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快硬硫铝酸盐水泥基封堵材料早期性能研究

范成文 白银 李平

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快硬硫铝酸盐水泥基封堵材料早期性能研究

    作者简介: 范成文(1993—),男,江苏淮安人,硕士研究生,主要从事水工材料及防灾减灾方面研究。E-mail:newborn1021@foxmail.com.
  • 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFC0401609);国家自然科学基金重点项目(51739008);国家自然科学基金面上项目(41977240)
  • 中图分类号: TU442

Study on early performance of rapid hardening sulphoaluminate cement-based sealing material

  • 摘要: 为了开发适用于有压作用下混凝土结构渗漏缺陷快速封堵的材料,采用可再分散乳胶粉(VAE)改性快硬硫铝酸盐水泥(R·SAC)。使用流变仪测试R·SAC黏度时变规律,揭示其流变学性能;通过抗折抗压试验以及“8”字模粘结试验测试R·SAC的力学性能,并结合扫描电镜(SEM)分析,从而得到R·SAC基封堵材料较为完整的早期性能。结果表明:R·SAC初始黏度维持时间约为40 min,随后黏度呈“指数型”急剧增长;加入VAE后R·SAC的初始黏度增加、突变点提前且突变后黏度增长速率显著加快,提高了封堵材料抵抗渗漏水压的能力,掺量在4%时此现象最为明显;掺量为3%~4%时可将R·SAC的早期抗折强度提高15%~21%,抗压强度则随掺量提高而降低,折压比上升表明改性R·SAC柔韧性提高;1 d粘结强度在VAE掺量为4%时达到最大值,粘结强度较对照组提高121%; SEM分析表明改性R·SAC内部颗粒之间形成了致密的搭接结构,封堵渗漏缺陷的能力得到明显改善。
  • 图  1  8034H型VAE改性R·SAC黏度-时间曲线

    Figure  1.  Viscosity-time curve of 8034H VAE modified R·SAC

    图  2  改性R·SAC抗折及抗压强度

    Figure  2.  Flexural strength and compressive strength of modified R·SAC

    图  3  8034H型VAE改性R·SAC 1 d粘结强度

    Figure  3.  1 d bonding strength of 8034H VAE modified R·SAC

    图  4  R·SAC试样SEM照片

    Figure  4.  SEM photograph of R·SAC samples hydrated

    图  5  改性R·SAC试样SEM照片

    Figure  5.  SEM photograph of modified R·SAC samples hydrated

    表  1  ExpGro1模型拟合公式通用方程参数

    Table  1.   General equation parameters of ExpGro1 model fitting formula

    掺量/%参数A参数B参数η0参数R2
    02.02×10-52.638 672500.994 36
    12.43×10-62.281 753040.996 09
    21.27×10-91.639 743450.993 74
    31.98×10-91.638 294010.995 69
    41.37×10-180.876 014440.931 55
    52.54×10-180.915 793860.933 74
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    表  2  改性R·SAC折压比

    Table  2.   Flexural-compression ratio of modified R·SAC

    龄期掺量0掺量1%掺量2%掺量3%掺量4%掺量5%
    1 h0.2810.3280.3680.3860.4000.332
    1 d0.2080.2270.2340.2710.3040.319
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-21
  • 网络出版日期:  2020-04-24
  • 刊出日期:  2020-04-01

快硬硫铝酸盐水泥基封堵材料早期性能研究

    作者简介: 范成文(1993—),男,江苏淮安人,硕士研究生,主要从事水工材料及防灾减灾方面研究。E-mail:newborn1021@foxmail.com
  • 1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098
  • 2. 河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098
  • 3. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点试验室,江苏 南京 210029

摘要: 为了开发适用于有压作用下混凝土结构渗漏缺陷快速封堵的材料,采用可再分散乳胶粉(VAE)改性快硬硫铝酸盐水泥(R·SAC)。使用流变仪测试R·SAC黏度时变规律,揭示其流变学性能;通过抗折抗压试验以及“8”字模粘结试验测试R·SAC的力学性能,并结合扫描电镜(SEM)分析,从而得到R·SAC基封堵材料较为完整的早期性能。结果表明:R·SAC初始黏度维持时间约为40 min,随后黏度呈“指数型”急剧增长;加入VAE后R·SAC的初始黏度增加、突变点提前且突变后黏度增长速率显著加快,提高了封堵材料抵抗渗漏水压的能力,掺量在4%时此现象最为明显;掺量为3%~4%时可将R·SAC的早期抗折强度提高15%~21%,抗压强度则随掺量提高而降低,折压比上升表明改性R·SAC柔韧性提高;1 d粘结强度在VAE掺量为4%时达到最大值,粘结强度较对照组提高121%; SEM分析表明改性R·SAC内部颗粒之间形成了致密的搭接结构,封堵渗漏缺陷的能力得到明显改善。

