硫铝酸盐水泥基快速修补材料性能研究

洪 晶，丘俊锋

(广州市市维新材料科技有限公司，广州 510100)

普通硅酸盐水泥因其性能可靠、价格低廉的优势得到了广泛应用，但也存在养护时间长、早期强度发展慢、流动性差、结实率低等问题，无法满足水泥路面快速修复的要求。而硫铝酸盐水泥虽然具有凝结时间快、早期强度高、抗渗抗腐蚀的特点，在一些抢险工程中得到了应用，但同时也存在后期强度倒缩、凝结过快不利于施工的缺陷[1]。同时品种少、价格高，限制了其广泛应用。将两种水泥按照比例复配，以达到优势互补的目的已得到了国内外学者大量实验的验证，其机理为硫铝酸盐水泥能降低水泥降低的碱度，消耗Ca(OH)2,从而加快普通硅酸盐水泥中硅酸钙的水化反应，而同时硫铝酸盐水泥与石膏反应生成钙矾石[2]，使得混凝土早期强度明显提高。

现将硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥进行复配，并研究其复合减水剂、早强剂和缓凝剂的材料比例，进行优化改性，使其满足水泥路面快速修复的施工要求。

1 复合比例的确定

采用华新水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥(POC)与宜城安达特种水泥厂生产的42.5级快硬硫铝酸盐水泥(SAC)来配制复合水泥，两种水泥的化学成分含量见表1。水灰比为0.5，标准砂用量为1 350 g，萘系减水剂掺量为0.5%。硫铝酸盐水泥在复合体系中掺量为0%～100%，间隔10%。通过对凝结时间、砂浆强度进行分析，确定最佳复合比例。凝结时间按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)中贯入阻力法确定，如图1所示。

表1 水泥化学成分质量含量 %

图1 SAC-POC复合凝胶体系凝结时间

从图1中可以看出，SAC能显著缩短砂浆的凝结时间。而且复合凝胶体系凝结时间随着SAC占比的增加而缩短。但作为路面快速修复材料，应将其凝结时间控制在一定范围内，凝结时间过短，则无充足的施工时间，凝结时间过长，则无法满足快速施工和快速开放交通的要求。因而，SAC占比为30%～60%较为适宜。

从图2中可以看出，3 h、1 d龄期的强度随着SAC占比的增加而增加。当SAC占比增长至50%前，28 d强度也随着SAC占比的增加而增加，超过50%时，则出现“驼峰”，强度出现回缩现象。这主要是由于随着龄期的增长，硫铝酸盐水泥的主要水化产物钙矾石(C6AS3H32，AFt)、硫铝酸钙(AFm)以及水化硅酸钙(C-S-H)凝胶包裹住了未水化的颗粒，从而部分阻断了水化反应的继续进行，使砂浆中出现薄弱区域，导致后期强度倒缩。

图2 SAC占比对砂浆强度的影响

综合考虑SAC占比对复合凝胶体系凝结时间和砂浆强度的影响，选取SAC占复合凝胶体系的50%较为适宜。通过砂浆的强度、凝结时间、施工和易性等性能作为控制指标，同时调整各外加剂的组成和掺量以确保砂浆良好的力学性能和工作性能，进而确定复合外加剂的组成。

2 减水剂对复合体系性能的影响

聚羧酸减水剂(PCA)和萘系减水剂(FDN)是常用的水泥混凝土减水剂。聚羧酸减水剂因其具有一系列优于其他种类减水剂的性能，因而在实际工程中应用越来越广泛[3]，尤其对普通硅酸盐水泥有良好的减水效果，但对于硫铝酸盐水泥的减水效果则较差，且成本较高；而萘系减水剂则对硫铝酸盐水泥减水效果良好。因而，分别就两种减水剂对复合凝胶材料的减水效果进行分析，并将两种减水剂进行复配，以实现最佳的减水效果。

从图3、图4中可以看出，随着FDN、PCA减水剂掺量的增加，复合体系流动度不断增加，且聚羧酸减水剂效果强于萘系减水剂。从图3中可以看出，当FDN减水剂掺量提高到1.2%以后，净浆的流动度增加趋势放缓，表明净浆趋于沁水状态。取FDN掺量为1.2%，同时以PCA减水剂等质量取代FDN减水剂，配制成复合减水剂，其中PCA占比分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%。

