道路橋梁修復材料強度與組成材料關系研究

張俊良,張 翼,馬占偉,劉平源

(1.包頭市交通規劃設計院,內蒙古 包頭 014040;2.包頭市市政設計有限責任公司,內蒙古 包頭 014040;3.內蒙古工業大學 土木工程學院,內蒙古 呼和浩特 010051;4.內蒙古水利水電勘測設計院有限公司,內蒙古 呼和浩特 010051)

20世紀80年代,美國的Ahmad將橡膠以作為骨料的方式加入到混凝土中制備成了一種新型的混凝土材料——彈性混凝土,隨后越來越多的學者們也相繼開展彈性混凝土的研究[1-5]。Eldin和Senouci[6]等探究了橡膠顆粒對混凝土抗壓強度以及抗拉強度的影響,發現加入橡膠后會降低混凝土的抗壓、抗拉強度。Toutanji[7]等探究了橡膠顆粒對混凝土抗折強度的影響,發現混凝土的抗折強度會隨著橡膠摻量的不斷增加而逐漸降低。羅晴[8]等研究發現,橡膠顆粒的摻入會使得彈性混凝土抗壓強度降低。李海龍[9]等也研究了橡膠摻量對混凝土力學性能的影響,發現彈性混凝土的韌性及耗能能力有顯著提高。綜上所述,國內外學者均得出一致的結論:在混凝土中加入橡膠會降低抗壓強度以及抗折強度等,而且隨著橡膠摻量的不斷增加,強度降低幅度越大。硅酸鹽水泥[10]熟料與其他材料混合后所組成的水硬性膠凝材料即可稱做復合水泥,許多學者進行了相關研究,王紅[11]等分析了硅酸鹽水泥熟料對硫鋁酸鹽水泥一些性能的影響;李遷[12]等在硅酸鹽水泥中加入適量的硫鋁酸鹽水泥[13]后會使復合水泥的凝結時間變短;張鑫[14]等研究均發現復合水泥體系使水泥水化過程變快;楊林[15]、丁軍[16]等研究均發現,隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的不斷增加齡期為1d、3d、28d的復合水泥的抗壓強度與抗折強度都呈現出了先降低后升高的變化趨勢。目前水泥混凝土路面、橋梁修復時多采用將早強劑加入到普通硅酸鹽水泥中,以此來達到早強的效果。本研究以硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料來達到提升修補材料早期強度的目的。同時鮮有學者在快速修復材料中添加橡膠顆粒,本研究將橡膠顆粒按不同比例體積分數取代天然河砂作為細骨料,研究對新型修復材料流動度、抗壓強度、抗折強度的影響。

1 試驗材料及試驗設計

1.1 原材料和配合比

本試驗材料組成為:PO42.5普通硅酸鹽水泥;天然砂:粒徑小于4.75mm;橡膠顆粒:粒徑為10～20目;玄武巖纖維:單絲直徑為7～1μm、拉伸強度3000～4800MPa、彈性模量91～100GPa;水:自來水。

通過前期配比預試驗,最終確定水膠比為0.3,以保證修復材料的強度。為研究橡膠顆粒以及普通硅酸鹽水泥對修復材料力學性能的影響,將普通硅酸鹽水泥0%、20%、30%、40%四種水平取代(質量)硫鋁酸鹽水泥,橡膠顆粒0%、10%、20%、30%四種水平取代(體積)天然河砂,考慮到實際工作中硫鋁酸鹽水泥會過早凝結,為減小施工難度,所以添加了緩凝劑(酒石酸)以保證材料20min的流動性,修復材料配合比見表1。

表1 修復材料配合比 (kg/m3)

1.2 試驗方法

流動度試驗:參考《水泥基灌漿材料應用技術規范》[17]中截錐流動度試驗進行測試;截錐形圓模:上口內徑70mm,高35mm;下口內徑100mm,高60mm;模壁厚5mm。

抗壓、抗折強度試驗:參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[18]進行測試。采用山東路達試驗儀器有限公司生產的DYH-300B型全自動水泥壓力試驗機,試件尺寸:40×40×160mm。

試驗步驟:流動度試驗:用濕布擦拭試驗儀器,防止流動度的損失。將拌合物沿上部模具倒錐形杯口倒入,當漿體沒過下部模具上口時停止傾倒,用刮刀使漿體與模具上口齊平。將下部模具垂直提起,當漿體完全停止時測量漿體的直徑,計算漿體直徑平均值并記錄,此為初始流動度。攪拌加水20min后,將材料重新倒入水泥膠砂攪拌機中再次進行攪拌,重復上述步驟,為20min流動度。抗壓抗折試驗:將養護到2h、1d、7d、28d的試件從養護室取出,設置試驗等參數,進行抗折強度試驗。使用折斷后的試件進行抗壓強度試驗。

修復材料抗壓、抗折強度增長百分比計算公式如式(1)所示。

(1)

式(1)中:

