矿物双掺对超早强修复砂浆性能影响研究

甄俊杰

（山西省交通科学研究院 太原 030006）

0 引 言

水泥混凝土道面由于具有刚度大、强度高、耐久性好、成本低等优点，在我国各类公路和城市道路中得以广泛应用．然而此类材料脆性大，在环境和荷载耦合作用下，易造成表面剥落、露石、坑洞等病害，这些病害若不能及时处理，在雨水作用下又会进一步加速发展，严重影响行车安全性与舒适性［1－2］．因此，在水泥混凝土道面严重破坏之前及时修复显得尤为重要．

针对水泥混凝土道面的薄层修复，尽管目前在修补材料方面已经进行了较多的研究，例如，苏州水泥混凝土制品研究院研制了PR－Ⅰ型混凝土快速修补剂［3］，江苏省建筑科学研究院缪昌文、孙光萍等研发的JK系列混凝土快速修补剂［4］，长安大学陈栓发［5］、职雨风［6］研究了 HW 系列超早强水泥混凝土修补剂等且取得了一定的成果，但由于其在使用过程中耐磨性能差、环境污染严重等缺点而不能大面积推广应用，基于此，本文从原材料着手，通过掺入矿物外掺料取代部分胶凝材料，不仅能调整和改善修复材料的各项性能（尤其是耐久性），还能节约能源和资源、减轻环境负荷，有利于道路养护行业的快速发展．

1 双掺粉煤灰和矿粉的作用机理

超早强修复砂浆中双掺粉煤灰和矿渣微粉能够充分发挥了二者的优势，在不影响早期强度的前提下，不仅能够改善砂浆的工作性能，而且还提高了砂浆的耐久性能［7－9］．其作用机理主要表现为：

1）由于生产工艺不同，从而导致了掺合料具有不同的颗粒形貌．矿渣微粉颗粒多为不规则形状且表面粗糙，对水的吸附力较大，掺入砂浆中会降低新拌砂浆的流动性，而粉煤灰是表面光滑的球状玻璃体，内比表面积小，对水的吸附力也小，适量的粉煤灰掺入砂浆中可产生滚珠润滑作用，减小砂浆的内摩擦力，有利于提高砂浆的流动性．当两者以适当的比例复掺之后，由于颗粒的外观形貌不同，使其在工作性能方面能够产生很好的互补效果．

2）粉煤灰和矿粉微粒的化学组成不同，致使在水化过程中能够很好的互补．粉煤灰的火山灰活性发展缓慢，短时间内在水泥水化产物的碱性激发下不会参与水化反应，直到28d才有部分粉煤灰参与反应，因此粉煤灰的掺入对砂浆的后期强度增长有利．而矿渣微粉活性较高，在前期就会与早期水泥水化生成的Ca（OH）2发生反应，形成大量C－S－H，不仅可以提高砂浆的早期强度，弥补由于粉煤灰水化慢造成的早期强度低的损失，而且能够使得浆体结构较为致密，从而降低了砂浆的总孔隙率，极大地提高了砂浆的耐久性能．

2 原材料及试验方法

2．1 原材料

胶凝材料：选用水泥基复合材料，其主要指标见表1．

表1 胶凝材料技术指标

细集料：河砂，级配良好，最大粒径2．36mm，泥块含量0%，含泥量小于1．0%．

减水剂：萘系高效减水剂（FDN）．

增强组分：增强组分氯化钙（CaCl2）．

粉煤灰：试验使用Ⅱ级粉煤灰，测试指标见表2．

表2 粉煤灰技术性能指标 %

矿粉：试验采用宁波海得建材科技有限公司生产的矿粉，产品等级S95，其指标见表3．

表3 矿粉技术性能指标

2．2 试验方法

砂浆流动度及抗压、抗折强度测定参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30－2005）中T 0507－2005水泥胶砂流动度及强度测定方法．砂浆干缩测定方法主要参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30－2005）中T 0511－2005水泥胶砂干缩试验方法．砂浆抗渗性测试方法参考《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ／T70－2009）砂浆抗渗性试验方法进行．

2．3 试验方案

本文在基准超薄罩面修复材料的基础上，采用30%的矿物外掺料取代部分胶凝材料［10］，对粉煤灰和矿渣微粉不同的掺入比例对砂浆性能的影响进行工作性能和力学性能试验，优选出最佳掺量，并通过抗渗性能和干缩性能试验进行验证，从而确定最佳配合比，进而为今后的研究和应用提供科学依据．表4为修补砂浆具体配合比．

表4 修补砂浆配合比 kg／m3

3 试验结果及分析

3．1 工作性能试验

本部分以基本配合比为基础，采用内掺法对粉煤灰和矿渣微粉不同的掺入比例对砂浆性能的影响进行研究工作性能测试结果见图1～2．

图1 双掺对可操作时间的影响

图2 双掺对扩展度的影响

图1 为矿粉与粉煤灰双掺对可操作时间的变化规律．由图1可知，随着粉煤灰掺量的增加，可操作时间逐渐增大，当m（矿粉）∶m（粉煤灰）为1∶2时，可操作时间最长，但也仅有46min，满足快速修复材料的要求．图2显示了超早强修复砂浆扩展度随双掺变化的发展规律．随着矿粉掺量的降低，超早强修复砂浆的扩展度逐渐增大但变化不明显，当m（矿粉）∶m（粉煤灰）为2∶1时，扩展度最小为215mm已能够达到自流平．因此，从工作性能方面来看，矿粉与粉煤灰以任意比例双掺均能满足水泥混凝土路面超早强修复材料要求．

