季冻区路桥新型快速修补混凝土应用性能试验研究.pdf

2023 年 25 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application季冻区路桥新型快速修补混凝土应用性能试验研究宋皓，毛英俊，赵应天，陈张辉，刘晓洲*，欧阳奇（衢州学院 建筑工程学院，浙江 衢州 324000）随着我国经济的高速发展，交通运输与道路养护之间的矛盾日益明显，道路损坏后不能及时恢复交通势必给道路运输造成巨大的压力1。随之产生了大量的道路、桥梁等混凝土结构及路面因超负荷服役而发生破损，亟需维修加固或快速修补。进而一种具有凝结时间短、早期强度高特点的快速修补混凝土被广泛应用于桥梁、港口等混凝土结构维修加固和混凝土路面的快速维修以及军工抢修等快速抢修抢建工程中2-4。我国从 2000 年开始，对早强混凝土进行了广泛的研究工作，李炜光等5利用热重分析法讨论了混凝土早强的机理，并通过研究证明了HV 早强修补剂可以抑制 Ca（OH）2晶体的数量从而提高了修补混凝土的早强强度。陈德鹏等6利用研发的能够明显改善混凝土早期强度、与减水剂有良好相容性的三元复合早强掺合剂配制早强混凝土，使其 5H 的抗折强度达到 3.7 MPa。Sho 等7、Kim 等8利用硅酸盐水泥生产过程中分离过滤后的水泥（SBFC），结果发现掺入 20%的超细水泥后，相对于不掺情况，初凝、终凝时间缩短了超过3%，24h 抗压强度提高了 57%。范建平9则通过使用产量大易获取的硅酸盐水泥，结合自主研制的无碱、无氯的新型复超早强剂，制备了具有超早强性能、施工性能良好的修补混凝土，并利用基于扫描电镜（SEM）、射线衍射实验（XRD）和水化热试验，揭示了其此产品的早凝早强的细观机理。近年来，很多学者也对新型早强混凝土进行了大量的研究，如丁斌等10则从早强型混凝土的制备方法的角度，将早强混凝土材料的制备分为掺早强剂、使用特种水泥和掺高分子聚合物 3 种，认为其中掺早强剂的方法为最优。邓攀等11针对配合比这一技术指标配制出纤维早强混凝土，其施工性好，24h 的抗折强度满足通车要求。经过大量研究及工程实践应用，人们发现此类快速修补工程中仅仅要求快速修补混凝土具有良好的力学性能、工作性是不够的，还应该具有良好的耐久性能，特别是在我国季冻区范围内，正负温度交替变化使得道路桥基金项目：国家级大学生创新训练项目（202111488055）；衢州学院实验室开放项目（KFXM202210，KFXM202101）*通信作者：刘晓洲（1975-），男，博士，副教授。研究方向为土木工程材料耐久性及环境力学。摘要：该文从北方季冻区公路养护工程实际出发，利用传统硅酸盐水泥作为基材的混凝土快速修补材料，用富含 Al2O3、SiO2、含硫氧化物的矿渣微粉和添加的石膏来激发水泥加快水化形成、稳定钙矾石，以提供快修混凝土早期强度。同时将三萜皂甙类引气剂添加到混合料中，改善水泥混凝土的和易性，增大其密实度，从而提高此类快修混凝土的耐久性能。通过不同阶段的 SEM 观测其水化过程及产物、分析其机理，最后通过强度、冻融循环和耐磨试验验证此种快速修补混凝土的应用性能。关键词：季冻区；早强混凝土；钙矾石；三萜皂甙；激发剂中图分类号院TU528文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0058-05Abstract:Based on the reality of highway maintenance project in seasonal freezing area of North China,aiming at the rapidrepair material of concrete using traditional Portland cement as base material,this paper uses slag powder rich in Al2O3&SiO2and sulfur oxides and added gypsum to stimulate cement hydration to form and stabilize ettringite,so as to provide early strengthof rapid repair concrete.At the same time,triterpene saponin air entraining agent is added to the mixture to improve theworkability and compactness of cement concrete,so as to improve the durability of this kind of rapid repair concrete.Thehydration