堿膠凝材料技術在混凝土專用薄層修復中的應用①

石明明

(安徽建筑大學城市建設學院，安徽 合肥 238076)

0 引 言

混凝土公路是我國最為常見的混凝土建筑，在全國交通中起著至關重要的作用[1]。隨著經濟的快速發展，私家車數量增多，交通量也大幅度上升，使得混凝土公路不可避免地出現不同程度的損壞，如斷板、開裂、脫空、麻面、沉陷等。其中一些路面損壞比較輕微，僅需要對路面進行薄層修補和養護，就能再次投入使用[2]?；炷凉繁有迯图夹g跟傳統公路修復技術相比有著經濟、便捷、省時等優點，但對修補材料有較高的需求[3]。有鑒于此，研究提出一種堿-偏高嶺土-礦渣膠凝復合材料作為混凝土公路的薄層修補材料，該復合材料早期強度發揮快，凝固時間較短，同時擁有粘結性強、收縮率和污染性低等優點，是一種較為理想的綠色環保的修補材料。

1 堿膠凝材料在混凝土薄層修復的應用

1.1 堿膠凝材料的激發劑與緩凝劑

混凝土公路是我國道路交通的重要組成部分，而道路交通是否正常運轉影響著人們的日常生活和經濟發展[4-5]。由于投入使用的時間、交通量增大、天氣狀況等因素的影響，混凝土公路會無法避免地出現損壞，其中一些損壞比較微小，可以采用混凝土公路薄層修復技術進行修補[6]。

薄層修復技術的原理是利用修補材料和舊混凝土公路之間的粘結性，將修補材料填補在公路的損壞處，兩者粘結成一個新的整體，因此對修補材料的強度、穩定性、粘結性以及造價等性能有較高的要求[7-8]。膠凝材料是指能從漿體變為固體，且能膠結其他物料的材料。堿膠凝材料，又被稱為堿激發膠凝材料，是一種主要由具有急冷熱歷史的含鋁硅酸鹽的礦物或者工業礦渣和堿激發劑組成的水硬性膠凝材料。研究提出一種偏高嶺土與礦渣的復合堿膠凝材料與水泥熟料結合，作為混凝土公路的薄層修復材料，并利用水玻璃，即硅酸鈉溶液(Na2O·nSiO2)作為堿激發劑，廣泛應用于土木建筑等領域。之使用水玻璃作為堿性劑而不是使用NaOH溶液的原因是，水玻璃中含有硅酸鈉，而硅酸鈉在水解后會產生氫氧化鈉與硅膠。如果使用NaOH溶液作為堿激發劑，則僅有氫氧根離子催化礦渣中的玻璃體結構解體；而水玻璃中不僅有氫氧根離子，水化產生的含水硅膠還能與鈣離子和鋁離子發生化學反應，進一步促進礦渣的水解，故而使用水玻璃做堿激發劑能夠使礦渣的水化過程加快，凝結所需時間縮短。研究所使用的水玻璃參數如圖1所示，水玻璃的模數可用NaOH調整。

圖1 水玻璃中主要物質含量

水玻璃溶液中含有大量的氫氧根離子，整體呈堿性環境，這會使堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料分解出大量的鈣離子分布在水玻璃溶液中。這些鈣離子會與硅酸根離子發生化學反應，生成C-S-H凝膠，使溶液的流動性快速流失，進而快速凝結。實驗中，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料在4min時流動性慢慢降低，開始凝結；而實際的混凝土公路薄層修復過程比較復雜，其中包括和水、攪拌、筑模、鋪筑、抹面等工序，耗費時間相對比較長，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料過早凝結無法滿足實際修復情況，因此需要添加緩凝劑，以延緩堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的凝結時間。綜合參考了實際施工所需時間，并考慮到施工出現意外時所需的搶修時間，實驗發現以0.5%的氯化鋇和0.5%的硝酸鋇作緩凝劑時，最符合實際操作情況。最終水玻璃與緩凝劑的混合溶液參數如表1所示。

表1 溶液參數

1.2 堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料參數

混凝土公路薄層修補材料，在收縮性、抗壓強度、物理和化學的穩定性、粘結性、環保性、經濟性等方面的性能要求比較高[9]。經驗證發現，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料與水泥熟料的混合修補材料的配比為：礦渣45%、偏高嶺土45%、水泥熟料10%，水玻璃模數為1時，修補材料的性能最佳，因此研究采用此配比材料進行試驗。研究所用材料的參數如表2所示。

