凝土出現開裂情況，還添加了CaO含量低于10%、細度不大于12%的低鈣粉煤灰。本試驗將其與上述水泥按自行研發設計配比，配制滿足JT/T 1211.1—2018《公路工程水泥混凝土用快速修補材料 第1部分：水泥基修補材料》標準中CRRM-III型性能要求的快速修補砂漿備用。

粗骨料選用碎石，粒徑在5～25 mm間且連續級配良好，保證其壓碎指標在10%以下。

此外，本試驗為了保證拌制混凝土的和易性，還選用了三萜皂甙類混凝土引氣劑，其主要成為分天然皂甙呈類黃色粉末，皂甙含量55%以上，pH大于8以上。

1.2" 試驗配合比設計

將制備完成的快速修補砂漿與粗骨料、激發劑、引氣劑等摻合劑按表4配合比制成試驗用C40強度等級的快速修補混凝土和單獨添加減水劑的快速修補混凝土C40。

2" 試驗

2.1" 試驗內容

本試驗旨在通過調配傳統硅酸鹽水泥將富含Al2O3、SiO2的礦粉和石膏來促使水化、提高其早期強度。同時利用引氣劑改善其工作性能、增大其密實度，從而提高此類快修混凝土的耐久性能。試驗通過調配不同配比的礦粉及引氣劑含量、制備試件，分別測試其4 h和24 h的力學性能及抗凍、抗滲、耐磨等耐久性能，并通過電鏡觀測其不同階段水化圍觀變化，揭示其在不同試驗條件下的宏觀變化機理、建立配比、宏觀性能之間的微觀本質。研究內容如圖1所示。

2.2" 試驗結果及分析

2.2.1" 電鏡試驗結果

利用日立S4800掃描電子顯微鏡（SEM）觀察不同試驗組混凝土的微觀結構在0、4、24 h的發展特征。對比添加激發劑礦渣微粉與未添加激發劑礦渣微粉的快速修補混凝土試件從拌合開始、4 h、24 h的鈣礬石掃描電鏡照片可以看出（圖2），沒有添加激發劑礦渣微粉的普通混凝土對照RC0組在拌合4 h時后，由于水化反應，逐漸析出針狀鈣礬石晶體，而在24 h后由于水化繼續增加析出鈣礬石晶體，晶核明顯增大;而RC1組則在4 h時鈣礬石晶體析出非常明顯、且晶核擴大，此時其強度伴隨著C2S、C3S、C3A等水化產物增加迅速凝結硬化，強度增加，而24 h后，由于激發劑中的AlO2-離子的供給，針狀鈣礬石晶體仍然繼續析出、體積膨脹，加之石膏中SO42-的穩定作用和引氣劑中的偏堿性環境，進一步加速鈣礬石的行程，其強度進一步趨近于最大值，這一觀點，將在強度試驗結果中得以驗證。

2.2.2" 強度試驗結果

混凝土力學性能試驗參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，制作抗壓試件進行強度測試。不同試驗組、不同齡期下標準試件的抗壓強度試驗結果如圖3所示。

從強度試驗結果圖3來看，激發劑礦渣微粉添加量RC1組的4 h和24 h抗壓強度提升最快、最高，這是由于激發劑遇水泥水化后迅速激發其產生強度供給明顯的鈣礬石的原因，且40 kg/m3的添加量效果最佳。而超過此添加量后，由于鈣礬石晶體析出需要結合30～32個H2O，這樣就等同于減水劑的作用、影響了水泥基的水化速度，進一步影響了鈣礬石自身的晶體析出。

2.2.3" 耐久性能試驗結果

1）抗凍性能。混凝土抗凍性（快凍法）參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，在標準養護28 d后進行，其結果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著凍融循環周期的增加，所有試驗組的質量損失都呈線性趨勢增加。其中RC0組的質量損失最大，這是由于該組試件沒有添加激發劑和引氣劑，其在28 d養護完成后標準試件的密實程度沒有其他組別的優良，因此，在快速凍融試驗中表現質量損失最明顯。與之相反，RC1組則由于添加了激發劑、引氣劑和粉煤灰，導致其在整個水化過程中鈣礬石等水化產物充分生成，并且極細小空隙也由粉煤灰顆粒填充，整體試件的密實程度大大提升，因此其在凍融循環條件下質量損失最少，抗凍效果最佳。

2）耐磨性。對于公路、橋梁快速修補料而言，其耐磨性也是重要指標，因此本試驗耐磨耗數據按國家標準 GB/T 16925—1997《混凝土及其制品耐磨性試驗方法》中的規定進行測試。耐磨性用耐磨度表征，其值越大，耐磨性越高。其耐磨性試驗結果變化規律如圖5所示，結果表明，RC1組的耐磨度為5.58，與普通混凝土RC0組及其接近，符合工程中應用要求。且其耐磨性明顯高于RC2、RC3和C40組的耐磨度。

3" 結論

本試驗通過才傳統混凝土中添加激發劑礦渣微粉以達到水化過程開始后快速產生鈣礬石晶體，并通過添加石膏來使其穩定，進而發揮其早強作用。同時通過添加性能穩定的引氣劑改善其拌合物和易性及添加粉煤灰來提升其硬化后的密實度，并通過對照試驗找出最優激發劑的添加比例。

1）通過SEM電鏡掃描試驗、強度試驗和耐久性對比試驗，證明了添加適量礦渣微粉激發劑的混凝土拌合物，可以實現快凝早強的工程需求，并且其4 h的強度可以達到抗壓強度標準值的80%以上。

2）通過SEM電鏡掃描試驗分析明確了其早強的微觀機理，即隨著水化作用的開始鈣礬石晶體析出非常明顯、且晶核擴大，此時其強度伴隨著C2S、C3S、C3A等水化產物增加迅速凝結硬化，強度增加，在激發劑中AlO2-離子的供給充分，加之石膏中SO42-的穩定作用和引氣劑中的偏堿性環境，進一步加速鈣礬石的行程，其強度進一步趨近于最大值的基本機理。

3）確定了此種符合我國季凍區路、橋新型快速修補混凝土中礦渣微粉激發劑的最優添加比例。上述研究成果為我國北方地區的路、橋快速修補混凝土材料的研發提供了有意義的研究成果及寶貴經驗。

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