超早强修补水泥混凝土早强机理研究
Vol121 No16
公 路 交 通 科 技
JOURNALOFHIGHWAYANDTRANSPORTATIONRESEARCHANDDEVELOPMENT
2004年6月
文章编号:1002Ο0268(2004)06Ο0031Ο04
超早强修补水泥混凝土早强机理研究
李炜光,孙己龙,陈栓发
1
2
1
(11长安大学 教育部特殊地区公路工程重点实验室,陕西 西安 710064;
21陕西省交通厅质监站,陕西 西安 710064)
摘要:通过室内试验测试并分析了修补混凝土强度增长、收缩特性、新旧混凝土粘结强度等技术性能,并采用热重分析探讨了混凝土早强机理。结果表明,超早强系列修补混凝土能够满足6h通车要求,、后期强度增长稳定无衰减、干缩及温缩性好、新旧断面粘结强度高等优点;,体数量,提高了修补混凝土的早期强度。最终试验路的4关键词:公路工程;水泥混凝土路面;HW型超早强修补剂;;中图分类号:U414118 文献标识码:A
StudyoninConcretePavementRepair
LIWeiΟguang,SUNJiΟlong,CHENShuanΟfa
1
2
1
(11EducationalMinistrySpecialRegionHighwayEngineeringStressanUniversity,Shaanxi Xi’an 710064,China;Οlaboratory,Chang’
21ShaanxiCommunicationΟDepartmentQualitySupervisionStation,Shaanxi Xi’an 710064,China)
Abstract:Thispaperpresentsaseriesindoortestsandanalysisofcementconcreteperformance,suchasstrengthincrease、adherestrengthbetweennewandoldconcrete、shrinkagepeculiarity;andstudiedtemperatureΟweightΟanalysis1ThetestresultshowsthatmendingΟconcretecanmeettherequirementofopentotrafficin6hours,anditalsohasgoodΟperformanceindryandheatshrinkage,highbondstrengthbetweennewandoldconcretesection,andthattheinputofmendingΟagentincreasesthepercentofCa(OH)2incon2crete1Atlast,the4yearsgoodperformanceintestΟroadunderpinstheresultoftheindoortestofthemendconcrete(HWserials)1Keywords:HighwayΟengineering;Concretepavement;Superearlystrengthagent;Rapidmendskill;
Temperatureweightanalysis
混凝土路面由于具有高的强度以及优异的耐久性而在公路网中占据着重要的地位,但对破损混凝土路面板修复时却费时费力。如何快速经济的修补混凝土,国内外进行了大量的研究。现在国内使用效果好的快速修补混凝土,要么使用特种水泥,要么掺入快速修补剂,但是前者使用的快硬类水泥不易保存,而后者掺量一般很大,价格昂贵。另外由于混凝土路面多用于城市道路或经济发达地区,交通量大;传统的修补办法耗时太多,会严重影响道路的通行能力
[1,2]
混凝土路面相继到达使用年限,如何在不影响现有交通的前提下快速有效的进行混凝土路面修补,已成为一项重要研究内容。1 研究方案的确定
研究中首先选取硫铝酸盐、铝酸盐、硅酸盐、表面高效活性剂等5类外加剂作为研究对象,以水泥砂浆6h抗折强度及凝结时间作为控制指标,通过对比上述几种外掺剂正交试验结果,对单一外加剂比例与强度及凝结时间关系进行了研究
[3]
。
而采用在夜晚施工,凌晨通车的施工方式可以最低限度地减少对城市交通的影响,但此类修补剂的研究还鲜见报道。随着我国在上个世纪六、七十年代铺筑的