process and products were observed by SEM in different stages.Finally,the application performance of this rapid repairconcrete was verified by strength,freeze-thaw cycle and wear resistance test.Keywords:seasonal frozen area;early strength concrete;ettringite;triterpenoid saponins;activatorDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.01458-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期梁混凝土冻融破坏非常严重，因此，还要求其具有良好抗冻性、抗渗性等耐久性能。因此，本文以普通硅酸盐水泥为基材，通过掺加矿物微粉激发剂、三萜皂甙类混凝土引气剂，并添加适量石膏，配制了一种新型快速修补混凝土，通过电镜测试，揭示其水化、硬化过程中的微观特征及对其进行力学性能、耐久性，揭示其早强、快硬、高耐久性机理及其优良的工作性能，为我国季冻区路桥新型快速修补混凝土产品的研发及应用积累了宝贵的研究经验及成果。1试验材料及分析1.1试验用材料本试验选用的胶凝材料为 P.O42.5 普通硅酸盐水泥，通过试验测得其物理力学性指标见表 1。本试验所采用的激发剂为矿渣微粉，目的是激发水泥水化快速产生钙矾石，提升修补混凝土早期强度，其化学组成和物理性能见表 2、表 3。为了生成稳定的钙矾石晶体，还添加了适量的石膏。表 1水泥的物理力学性能表 2矿渣微粉化学成分%表 3矿渣微粉物理性能指标比表面积/（m2kg-1）流动度比（%）烧失量（%）含水量（%）活性（%）7 d28 d415932.880.3477.18.2细骨料砂则选用天然河砂，细度模数 2.2，含泥量控制在 1.5%以下，经过洗砂后备用，同时为了提高级配效率、限制混凝土温升峰值的温度可有效预防混凝土出现开裂情况，还添加了 CaO 含量低于 10%、细度不大于12%的低钙粉煤灰。本试验将其与上述水泥按自行研发设计配比，配制满足 JT/T 1211.12018 公路工程水泥混凝土用快速修补材料 第 1 部分：水泥基修补材料 标准中 CRRM-III型性能要求的快速修补砂浆备用。粗骨料选用碎石，粒径在 525mm 间且连续级配良好，保证其压碎指标在 10%以下。此外，本试验为了保证拌制混凝土的和易性，还选用了三萜皂甙类混凝土引气剂，其主要成为分天然皂甙呈类黄色粉末，皂甙含量 55%以上，pH大于 8 以上。1.2试验配合比设计将制备完成的快速修补砂浆与粗骨料、激发剂、引气剂等掺合剂按表 4 配合比制成试验用 C40 强度等级的快速修补混凝土和单独添加减水剂的快速修补混凝土 C40。表 4C40 快速修补混凝土配合比名称快修混凝土配合比/（kgm-3）水快速修补砂浆粗骨料粉煤灰激发剂矿渣微粉引气剂（0.25）减水剂()RC02501290860000.0000.00RC1250129086040400.0110.45RC2250129086045450.0110.45RC3250129086050500.0110.452试验2.1试验内容本试验旨在通过调配传统硅酸盐水泥将富含 Al2O3、SiO2的矿粉和石膏来促使水化、提高其早期强度。同时利用引气剂改善其工作性能、增大其密实度，从而提高此类快修混凝土的耐久性能。试验通过调配不同配比的矿粉及引气剂含量、制备试件，分别测试其4h 和 24h 的力学性能及抗冻、抗渗、耐磨等耐久性能，并通过电镜观测其注：RC0基准试验组，RC1、RC2、RC3则为掺加不同激发剂矿渣微粉掺量的快速修补混凝土。水泥标号比表面积/（m2kg-1）标准稠度用水量（%）凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d42.5360271722196.88.928.751.9化合物含量CaO1.72MgO0.71Al2O332.78Fe2O30.76SiO260.16SO33.03LOI4.6759-2023 年 25 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application不同阶段水化围观变化，揭示其在不同试验条件下的宏观变化机理、建立配比、宏观性能之间的微观本质。研究内容如图 1 所示。