（材料学专业论文）新型水泥基自流平修补砂浆的研究.pdf

中文摘要 摘要 修补、加固已成为当今建筑行业的一个重要领域。由于建筑物受损原因和修 补环境的复杂性使修补材料的性能不可一概而论因此，开发不同性能的修补材 料以适应不同的修补情况具有重要意义基于“性能相容性”及“修补的系统设计” 等概念，本研究将无机类和有机类修补材料的性能特点相结合，这既使得修补材 料有较高的粘结强度，又因为有机成分所占比重相对较小，因而保证了修补材料 与基材性能的相容性。 本工作采用了超塑化剂和矿物掺合料的“双掺”的技术，以磨细矿渣为主要矿物 掺合料，复合掺入了锂渣、石灰石粉等，并针对材料的性能以适当的外加剂( 激发 剂、乳胶粉、膨胀剂等) 改性通过运用通用的工艺手段和标准养护方式，研究了 不同矿物掺合料的复合效应和复合掺合料、外加剂等对修补砂浆工作性能、力学 性能及耐久性等的影响 在实验室条件下制备了两种具有不同性能的修补砂浆，可用于对流动性要求 较高的修补环境，如钢筋密集区、薄壁构件、复杂型体以及水平地面的修补且 e j 1 修补砂浆还可用于对抗折强度要求相对较高的桥面、路面的修补e j - 2 可用 于对早期抗压强度要求相对低的修补环境。 以粘结抗剪强度作为新老材料粘结性能的评定指标，配制了四种界面剂两 种修补砂浆均适于分别掺锂渣和膨胀剂的界面剂m 2 、m 3 且界面剂m 2 的效果优 于界面剂m 3 扫描电镜和x r d 试验表明：以锂渣制备的界面剂m 2 水化形成的 产物呈乱向纤维状，钙矾石细小，有利于界面过渡区的粘结；而以膨胀剂制备的 界面剂m 3 有结晶粗大、择优取向的c h 生成，不利于界面粘结 最后研究了矿物掺合料种类、掺量、外加剂等对修补砂浆耐久性能的影响。 试验表明，所制得的修补砂浆具有一定的微膨胀性，较好的抗氯离子渗透性和抗 硫酸盐腐蚀性 关键词：修补，锂渣，石灰石粉，粘结，界面剂 英文摘要 r 崩i ra n dr e i n = f o r c e m e n to f o 叫蟠扛珊：t 抽sh a sb e e n 缸i m p o r t a n tf i e l di nc o n s t r u c t i t nn o tb eu n d i f f e r e n t i a t e dt h a tp r o p e r t i e so fr e p a i rm a t e r i a l se o m i d e r i n gt l a o c o m p l e x i t yo ff a c t o r sr e s u l t i n gd e t e r i o r a t i o no fc o n s l z u e t i o n s a n de n v i r o n m e n to f 地球d r i n 晷h e n c e ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oe x p l o r er e p a i rm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n t p r o p e r t i e si no r d e rt oa d a p tt ov a r i e dr e p a i r i n gs i t u a t i o n b a s e do n t h ec o n c e p t so f e , o m p a t i b i l i t y a n d s y s t e md e s i g ni nr t ：p a i r i n gt h er e l 斛t h ep a p e rc o m b i n e dt h e p r o p e r t i e so fi n o r g a n i ca n do r g a n i cr e p a i rm a t e r i a l s , w h i c hn o to n l ya s s u r e dt h eh i i g h b o n ds t r e n g t ho f r e i , a i rm a t e r i a l s ，b u tt h ec o m p a t i b i l i t yo f t l a er e p a i rm a t e r i a l sa n db a s e d m a t e r i a l s ，a st h ec o m p a r i n gl o wp r o p o r t i o no f o r g a n i cc o m p o n e n t s 1 1 l ew o r ke x e r t e d b o t ha d l d a d 竹t e c h n i co f s u p e r p l a s t i e i z e ra n dm i n e r a la d m i x t u r e s ， u s e dg r l - d e db l a s ts l a ga qt h em a i na d m i x t l , l 鸭a d d e dw i t hl i t h i u ms l a ga n dl i m e s t o n ee t e a n dm o d i f i e dt h er c r ，a i rm a t e r i a l s p r o p e r t i e sb ys o m ep r o p e ra g e n t s ( a c c c l 既a t i n ga g e n t s ， p o l y m e r - d i s p e r s i o na d d i t i v e s , e x p a n d i n ga g e n t se t c ) b ye x e r t i n gc o l l m l o nt e c h n l e sa n d c u r i n gw a y s , t h ec o m p o u n de f f e c t so fd i f f e r e n tm i n e r a la d 玎l i x h 嘲a n di n f l u e n c eo f e o m p o t m da d m i x t u l 毯ia g e n t se t e o nw o r k a b i l i t y , m c e l m i c a ll m r o p e r t i e s ，d u r a b i l i t yo f t h er e p a i rm o r t a r sh a db e e nr e s e a r c h e d t w ok i n d so fr e p a i rm o r t a 幅w i t hd i f f e r e n tp r o p e r t i e sh a db e p l q a l e d0 1 1 1t h e c o n d i t i o no fl a b , w h i e l a 眦b es e l f - l e v e l i n g s ot h e yc o u l db eu s e di nt h ee n v i r o n m e n t o f l a i g hf l u i d i t yr e q u i t a l , s u c h 嬲d e n s es t e e l 妣t h i nm e m b e r s ，c o m p l i c a t e df o r ma n d s m l e t u r e s ，r o a d 鲫舭r e p a i r i n g b e s i d e s l 锄b eu s e di nt l a cr e p a i ro fb r i d g ea n d r o a ds u r f a c ew h i c hr e q u i r eh i g hf l e x i b l es t r e n g t h 口- 2 伽b eu s e di nt h ee n v i r o n m e n t o f c o m p a r i n gl o wc o m p r e s s i v es t 僦g t l ab u tg o o dt c l l a c i t yr e q u i r e d u s i n gb o n ds h e a r i n gs t m l g t ha sa p p r a i s a li n d e xt oe v a l u a t et l a eb o n dp r o p e r t i e s b e t w e e nn e wa n db l s e dm a t e r i a l s ，f o u rk i n d so fi n t e f f a e i a la g e n t sh a db e e n 班印m d w h i c hh a dd i f f 6 r e n te f f e c t so nt h er e p a i rm a t e r i a l s y e tt h et w ok i n d so f r e p a i rm a t e r i a l s b o t h 躺s u i t a b l et oi n t e r f a e i a la g e n t so fm 2a n dm 3w h i e l a 粥a d d e dw i t hl i t h i u ms l a g a n de x p a n s i v ea g e n t sr e s p e c t i v e l y i n t e r r a c i a la g e n tm 2i sm o l ee f f e c t i v et i mm 3t ot h e r e p a i rm o r t a r s s e ma n dx r di