收稿日期:2003Ο12Ο17
,确定了掺配比
例。实验中胶砂比为1∶215,按照《公路工程水泥混
凝土试验规程》(JTJ053Ο94)进行,试验结果详见表
作者简介:李炜光(1971-),男,陕西西安人,博士研究生、讲师,研究方向道路与铁道工程1
公路交通科技 2004年 第6期
1,强度及方差分析见表2及表3。
表1 超早强修补剂水泥砂浆正交试验结果汇总表
试验号
A
[***********]41516
[**************]4
B[**************]4
C[**************]3
D[**************]3
E[**************]2
表4 早强剂化学组成
组成
HW1HW2
HW3
SiO[**************]7
Fe2O[1**********]24
Al2O[**************]3
CaO[**************]
MgO[1**********]6
SO[**************]8
试验用原材料种类与掺量
凝结时间Πmin
[***********][**************]
6h砂浆强度
ΠMPa
[***********][***********][**************]6
2 技术指标测定及结果分析
研究中针对修补混凝土的特点,从强度发展研
究,收缩特性以及新、旧断面粘结特性等角度对修补混凝土性能进行了研究。211 强度发展研究修补混凝土的后期强度是否衰减也是评价其优劣的一个重要指标岩,(15cm×15cm×55cm),(),测试结果详见表超早强修补混凝土强度增长规律
类型
HW0HW1HW2
表2 水泥砂浆凝结时间方差分析
列号来源
12345
ABCDE
平方和
[***********][***********]5
自由度均方差
333315
[***********]2
F值显著性
0101(319)=0(319=3186>F0105(319)=3186
256117186
掺量Π%
01615
41234152
4117
[1**********]7
41176102
4h
6h
抗折强度ΠMPa
8h10h12h
24h61125132
3d
7d
28d
60d360d
[***********]147187
[***********][***********][1**********]7
[1**********]6
HW31312HW213
总和
表3 水泥砂浆6h抗折强度方差分析
列号来源
12345
ABCDE
类型
显著性
HW0HW1HW2
掺量Π%
01615
16182016
21112118
[1**********]1
4h
6h
抗压强度ΠMPa
8h10h12h
24h30123517
3d
7d
28d
60d360d56
6618
平方和
[***********][***********]47
自由度均方差
3333315
12195
F值
[**************]2
[1**********]86
>F0101(319)=6199
[***********][***********][1**********]12
[1**********]5
HW31312HW4213
注:HW0为没外加剂但配合比相同的水泥混凝土
总和
表2及表3方差分析表明,材料A水泥砂浆的凝
结时间是高度显著影响,而材料B、C是显著影响因素,材料D是不显著影响因素。但是对于水泥胶砂6h抗折强度而言,只有材料C是最显著影响因素,
由表5数据可见,成型后的几个小时内,掺加HW系列修补剂的超早强混凝土的抗压与抗折强度发展很快,尤其掺加HW1的水泥混凝土,4h抗折强度就已达到4123MPa,且抗压强度也有1618MPa,满足了高速公路水泥混凝土路面的通车要求,360d抗压强度达到有1111MPa,远远高于其他类型混凝土。表明该修补混凝土的早期强度增长快,同时后期强度并没有衰减。212 收缩特性研究
收缩特性也是评价混凝土性能的一个重要方面,室内在15cm×15cm×15cm、标养28d龄期混凝土试件侧面粘贴应变片,保水48h后置于30℃烘箱中48h,测定其从保水到干燥状态的应变,计算了干燥收缩,用该
ων
其它均为不显著影响因素。表明不同组成物质对凝结