表2 原材料的化學成分

礦渣指的是冶煉生鐵時廢棄的?；郀t礦渣。?；郀t礦渣中含有氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化硅(SiO)、氧化鋁(Al2O3)等氧化物，因此具有較高的活性。礦渣的活性大小一般是通過質量系數、活性系數和堿性系數來判定，三種系數越大，說明礦渣的活性越高。其中質量系數=通常用三種系數來評定礦渣的活性：質量系數=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)；活性系數=(Al2O3/SiO2)；堿性系數=(CaO+MgO)/(Al2O3+SiO2)。礦渣中氧化鈣和氧化鎂為堿性氧化物，氧化硅和氧化鋁為酸性氧化物，將選用兩者比值大于1的堿性礦渣作為材料。礦渣中的玻璃體有著兩相的分相結構，其中一相是富含鈣的連續相，稱之為富鈣相；另一相是富含硅的非連續相，稱之為富硅相。由于氧化鈣的Ca-O鍵和氧化鎂的Mg-O鍵的鍵能比氧化硅的Si-O鍵的鍵能小很多，因此富鈣相的水硬活性較高。礦渣玻璃體中各氧化物的化學鍵強度如表3所示。

表3 礦渣玻璃體中各氧化物的化學鍵強度

在堿性環境中，礦渣的中的富鈣相被分解成鈣和其他物質，接著鈣與氫氧根離子發生化學反應進而再次溶解，其反應過程如式(1)。

2NaOH+≡Si-O-Ca-O-Si≡

→Ca(OH)2+2≡Si-ONa

(1)

富鈣相被分解后，礦渣的玻璃體結構也隨之發生解體，包含在富鈣相中的富硅相會暴露出來，與氫氧根離子發生化學反應，如式(2)。

(2)

由上述內容可知，礦渣在堿性條件下，前期富鈣相水化分解，然后包含在富鈣相中的富硅相會暴露在堿性環境中進行水化分解，其水化產物會填補在富鈣相的水化產物的空隙中。因此能提高堿-礦渣膠凝材料的致密性和強度。而在水玻璃的作用下，礦渣在水玻璃溶液中會形成大量的[SiO3(OH)2]2-離子，使硅酸根離子在氫氧根離子作用下的縮聚反應速度加快，從而使得礦渣擁有良好的膠凝性能。

高嶺土的主要的構成物質是氧化鋁和氧化硅，在600～900℃的煅燒下會得到無水硅酸鋁，利用其分子排列不規則的特點，可以在堿性條件下激發其強度[10]。在堿性條件下，高嶺土中的化學物質會與氫氧根離子發生反應，生成氫氧化鋁和硅酸，形成混合膠體溶液，其化學式如式(3)。

(Na,K)2n(OH)3-Si-O-Al(OH)2-

O-Si-(OH)3

(3)

作為薄層修補材料，需要材料的收縮率盡可能小，而偏高嶺土具有膨脹性，因此偏高嶺土的參入能補償礦渣水泥的收縮。此外，偏高嶺土具有比較理想的體積穩定性，在堿性條件下的水化反應快，水化產物結構致密，化學性能穩定，擁有早、強的特點，因此十分適合作為混凝土路面的薄層修補材料。

2 三種薄層修補材料的性能對比

2.1 三種薄層修復材料的收縮率對比

混凝土在和水時會有放熱反應，導致體積膨脹，在凝固時不再發生放熱反應，因此體積會收縮。當混凝土發生收縮時，往往會有裂紋產生，使得混凝土建筑不美觀的同時，還存在一定的安全隱患?；炷帘有迯筒牧先绻湛s率過大，會導致修復層開裂，修復層和原混凝土之間的粘結性降低，從而脫落。因此，收縮率是混凝土薄層修復材料的一個重要性能指標。為驗證研究中提出的修復材料的性能，將堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料與水泥、堿-礦渣膠凝材料在3d、7d、28d、56d時的收縮率進行對比實驗，將堿-礦渣膠凝材料記為材料1，水泥記為材料2，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料記為材料3，實驗結果如圖2所示。