Δf——各齡期不同OPC摻量、橡膠摻量的修復材料強度增長百分比(%);

fc——養護28d時不同OPC、橡膠摻量的修復材料抗壓、抗折強度(MPa);

fi——各齡期不同OPC、橡膠摻量的修復材料抗壓、抗折強度(MPa)。

2 流動度試驗結果分析

根據施工經驗,以硫鋁酸鹽為主要膠凝材料的快速修復材料的流動度應該保持在20min以上[19]。修復材料橡膠顆粒摻量為0%時,不同普通硅酸鹽水泥摻量的混凝土路面及橋梁新型修復材料的初始流動度以及20min流動度如圖1所示。修復材料OPC摻量為20%時,不同橡膠摻量的水泥混凝土路面及橋梁新型修復材料的初始流動度以及20min流動度如圖2所示。

圖2 不同橡膠摻量的修復材料流動度

如圖1所示,新型修復材料的初始流動度與20min流動度隨著OPC摻量的增加而增大,這是由于隨著OPC摻量的增加,材料中SAC的含量變少,前期SAC反應的需水量變少,材料中剩余的水變多,流動度增加。當新型修復材料中OPC摻量為0%時,材料的初始流動度以及20min流動度均為0mm,說明在確定水膠比為0.3的前提下,此材料水泥只有SAC時,不具有實際工作意義。當新型修復材料OPC摻量增加至20%、30%、40%時,新型修復材料都具有較高的流動度(當流動度達到290mm時已達到III類水泥基灌漿材料流動度初始值的要求)。新型修復材料20min流動度保持良好,流動度損失值分別為30mm、25mm、20mm,可以看出20min流動度損失值隨著OPC摻量的增加而逐漸降低,這是因為隨著OPC摻量的增加,SAC反應的需水量減少,所以流動度損失降低。新型修復材料OPC摻量為0%時,新型修復材料無初始流動度,所以選取OPC摻量為20%的新型修復材料來進行流動度試驗。

如圖2所示,新型修復材料的初始流動度與20min流動度均隨著橡膠摻量的增加逐漸降低。這可能是由于以下幾個原因引起:一是由于橡膠具有一定的吸水性,會攜裹一部分自由水,減少拌合物中的自由水,從而降低拌合物的流動性。二是因為橡膠顆粒的粗糙表面增加了材料內部骨料之間摩擦,降低了拌合物的流動性。三是由于橡膠粒徑與砂粒徑相近,橡膠的摻入會改變拌合物的砂率。當沒能達到最優砂率時,拌合物和易性會變差。隨著橡膠摻量的增加新型修復材料的流動度損失未發生變化,均為30mm,說明橡膠對流動度損失沒有影響,原因是橡膠雖然會吸收少量水分,但其達到飽和時,不再吸收水分,并且新型修復材料各橡膠摻量均不會隨著時間的推移而增加或減少,不會對流動度損失造成影響。

3 修復材料基本力學性能研究

3.1 抗壓與抗折強度試驗結果分析

各組材料的抗壓、抗折強度試驗結果如圖3和圖4所示。

(a)R0組

如圖3、圖4所示,隨著養護齡期的增加,新型修復材料抗壓、抗折強度逐漸增加是由于隨著養護齡期的增加,水泥熟料的水化反應持續進行,使得材料中水化產物增多,基體結構變得更加密實,所以強度隨之不斷增高。當橡膠摻量固定時,各養護齡期的新型修復材料抗壓、抗折強度隨著OPC摻量的增加呈現降低的趨勢。因為硫鋁酸鹽水泥主要的水化產物為AFt(鈣礬石)和CAH10(水化鋁酸鈣),加入普通硅酸鹽水泥后為孔溶液提供了大量的硅酸根,與C4A3S(無水硫鋁酸鈣)反應后生成C2ASH8(水化鈣鋁黃長石),且OPC摻量越高,生成的C2ASH8數量越多新型修復材料膠凝體系抗壓、抗折強度下降的越多。

如圖3、圖4所示,當養護齡期和OPC摻量相同時,新型修復材料的抗壓、抗折強度隨著橡膠摻量的增加而降低。原因是橡膠相較于砂石來說材質較軟,其在內部結構的支撐作用微乎其微,在施加外部荷載的條件下,不能提供有效的承載力。同時橡膠還有引氣劑的作用,摻入橡膠后提高了含氣量,使內部孔隙變多,從而使內部結構缺陷增加。除此之外,橡膠質量相對較輕,在試件攪拌成型過程中,容易上浮,內部結構變得不均勻,進而發生應力集中的現象,所以摻入橡膠降低了新型修復材料抗壓、抗折強度。同時從圖中還可發現,新型修復材料的抗壓、抗折強度隨著養護齡期的增加,并沒有發生強度倒縮的現象。

