摘要:以低碱硫铝酸盐水泥为基础,通过多种外加剂的调配及各组分的优化配置,研制出具有优良工作性能的超早强支座砂浆灌浆料,并考察了石膏对该支座砂浆流动度、强度等性能的影响规律。根据结果得出,制备的超早强支座砂浆灌浆料初始和 30 min流动度分别为 350 mm 和 310 mm,可实现长时间重力灌浆。该灌浆料硬化后 2 h 抗住压力的强度达到 34.5 MPa,24 h 抗折强度达到 11.3MPa,24 h 抗住压力的强度达到 62.3 MPa,90 d 抗压强度达到 94.7 MPa,且具有无锈蚀、微膨胀、不泌水、耐久性能好、自流平、自密实的特点。
在高铁建设中,以高架桥梁代替路基成为高速铁路的主要形式,以灌注桩、承台和墩柱为线下结构,并架设预制箱梁成为高铁基础的主要施工方法[1]。在桥梁结构中,支座是连接上、下部结构的重要部件。它能将桥梁上部结构的反力和变形(位移和转角)可靠地传递给桥梁下部结构,从而使结构的实际受力情况与计算的理论图式相符合。就支座的安装的地方而言,虽然在使用中能够直接进行更换,但更换的成本费用、技术性以及困难程度均很高。桥梁中大部分支座是永久性安装,支座寿命应与桥梁的寿命相吻合,否则会对桥梁的使用造成不好的后果。尽管在桥梁的成本造价中支座成本仅占很小的比例,但作用远超于其成本,因而支座砂浆灌浆料就成为桥梁建设和使用的重要材料之一,其用量也与日俱增[2-3]。随着高铁技术的持续不断的发展,对支座砂浆灌浆料的要求也慢慢变得高,水泥基灌浆料存在如凝结时间和强度富余量不够、硬化浆体有轻微的收缩等缺点[4]。铁道部铁科技[2004]120 号文件《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》(以下简称暂行技术条件)中支座砂浆的有关技术要求已不能满足市场的要求,亟待研制一种更高质量的支座砂浆灌浆料来适应飞速发展的高铁市场。
本文以硫铝酸盐水泥为基础,辅以普通硅酸盐水泥和氟石膏,通过多种外加剂的调配及各组分的优化配置,研制出一种具有良好流动性、无收缩的超早强支座砂浆灌浆料,旨在为高铁支座砂浆提供一种高性价比的灌浆料产品。
水泥:石家庄迅塔特种水泥有限公司生产的 R·SAC42.5快硬硫铝酸盐水泥和淄博宝鼎水泥有限公司生产的 P·O42.5普通硅酸盐水泥,性能指标见表 1;石英砂:20~120 目,细度模数 2.7;石膏:氟石膏;减水剂:山东华伟银凯有限公司生产的早强型聚羧酸减水剂 NOF-AS 粉剂,减水率>25%;NOF-1C萘系高效减水剂,减水率>14%;消泡剂:迈图化工的 770DD矿物油类干粉消泡剂;缓凝剂:山东西王生产的葡萄糖酸钠;膨胀剂:山东华伟银凯有限公司生产的 HEA-1 型膨胀剂;早强剂:碳酸锂;拌合水:自来水。
本试验主要研究了硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥比例、氟石膏掺量、减水剂掺量及胶砂比对支座砂浆各项性能的影响,水料比固定为 0.14。
支座砂浆拌合时,采用行星式水泥胶砂搅拌机。先将水加入搅拌锅内,再加入支座砂浆干料,立即开动搅拌机搅拌 2min,然后再快速搅拌 1 min,最后再慢速搅拌 1 min。
凝结时间按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。抗压和抗折强度按照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》进行测试。流动度按GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》进行测试。弹性模量按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。硬化浆体 28 d 自由膨胀率按 GB/T 749—2008《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》进行测试。研究标准采用暂行技术条件中支座砂浆的相关技术方面的要求,各项技术指标如表 2 所示。