由圖2可知，堿-礦渣膠凝材料在3d、7d、28d、56d時的收縮率分別為0.60、0.62、0.64、0.63；水泥在3d、7d、28d、56d時的收縮率分別為0.54、0.58、0.70、0.74；堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料在3d、7d、28d、56d時的收縮率分別為0.31、0.34、0.36、0.37。堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的收縮率最低值僅為31%，最高值為37%，均低于水泥和堿-礦渣膠凝材料。且堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料比堿-礦渣膠凝材料的收縮率平均低27.75%，比水泥平均低29.5%。以上結果說明，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的收縮率較小，比較適合做混凝土薄層修補材料。

圖2 各修補材料隨天數的收縮率

2.2 三種薄層修復材料的抗壓強度對比

除了收縮率以外，抗壓強度(compressive strength)也是混凝土薄層修復材料的一個重要指標?？箟簭姸仁侵覆牧夏軌虺惺艿耐獠渴┘訅毫Φ膹姸葮O限。今年來交通量越來越大，車流量越來越多，如果修復材料的抗壓強度不達標，會導致修復的混凝土公路很快就再次破損，需要再次修復，浪費人力物力。因此需要薄層修復材料的最終抗壓強度達到一定標準，才能通車。除了強度要求外，為了盡快恢復交通，讓人們方便出行，還需要材料能盡早有較高的抗壓強度，即早強性能。將堿-礦渣膠凝材料記為材料1，水泥記為材料2，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料記為材料3，對幾種材料在1d、3d、7d、28d時的抗壓強度進行實驗探究，實驗結果如圖3所示。

由圖3可知，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料在相同時間段的抗壓強度都高于水泥和堿-礦渣膠凝材料。在前7d，三種材料的抗壓強度隨著時間的增加而增加，在7到28d，三種材料的抗壓強度均有所下降，但下降不多。在第7d時，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的抗壓強度達到最大值，為67.4MPa；而同時間的堿-礦渣膠凝材料的抗壓強度為62.4MPa，比堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料低5.2MPa；水泥則是54.6MPa，比堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料低12.8MPa。從圖4可以看出，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料能更早地達到更大的抗壓強度，符合對混凝土薄層修復材料早強的性能期望，是一種比較理想的材料。此外，堿-礦渣膠凝材料的抗壓強度也比較理想，但相比堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料仍要略差一些。

2.3 三種薄層修復材料的修復效果

吸水率是用來表示材料在常規氣壓下規定時間內的吸水量，能夠作為建筑材料的評估依據。吸水率的大小通常決定于材料的孔隙度的大小，孔隙度越大，吸水率越大，反之則越小。當材料的吸水率大時，說明材料內部和表面的裂縫較多，有害物質更容易侵入，修復的混凝土公路的路面就更容易發生開裂、脫落、起殼等病害，影響道路美觀和使用壽命。研究以道路開裂前和修復前的吸水率為對照，對三種材料修補后的道路薄層吸水率進行實驗探究，圖4為三種材料的吸水率實驗結果。

圖4 各材料的吸水率

由圖4可以看出，在開裂后，混凝土公路的吸水率急劇上升，在40h后達到了0.13g/cm2。修復后混凝土公路的吸水率降低，但與開裂前仍有一定差距，其中堿-礦渣膠凝材料修復后的混凝土公路吸水率與開裂前的吸水率最為接近，在40h時，兩者的吸水率幾乎相同，為0.02g/cm2。以上結果說明堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的修復效果最好，能使混凝土公路幾乎恢復到開裂前的狀況，能有效地填補裂縫，延長道路的使用壽命。綜上所述，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料是一種理想的用于混凝土薄層修補的材料。

3 結 語

混凝土建筑是我國最常見的建筑，混凝土公路則是其中的代表?；炷凉方洺a生病害，而一些病害比較微小，僅需要對其進行薄層修復。研究提出一種堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料，與水泥熟料結合作為修復材料。實驗結果表明，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的收縮率最低值僅為31%，最高值為37%，比堿-礦渣膠凝材料的收縮率平均低27.75%，比水泥平均低29.5%；堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料的抗壓強度最高為67.4MPa，比堿-礦渣膠凝材料高5.2MPa，比水泥高12.8MPa；經堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料修復后的混凝土公路吸水率在40h后達到了0.13g/cm2，幾乎能恢復到開裂之前，修復效果比較理想。以上結果說明，堿-偏高嶺土-礦渣膠凝材料能夠較好地實現混凝土薄層的修復，為人們的日常出行提供便利。但對該材料的緩凝性尚未進行深入研究，未來需要進一步探索。