快速修補材料性能分析試驗

王之鈞,徐杭東

(杭州蕭山國際機場有限公司,浙江 杭州 311200)

水泥混凝土結構具有承載能力強、剛度大和耐久性好等優點,在公路、港口、橋梁和機場等領域的基礎設施建設中得到廣泛應用。投入使用后,在荷載、干濕和凍融循環等反復作用下,水泥混凝土結構產生破損。

用于混凝土結構破損的快速修補材料可分為無機類和有機類兩種。有機高分子聚合物材料主要包括聚氨酯、丙烯酸和環氧樹脂及各種乳膠配制的聚合物砂漿或聚合物水泥砂漿[1-2]。無機類修補材料主要以硅酸鹽、硫鋁酸鹽、氟鋁酸鹽、高鋁水泥、磷酸鹽水泥和地聚物合物水泥等為基材,再配以礦物摻合料、外加劑等材料進行性能優化和改良[3-6]。“快通9號”是一款快速修補材料產品,在公路、橋梁和市政等工程維修中得到廣泛的應用,系統地分析了水膠比、砂膠比、集料類型以及攪拌和養護方式對“快通9號”產品性能的影響,并結合試驗結果,對該類修補材料的應用提出幾點建議。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

(1)修補材料

杭州修路人科技股份有限公司生產的快通9號,是一種聚合物改性水泥。

(2)細骨料

粗河砂產自江西贛江,砂的細度模數為3.01,最大粒徑4.75 mm,含泥量0.8%,級配情況見圖1,符合國標《建設用砂》(GB/T 14684—2011)中1區級配的要求。細河砂含泥量4.6%,細度模數1.55。人工混合砂細度模數3.13,堅固性差。

圖1 河砂的級配曲線

(3)粗骨料

產自安徽,為4.75～26.5 mm連續級配石灰巖碎石,其顆粒級配如圖2所示。混凝土拌合物配合比及性能見表1。

圖2 碎石的級配曲線

表1 混凝土拌合物配合比及性能

1.2 試驗方法

(1)工作性

砂漿工作性以流動度表征,參照《水泥膠砂流動度測試方法》(GB/T 2419—2005)進行試驗,測試不振動狀態下的擴展范圍來衡量其流動性。混凝土拌合物工作性以坍落度表示,試驗依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)進行,并觀測拌合物各組分相互粘聚情況和保水性。

(2)收縮率

材料收縮率用砂漿的干縮率表達,按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ/T 70—2009)中收縮試驗的要求,采用BC156-300比長儀進行測定。

(3)砂漿力學性能

砂漿抗折強度和抗壓強度試驗依照《水泥膠砂強度檢測方法》(GB/T 17671—1999)進行,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

(4)混凝土力學性能

試驗按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行測試。混凝土抗壓強度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體,混凝土抗折試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體。

2 試驗結果與分析

2.1 水膠比對修補材料性能的影響

水膠比(水與膠凝材料的質量比)是修補砂漿(混凝土)配合比設計和實際應用過程中最重要的參數,直接影響砂漿(混凝土)內部的孔隙率和孔結構,是衡量混凝土密實性、滲透性和力學性能的一個重要參數,對修補材料的強度和耐久性具有決定性的影響作用。

從圖3中可知,隨著水膠比增大,砂漿流動性顯著提升,當水膠比為0.25時,砂漿比較松散,工作性差;當水膠比為0.35時,砂漿在不振動下擴展度為295 mm,流動性非常好,隨著水膠比進一步加大,砂漿出現離析現象。

圖3 水膠比對擴展度的影響

由圖4可以看出,隨著水膠比的逐漸增大,修補砂漿3 h抗折強度和抗壓強度均下降,當水膠比為0.25時,砂漿3 h抗折、抗壓強度分別達到8.9 MPa、44.7 MPa;當水膠比低于0.4時,砂漿抗壓強度低于30 MPa,不能滿足快速開放交通的要求,且當用水量很大時,由于砂漿內部孔隙較大,后期強度的增長也非常有限。因此,在滿足施工性的前提下,水膠比應盡可能小些,水膠比宜控制在0.3～0.35之間。

圖4 水膠比對早期力學性能的影響

2.2 膠砂比對修補材料性能的影響

為了保證修補砂漿具有良好的工作性,通常要求混合料中有較高的膠凝材料。試驗用砂均選用粗河砂,其中對比例選用散裝海螺P·O 52.5水泥,外加劑為三聚氰胺高效減水劑,摻量0.8%。

從圖5可以得出,膠砂比(膠凝材料與砂子的質量比)降低,修補砂漿的干縮率也隨之降低;采用P·O 52.5水泥配制的砂漿干縮率明顯高于快通9號修補砂漿。這是因為修補材料含補償收縮的組分,在水化過程中產生鈣礬石等物質填充內部孔隙,降低了砂漿的干縮,從而提高其抗裂性能。另外,膠砂比降低,水泥漿體的含量減少,總收縮量降低,收縮應變小,更不容易出現收縮裂縫。

