硫铝酸盐水泥基路面修补材料物理力学特性研究

刘 娇

（辽宁工程技术大学 土木工程学院，辽宁 阜新）

引言

随着城市化和交通运输发展，水泥混凝土路面的维护和修复任务变得越来越重要。施工技术、自然环境、配合比设计等因素会对路面结构和非结构造成影响。水泥混凝土路面损伤问题多样，需要选择匹配的修复材料。寻找精准有效、契合路面损伤特点的修复材料至关重要。

研究者致力于改进水泥基路面修补材料的性能。为了实现这一目标，王晶等[1]通过混合不同特种水泥与普通硅酸盐水泥，可以实现水泥路面的快速凝固和高强度修补。曹瑞军等[2]开发了一种新型胶粘剂，成功制备了水泥混凝土路面的快速修补材料。John Bensted[3]利用磷酸镁水泥与水的酸碱反应来快速修复公路和机场路面，实现了最佳抗压强度。Beno t Bissonnette等[4]以水泥基粘结材料覆盖层为基础，用于修复、衬砌或加固楼板和人行道，涵盖了设计、施工和维护等实际问题。

尽管已有一些研究对水泥基路面修补材料的性能进行了探索，但仍存在一些问题有待进一步研究。本研究旨在通过系统的性能试验，探究不同配比和添加外加剂条件下水泥基路面修补材料的力学性能、粘结性能和干缩方式等方面的变化规律，为优化修补材料的配制和施工提供科学依据。

1 材料和试验方法

1.1 原材料

试验所用的主要原材料包括：水泥、河沙、胶粉。水泥选用42.5 快硬硫铝酸盐水泥。细骨料为通过2.36 mm 筛分并进行水洗和干燥的普通河沙，胶粉选用4023 胶粉。外加剂主要包括：聚羧酸类减水剂、脱硫石膏和消泡剂等。将聚丙烯腈纤维作为纤维增强材料，将实验室自来水作为配制材料的水源。

1.2 试验设计

试验采用了1:1.4 的胶砂比例，试验温度在19～21℃范围内，并采用了W/C=0.29 的水胶比，使用标准养护箱进行养护。试验所使用的材料及其掺量详见表1，试样编号为S0～S6。

表1 试验配合比设计

1.3 试件的制备、养护和测试

试件制备、养护：先准备好硫铝酸盐水泥和砂作为骨料，进行干混搅拌1 min。然后，按照表1 的配合比逐步添加石膏、胶粉、聚丙烯纤维和外加剂。接着，准备掺有消泡剂的拌合水，并将混合好的粉料倒入其中，边倒边搅拌。最后，倒入40 mm×40 mm×160 mm的模具中成型，在标准养护条件下养护4 h，1 d，3 d和28 d 形成砂浆试块。

（1） 力学强度测试：抗压强度和抗折强度根据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-2021）中的ISO 法[5]测试。

（2） 粘结强度测试：粘结强度测定采用水泥砂浆抗折强度方法进行测定。首先，使用电锯将40 mm×40 mm×160 mm 试块从中间锯开，并用粗砂纸打毛截面。然后，将一半普通砂浆试件放在模具的一边，另一边用高性能修补砂浆填满。在标准养护室中继续养护至28 d 后，进行抗折强度测试，如图1 所示。

图1 水泥基快速修复砂浆粘结强度测定

（3） 干缩强度测试：试验方法参照《水泥胶砂干缩试验方法》（JC/T 603-2004）[6]，采用图2 所示三联试模，制作25 mm×25 mm×280 mm 两端有测量值预埋铜头试件。将试件放置标准养护箱养护，1 d 后脱模将试件放入标准养护室里，并用卡尺测量试件长度，记录长度记作L0，之后测量各龄期的长度后按规范计算出其收缩率，精确至1.0×10-6。

图2 水泥基快速修复砂浆干缩性测定

2 结果与讨论

2.1 抗折强度和抗压强度

如图3、图4 所示，硫铝酸盐水泥具有快速获得基本强度的特点。在4 h 内，其能够满足基本强度要求，1 d 内的抗压强度可达到40 MPa，抗折强度可达到7 MPa。后期强度增长平缓，7 d 内基本达到最高强度。水泥砂浆的强度稳定，没有倒缩现象。

图3 修补砂浆抗折强度时间变化

图4 修补砂浆抗压强度时间变化

适量掺加石膏和胶粉可以提高水泥砂浆的强度。经过对比实验，发现石膏掺量为2.5%时，效果最佳，对强度影响不大，且略微提高了抗折强度。胶粉掺量为1.25%时，配比最佳，1 d 内抗压强度为43.4/43.3 MPa，抗折强度为7.3 MPa。过量或过少的石膏和胶粉掺量都会对砂浆强度产生影响。

适量掺加缓凝剂和减水剂可维持修补材料的流动性。加入0.06%纤维可以提高修补材料的抗折强度，同时添加消泡剂可减少表层气泡，提升修补材料的强度。

2.2 粘结强度

表2 为所设计的界面处理方式，由连接角度与连接形状分为A、B、C、D 四组，进行试验分析。

表2 不同界面处理方式

根据图5 的结果，可以发现在A1（斜面粘结角度为30°）、C4（凸面粘结直径3 mm）、D2（棱柱面粘结深度4 mm）、D3（凹面粘结直径4 mm）、D4（凸面粘结直径4 mm）等背景条件下，粘结面强度都高于4 MPa，与材料的抗折强度类似。试验结果显示，在粘结面进行试验时，所有的试验试块都是在粘结面破坏，研究表明，粘结面形状越复杂、无杂质，粘结强度越大，且粘结深度越大，粘结力也随之增强。修复材料直接与混凝土板结合时，强度较低，而在进行A1 结合时，粘结强度较高，说明在没有接口处理的情况下，有必要采取一定的夹角角度来进一步增强粘结强度。凹凸形边缘粘结，如果保持较大的深度，粘结强度往往更高。最后，也需要注意到，剔凿后的混凝土边角也可以保证修补材料和混凝土的良好结合。

图5 不同粘结方式强度对比

2.3 干缩性能

根据图6 的结果，可以观察到快速修复砂浆在1、4、6 号编号时的干缩率低于0、2、3、5 号编号。其中，1号砂浆的收缩率最低，而2 号砂浆的收缩率最高。在石膏适量掺入后，可以降低后期的收缩率，从而有利于修补。同时，随着龄期的延长，1 号砂浆与其他编号砂浆的干缩率差异也越来越大。这是因为减水剂和缓凝剂的使用可以提高砂浆的流动性，减少用水量，降低干缩。此外，胶粉的加入可以降低砂浆早期水化热释放速率，减少微裂缝和宽度。胶粉形成的膜在水泥砂浆中形成空间网格结构，封闭微孔结构，明显改善收缩性能。

图6 修补砂浆干缩率时间变化

3 结论

通过对修补砂浆的反应机理、力学性能、粘结强度和干缩强度等方面的研究，得出以下结论：

（1） 快硬硫铝酸盐水泥是修补砂浆的理想选择，因为它具有快速水化反应、早期微膨胀、后期收缩较小以及出色的耐腐蚀性能。

（2） 修补材料在4 h 内就能达到基本强度要求，在1 d 内能达到抗压强度40 MPa、抗折强度7 MPa 的标准。此外，后期也未出现倒缩现象。

（3） 界面平滑性不佳反而有利于新老混凝土界面的粘结。

（4） 加入石膏和聚合物胶粉可以减少修补砂浆的干缩现象，从而有利于新老混凝土的粘结。