畢冬旭

(遼寧澤成水利工程檢測(cè)服務(wù)有限公司，遼寧 新民 110300)

當(dāng)前，水利工程常用的水泥快速修補(bǔ)材料得到學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[1-5]，通過(guò)這些研究可知，用于水利工程水泥快速修補(bǔ)的材料主要分為3類，第一類主要為傳統(tǒng)水泥為基礎(chǔ)的無(wú)機(jī)材料[6]，第二類為主要為以環(huán)氧樹(shù)脂及瀝青為主的有機(jī)材料[7]，第三類主要以有機(jī)聚合物為主的材料[8]。第一種水泥材料需要嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)措施且強(qiáng)度總體偏低，第二種材料相融合的特性較差，容易老化且耐久性能較差，第三種材料早期的耐久性和強(qiáng)度都要低于其他兩種修補(bǔ)材料。常用的傳統(tǒng)水泥修補(bǔ)材料不能較好的滿足水利工程的快速修補(bǔ)需求，亟需要對(duì)新的水泥修補(bǔ)材料進(jìn)行分析。近些年來(lái)，硅酸鹽水泥通過(guò)化學(xué)反應(yīng)得到黏膠性能較好的材料，在重金屬固化中得到廣泛應(yīng)用[9-10]，但是這種特性材料在水利工程的快速修補(bǔ)中還未得到相關(guān)應(yīng)用，為解決水利工程水泥快速修補(bǔ)材料的需求，進(jìn)行硅酸鹽水泥快速修補(bǔ)材料的性能，分析其凝結(jié)和抗壓特性，為水利工程快速修補(bǔ)材料的研究提供重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及配比方案

按照石灰質(zhì)原料占比80%，黏土質(zhì)原料比例為10%，鐵質(zhì)、硅質(zhì)、鋁質(zhì)原料作為校正原料，占比為5%，礦化劑、晶種、助磨劑作為外加劑的占比為5%，4種原料進(jìn)行組合配比得到硅酸鹽水泥，其中石灰質(zhì)原料可選用泥灰?guī)r，其中高鈣泥灰?guī)r中Cao的占比為45%，KH>0.95，與黏土進(jìn)行混合配比。主要的配比參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 硅酸鹽水泥主要原料的配比參數(shù)值 單位：%

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 砂漿配合比的確定

首先對(duì)不同類型水泥的砂漿配合比進(jìn)行試驗(yàn)分析，各類型水泥不同水膠比下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2—3，并對(duì)各類型下不同齡期下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖1所示。

對(duì)比分析2種類型水泥在同一齡期的抗壓性能，從試驗(yàn)結(jié)果可看出，2種類型水泥的砂漿總體水膠比在1.0之內(nèi)，硅酸鹽水泥和普通水泥的水膠比最高比值分別為0.4和0.51，此時(shí)對(duì)應(yīng)的2種水泥類型的抗壓強(qiáng)度在35～75MPa之間，2種水泥類型的抗壓強(qiáng)度均在60～80MPa的范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度較為均衡。從圖1可看出，2種類型水泥在不同水膠比下隨著齡期的增加，其抗壓強(qiáng)度逐步增加，變化較為一致。普通水泥砂漿的水膠比總體要高于硅酸鹽水泥砂漿的水膠比。

表2 硅酸鹽水泥不同時(shí)間抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

表3 普通水泥不同時(shí)間抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

2.2 凝結(jié)時(shí)間與流動(dòng)度對(duì)比結(jié)果

在砂漿配比確定的基礎(chǔ)上，對(duì)不同類型各水膠比下的凝結(jié)時(shí)間及流動(dòng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，硅酸鹽水泥在較小的水膠比時(shí)其流動(dòng)度明顯好于普通水泥材料，從而可以分析出硅酸鹽水泥的需水量要低于普通的水泥材料，其各類型水泥下隨著水膠比的增加，其流動(dòng)度呈現(xiàn)明顯的遞增變化趨勢(shì)。從各類型水泥凝結(jié)時(shí)間分析數(shù)據(jù)可看出，硅酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間要明顯短于普通水泥材料，硅酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間可控制在20min之內(nèi)。因此可看出，可以通過(guò)調(diào)整硅鹽酸水泥的水膠比來(lái)調(diào)整其凝結(jié)的時(shí)間。硅酸性水泥優(yōu)越的流動(dòng)性能以及快速的凝結(jié)時(shí)間使其可以成為水利工程較快速的修補(bǔ)材料。