图 2SEM 试验结果渊a冤 0 h 钙矾石尚未结晶材料孔隙粗大渊b冤 4 h 钙矾石结晶缓慢晶体纤细渊c冤 24 h 钙矾石结晶量增多材料较为致密渊d冤 0 h 钙矾石尚未结晶材料孔隙致密渊e冤 4 h 钙矾石结晶迅速晶体粗大渊f冤 24h 钙矾石晶体十分粗壮材料十分致密图 1本试验研究内容2.2试验结果及分析2.2.1电镜试验结果利用日立S4800扫描电子显微镜（SEM）观察不同试验组混凝土的微观结构在0、4、24h的发展特征。对比添加激发剂矿渣微粉与未添加激发剂矿渣微粉的快速修补混凝土试件从拌合开始、4h、24h的钙矾石扫描电镜照片可以看出（图2），没有添加激发剂矿渣微粉的普通混凝土对照RC0组在拌合4h时后，由于水化反应，逐渐析出针状钙矾石晶体，而在24h后由于水化继续增加析出钙矾石晶体，晶核明显增大；而RC1组则在4h时钙矾石晶体析出非常明显、且晶核扩大，此时其强度伴随着C2S、C3S、C3A等水化产物增加迅速凝结硬化，强度增加，而24h后，由于激发剂中的AlO2-离子的供给，针状钙矾石晶体仍然继续析出、体积膨胀，加之石膏中SO42-的稳定作用和引气剂中的偏碱性环境，进一步加速钙矾石的行程，其强度进一步趋近于最大值，这一观点，将在强度试验结果中得以验证。2.2.2强度试验结果混凝土力学性能试验参照 GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验方法标准，制作抗压试件进行强度测试。不同试验组、不同龄期下标准试件的抗压强度试验结果如图3 所示。季冻区路桥新型快速修补混凝土应用性能试验研究原材料的基本性能确定微观结构试验超早强混凝土宏观力学及耐久性试验力学试验耐久性能试验抗冻抗渗耐磨抗压抗折能力决定水化、凝结、硬化抗冻、抗氧分析水化、硬化模型SEM 试验引气剂激发剂粗骨料细骨料水泥化学反应力学特性物理指标化学成分硬化4 h、24 h硬化4 h、24 h注：图（a）、（b）、（c）为 RC0试验组钙矾石晶体随养护时间变化规律；图（d）、（e）、（f）为 RC1试验组钙矾石晶体随养护时间变化规律。60-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期从强度试验结果图 3 来看，激发剂矿渣微粉添加量RC1组的 4h 和 24h 抗压强度提升最快、最高，这是由于激发剂遇水泥水化后迅速激发其产生强度供给明显的钙矾石的原因，且 40kg/m3的添加量效果最佳。而超过此添加量后，由于钙矾石晶体析出需要结合 3032 个 H2O，这样就等同于减水剂的作用、影响了水泥基的水化速度，进一步影响了钙矾石自身的晶体析出。2.2.3耐久性能试验结果1）抗冻性能。混凝土抗冻性（快冻法）参照 GB/T500822009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，在标准养护 28d 后进行，其结果如图 4 所示。图 3各龄期抗压强度试验结果图 4不同冻融循环周期质量损失率试验结果从图 4 可以看出，随着冻融循环周期的增加，所有试验组的质量损失都呈线性趋势增加。其中 RC0组的质量损失最大，这是由于该组试件没有添加激发剂和引气剂，其在 28d 养护完成后标准试件的密实程度没有其他组别的优良，因此，在快速冻融试验中表现质量损失最明显。与之相反，RC1组则由于添加了激发剂、引气剂和粉煤灰，导致其在整个水化过程中钙矾石等水化产物充分生成，并且极细小空隙也由粉煤灰颗粒填充，整体试件的密实程度大大提升，因此其在冻融循环条件下质量损失最少，抗冻效果最佳。2）耐磨性。对于公路、桥梁快速修补料而言，其耐磨性也是重要指标，因此本试验耐磨耗数据按国家标准GB/T 169251997 混凝土及其制品耐磨性试验方法 中的规定进行测试。耐磨性用耐磨度表征，其值越大，耐磨性越高。其耐磨性试验结果变化规律如图 5 所示，结果表明，RC1组的耐磨度为 5.58，与普通混凝土RC0组及其接近，符合工程中应用要求。且其耐磨性明显高于RC2、RC3和 C40 组的耐磨度。图 5耐磨性指标试验结果3结论本试验通过才传统混凝土中添加激发剂矿渣微粉以达到水化过程开始后快速产生钙矾石晶体，并通过添加石膏来使其稳定，进而发挥其早强作用。同时通过添加性能稳定的引气剂改善其拌合物和易性及添加粉煤灰来提升其硬化后的密实度，并通过对照试验找出最优激发剂的添加比例。1）通过 SEM 电镜扫描试验、强度试验和耐久性对比试验，证明了添加适量矿渣微粉激发剂的混凝土拌合物，可以实现快凝早强的工程需求，并且其 4h 的强度可以达到抗压强度标准值的 80%以上。2）通过 SEM 电镜扫描试验分析明确了其早强的微观机理，即随着水化作用的开始钙矾石晶体析出非常明显、且晶核扩大，此时其强度伴随着 C2S、C3S、C3A 等水化产物增加迅速凝结硬化，强度增加，在激发剂中 AlO2-离子的供给充分，加之石膏中 SO42-的稳定作用和引气剂中的偏碱性环境，进一步加速钙矾石的行程，其强度进一步趋近于最大值的基本机理。