3．2 力学性能试验

主要研究掺入不同矿物掺合料对超早强修复砂浆2h，1d，28d龄期时抗压、抗折强度的影响．各配合比条件下的超早强修复砂浆力学性能测试结果见图3～4．

图3 双掺对超早强修复砂浆抗压强度影响

图4 双掺对超早强修复砂浆抗折强度影响

图3 ～4显示了矿粉与粉煤灰不同比例双掺对超早强修复砂浆抗压、抗折强度的影响规律．由图中可以看出，随着矿粉比例的增多，2h抗压强度出现先增大后减小的趋势，这主要是由于粉煤灰的水化速度较为缓慢，当其掺量较多时，强度较低．而随着粉煤灰的减少，抗折强度略有增加，但变化不大．

3．3 耐久性能试验

材料的耐久性直接影响结构的服役寿命，是材料的重要性能指标．超早强修复砂浆除了应具有良好的工作性、力学性能之外，还应具有良好的耐久性能．

3．3．1 抗渗性能

通过对不同比例矿物掺合料的超早强修复砂浆抗渗性能进行测试，试验结果见表5．

表5 超早强修复砂浆抗渗性试验结果

由表5可见，普通超早强修复砂浆的抗渗等级最小为P6，而复掺粉煤灰和矿粉取代胶凝材料，当其质量比为2∶1和1∶1时，抗渗等级最高为P10，与普通超早强修复砂浆相比提高了40%，随着粉煤灰掺量的降低，砂浆的抗渗等级逐渐降低，但也超过普通修复砂浆．这是因为试验中同时掺入矿粉、粉煤灰等矿物掺合料具有微填料作用和火山灰作用发生二次水化反应，减少了砂浆内部的空隙，并改变了孔分布，使结构更加密实，尤其在粉煤灰含量增加之后，由于粉煤灰微集料效应中微细颗粒分布于水泥浆体的基相中，能使浆体中毛细孔隙“细化”现象明显改善，从而提高了砂浆的抗渗性能．

3．3．2 干缩性能

对4种配比下超早强修复砂浆进行2，6，12 h，1，3，7，14，21，28d干缩性能的测试，测试结果见图5．

图5 超早强修复砂浆干缩率随龄期变化曲线

由图5可见，超早强修复砂浆的收缩主要发生在早期，一般1d龄期时，就已经趋于稳定．矿物掺合料对砂浆的干缩性能影响显著．其中普通超早强修复砂浆的干缩性能最差，当粉煤灰与水泥以2∶1的比（质量比）取代水泥时，砂浆的干缩性能越好，与普通修复砂浆干缩率相比减小至约70%，随着粉煤灰掺量的降低，砂浆的干缩性能逐渐降低，但也超过普通修复砂浆．因此，合理选取矿粉和粉煤灰掺量可以大幅度降低砂浆的干缩率．

4 结 论

1）矿物掺合料的掺入明显降低砂浆的凝结时间和扩展度，且随着粉煤灰掺入量的增加，凝结时间逐渐增大，扩展度逐渐减小，但均满足修复砂浆要求．

2）矿物掺合料的掺入对修复砂浆早期强度影响显著，但能够满足通车需求，且随着龄期的增长，强度逐渐赶上普通超早强修复砂浆．

3）掺入不同比例的矿物掺合料后，砂浆的抗渗等级有所提高，干缩性能大幅度增强，且随着粉煤灰掺量的增加，耐久性能逐渐增强．

4）在超早强修复砂浆中以2∶1的比（质量比）掺入粉煤灰和矿渣微粉矿物掺合料，不仅可以大量利用工业废料，保护环境，而且在不影响工作性能和力学性能的前提下能明显改善砂浆的耐久性能．

［1］郑 旭．水泥基修补砂浆的研究［D］．北京：北京工业大学，2008．

［2］申爱琴．水泥与水泥混凝土［M］．北京：人民交通出版社，2000．

［3］韦灼彬，王铁成．水泥混凝土路面快速修补技术的研究与应用［J］．工程力学，2002（S）：716－721．

［4］缪昌文，孙光萍，薛建新，等．JK系列混凝土快速修补剂的研制与应用［J］．施工技术，1995（5）：15－17．

［5］陈栓发．超快速硬修补材料及其作用机理研究［D］．西安：长安大学，2000．

［6］职雨风．超早强水泥混凝土修补剂的研究［D］．西安：长安大学，2000．

［7］石明霞，谢发均，刘宝举．水泥－粉煤灰复合胶凝材料的水化性能研究［J］．建筑材料学报，2002，5（2）：114－119．

［8］DEMIRBOGA R，ORUNG I，GUL R．Effects of expanded perlite aggregate and mineral admixtures on the compressive strength of low－density concretes［J］．Cement and Concrete Research，2001（31）：1627－1632．

［9］COURARD L．Parametric study for the creation of the interface between concrete and repairs products［J］．Materials and Structures，2000，33（225）：65－72．

［10］杨 雷，马保国．掺矿物掺合料干混砂浆的性能研究［J］．干混砂浆，2007（4）：44－47．