r i a l $ h a v es h o w e dt h a tt h eh y d r a t eo fi n t e r r a c i a la g e n t m 2a d d e dw i t hl i t h i u ms l a ga d m i x t u r ea p p e a r e ds h a p eo fd i s o r d e rf i b e r s ，f i n ea f t , w l a i e hw a sb e n e f i c i a lt ot h eb o n do fi n t e r r a c i a lz o n e ( i z ) ；b u ti n t e r r a c i a la g e n tm 3a d d e d w i t he x p a n s i v ea g e n th a db i gc r y s t a l s , f a v o r i n gd i r e c t i o nc i - i , w h i e l a 惴a d v e r s et ot h e i l l 重庆大学硕士学位论文 b o n do f i z a tl a s t ，t h ei n f l u e n c eo fs o r t s , p r o p o r t i o no fm i n e r a la d m i x t u r e sa n da g e n t so h d u r a b i l i t yo f t h er e p a i rm o r t a r s t h et r i a l ss h o w e dt h a tt h er e p a i rm o r t a r sp r e p a r e dh a d b e e n a n t e x p a n s i v e ，g o o d r e s i s t a n c e o f c h l o r i n e i o n p e r v i s i o n a n d e r o s i o n o f s u l p h a t e k e yw o r d ：r e p a i r , l i t h i u ms l a g ，l i m e s t o n e ，b o n d ，i n t e r r a c i a la g e n t 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：席乏每 o 、j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：夸童嘶 、j 导师躲池商哆 签字日期：) - o 。7 年毕月如日签字日期：加7 年4 月9 - o 日 1 绪论 1 绪论 当今世界由于各种原因所引起的结构失效或建筑功能失效不仅影响了人们的 正常生活而且造成了巨大的经济损失资料显示，工业发达国家建设总投资的4 0 以上用于建筑的维修和加固，不足6 0 才用于新建筑的建设【1 1 在过去的3 0 年间， 所有工业国家的混凝土建筑修理费用都显著增加在德国，结构混凝土建筑总费 用的2 0 花费在现有建筑物的修理和维护上翻而在美国，截止到1 9 9 5 年，专家 统计用于基础设施必要修复和改善的金额就达3 3 万亿美元，它已成为继预算赤字 和国际贸易赤字的美国第三大赤字唧在澳大利亚仅悉尼1 9 9 3 1 9 9 4 年度的维修费 就超过3 0 0 万澳元川尤其是在道桥方面，这一现象更是明显我国截止2 0 0 3 年 底，已建成各级水泥混凝土路面约1 9 万l 吗且每年在建水泥混凝土路面约2 5 万 k m ，据不完全统计，现有的水泥混凝土路面将有2 0 - 3 0 左右都面临着修补和改善 4 1 而在美国，也有近4 0 的桥梁已严重损坏 5 1 显然，要将已损设施完全替换掉 或重新修建，这在经济上是不可行的，解决的办法只有修补、翻新。如何对这些 受损结构进行可靠性鉴定并采取合理的措施加固、修复，使结构能够重新达到设 计使用年限或者更长的服役寿命，成为了当今建筑行业面临的严肃问题 然而，建筑受损不仅仅是某一单一的原因造成，它与许多因素有关。从设计 到材料选用、施工质量以及竣工后的使用状况、外部环境等都与建筑受损存在密 切的关系，它是一个由量变积累到质变的发展过程不管是材料体系内部所形成 的环境还是外部环境的作用，材料的性能都起着关键作用 波特兰水泥混凝土作为建筑材料迄今已有1 8 0 多年的历史，因为混凝土与其 他材料相比的诸多优点，到目前为止混凝土和钢筋混凝土仍然是世界上使用最多 和最广泛的建筑材料然而由于上述的一些原因也出现了诸多病害，主要是环境 作用引起的耐久性降低如在2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代英国兴起的一项工业就是 对受损钢筋混凝土结构的修补，它主要是钢筋锈蚀所引起旧自1 9 8 1 年以来，日 本已将盐对钢筋混凝土结构的损坏提到议事日程1 9 8 2 - 1 9 8 4 年间政府部门和协作 单位在全国范围内对盐的损坏进行了调查，并对此采取了各种各样的方法p 】。