超细粉煤灰对硫铝酸盐复合砂浆性能影响的研究

董丽华

（山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

冬季盐冻破坏是造成混凝土桥梁破损的主要原因，盐冻病害一般出现在运营后的3～5年，主要发生在桥面铺装层、防撞墙马蹄部位、泄水管下方边梁等部位，其中尤以防撞墙马蹄部位最为严重。在养护治理中，通常采用混凝土修补砂浆进行整修。普通硅酸盐水泥（OPC）制备的修补砂浆凝结时间长，硬化时伴随细小裂纹，与砂浆作为整修材料的特性相偏离。硫铝酸盐水泥（SAC）具有快凝、早强，成型后期伴有微膨胀的特性，常常用来与OAC 共同制备复合砂浆，SAC 可缩短水泥砂浆的凝结时间，因自身的微膨胀可减少OAC 的干燥收缩[1-2]。研究发现，10%SAC-OPC 作为凝胶材料可有效提高砂浆的体积稳定性[3]。

粉煤灰是一种低成本的活性材料，能与水泥发生二次反应，形成密实型水泥石结构，提高抗渗性、力学性能和结构的体积稳定性[4]。考虑到SAC 单价较高，本文选用超细粉煤灰部分代替复合水泥（SAC+OAC），研究超细粉煤灰对复合修补砂浆工作性、力学强度和耐久性的影响。

1 原材料

1.1 水泥

OAC 选用山西山水水泥厂生产的52.5 水泥。硫铝酸盐水泥选用山东中联水泥厂生产的42.5R 水泥，主要技术参数见表1。

表1 硫铝酸盐水泥技术参数

1.2 骨料

研究中注意控制骨料质量，本试验中骨料选用机制砂，试验前采用标准筛将骨料分成6 档，调整砂率，借助Fuller 分布定律对机制砂进行级配优化，确定骨料级配满足粗砂∶中砂∶细砂=1∶1∶1。该骨料经测定表观密度为2.734 g/cm3，吸水率2.2%。

1.3 超细粉煤灰

超细粉煤灰较粉煤灰粒径更小，单体颗粒为表面光滑的微球，在水泥混凝土中起到“滚珠”的效果。由于粉煤灰为烧制产物，粒径存在一定的分布，试验中选定的超细粉煤灰粒径范围为30～50 nm。

1.4 苯丙乳液

苯丙乳液（SBR）在修补砂浆中能够提高砂浆的黏结性能和柔韧性，苯丙乳液固含量为60%，在计算水灰比时，需计算苯丙乳液的含水量。

2 配比和试验方法

2.1 材料配比

此次试验所选用的配比见表2，表中数据均为质量比。超细粉煤灰掺量为SAC+OAC 总量的0～20%，考察不同掺量超细粉煤灰对砂浆性能的影响。

表2 复合修补砂浆配合比

2.2 测试方法

超细粉煤灰对复合修补砂浆的影响从砂浆的流动性、力学性能、抗渗性和收缩性能进行试验，具体试验方法见表3。

表3 试验方法和设备

3 性能分析

3.1 流动性

超细粉煤灰具有较大的比表面积，在砂浆中具有较强的吸附作用，可吸附更多的水分，对砂浆总体用水量具有显著影响。同时，超细粉煤灰因其细小粒径，在砂浆中能够提供滚珠效应，给予砂浆更大的流动性。图1 是水灰比0.5 时不同粉煤灰用量对砂浆流动性的影响。

图1 粉煤灰对流动度的影响

当水灰比为0.5 时，砂浆的流动性随着粉煤灰用量的增多出现先上升后下降的变化，在超细粉煤灰用量为10%时，砂浆流动性达到最大值，峰值为190 mm，这是因为超细粉煤灰在砂浆中用量较少时，对砂浆起到“滚珠效应”，粉煤灰降低了砂浆自身的滑动阻力，为砂浆的拌合和流动提供类似“润滑”的效果。当超细粉煤灰用量继续递增时，粉煤灰的滚珠效应减弱，粉煤灰比表面积大，吸附性强的特性在逐渐提高，砂浆流动性逐渐降低。