English Abstract

  • 随着国家“南水北调”西线工程规划以及“一带一路”倡议的不断推进,处于高水压地区的水工建筑物规模日益增大,此类建筑通常采用混凝土材料修筑而成[1]。对于处在高水压环境中的建筑,若存在混凝土裂缝,则会发生渗漏,造成结构局部承载力和稳定性下降[2-3]。裂缝得不到及时有效处理时,甚至会使建筑发生整体性破坏,严重威胁人民群众的生命和财产安全[4]。当下主流的渗漏封堵方法是对裂缝进行灌浆[5-7]。早期工程上采用普通硅酸盐水泥(P·O)作为灌浆材料,但其硬化时体积易收缩,会削弱封堵效果[8]。为此,相关学者着手研究快硬硫铝酸盐水泥(R·SAC),试验及工程实践均表明,R·SAC比P·O的封堵效果更好[9-11]。为了进一步提高封堵材料的性能,人们在R·SAC中添加VAE等聚合物[12-13]。VAE是一种通过喷雾干燥的特殊水性乳液,与水泥在水中混合后,颗粒之间形成搭接结构,粘结强度突出,可提高水泥基材料柔韧性,显著改善水泥基材料的黏附、抗折、防水和抗裂等多种性能[14]

    在研究封堵材料性能时,很多学者都注重测试长龄期性能,然而对于混凝土渗漏封堵材料来说,其早期就可形成硬化体,仅仅研究长龄期性能显得不够充分。混凝土渗漏封堵属于应急抢险类工作,作业时间非常有限,在封堵材料泵送至封堵位置过程中,其硬化过早或过迟都将对施工产生不良影响,即使是流变阶段后期也会出现迅速硬化的现象,因此有必要对封堵材料的早期性能作全面分析。本文测试了VAE对R·SAC流变性能的影响,同时测试其早期的抗折、抗压和粘结性能,并通过SEM分析揭示VAE对R·SAC的改性机理。

    • 试验采用德国瓦克牌8034H型可再分散乳胶粉,其聚合物为乙烯/月桂酸乙烯酯/氯乙烯,固含量为(99±1)%,灰分为(13±2)%,表观密度为(450±50)g/L,主要颗粒尺寸为0.3~9.0 μm,最低成膜温度为0 ℃。水泥为快硬型硫铝酸盐水泥(R.SAC 42.5),其化学成分及相应质量占比情况为:CaO(42.25%),Al2O3(28.93%),SiO2(10.96%),SO3(8.88%),Fe2O3(3.71%),MgO(1.45%)以及烧失量3.82%。

    • 在室温20 °C条件下制样并测试,配合比情况为:固定水灰比0.4,8034H型可再分散乳胶粉掺量分别为硫铝酸盐水泥质量的0,1%,2%,3%,4%和5%。

      流变学试验:以黏度为测试的主要指标,使用美国博勒飞RST-SST流变仪。配合成的封堵材料搅拌均匀后倒入塑料杯中(容量1 000 mL,直径110 mm,高144 mm,为了脱模方便在内壁刷少许油),并固定在流变仪测试台上。采用恒定旋转测试模式,控制剪切速率(CSR),为减少转子对材料凝结硬化速率的影响,设置低频率转速为1 r/min。

      力学试验:以抗折强度、抗压强度和粘结强度为主要测试指标,使用TYE-300D型水泥胶砂抗折抗压试验机与YF-900型电脑拉力试验机。抗折抗压试验时将净浆试样放在仪器夹具中间,试样的成型面要与受压面垂直。开动压力机,使试样在指定载荷速率范围内加载直至破坏。而在黏结强度试验中,基准试块是在“8”字模中成型的半个“8”字普通硅酸盐水泥砂浆试块,龄期均为28 d以上。将粘结部位用钢丝刷打毛,并取出新拌合的封堵材料浇筑另外半个“8”字模,形成完整试样。成型好的试样养护至一定龄期后取出放置在拉力试验机中测试,拉断试样后用游标卡尺量出破坏面尺寸,结合拉力值计算出粘结强度。

