季凍區(qū)混凝土應(yīng)用性能試驗(yàn)探究

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摘要：從北方季凍區(qū)公路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)際出發(fā)，針對利用傳統(tǒng)硅酸鹽水泥作為基材的混凝土快速修補(bǔ)材料，將富含Al2O3，SiO2，含硫氧化物的激發(fā)劑來激發(fā)水泥加快水化形成穩(wěn)定的鈣礬石，以提升快修混凝土早期強(qiáng)度。同時(shí)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(shí)度，從而提高此類快修混凝土的耐久性能。最后通過強(qiáng)度、凍融循環(huán)、電通量試驗(yàn)和耐磨試驗(yàn)驗(yàn)證了此種快速修補(bǔ)混凝土的應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞：季凍區(qū)；早強(qiáng)混凝土；鈣礬石；三萜皂甙；激發(fā)劑

1概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸與道路養(yǎng)護(hù)之間的矛盾日益明顯，道路損壞后不能及時(shí)恢復(fù)交通勢必給道路運(yùn)輸造成巨大的壓力［1］。隨之而產(chǎn)生了大量的道路、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)及路面因超負(fù)荷服役而發(fā)生破損，亟需維修加固或快速修補(bǔ)，進(jìn)而一種具有凝結(jié)時(shí)間短、早期強(qiáng)度高特點(diǎn)的快速修補(bǔ)混凝土被廣泛應(yīng)用于橋梁、港口等混凝土結(jié)構(gòu)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(qiáng)混凝土進(jìn)行了廣泛的研究，陳德鵬等利用研發(fā)的能夠明顯改善混凝土早期強(qiáng)度、與減水劑有良好相容性的三元復(fù)合早強(qiáng)摻合劑配制早強(qiáng)混凝土，使其5H的抗折強(qiáng)度達(dá)到3．7MPa［5］。KwangHoSho和KyoungMinKin等利用硅酸鹽水泥生產(chǎn)過程中分離過濾后的水泥（SBFC），結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻入20％的超細(xì)水泥后，相對于不摻情況，初凝、終凝時(shí)間縮短了超過3％，24h抗壓強(qiáng)度提高了57％［6－7］。近兩年，很多學(xué)者也對新型早強(qiáng)混凝土進(jìn)行了大量的研究，如丁斌等則從早強(qiáng)型混凝土的制備方法的角度，將早強(qiáng)混凝土材料的制備分為摻早強(qiáng)劑、使用特種水泥和摻高分子聚合物三種，認(rèn)為其中摻早強(qiáng)劑的方法為最優(yōu)［8］。鄧攀、翁曉波等針對配合比這一技術(shù)指標(biāo)配制出纖維早強(qiáng)混凝土，其施工性好，24h的抗折強(qiáng)度滿足通車要求［9］。經(jīng)過大量研究及工程實(shí)踐應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)此類快速修補(bǔ)工程中僅僅要求快速修補(bǔ)混凝土具有良好的力學(xué)性能、工作性能是不夠的，還應(yīng)該具有良好的耐久性能，特別是在我國季凍區(qū)范圍內(nèi)，正負(fù)溫度交替變化使得道路橋梁混凝土凍融破壞非常嚴(yán)重，因此，還要求其具有良好抗凍性、抗?jié)B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(fā)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(bǔ)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(jìn)行力學(xué)性能、耐久性，揭示其早強(qiáng)、快硬、高耐久性機(jī)理及其優(yōu)良的工作性能，為我國季凍區(qū)路橋新型快速修補(bǔ)混凝土產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用積累了寶貴的研究經(jīng)驗(yàn)及成果。

2試驗(yàn)材料及分析

2．1試驗(yàn)用材料

本試驗(yàn)選用的膠凝材料為P．O42．5普通硅酸鹽水泥，通過試驗(yàn)測得其物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。本試驗(yàn)所采用的激發(fā)劑為礦渣微粉，其化學(xué)組成中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36％、皂甙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55％。其目的為激發(fā)水泥基水化時(shí)迅速產(chǎn)生鈣礬石，提升修補(bǔ)混凝土早期強(qiáng)度。細(xì)骨料砂則選用天然河砂，含泥量控制在1．5％以下，經(jīng)過洗砂后備用。本試驗(yàn)將其與上述水泥按自行研發(fā)設(shè)計(jì)配比，配制滿足JT／T1211．1—2018公路工程水泥混凝土用快速修補(bǔ)材料第1部分：水泥基修補(bǔ)材料標(biāo)準(zhǔn)中CRRM－Ⅲ型性能要求的快速修補(bǔ)砂漿備用。粗骨料則選用碎石，粒徑在5mm～25mm間且連續(xù)級配良好，保證其壓碎指標(biāo)在10％以下。此外，本試驗(yàn)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，其主要成分為天然皂甙呈類黃色粉末，其皂甙類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)55％以上，pH＞6。