3）确定了此种符合我国季冻区路、桥新型快速修补混凝土中矿渣微粉激发剂的最优添加比例。上述研究成C40RC0RC1RC2RC3C40RC0RC1RC2RC3不同试验组合65432104.534.955.585.623.35渊下转 65 页冤C40RC0RC1RC2RC3冻融循环周期/次61-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期果为我国北方地区的路、桥快速修补混凝土材料的研发提供了有意义的研究成果及宝贵经验。参考文献院1唐豹，张婷，侯伟涛，等.超早强路用水泥混凝土养护技术研究J.道路工程，2020（10）：25-27.2袁野真.快硬早强混凝土材料试验研究J.水利工程与寒区工程，2020，3（4）：36-39.3符晓军，孙士国，王勇.快凝早强混凝土配合比试验研究J.工程建设与设计，2016（12）：109-110.4任俊杰.混杂纤维超早强混凝土的路用性能研究D.重庆：重庆交通大学，2017.5李炜光，孙己龙，陈栓发.超早强修补水泥混凝土早强机理研究J.公路交通科技，2004，21（6）：21-24.6陈德鹏，赵方冉，钱春香.高流动性超早强混凝土修补材料的研究与应用J.混凝土与水泥制品，2006（6）：12-15.7SHO K H，PARK S J，KIM Y J，et al.Utilization of separatordag filter dust for high early strength cement production JConstruction and Building Materials，2011，25（5）：2318-2322.8 KIM K M，PARK S J，KIM Y J.Utilization of separator bagfilter dust forhigh early strength cement production：Propertiesof concrete JConstruction and Building Materials，2013（40）：746-752.9范建平.超早强水泥基材料的制备与性能研究D.南京：东南大学，2015.10丁斌，欧阳利军，房钰柯.混凝土早强性能研究进展和展望J.混凝土与水泥制品，2020（9）：24-29.11邓攀，王楚达，朱晓琳，等.路用超早强水泥混凝土配合比设计研究J.公路交通科技（应用技术版），2020，16（10）：28-31.排烟系统正常开启的情况下，高温烟气主要从排烟口排出，此时无论有无外界风，对烟气排放的影响并不明显，2种工况下的可见度没有明显差别；在防排烟系统未正常开启的情况下，高温烟气的排出速度缓慢，造成大量烟气堆积在着火层的上方。由于烟气浓度过高，此时无论有无外界风，也不会对可见度产生太大的影响5。4 种工况下超高层建筑着火区域内 6 个测点的可见度随时间的变化趋势基本一致，这里以测点 6 为例，变化曲线如图 5 所示。图 54 种工况下测点 6 可见度随时间变化趋势图结合图 5 可知，在火灾发生后的前 100 秒内，着火区域的可见度为 30 m，并且 4 种工况下的可见度一致。从火灾发生后的第 100 秒开始，A、C 两种工况下，由于开启了防排烟系统，可以使烟气加快排出，因此可见度要好于 B、D 两种未开启防排烟系统的情况。在火灾发生后的 300 s 以后，形成了外立面开口，建筑内部的一部分烟气从开口处向外蔓延，此时可见度的下降趋势有所减缓。但是由于外立面开口的排烟速度远远低于烟气的产生速度，因此可见度总体上还是呈下降趋势。3结束语超高层建筑发生火灾后，外界风的存在会对建筑着火区域的烟气蔓延、一氧化碳浓度、温度等产生不同程度的影响。相比于无外界风的情况，当有外界风从外墙幕墙开口处吹向着火区域时，会对烟气蔓延速度和蔓延方向产生影响；同时着火区域内的空气温度也会有所降低；但是对于一氧化碳的浓度和可见度的影响并不明显。明确外界风对建筑内烟气蔓延的影响，对火灾发生后的救援工作开展有积极帮助。参考文献院1 袁威，梁栋，褚燕燕，等.环境风对高层建筑楼梯井内火灾烟气运动特性的影响J.安全与环境工程，2022（1）：6-8.2 孙国祥.外界风下竖井-走廊空间烟气蔓延特征研究J.中国建筑金属结构，2022（1）：100-102.3 黄治成，张浩.基于 Pyrosim 的高层建筑火灾烟气蔓延规律研究J.消防界：电子版，2022（16）：8-10.4 文康.非封闭式天井开口对火灾烟气蔓延的影响J.今日消防，2022（4）：7-9.5 张健，宋志刚.基于有向图的传统村落建筑群火灾蔓延风险分析J.西南交通大学学报，2022（2）：57-58.时间/s050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600ABCD35302520151050渊上接 61 页冤65-