2.3 抗壓強(qiáng)度與凝結(jié)強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果

抗壓強(qiáng)度與凝結(jié)強(qiáng)度是其主要特性，因此結(jié)合試驗(yàn)分析，對(duì)不同齡期各類型水泥的抗壓強(qiáng)度以及凝結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖1 不同類型水泥水膠比與抗壓強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果

圖2 不同類型水泥凝結(jié)時(shí)間與流動(dòng)度特性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同齡期各類型水泥抗壓強(qiáng)度和凝結(jié)強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同齡期各類型水泥收縮率和耐久強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以分析出，在22d的齡期下，各類型水泥的抗壓強(qiáng)度總體較為一致，且變化趨勢(shì)較為相同，硅酸鹽水泥隨著齡期的增加，其抗壓強(qiáng)度總體變化趨勢(shì)要高于普通水泥，其初期的抗壓強(qiáng)度為32.35MPa，早期的抗壓強(qiáng)度較大。從各類型水泥的凝結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可看出，在早期還是后期，硅酸鹽水泥的凝結(jié)強(qiáng)度均要高于普通水泥，早期其凝結(jié)強(qiáng)度為1.65MPa，相比普通的水泥，硅酸鹽水泥的凝結(jié)性更佳。

2.4 收縮率與耐久度對(duì)比結(jié)果

對(duì)比分析了不同類型水泥在各齡期段的干縮以及耐久特性，試驗(yàn)分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可看出，相比于普通水泥砂漿，其22d內(nèi)的干縮壓變降低65.7%，而耐久強(qiáng)度即為水泥砂漿的抗磨沖刷強(qiáng)度，其強(qiáng)度提高35.7%。從其收縮率變化過(guò)程可看出，硅酸鹽水泥的收縮率在各齡期都要高于普通水泥，可見(jiàn)硅酸鹽水泥的干縮體積穩(wěn)定性要好于普通水泥，對(duì)于水利工程修補(bǔ)材料而言，更為穩(wěn)定。從耐久度分析結(jié)果可看出，硅酸鹽水泥的耐久程度明顯好于普通水泥，隨著齡期的逐步增加，其耐久度的變幅也逐步在增加，達(dá)到22d穩(wěn)定期內(nèi)其耐久度之間的變幅達(dá)到最大。

2.5 不同齡期水泥變形及抗凍試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同齡期各水泥類型的變形特性及抗凍性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表4—5。

從表4中可看出，相比于普通水泥，硅酸鹽水泥3、11、22d靜力抗壓彈性模量分別下降31.2%、28.5%、24.4%，抗拉彈性模量下降比例分別為14.5%、16.6%、22.3%，而相比于普通水泥，硅酸鹽水泥的抗拉強(qiáng)度則分別提高43.7%、25.5%、20.8%，其極限拉伸值分別提高27.6%、29.6%及28.4%，硅酸鹽水泥的力學(xué)特性明顯好于普通水泥。從表5可看出，經(jīng)過(guò)90次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，硅酸鹽水泥的質(zhì)量損失率為0.13%，相對(duì)彈性模量經(jīng)過(guò)110次凍融循環(huán)試驗(yàn)后為55.5%，其凍融循環(huán)試驗(yàn)下的抗凍性能較高，從2種類型水泥的凍融循環(huán)試驗(yàn)可看出，2種水泥下的抗凍性能較為接近。相比于普通水泥，硅酸鹽水泥的抗磨沖刷強(qiáng)度提高35.7%。

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)硅酸鹽水泥的需水量、凝結(jié)時(shí)間以及干縮性能都要好于普通水泥，且在早期5h以內(nèi)，其砂漿的抗壓強(qiáng)度最佳，小時(shí)凝結(jié)性能最佳，水利工程快速修補(bǔ)施工性能最優(yōu)。

表4 各類型水泥不同齡期變形特性試驗(yàn)分析結(jié)果

注:GSY表示硅酸鹽水泥；PTS表示為普通水泥

表5 各類型水泥22d內(nèi)抗凍特性試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

注:GSY表示硅酸鹽水泥；PTS表示為普通水泥

(2)硅酸鹽水泥隨著水膠比的增加，其強(qiáng)度逐步降低，當(dāng)砂漿水膠比達(dá)到0.26后強(qiáng)度變化較小，在具體施工過(guò)程中，應(yīng)控制水膠比從而調(diào)整硅酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間。

(3)本文主要對(duì)比兩種常用水泥材料的主要性能，對(duì)于其他類型水泥還未進(jìn)行深入探討，比如磷酸鎂水泥材料，在以后的研究中，還需要進(jìn)一步分析更多類型的快速修補(bǔ)的水泥材料。