磷酸镁水泥砂浆与寒区水工混凝土结合面力学性能研究

李芳存

（朝阳县凌河保护区管理局，辽宁朝阳 122629）

1 研究背景

水利工程具有防止洪涝灾害， 调节和分配水资源的重要作用，是稳定国民经济的重要保障。 在当前的水利工程建设领域， 混凝土是使用最多的工程材料， 水工结构的完整性和耐久性不仅关乎工程效益的发挥， 同时也关系到工程本身的持久运行[1]。 由于混凝土本身特性和不利环境因素的影响，水工混凝土结构表面经常出现开裂、剥落和老化现象[2]。 经现场实地调研发现，局部损伤在初始出现阶段其危害性较小， 由于没有及时修补和抑制这些损害的发展导致破坏面积逐步增大， 危害程度增加，最终导致建筑物局部或整体失效。 水工混凝土结构的修补效果很大程度上取决于修补材料的特性， 合适的修补材料可以使修补结构具有更高的强度以及更好的耐久性和整体性， 降低后期的维护投入，提升整体结构的服役效果。

磷酸镁水泥是一种常温环境下通过酸-碱中和反应生成的新型快速胶凝材料， 与传统的硅酸盐水泥相比，不仅操作过程比较简单，同时水化物本身具有陶瓷制品的优良特性， 而聚合物改性磷酸镁水泥砂浆具有强度发展快、 热稳定性好、抗冻、耐腐蚀等诸多优势，可以作为水利工程混凝土结构病害和缺陷的快速修补材料， 具有十分广泛的应用前景[3]。 基于此，此次研究通过室内试验的方式， 提出采用聚合物改性磷酸镁水泥砂浆进行寒区水利工程缺陷进行修复， 探讨磷酸镁水泥砂浆与水工混凝土接触面在北方冬季寒冷条件下的力学特征，以实现对水工混凝土缺陷的快速修补，具有一定的创新性。

2 试验材料与设计

2.1 试验材料

2.1.1 改性磷酸镁砂浆

试验中的磷酸镁水泥由辽宁省海城市鑫和镁制品有限公司提供，为细度200 目的重烧镁砂，表观为黄色粉末，其氧化镁含量为92.66%；磷酸二氢钾为辽宁沈阳沈北化工原料试剂厂生产的化学纯级别磷酸二氢钾；缓凝剂选取的是硼砂，其主要作用延缓磷酸镁水泥的凝结硬化速度， 便于施工操作；粉煤灰为本溪市二电厂出品的二级粉煤灰，其平均粒径为43μm；细集料为普通河沙，细度模数为2.86； 聚合物乳液为上海懿锦工贸有限公司提供的丁二烯-苯乙烯共聚乳液；玄武岩纤维为上海臣启化工科技有限公司生产的12mm 规格纤维；消泡剂选择佛山市京旗化工科技有限公司生产的JQ-901 型非离子性消泡剂。

2.1.2 水工混凝土

在水工混凝土制作过程中， 使用大连市小野田水泥厂生产的P.O42.5 早强型普通硅酸盐水泥和厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂；减水剂使用的是山东省莱阳市宏祥建筑外加剂厂生产的聚羟酸高性能减水剂， 其掺量为胶凝材料总量为0.2%； 试验用粗集料为级配良好的人工石灰石碎石，其粒径分布为5—10mm 和10—30mm。

2.2 试件制作

水工混凝土试件采用100mm×100mm×100mm的C30 水泥混凝土试件[4]。 在混凝土制作完成之后，将其迅速倒入试模并成型，然后在阴凉通风条件下的静置24h 拆模， 然后将其放入养护室在标准养护条件下养护至28d 龄期， 然后利用切割机切割成100mm×100mm×50mm 的试块备用[5]。

为了研究基础混凝土不同含水率对接触面抗剪性能的影响，设定0%、1%、2%、3%、4%等5 种不同的含水率标准。 对于水工混凝土试件利用电热烘干箱和自然泡水法控制基础混凝土试件的含水率。 首先，将混凝土试件放入电热烘干箱，在60℃的条件下烘干24h，使试件的质量达到恒定。 然后将试件冷却并放入20℃的温水中浸泡， 使试件的含水率达到试验需要的不同含水率设定标准，然后用保鲜膜将试件密封保存， 静置72h 使试件中的水分充分扩散备用。

为了研究混凝土试件表面粗糙度的影响，研究中设定了A1、A2、A3、A4、A5 等5 种不同粗糙度等级。 其中A1 等级仅对表面刷毛，不做切槽处理；A2、A3、A4、A5 等级利用混凝土切割机在界面上切出5 道宽度10mm，深度分别为3mm、4mm、5mm 和6mm 的切槽。