从水泥复合理论上讲,在硅酸盐水泥中掺入少量硫铝酸盐水泥时,水泥水化得到促进,水泥水化产物中钙矾石量增多,可制得早期强度更高的微膨胀水泥;在硫铝酸盐水泥中掺入少量硅酸盐水泥时,在强度不降低的情况下可以降低成本,水泥的干缩率还有所降低[5]。
为了达到超早强效果,取得较高的早期强度,固定 m(硫铝酸盐水泥+硅酸盐水泥)∶m(氟石膏)∶m(石英砂)∶m(聚羧酸减水剂)∶m(缓凝剂)∶m(膨胀剂)∶m(消泡剂)∶m(早强剂)=500∶20∶500∶3∶3∶2∶0.5∶2 的配比不变,只改变硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的比例,研究其对支座砂浆灌浆料性能的影响。
支座砂浆灌浆料由于其施工部位的特殊性,必须具备良好的流动性,在灌注时才可能依靠自身重力完全填充于整个支座空腔内,并且不形成气泡或空隙,这样才能获得优异的早期和后期力学性能和抗渗性,提高支座砂浆的耐久性,因此,流动度也是支座砂浆灌浆料的一项重要指标。不同硫铝酸盐水泥掺量对支座砂浆流动度的影响见图 1。
由图 1 可知,随着硫铝酸盐水泥掺量的增加,支座砂浆灌浆料的初始流动度逐渐增大,30 min 流动度先增大后减小,且减小的趋势明显。当硫铝酸盐水泥掺量达到 70%时,已出现了分层离析现象,30 min 流动度仅为 210 mm,已不符合暂行技术条件的要求。
由图 2、图 3 可见,支座砂浆灌浆料的抗压和抗折强度随着硫铝酸盐水泥掺量的增加而提高。但当硫铝酸盐水泥掺量超过 60%后,抗压和抗折强度增长相对缓慢。这是因为硫铝酸盐水泥本身具有快硬早强的性质,在水化早期生成了大量的钙矾石,从而使支座砂浆具备较高的早期抗压和抗折强度。据研究表明,纯硫铝酸盐水泥的 1 d 水化程度占 28 d 水化程度的 76%[6-7],普通硅酸盐水泥的后期强度增长速度明显高于硫铝酸盐水泥,为保证支座砂浆灌浆料的后期强度不降低,需加入适量的普通硅酸盐水泥。当硫铝酸盐水泥掺量为 50%时,支座砂浆灌浆料的 2 h、28 d 和 56 d 抗压强度分别为 25.1、60.6、70.8 MPa,24 h 抗折强度达到 10.1 MPa,符合暂行技术条件的要求。
综合以上试验结果可以得出,当硫铝酸盐水泥掺量为50%~60%时,支座砂浆灌浆料的流动度和抗压、抗折强度符合暂行技术条件的要求,从成本方面考虑,本试验选择硫铝酸盐水泥掺量为 50%。
氟石膏是萤石和硫酸制取氢氟酸时的残渣,再用氢氧化钙中和过量的硫酸后得到的废渣,其主要成分为 CaSO4·2H2O,常含有氟化钙和硫酸等少量杂质,其性能与天然石膏相似,且属于能源综合利用范畴。CaSO4·2H2O 在水中能快速溶解并迅速与 C3A 水化产生的凝胶反应,生成强度较高的钙矾石,钙矾石在形成固相时体积可增大约 120%,从而使支座砂浆获得较高的早期强度和抗干缩变形性。合适的石膏掺量可提高支座砂浆灌浆料早期强度,降低干缩变形,改善砂浆的耐蚀性、抗冻性、抗渗性[8]。固定 m(普通硅酸盐水泥)∶m(硫铝酸盐水泥)∶m(石英砂)∶m(聚羧酸减水剂)∶m(缓凝剂)∶m(膨胀剂)∶m(消泡剂)∶m(早强剂)=250∶250∶500∶3∶3∶2∶0.5∶2 的配比不变,考察了氟石膏掺量(按占水泥和砂总质量计)对产品性能的影响。
在氟石膏充足的条件下,水泥水化过程中,容易生成大量的 Ca(OH)2,继而发生以下反应:
在水泥水化过程中,由于结合了大量的游离水,使整个胶凝体系的流动度降低。氟石膏掺量对支座砂浆灌浆料流动度的影响见图 4。
由图 4 可知,随着氟石膏掺量的增加,支座砂浆灌浆料的初始流动度呈缓慢下降趋势,30 min 的流动度下降明显,特别是当氟石膏掺量超过 3%后,流动度急骤下降,当氟石膏掺量达到 5%时 30 min 流动度已没有。当氟石膏掺量为 3%时,初始流动度为 320 mm,30 min 后流动度为 250 mm,符合暂行技术条件的要求。