圖5 膠砂比對干縮性能的影響

膠砂比對修補材料力學性能的影響見圖6,結果顯示,隨著膠砂比的降低,砂漿抗折和抗壓強度都先增后減,這是由于砂用量增大,砂漿工作性降低,用水量增加,水膠比增大,強度降低。綜合膠砂比對修補材料干縮性和力學性能的影響,當采用該修補材料配制成砂漿來進行修補時,膠砂比建議取1∶2左右。

圖6 膠砂比對力學性能的影響

2.3 砂子種類對修補材料性能的影響

隨著河砂的不斷開采,天然砂越來越少,且品質也大幅下降,而砂子的種類對修補材料也有著重要的影響。含泥量高、細度模數小的砂子會導致修補砂漿(混凝土)工作性差,需要通過提高水膠比或膠砂比來進行調節。

從圖7中可以看出,砂子種類對修補砂漿的力學性能影響很大,砂漿流動性為粗河砂最大,細河砂次之,混合砂最小;采用干凈粗河砂的力學性能最好,各齡期砂漿的強度均最高;混合砂的3 h抗折和抗壓強度均為最低,后期強度略高于細河砂;這是因為該混合砂顆粒內部孔隙率大,吸水量多,導致水膠比明顯提高;細河砂7 d的力學性能最差,這應該是由于該細河砂含泥量大,吸附了部分修補材料里面的減水組分,同時細砂的比表面積大,因此也增加了材料的需水量,提高了水膠比,此外其顆粒狀態呈粉狀,級配差,砂漿內部孔結構差,導致后期強度低。

圖7 砂子種類對力學性能的影響

2.4 攪拌方式對修補材料性能的影響

攪拌方式對拌合物的勻質性關系密切,人工攪拌通常要提高水膠比,并容易引起離析、泌水等不良影響;機械攪拌設備類型、葉片和轉速等因素對拌合料性能也存在一定的差異。

表2對比分析了兩種攪拌方式對修補材料綜合性能的影響,機械攪拌設備為手提式高速攪拌機。結果表明, 人工攪拌的拌合料工作性較差, 初凝時間更長,早期抗折和抗壓強度也更低;手提式高速攪拌機可以將絮凝狀的膠凝材料內部包裹的水分釋放出來,并在減水組分的空間位阻作用下,顯著提高了砂漿的流動性;水泥顆粒與水的接觸面積也有所增加,另外在摩擦阻力的作用下,拌合料內部的溫度升高,進一步促進了水化反應,從而縮短了初凝時間,提高了早期強度。

表2 攪拌方式對修補材料性能的影響

2.5 養護方式對修補材料的影響

養護方式對修補材料早期干縮性能影響大,養護不良可能導致材料產生干縮裂縫,常規無機類修補材料應采取灑水或覆蓋等保濕養護措施,但也有例外,如磷酸鹽水水泥基修補材料不適合灑水養護。

圖8對比分析了干、濕養護方式對修補材料力學性能的影響,結果表明,采用浸水養護的方式提高了修補砂漿早期抗折和抗壓強度,3 h抗折強度對養護方式更為敏感,但28 d抗折強度反而略有降低。這是因為浸水養護保證了內部有充足的自由水參與水化反應,促進了反應的進程,生成更多的水化產物,使得內部結構更為致密,從而提高了早期強度;隨著浸水齡期的延長,試塊內部的可溶性鹽類物質不斷析出,增大了結構孔隙,導致濕養護的試塊28 d抗折強度出現倒縮現象。

圖8 養護方式對力學性能的影響

2.6 混凝土的性能

混凝土拌合物的工作性和硬化后混凝土的力學性能是修補材料最主要的性能要求。由表1可知,當水膠比為0.32時,混凝土拌合物的工作性非常好,坍落度大,粘聚性和保水性好。從圖9可以看出,混凝土2 h抗壓強度大于30 MPa,7 d抗折強度大于5 MPa,抗壓強度接近60 MPa,后期強度還在持續增長,可以滿足水泥混凝土結構破損的修補要求。

圖9 混凝土力學性能

3 結 論

(1)隨著水膠比逐漸增加,砂漿流動性明顯提高,但是力學性能也逐漸下降,水膠比(質量比)宜控制在0.3～0.35的范圍。

(2)修補材料的干縮率低于普通硅酸鹽水泥,當膠砂比為1∶2時,砂漿的力學性能和干縮率均較優。

(3)砂子種類對修補材料性能影響很大,應優先選用含泥量低的中粗砂,使用含泥量高的細砂時,可適當降低膠砂比來確保修補材料的力學性能。

(4)攪拌方式對拌合物性能有較大的影響,當使用修補砂漿進行維修時,宜選擇高速分散機,當配制成混凝土時,應選擇強制式攪拌機。

(5)抗折強度對養護方式更為敏感,濕養護提高了修補材料早期強度,后期抗折強度略有降低,應注重修補材料的早期保濕養護。

(6)采用該修補材料配制的混凝土的工作性好,力學性能優異,滿足修補材料相關性能要求。