按照确定的配合比称量好磷酸二氢钾和硼砂缓蚀剂加入搅拌锅中缓慢搅拌30s，然后加入重烧氧化镁再慢速搅拌30s，然后缓慢加入拌合水先慢速搅拌1min，再快速搅拌2min。 基础混凝土试件放入恒温箱静置6h， 使其温度和试验预设温度相同， 然后利用制作好的磷酸镁水泥砂浆和基础混凝土试块重新制作成标准试件。 将浇筑完成的组合试件用保鲜膜密封， 然后在养护室内以不-5℃和-10℃条件继续养护28d 龄期进行试验。

2.3 试验方法

为了研究界面的抗剪强度和劈拉强度， 需要对组合试件进行剪切试验和劈拉强度试验，其中，剪切试验使用TJXW-600 型岩石直剪仪。 结合试验目的，此次试验采用双剪试验，施加法向荷载在0.4MPa， 剪切荷载速率为0.4MPa/min 进行剪切破坏试验。

试验的劈拉试验采用万能试验机进行试验，试验过程中试件粘结面上下接缝部位分别放置垫条并与界面接缝对齐，然后以0.05MPa/min 的加载速率进行试验，并记录下粘结失效时的极限荷载值。

3 试验结果与分析

3.1 劈拉强度

3.1.1 不同含水率界面劈拉强度

对不同基础混凝土含水率工况下磷酸镁水泥砂浆与混凝土界面劈拉强度进行试验， 试验结果如表1 所示。 由表中的结果可以看出，在北方低温环境下， 组合试件界面的劈拉强度会随着基础混凝土含水率的升高而降低，并且含水率越高，下降的幅度越明显。 究其原因，主要是低温环境下，磷酸镁砂浆的稠度变大，流动性变小，会造成界面接触不充分。 此外，在基础混凝土含水率较高的情况下，界面部位会形成一薄层冰晶，阻碍了砂浆和混凝土的有效接触， 从而降低了界面的机械咬合力和物理吸附能力。

表1 不同含水率界面劈拉强度试验结果

3.1.2 不同粗糙度界面劈拉强度

对不同基础混凝土表面粗糙度工况下磷酸镁水泥砂浆与混凝土界面劈拉强度进行试验， 试验结果如表2 所示。 由表中的结果可以看出，在北方低温环境下， 界面的粗糙度对界面劈拉强度存在显著影响。 从具体的变化规律来看，在相同的环境温度下，随着界面粗糙程度的增加，界面的劈拉强度呈现出先迅速增加后逐渐减小的变化特点，当粗糙度为A4 级时界面的劈拉强度最大， 究其原因，主要是随着基础混凝土表面粗糙度的增加，磷酸镁砂浆嵌入切槽的体积增大， 从而有效提高了粘结面的有效接触面积， 进而提高了结合面的物理吸附能力。 但是，随着基础混凝土表面粗糙度的进一步增大， 过深的切槽容易造成砂浆的压实度不足， 因此界面部位会存在更多的空气气泡和边界卷曲，反而不利于界面劈拉强度的增加。

表2 不同粗糙度劈拉强度试验结果

3.2 抗剪强度

3.2.1 不同含水率界面抗剪强度

对不同基础混凝土含水率工况下磷酸镁水泥砂浆与混凝土界面抗剪强度进行试验， 试验结果如表3 所示。 由表中的结果可以看出，在北方低温环境下， 组合试件界面的抗剪强度会随着基础混凝土含水率的升高而降低，并且含水率越高，下降的幅度越明显。 其原因和劈拉强度类似，这里不再敷述。

表3 不同含水率界面抗剪强度试验结果

3.2.2 不同粗糙度界面抗剪强度

对不同基础混凝土表面粗糙度工况下磷酸镁水泥砂浆与混凝土界面抗剪强度进行试验， 试验结果如表4 所示。 由表中的结果可以看出，在北方低温环境下， 界面的粗糙度对界面抗剪强度存在显著影响。 从具体的变化规律来看，在相同的环境温度下，随着界面粗糙程度的增加，界面的抗剪强度呈现出先迅速增加后逐渐减小的变化特点，当粗糙度为A4 级时界面的抗剪强度最大，其原因和劈拉强度类似，这里不再敷述。

表4 不同粗糙度抗剪强度试验结果

4 结论

通过室内试验的方式探讨了寒冷条件下界面粗糙度和混凝土含水率对磷酸镁水泥砂浆与水工混凝土结合面力学性能的影响，主要结论如下：

1）随着混凝土含水率的增加，界面抗剪强度和劈拉强度会迅速降低。

2）随着基础混凝土表面粗糙度的增加，界面抗剪强度和劈拉强度呈现出先迅速增加后逐渐减小的变化特点。

3）根据试验结果，建议在低温环境下利用磷酸镁水泥砂浆进行水工混凝土缺陷加固补强施工时，应该尽量控制基础混凝土的含水率，同时选择合适的混凝土表面粗糙度。 □