    • 水泥浆液是一种固、液混合物,从加入水开始,水泥即发生水化反应。随着水化反应的不断进行,净浆发生着黏、弹、塑性的演变,也就是逐渐失去流动性从而硬化形成强度的过程。水泥浆液的流变特性对水泥的微观结果、理化性质有着重要的影响,宏观上说流变性能可直接决定此类材料在泵送过程中的性能。流变学试验结果如图1所示。采用以下通用方程对图1中曲线进行拟合:

      图  1  8034H型VAE改性R·SAC黏度-时间曲线

      Figure 1.  Viscosity-time curve of 8034H VAE modified R·SAC

      $$ \eta = {A}{{\rm{e}}^{t/{B}}} + {\eta _0} $$ (1)

      式中:η为黏度(Pa·s);t为时间(min),其中t=0表示加水时刻;η0为初始黏度(Pa·s);A为与黏度增长速度呈正相关的参数;B为与黏度突变时刻及速度有关参数。参数取值见表1

      表 1  ExpGro1模型拟合公式通用方程参数

      Table 1.  General equation parameters of ExpGro1 model fitting formula

      掺量/%参数A参数B参数η0参数R2
      02.02×10-52.638 672500.994 36
      12.43×10-62.281 753040.996 09
      21.27×10-91.639 743450.993 74
      31.98×10-91.638 294010.995 69
      41.37×10-180.876 014440.931 55
      52.54×10-180.915 793860.933 74

      图1可以看出,随着时间的增长,各掺量的改性R·SAC黏度在遇水约40 min内均无明显变化,称此时的黏度为初始黏度。这是由于水泥浆液作为一种多分散尺度的多相悬浮体系,水泥颗粒悬浮分散在液相中,水化作用下水泥浆液是具有反应活性的悬浮分散体系,故在初始阶段为黏塑性流体。通过ExpGro1模型对试验数据进行拟合,得出黏度η与时间t的关系,相关系数R2均在0.93以上,说明拟合程度较高。结合图1表1可发现,A值越大黏度增长越快;B值越大黏度突变速度越慢,B值越小,黏度突变时刻越早、速度越快。

      比较不同掺量下初始黏度值可看出:随着8034H型VAE掺量的提高,改性R·SAC的初始黏度先逐渐增加,并在4%掺量达到极值444 Pa·s,随后降低。这说明8034H型VAE加入R·SAC中后,净浆的黏性有所增加。随后当达到某个临界点时黏度值呈指数型上升,并迅速达到流变仪测量扭矩上限。由图1还可大致看出,随着掺量提高黏度增长曲线更加陡峭,而黏度曲线越陡峭在封堵过程则意味着材料失去流动性越快,越不容易被高水压冲走。为进一步分析黏度急剧增长阶段各掺量下改性R·SAC的差异,可分析通用表达式η=Aet/B+η0B值。由表1发现,随着掺量增加,B值逐渐上升,4%时达到极值,这说明掺量在4%时改性R·SAC的黏度突变速度最快。

      不同掺量下改性R·SAC黏度由1 000 Pa·s上升至8 000 Pa·s时间差异较大,其中未添加VAE的R·SAC需要351 s,而加入4%掺量的8034H型VAE后所需时间仅为106 s,改性水泥黏度在1 000 Pa·s至8 000 Pa·s阶段增长速度提高了231%。因此在封堵材料泵送至混凝土渗漏缺陷位置后,从流变学角度可认为加入4%的8034H型VAE可大幅提高R·SAC在灌浆处的变黏速度。

    • 随着R·SAC水化的进行,浆体逐渐丧失流动性、缓慢凝结演变为具有一定黏弹性的软固体直至固体。对于水泥净浆和混凝土来说,强度是基本性能指标。在混凝土修补中,修补材料的各项性能应与老混凝土相匹配,物理性能相接近。而净浆与混凝土之间的粘结强度对于修补耐久性也非常重要,因为修补材料和老混凝土基面之间胶结良好是成功修补的关键。通过抗折抗压试验研究VAE对R·SAC净浆抗折抗压强度的影响,结果如图2所示。