图3 不同FDN掺量对复合体系水泥净浆流动度的影响

图4 不同PCA掺量对复合体系水泥净浆流动度的影响

从图5中可以看出，在复合减水剂体系中，当PCA减水剂占比在60%～80%范围内，流动度达到最大值。考虑到聚羧酸减水剂成本较高，选取60%的聚羧酸减水剂+40%掺量萘系减水剂调配成复合减水剂，复合掺量1.2%。

图5 复合减水剂中不同PCA占比对流动度的影响

3 早强剂对复合体系性能的影响

复合体系胶凝材料为50%SAC+50%POC，进行净浆试验，复合减水剂采用60%聚羧酸+40%萘系减水剂，复合掺量为1.2%，水胶比为0.5。

碳酸锂(Li2CO3)是硫铝酸盐水泥常用的早强剂。大量研究表明，碳酸锂早强剂能有效提高硫铝酸盐水泥的早期强度，但会导致后期强度的大幅下降，且成本较高[4]。而三异丙醇胺(C9H21NO3，TIPA)作为普通硅酸盐水泥常用早强剂，具有良好的分散性，能通过促进较难水化的铁酸盐的水化，从而提高水泥矿物的水化程度，实现早强目的同时，提高水泥的后期强度。将碳酸锂与三异丙醇胺复配，以有机-无机复掺的方式设计复合早强剂，实现优于单掺早强剂的效果。复合早强剂掺量为0.3‰，其中取TIPA在复合早强剂体系中占比分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%。分析其3、6、24 h砂浆抗压与抗折强度，其结果如图6、图7所示。

图6 复合早强剂中不同TIPA占比对抗折强度的影响

图7 复合早强剂中不同TIPA占比对抗压强度的影响

从图6中可以看出，随着复合早强剂中TIPA占比的提升，砂浆的3 h与6 h抗折强度持续增长，但TIPA占比超过30%后，24 h的抗折强度增长明显减缓。从图7中可以看出，随着复合早强剂中TIPA占比的提升，砂浆的3 h与6 h抗压强度持续增长，但TIPA占比超过20%后，24 h的抗压强度增长明显减缓，甚至倒缩。这主要是因为碳酸锂虽然有利于砂浆的早期强度的发展，但会对后期强度产生不利影响。而通过两种早强剂的复合，利用TIPA早强剂的早期强度较为滞后的特点，弥补碳酸锂早强剂的不足。综合分析图6、图7的砂浆抗压、抗折结果，复合早强剂组成为80%Li2CO3+20%TIPA，复合掺量为0.3‰。

4 缓凝剂对复合体系性能的影响

对于硫铝酸盐水泥来说，工程上多采用硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)作为缓凝剂，同时硼酸钠对于普通硅酸盐水泥也有较好的缓凝作用。因而，采用其作为缓凝剂，以提高水泥砂浆的流动度，延长凝结时间。其缓凝机理为，硼酸盐分子与溶液中的钙离子形成硼酸钙络合物，包裹了水泥颗粒表面，形成致密阻隔层，延缓了水泥的水化与结晶析出。

从图8中可以看出，硼酸钠缓凝剂掺量能有效增强砂浆流动度。从图9、图10中可以看出，随着硼酸钠掺量的增加，砂浆抗折强度和抗压强度逐渐降低，但降低幅度不大。综合考虑硼酸钠掺量对流动度、抗折强度、抗压强度的影响，取硼酸钠缓凝剂掺量3.2‰较为适宜。

图8 硼酸钠掺量对砂浆流动度的影响

图9 硼酸钠掺量对砂浆抗折强度的影响

图10 硼酸钠掺量对砂浆抗压强度的影响

5 硫铝酸盐水泥基快速修补材料性能

采用复合体系胶凝材料为50%SAC+50%POC，复合减水剂为60%聚羧酸+40%萘系减水剂，复合掺量为1.2%，复合早强剂为80%Li2CO3+20%TIPA，复合掺量为0.3‰，缓凝剂采用3.2‰硼酸钠，水灰比为0.3，钢纤维用量为60 kg/m3，配制硫铝酸盐水泥基快速修补材料，经试验结果见表2。

从表2中可以看出该混凝土30 min即可初凝，55 min终凝，5 h抗折强度为3.7 MPa，抗压强度为34.8 MPa，工作性能优异，可实现路面的快速修补、快速通车的目标。

表2 硫铝酸盐水泥基快速修补混凝土性能