适宜的石膏掺量能够促进 C4A3S、β-C2S 的水化,生成更多的水化产物(AFt、AFm、C-S-H 凝胶和铝胶等),形成较为致密的结构,从而提高水泥强度[9]。掺加适量氟石膏的试样与未掺氟石膏的试样相比,其硬化浆体早期 Ca(OH)2(CH)及钙矾石(AFt)的生成量大幅度提高,凝胶体增多,空洞减少,结构较致密。如果水泥体系中氟石膏比例在水泥石中形成钙矾石的数量适中,既可起到填充孔隙的作用,又不会有胀裂的危险,水泥石结构致密促进了强度的增长。氟石膏掺量对支座砂浆灌浆料抗压、抗折强度的影响分别见图 5、图 6。
由图 5、图 6 可知,随着氟石膏掺量的增加,支座砂浆灌浆料的抗压和抗折强度整体呈先提高后降低趋势。在氟石膏掺量为 2%~3%时,2 h、24 h 抗压和抗折强度发展迅速,且硬化浆体表面光滑致密无裂纹;氟石膏掺量达到 5%时,硬化浆体表面已有少量细小裂纹;氟石膏掺量为 3%时,支座砂浆灌浆料的 2 h、28 d、56 d 抗压强度分别为 32.0、72.1、80.4 MPa,24 h 抗折强度达到 11.3 MPa,符合暂行技术条件的要求。
综合考虑,选择氟石膏掺量为 3%,硫铝酸盐水泥掺量为50%时,既能保证各项指标符合暂行技术条件的要求,又能节约成本。
减水剂是支座砂浆灌浆料中重要添加剂,目前国内应用比较广泛的是聚羧酸高性能减水剂和萘系高效减水剂。本试验所用早强型聚羧酸减水剂 NOF-AS(粉体)能够促进 C3S 的早期水化,生成较多的 C-S-H 凝胶,从而达到超早强的目的。固定 m(普通硅酸盐水泥)∶m(硫铝酸盐水泥)∶m(氟石膏)∶m(石英砂)∶m(缓凝剂)∶m(膨胀剂)∶m(消泡剂)∶m(早强剂)=250∶250∶30∶500∶3∶2∶0.5∶2 的配比不变,考察减水剂种类和掺量(按占水泥和砂总质量计)对产品性能的影响,结果见表 3。
从表 3 可以看出,使用萘系减水剂时,虽然早期强度能达到暂行技术条件要求,但是流动性损失明显,当掺量达到 3%时,流动度增长不明显,并且出现泌水现象,灌浆料收缩较大;当使用早强型聚羧酸减水剂 NOF-AS 时,早期强度都有大幅度提高,随其掺量的增加,早期强度先提高后降低,当其掺量为 0.3%时效果最好,当其掺量达到 0.4%时,已出现泌水现象,强度也出现下降趋势。本试验选择聚羧酸减水剂 NOF-AS(粉)为减水组分,最佳掺量为 0.3%。
胶砂比不仅影响支座砂浆灌浆料的流动性,对砂浆的力学性能也有较大影响。随着胶砂比的增大,灌浆料流动度变小,强度随之提高,为了能直观看出胶砂比对支座砂浆灌浆料强度的影响,通过调整水料比来使初始流动度控制在(350±5)mm,保持其它组份不变的基础上,胶砂比对支座砂浆灌浆料性能的影响见表 4。
从表 4 可以看出,随着胶砂比增大,支座砂浆灌浆料的用水量增加,2 h 和 24 h 强度呈上升趋势。当胶砂比为 0.8~0.9时,虽然流动度保持性较好,但支座砂浆灌浆料的早期强度较低;当胶砂比1.0 时,支座砂浆灌浆料的性能均符合暂行技术条件的要求;但当胶砂比达到 1.2 时,虽然早期强度较高,但膨胀率小于 0.02%,不符合暂行技术条件的要求。从支座砂浆灌浆料的强度、膨胀率、施工性和成本方面综合考虑,本试验选择胶砂比为 1.0。
最终优化的支座砂浆灌浆料的配合比(g)为:m(普通硅酸盐水泥)∶m(硫铝酸盐水泥)∶m(氟石膏)∶m(石英砂)∶m(聚羧酸减水剂)∶m(缓凝剂)∶m(膨胀剂)∶m(消泡剂)∶m(早强剂)=250∶250∶30∶500∶3∶3∶2∶0.5∶2,对其性能来测试,结果见表 5。
(1)随着硫铝酸盐水泥掺量的增加,支座砂浆灌浆料的抗压和抗折强度随着龄期的延长而提高;其初始流动度逐渐增大,30 min 流动度先增大后减小,在硫铝酸盐水泥掺量为50%时流动性最好。
(2)随着氟石膏掺量的增加,支座砂浆灌浆料的抗压和抗折强度呈先提高后降低的趋势,在氟石膏掺量为 3%~4%时强度较高,且后期强度并无下降;在氟石膏掺量为 3%时其流动度符合暂行技术条件的要求。
(3)随着胶砂比增大,砂浆用水量增加,强度呈提高的趋势。当胶砂比为 0.8~0.9 时,虽然流动度保持性较好,但砂浆早期强度较低;当胶砂比为 1.0~1.1 时,各项性能皆优。
混凝土信息网:hntxxw.com 《砂浆&石膏》杂志返回搜狐,查看更加多