2．2試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

將制備完成的快速修補(bǔ)砂漿與粗骨料、激發(fā)劑、引氣劑等摻合劑按表2配合比制成試驗(yàn)用C35強(qiáng)度等級的快速修補(bǔ)混凝土。

3試驗(yàn)

3．1試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容見圖1。

3．2試驗(yàn)結(jié)果及分析

3．2．1強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)參照GB／T50081—2019混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，分別制作抗壓、抗折試件，進(jìn)行強(qiáng)度測試。不同試驗(yàn)組、不同齡期下標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2，圖3所示。從強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果圖2，圖3來看，激發(fā)劑添加量RC1組4h的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度提升最快、最高，這是由于激發(fā)劑遇水泥水化后迅速激發(fā)其產(chǎn)生強(qiáng)度供給明顯的鈣礬石的原因其早強(qiáng)效果最佳。而RC2組和RC3組則依次次之，這說明激發(fā)劑添加量在40kg／m3時(shí)其所達(dá)到的早強(qiáng)效果最為理想。究其原因是因?yàn)樵谶@種條件下，激發(fā)劑促使水化開始后所生產(chǎn)的鈣礬石晶體析出最為明顯所致。3．2．2耐久性能試驗(yàn)結(jié)果。1）抗凍性能?；炷量箖鲂裕靸龇ǎ﹨⒄誈B／T50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行，其結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，隨著凍融循環(huán)周期的增加，所有試驗(yàn)組的質(zhì)量損失都逐漸增加。其中RC0組的質(zhì)量損失最大，這是由于該組試件沒有添加激發(fā)劑和引氣劑，其在28d養(yǎng)護(hù)完成后標(biāo)準(zhǔn)試件的密實(shí)程度沒有其他組別的優(yōu)良，因此，在快速凍融試驗(yàn)中表現(xiàn)質(zhì)量損失最明顯。與之相反，RC1組則由于添加了激發(fā)劑、引氣劑，導(dǎo)致其在整個(gè)水化過程中鈣礬石等水化產(chǎn)物充分生成，整體試件的密實(shí)程度更為突出，因此其在凍融循環(huán)條件下質(zhì)量損失最少，抗凍效果最佳。2）抗?jié)B性能（電通量）試驗(yàn)。將試件養(yǎng)護(hù)28d后，進(jìn)行電通量試驗(yàn)測試其抗?jié)B性能，結(jié)果從圖5中可以看出各組添加摻合劑的試件電通量結(jié)果都優(yōu)于RC0組，這跟其中是否添加摻合劑有直接關(guān)系，也就是說添加了摻合劑后其試件的密實(shí)程度都有所提升，而其中尤以RC1組抗?jié)B效果最優(yōu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了40kg／m3的激發(fā)劑添加量是最優(yōu)添加量。

4結(jié)論

本試驗(yàn)通過在傳統(tǒng)混凝土中添加激發(fā)劑以達(dá)到水化過程開始后快速產(chǎn)生鈣礬石晶體，進(jìn)而發(fā)揮其早強(qiáng)作用。同時(shí)通過添加性能穩(wěn)定的三萜皂甙引氣劑改善其拌合物和易性來提升其硬化后的密實(shí)度，并通過對照試驗(yàn)找出最優(yōu)激發(fā)劑的添加比例。1）通過強(qiáng)度試驗(yàn)和耐久性對比試驗(yàn)，證明了添加適量激發(fā)劑的混凝土拌合物，可以實(shí)現(xiàn)快凝早強(qiáng)的工程需求，并且其4h的強(qiáng)度可以達(dá)到抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的90％以上。2）通過分析明確了這種自主研發(fā)添加激發(fā)劑的快速修補(bǔ)混凝土隨著水化作用的開始鈣礬石晶體析出非常明顯、且晶核擴(kuò)大，此時(shí)其強(qiáng)度伴隨著C2S，C3S，C3A等水化產(chǎn)物增加迅速凝結(jié)硬化，強(qiáng)度增加，在激發(fā)劑中AlO2－離子的供給充分條件下，其強(qiáng)度進(jìn)一步趨近于最大值的基本特征。3）確定了此種符合我國季凍區(qū)路、橋C35強(qiáng)度的新型快速修補(bǔ)混凝土中激發(fā)劑添加的最優(yōu)比例為40kg／m3。上述研究成果為我國北方地區(qū)的路、橋快速修補(bǔ)混凝土材料的研發(fā)提供了有意義的研究成果及寶貴經(jīng)驗(yàn)。

作者:郭金波 屈豐來 劉曉洲 歐陽奇 單位:遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院