时间和强度的最显著影响因素各不相同。结果表明,混凝土超早强修补剂要解决的问题就是在一定温度条件下,解决较长凝结时间与早期强度高之间的矛盾。据此确定了4种修补剂类型,主要由硫铝酸盐、铝酸盐、硅酸盐、表面高效活性剂按一定比例组成,详细化学组成见表4所示。
超早强修补水泥混凝土早强机理研究 李炜光等
值对材料收缩性能进行评价,结果见表6所示。
表6 修补混凝土干缩性能试验结果汇总表
类型
HW0HW1HW2HW3HW4
普通混凝土高出1倍左右,掺加修补剂的HW2、HW3、HW4各龄期粘结强度也高于HW0。表明修补混凝土
试件烘干质量Πg
[***********]71
吸水率Π%
[***********]83
总应变
(×10-6)[***********]77
干燥收缩率
(×10-3)[***********]47801309
与旧混凝土粘结良好。另外对旧混凝土界面处理方法
1的各龄期强度均明显低于方法3。表明老混凝土表面粗糙度越大,界面的粘结强度越高。方法2处理的界面强度明显高于表面未做处理的方法1。3 反应机理研究
由表6测试结果可见,超早强修补剂的加入,使得混凝土从保水至干燥状态的应变增量有较大降低,干燥收缩明显减少。
另外还采用温缩系数评价了材料温缩性能,采用28d龄期、尺寸15cm×15cm×55cm的混凝土小梁试
为探讨掺加的修补剂对硅酸盐水泥水化及强度发展的超快增强机理,选用了热重分析(GTA)进行了进一步研究。该方法通过测定物质的质量随温度变化曲线,来推断试验物质的反应机理及其产物。试验在PE公司的GATΟ7,每种式样重5g左右,升温速度为10℃Π,HW0、HW1与(0)3种混合
件进行,在每个试件的两面平行粘贴BQ120Ο80AA电阻应变片,在恒温箱中从25℃开始降温,每降低5℃保温2h,当数据恒定时利用TVΟ08数据采集仪记录数据,试验结果见表7。
表7 修补混凝土温缩性能试验结果汇总表
类型
HW0HW1HW2HWCa(),详见表1～图3所示。
9Ca(OH)2含量热重分析结果汇总表
类型
HW0HW1HW2HW0HW1HW2HW0HW1HW2HW0HW1
修补剂剂量
Π%
01513133
-1817～001-181～Π℃[**************]8
)
[***********]13268
℃)
[***********]11159
指标
4h
Ca
(OH)2
[**************]
8h
12h
24h2
3d
7d
28d[***********][***********]4513759158
[1**********]0
2159121346
时间
脱水重
量Π%
Ca(OH)2
[***********][***********]1989
由表7中结果可见,修补混凝土的平均温缩系数低于普通混凝土,表明在路面结构设计时可以和普通混凝土在接缝方面等同考虑。213 新旧混凝土的粘结性
[***********]659164200
[***********][***********]1067
折合量
Π%
CO2
[***********]6441412
新、旧混凝土间的粘结能力也是修补混凝土的技术难题,因此室内对该性能进行了测试。测试时在不同表面处理办法下测试了新旧断面处的强度,结果详见表8所示。
表8 新、旧混凝土粘结强度汇总表
类型
HW0HW1HW2HW3HW4
量Π%
[***********][**************]6
5196651322
5165
5131551086
折合
CaCO3
[***********][1**********]3
[***********][***********][***********][***********][***********]5
51138917
6162
[**************]
71091
MPa方法3
HW2HW0
量Π%折合
Ca(OH)2
修补剂掺量Π%
11615133
6h-
方法1
12h-3d2113
6h-
方法2
12h-3d119
6h-
12h-
3d2162
HW1HW2HW0HW1HW2
[***********][1**********]
9104216143
量
Ca(OH)2
[***********][***********]11125
