季凍區混凝土應用性能試驗探究
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摘要：從北方季凍區公路養護工程實際出發，針對利用傳統硅酸鹽水泥作為基材的混凝土快速修補材料，將富含Al2O3，SiO2，含硫氧化物的激發劑來激發水泥加快水化形成穩定的鈣礬石，以提升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。最后通過強度、凍融循環、電通量試驗和耐磨試驗驗證了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
1概述
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］。隨之而產生了大量的道路、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，陳德鵬等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3．7MPa［5］。KwangHoSho和KyoungMinKin等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％，24h抗壓強度提高了57％［6－7］。近兩年，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三種，認為其中摻早強劑的方法為最優［8］。鄧攀、翁曉波等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，24h的抗折強度滿足通車要求［9］。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、工作性能是不夠的，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。
2試驗材料及分析
2．1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能指標如表1所示。本試驗所采用的激發劑為礦渣微粉，其化學組成中Al2O3的質量分數為36％、皂甙的質量分數為55％。其目的為激發水泥基水化時迅速產生鈣礬石，提升修補混凝土早期強度。細骨料砂則選用天然河砂，含泥量控制在1．5％以下，經過洗砂后備用。本試驗將其與上述水泥按自行研發設計配比，配制滿足JT／T1211．1—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。粗骨料則選用碎石，粒徑在5mm～25mm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，其主要成分為天然皂甙呈類黃色粉末，其皂甙類的質量分數55％以上，pH＞6。
2．2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2配合比制成試驗用C35強度等級的快速修補混凝土。
3試驗
3．1試驗內容
試驗內容見圖1。
3．2試驗結果及分析
3．2．1強度試驗結果?；炷亮W性能試驗參照GB／T50081—2019混凝土物理力學性能試驗方法標準，分別制作抗壓、抗折試件，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和抗折強度試驗結果如圖2，圖3所示。從強度試驗結果圖2，圖3來看，激發劑添加量RC1組4h的抗壓強度和抗折強度提升最快、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其早強效果最佳。而RC2組和RC3組則依次次之，這說明激發劑添加量在40kg／m3時其所達到的早強效果最為理想。究其原因是因為在這種條件下，激發劑促使水化開始后所生產的鈣礬石晶體析出最為明顯所致。3．2．2耐久性能試驗結果。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方法標準，在標準養護28d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逐漸增加。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28d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，導致其在整個水化過程中鈣礬石等水化產物充分生成，整體試件的密實程度更為突出，因此其在凍融循環條件下質量損失最少，抗凍效果最佳。2）抗滲性能（電通量）試驗。將試件養護28d后，進行電通量試驗測試其抗滲性能，結果從圖5中可以看出各組添加摻合劑的試件電通量結果都優于RC0組，這跟其中是否添加摻合劑有直接關系，也就是說添加了摻合劑后其試件的密實程度都有所提升，而其中尤以RC1組抗滲效果最優，進一步驗證了40kg／m3的激發劑添加量是最優添加量。
4結論
本試驗通過在傳統混凝土中添加激發劑以達到水化過程開始后快速產生鈣礬石晶體，進而發揮其早強作用。同時通過添加性能穩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度，并通過對照試驗找出最優激發劑的添加比例。1）通過強度試驗和耐久性對比試驗，證明了添加適量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4h的強度可以達到抗壓強度標準值的90％以上。2）通過分析明確了這種自主研發添加激發劑的快速修補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－離子的供給充分條件下，其強度進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路、橋C35強度的新型快速修補混凝土中激發劑添加的最優比例為40kg／m3。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。
作者:郭金波 屈豐來 劉曉洲 歐陽奇 單位:遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 衢州學院建筑工程學院