      图  2  改性R·SAC抗折及抗压强度

      Figure 2.  Flexural strength and compressive strength of modified R·SAC

      整体来看,8034H型VAE对R·SAC的抗折强度略有提高,1 h和1 d龄期下均为3%~4%掺量时效果最好,较基准水泥相比抗折强度提高了约15%~21%,继续提高掺量,则抗折强度下降;8034H型VAE的加入,明显降低了各龄期的抗压强度,且掺量越大,抗压强度越低。

      采用折压比表征混凝土的柔韧性,其值越大,则材料的柔韧性越好,抗开裂能力越高。表2为根据本次抗折抗压试验的结果而得的各类试件折压比。表2中,1 h和1 d的改性R·SAC折压比均为先上升再下降,且在4%~5%时折压比最大,达到0.400和0.304。这说明加入8034H型VAE后,R·SAC的柔韧性得到了提高,因此可有效抵抗混凝土再次发生开裂。

      表 2  改性R·SAC折压比

      Table 2.  Flexural-compression ratio of modified R·SAC

      龄期掺量0掺量1%掺量2%掺量3%掺量4%掺量5%
      1 h0.2810.3280.3680.3860.4000.332
      1 d0.2080.2270.2340.2710.3040.319

      根据界面的相关理论可知,材料的结合在界面处最为薄弱,大多数破坏都发生在界面或者从界面开始。为此,本文研究新拌改性R·SAC与老旧混凝土之间的粘结强度,结果如图3所示。由图3可以明显看出,加入8034H型VAE后,R·SAC的粘结强度得到了显著提高:在4%掺量下粘结强度达到了1.04 MPa,而基准组粘结强度仅为0.47 MPa,提高了121%。因此,8034H型VAE具有较为良好的粘结性能,显著提高了界面的粘结程度。

      图  3  8034H型VAE改性R·SAC 1 d粘结强度

      Figure 3.  1 d bonding strength of 8034H VAE modified R·SAC

      为了从微观结构进一步探究VAE对R·SAC的改性机理,对硬化体进行取样并做水化1 d的SEM分析。从图4中可以看出,R·SAC试样在水化1 d时生成了团絮状C-S-H凝胶,丝带状钙矾石散布在硬化体中,图中黑色圈内可明显看到大量深色孔隙。这说明未添加VAE的R·SAC内部结构不是特别致密,在有压的水环境下难以起到良好的抗渗性能。通过图5所示的同龄期VAE改性R·SAC试样SEM照片发现,此时已经生成了大量C-S-H凝胶而钙矾石却看不到,这是由于VAE形成的聚合物与水泥水化形成的大量C-S-H凝胶已经将钙矾石包裹住。聚合物被限制在毛细孔隙中,聚合物颗粒絮凝在一起,即乳胶颗粒在与水泥水化过程中改性R·SAC内部出现了铆接、搭接的结构,形成如图5所示的连续的聚合物网状结构,并填补了孔隙,说明VAE聚合物可将R·SAC水化物粘结起来。这使得材料的内聚强度提高,形成致密的硬化体,因此可显著改善R·SAC封堵渗漏缺陷的能力。

      图  4  R·SAC试样SEM照片

      Figure 4.  SEM photograph of R·SAC samples hydrated

      图  5  改性R·SAC试样SEM照片

      Figure 5.  SEM photograph of modified R·SAC samples hydrated

    • 本文按封堵材料的流体-流固体-固体发展顺序开展试验,比较不同掺量的8034H型VAE对R·SAC早期性能的影响。试验表明:在混凝土渗漏的修补工程中,8034H型VAE可有效提高R·SAC的早期性能,且4%为最优掺量。主要结论如下:

      (1)R·SAC初始黏度维持时间约为40 min,随后黏度呈指数型增长,因此此类封堵材料泵送至灌浆位置时间不宜超过40 min。

      (2)掺入VAE后R·SAC的初始黏度略有增加,突变点提前,突变点后黏度增长速率显著加快,提高了封堵材料抵抗渗漏水压的能力,掺量在4%时最佳。

      (3)掺量为3%~4%时可提高R·SAC的早期抗折强度15%~21%,抗压强度则随掺量提高而降低,折压比上升表明改性R·SAC柔韧性提高,可有效降低外压作用下发生开裂的可能。

      (4)改性R·SAC的1 d粘结强度在VAE掺量为4%时最大,较对照组提高121%,显著提高了新老混凝土界面的粘结程度。

      (5)掺入VAE后,R·SAC内部颗粒之间形成了致密的搭接结构,封堵渗漏缺陷能力得到明显改善。

参考文献 (14)

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