3.2 力学性能

图2 砂浆的力学性能

超细粉煤灰对砂浆力学性能的影响与掺量密切相关，成型标准试件测试不同超细粉煤灰掺量3 d、7 d、28 d 的抗压强度和抗弯强度，试验结果见图2。超细粉煤灰复合砂浆的抗压强度和抗折强度均随超细粉煤灰掺量的增加先增加再降低。在超细粉煤灰掺量达到10%时，3 d 抗压强度和抗折强度均达到38.3 MPa、7.36 MPa。分析其中原因，在水化早期，超细粉煤灰复合砂浆孔隙内水溶液碱性较强，粉煤灰的主要组分为二氧化硅、三氧化二铝，所以在碱性环境下能够与水泥水化物氢氧化钙发生二次凝胶反应，形成更为密实的C-S-H 凝胶结构，缩小混凝土的内部孔隙[5]。内部交联结构更为密实，从而提高砂浆混凝土的抗压强度和抗折强度。粉煤灰掺量继续增多，由于水泥被过多取代，砂浆整体水化速率降低，硬化时间延长，混凝土强度降低。在水化反应的中后期，由于水化反应彻底，混凝土孔隙间水溶液碱性增强，粉煤灰的活性在不断增强，混凝土试件最终强度趋于一致，以20%粉煤灰掺量试件的强度增长规律最为显著。

3.3 抗渗性

采用SS-15 型抗渗仪对砂浆混凝土的抗渗性进行测试，在制备的混凝土试件上保压72 h，测试试件的透水效果。试验结果表明，试件均不透水，抗渗性效果显著。超细粉煤灰的加入提高砂浆混凝土的密实性，缩小孔隙结构，从而提高砂浆混凝土的抗渗性和耐久性。而在试件的渗水高度上，由于试件的偏差较大，每个试件选取10 个测点，每5 个试件作为一组数据，取其平均值进行测试，渗水高度见图3。在粉煤灰掺量为10%时，抗渗高度最低，粉煤灰掺量的继续增加，由于凝胶材料数量降低过多，砂浆混凝土的致密程度在逐渐降低，粉煤灰虽能与水化物继续发生二次反应，但在空间结构上致密性下降，抗渗性下降。

图3 砂浆试件的抗渗性

3.4 收缩性能

按照《水泥胶砂干缩试验方法》JC/T 603—2004制作标准铜钉试件，见图4。对不同龄期的试件进行测试，对测试结果经计算处理绘制不同超细粉煤灰砂浆的干缩率图，见图5。

图4 水泥胶砂干缩试件

砂浆收缩是水泥类材料的普遍现象，由于SAC的快硬特性，砂浆的收缩被加速和提前。随着养护时间的逐渐增加，砂浆试件毛细孔内的水溶液在逐渐减少，内部湿度逐渐降低，干缩情况逐渐增大，超过30 d 后趋于稳定，这种稳定一方面是OPC 水化反应彻底，体积趋于稳定；另一方面SAC 水化后期钙矾石含量增多，钙矾石的微膨胀弥补了体系的收缩[6]。在相同龄期时，超细粉煤灰用量越多，水泥砂浆的自收缩越小。高掺量超细粉煤灰造成单位体积内水泥颗粒数量减少，水泥消耗的水分就相应减少，单位体积的自收缩也较小。整体上来看，粉煤灰数量的增多对减低砂浆自收缩具有积极影响。

图5 砂浆的干燥收缩

4 结语

超细粉煤灰可以提高砂浆的流动性，但掺量超过10%后流动度会出现下降的趋势。超细粉煤灰在碱性环境下能够与水泥水化物发生二次反应，对提高砂浆的力学性能和抗渗性具有积极影响，掺量超过最大值后，水泥被过量取代，砂浆强度降低。同时，由于SAC 的快硬早强特性，掺入粉煤灰后可降低水泥砂浆的干燥收缩效果，粉煤灰用量越多，干燥收缩越小。