[***********]4917106917
[***********][***********][***********][***********][***********][**************]-21053143
-2173145
-2188
313
总量Π%
[***********][1**********]8
[***********][***********]31976
注:试件成型温度23℃,6h、12h试件采用自然养生,3d强度采用标准养生标养。
由热重曲线分析可知,由图1可见,未掺加修补
剂HW0的水泥水化4h后,在458℃左右就有较小的失重,经分析这是Ca(OH)2受热分解温度。说明硅酸盐水泥在4h就有了较少的硅酸钙发生了水化,并产生Ca(OH)2。从不同龄期实验结果也可发现,随
ξν
试验结果表明,采用相同的处理办法,HW1混凝土的各龄期的粘结强度高于其他类型修补混凝土,比
公路交通科技 2004年 第6期
水化龄期增长,在453～510℃的失重量有明显增加,表明随着水泥水化的进行,Ca(OH)2含量也逐渐增加。同时从失重曲线上还可发现,4h在725℃具有明显的失重,此失重点应为CaCO3受热分解放出CO2所致。同时在其他龄期的失重曲线上发现在713～760℃同样有明显的失重,并随龄期的增长失重量也有不同程度的提高。同时由HW0的GAT曲线可见,4h曲线上在27818℃时有明显失重,理论分析认为应是水化铝酸钙脱水所致,并且随着龄期增长失重量越来越少,3d以后基本消失。在12h的GAT曲线上,175℃也有一个明显的失重,此应为钙矾石(AFt)脱水所致。试验结果表明,由于测试前采用丙酮Ο乙醚对试样进行了多次脱水,并且还进行了烘干干燥,样品中自有水已经很少。这也可以说明,80℃出现的失重点,应为CΟSΟH脱水所致
。表明该硅酸盐水泥在
12h
才有大量的CΟSΟH开始生成。从曲线上还可看出,失
重量随龄期的增加而迅速增多,说明硅酸盐中的C2S、C3S水化逐渐增强,生成的凝胶物质增多,从而水泥石的强度也越来越高。
同样从HW1、HW2的GAT曲线(图2、图3)可见,从4h起,在630～787℃有明显失重,并且HW1在个各龄期
上的失重量均高于HW0。并且在4h、8h的GAT曲线上,到410～500℃才出现Ca(OH)2失重。从表9中数据可见,HW1、HW2各龄期Ca(OH)2含量均低于HW0,而CaCO3却高于HW0。并且水泥石中最终折算的Ca(OH)2含量在24h后的各个龄期,HW0均明显高于HW1、HW2。而掺加HW1修补剂的水泥石中Ca(OH)2和CaCO3的含量也均高于HW2。,
Ca(OH)2,加快了C2S和C3S
图1 图2 图3
另外,从HW1的8h和12h的GAT曲线上(图2)发现,在268～272℃的范围内亦有明显失重,这是水
化铝酸钙脱水的结果,并且其失重量随时间的增长而明显增加。但是水化24h后的失重曲线则表现得并不明显,说明在1d时间内,C3A的水化已基本完成。在8h后的GAT曲线上,温度范围为135～156℃时,出现了明显的失重点,说明在早期水泥石中就有大量的钙矾石生成,并且随着龄期增长而提高。但是水化到7d时,失重峰却转移到了19317℃,这表明随着水化的进行,水泥石中的CaSO4的量逐渐消耗,直到全部消耗完,剩余的C3A与钙矾石反应生成单硫型水化铝酸钙(AFm),完成了钙矾石向单硫型水化铝酸钙的转化。
通过热重分析可见,与基准水泥石相比较,同龄期的HW修补剂水泥石中的Ca(OH)2含量明显低于普通水泥石,表明随着修补剂的加入,对水泥石微结构不利的Ca(OH)2晶体的数量显著减少,但是其他晶体
的数量增多,从而提高了早期强度。4 结束语
HW型超早强修补剂修补的混凝土能满足6h通
车要求;并且该修补混凝土强度增长稳定、无后期衰减现象;干缩性能以及温缩性能均优于普通水泥混凝土修补结果;新、旧断面粘结强度高的优点;并且实验路的4年成功使用验证了室内测试结果,达到了预期效果,具有很好的实用价值,易于大面积推广使用。
参考文献:
[1] 李华,等1水泥混凝土路面修补技术[M]1北京:人民出版
社,19981
[2] 薛建新,等1水泥混凝土路面破碎板的快速修补[J]1公路,
1995(3)1
[3] 超早强水泥混凝土修补材料研究[R]1长安大学、广东省科研
所,20001
ψν