3.2 強度增長百分比計算結果分析

各組材料的抗壓和抗折強度增長百分比如圖5和圖6所示。

(a)R0組

如圖5、圖6所示,四組新型修復材料的2h抗壓、抗折強度增長百分比隨著OPC摻量的增加而降低的趨勢。原因是硫鋁酸鹽水泥的反應速率較普通硅酸鹽水泥更快,2h的抗壓強度主要是硫鋁酸鹽水泥進行水化反應產生的,隨著OPC摻量占比變大,反應程度有所減弱,2h強度提升較慢。1d抗壓、抗折強度增長百分比隨著OPC摻量的增加逐漸增加。這說明OPC的摻入可以加速SAC的水化,且在OPC摻量為0%～40%范圍內,摻量越多水化速率越快。7d抗壓強度增長百分比變化規律與2h時相同,7d、28d抗折強度增長百分比、28d抗壓強度增長百分比無一致規律,原因在于SAC和OPC水化速度不同,SAC的水化反應速度快,數小時內即可提高材料強度,而OPC的水化反應是在數小時內形成初期強度,然后在數周內逐漸增長至最大強度,四組新型修復材料的OPC摻量不同,導致7d、28d強度增長百分比無一致規律。但是可以發現摻入OPC的新型修復材料的28d抗壓、抗折強度增長百分比均大于該組未摻OPC的新型修復材料。這表明,摻入OPC對SAC后期強度的增加有促進作用。

R0組新型修復材料的2h與1d抗壓、抗折強度增長百分比之和可以達到56%～60%、66%～74%,R10組的2h與1d的抗壓、抗折強度增長百分比之和可以達到57%～61%、56%～69%,R20組新型修復材料的2h與1d抗壓、抗折強度增長百分比之和可以達到62%～70%、59%～82%,R30組的2h與1d抗壓、抗折強度增長百分比之和可以達到66%～74%、60%～83%,可以看出R0與R10兩組新型修復材料1d抗壓強度可以達到28d抗壓強度的60%左右,R20和R30組新型修復材料1d抗壓強度可以達到28d抗壓強度的70%左右。

在橡膠摻量相同的條件下,新型修復材料OPC摻量為0%的試驗組7d抗壓強度增長百分比是最大的,2h與1d的抗折強度增長百分比之和最大,摻入40%的OPC的新型修復材料2h與7d的抗折強度增長百分比之和最小。2h、1d和7d抗壓強度增長百分比之和可以達到90%左右,2h、1d和7d的抗折強度增長百分比之和均在75%以上。

3.3 折壓比計算結果分析

折壓比(即抗折強度與抗壓強的比值)是用來衡量混凝土材料韌性的指標之一,其值越大,說明材料的韌性與抵抗開裂性能越好。因其試驗方法簡單,試驗數據容易處理,目前已被專家學者們廣泛使用。新型修復材料折壓比計算結果如圖7所示。

(a)2h折壓比

如圖7(a)所示,當橡膠摻量相同時,新型修復材料2h折壓比隨OPC摻量的增加呈現出先降低后增加的變化趨勢。如圖7(b)所示,在R0、R10、R20和R30組中均發現了新型修復材料的1d折壓比隨著OPC摻量增加而降低的現象。這說明摻入OPC對新型修復材料1d折壓比有消極影響,這是因為相對于OPC來說,SAC在早期開裂控制方面具有更好的表現,所以加入了OPC后降低了新型修復材料1d的抗開裂性能和韌性。當OPC摻量相同時,不同的橡膠摻量的新型修復材料折壓比變化不明顯,這意味著橡膠對新型修復材料1d折壓比影響不大。

如圖7(c)和(d)所示,當橡膠摻入量一定時,新型修復材料7d和28d的折壓比變化規律一致,均總體呈現出隨OPC摻量增加而升高的趨勢。這與新型修復材料1d的折壓比規律相反,說明OPC的摻入對新型修復材料7d和28d的折壓比是有利的,這是主要是由于OPC的水化產物硬化時間較長,當養護齡期達到7d時,OPC的作用逐漸發揮,因增加了結構密實度,提高了韌性。

當OPC摻量相同時,新型修復材料折壓比隨著橡膠摻量的增加而逐漸變大。這是因為,橡膠顆粒的彈性和韌性好,使其能夠在混凝土中承擔一部分的拉力作用,因此能夠提高混凝土的抗拉強度,從而隨著橡膠摻量的增加,折壓比提高。另一方面,橡膠顆粒的存在可以緩和混凝土內部的應力分布,避免新型修復材料因應力集中而產生裂縫,進一步提高折壓比。

4 結論

(1)在一定范圍內,橡膠摻量與修復材料的初始流動度和20min流動度呈負相關關系,而OPC摻量與流動度呈正相關關系。流動度損失隨著OPC摻量的增加而減少,與橡膠摻量關系不顯著。

(2)修復材料的抗壓和抗折強度隨著養護齡期的增加而增大。在相同養護齡期下,抗壓和抗折強度與OPC摻量和橡膠摻量呈負相關關系。

(3)在相同橡膠摻量下,隨著OPC摻量的增加,修復材料的2小時強度增長百分比呈下降趨勢,而1d強度增長百分比呈上升趨勢。摻入OPC的修復材料的28d抗壓和抗折強度增長百分比均高于未摻OPC的樣本。

(4)在相同OPC摻量下,隨著橡膠摻量的增加,修復材料的2小時折壓比呈先降低后增加的變化趨勢,而1d折壓比逐漸降低,7d和28d折壓比逐漸增加。