此外 还有变形、渗透、碳化等引起的抗力下降、耐久性降低等 普通混凝土设计使用年限仅5 0 年，而由于耐久性降低许多建筑甚至在5 0 年 内就已出现不同程度的破坏即使是高性能混凝士也存在这些问题，随着混凝土 抗压强度的提高其脆性、收缩也不断增加，由此引起开裂的危险性也增大。可见， 耐久性问题仍是导致混凝土工程劣化的重要原因修补材料的性能及其选择对修 复的成功与否起着决定性的作用。 重庆大学硕士学位论文 1 1 修补材料应具备的性质 修补材料作为一种补强材，至少应具备图1 1 所示的基本性能。 藕 jr 不低于基材的抗压抗拉、抗折强度 瞿力学性能1 与基材有足够的粘结抗折和粘结抗剪强度 能 i、2 8 天龄期弹性模量与基材接近 i 图1 1 修补材料的性能 f i g 1 1p r o p e r t i e so f r e p a i rm a t e r i a l s 然而建筑物受损通常是由多种原因共同作用而致，这往往使得修补设计变得 复杂对修补材料本身性能的要求也更高。此外，修补还应根据修补对象环境的 不同而具有某些特殊的性质。如垂直面的修补要求修补材料有较好的抗垂流性； 钢筋密集区的修补要求修补材料有较好的流动性和穿过钢筋达到自密实的能力 等。这些因素又要求修补材料具有各自的特点。 1 2 修补材料的发展 从当前国内外的研究情况看，已经研制成功并投入市场的修补材料已越来越 多，归纳起来主要有：无机类、有机类、有机改性类、纤维增强类等。 总的来说，为了解决日益复杂的原因所引起混凝土工程的各类病害，修补材料 的性能也必须不断改善。从其发展趋势来看，修补材料已从单一的水泥、砂、石 成分逐渐过渡到多种外加剂、增强材的多相复合材料，并且根据修补类型的不同 出现了特种修补材料，以适应实际工程中对修补材料越来越高的要求。 目前，国内外所用的主要修补材料可概括如下： 无机类 普通硅酸盐水泥修补砂浆：由普通硅酸盐水泥、砂子、水组成。水泥与砂子的 比例为1 ：2 1 ：4 。主要用于混凝土表面不太严重的损坏的修补。但随着混凝土质 2 1 绪论 量的不断提高以及损坏原因的日益复杂，这种材料已难以满足要求更高的工程修 补。一方面水被蒸发或是周围混凝土所吸收，使水化不充分；另一方面，其抗压 强度的发展要快于与基材界面的粘结强度，造成高质量修补的假象。水泥砂浆干 硬后，粘结强度的发展也趋于停止，常导致修补材料的脱落阿 特种水泥：通常以硫铝酸钙为主，添加了石膏或普通波特兰水泥以铁铝酸钙为 主的第三系列水泥、磷酸镁水泥、地质聚合物水泥、氟铝酸盐等，也被用于特种 功能及修补材料。它们的快凝和早强多归结于钙矾石的快速形成 9 1 这类水泥与水、 集料、外加剂组分按一定比列混合搅拌后具有快硬、早强的特点，适合于修补各 类建筑或抢修。它们水化凝结机理、施工性能、力学性能及耐久性等差异较大， 有待进一步研究 硅灰早强混凝土修补材：我国南京水利科学研究院1 9 8 5 年研制成功的超早强 硅灰混凝土是一种可用常规方法施工、并具有超早强、耐磨性好、成本较低的新 型抢修材料近年来已在公路、机场跑道、水利水电等多个领域成功应用，大大 避免了重建的经济损失【l o l 。硅灰混凝土是在普通混凝士中掺入约5 - 1 5 水泥组分 的硅灰，由于硅灰具有较高的活性，能与水泥水化产生的氢氧化钙发生二次火山 灰反应并生成水化硅酸钙凝胶，促进了后期强度的增长同时硅灰颗粒细小，比 表面积大，掺入后使混凝土更加密实，因此硅灰混凝土具有很高的强度、耐冲蚀 性、耐磨性但是正因为硅灰颗粒过于细小，掺入后拌合物需水量较大，因此应 该注意此类混凝土的收缩变形。 无机类修补材料与混凝土工程有较好的性能相容性和耐久性常用于一般工程 修补但修补材料与基材之间的界面过渡区是薄弱相。若不能保证过渡区足够的 强度即修补材料的粘结强度及耐久性，修补材料若在荷载作用下发生应力集中或 环境作用下劣化，势必导致其脱落，修补失效近年来，为了改善无机类修补材 料的粘结强度，出现了有机与无机类的复合修补材料 有机类和有机改性类 聚合物或聚合物改性砂浆或混凝土：这两类材料是2 0 世纪5 0 年代开始出现 的，美国混凝土材料协会( a c i ) 5 4 对混凝土用聚合物作出了规定，并于1 9 7 5 年 在伦敦举行了第一届关于混凝土用聚合物的国际会议( i c p i c ) , a c i 和i c p i c 使得混 凝土聚合物材料成为了家喻户晓的名称。但当时对于这两类材料的使用还很受限 制直到近3 0 年才受到了普遍的关注1 1 1 l 。 聚合物混凝土( p c ) 是早在1 9 5 8 年美国用于生产建筑覆层。它主要是由聚合 物和一些集料组成而不包括波特兰水泥和水。使用最广泛的单体或树脂是聚苯乙 烯、丙烯酸酯和环氧树脂，但乙烯基树脂、呋喃、聚氨酯也常被使用。当用予高 抗硫酸盐腐蚀时还使用硫磺。p c 优异的性能如：能快速养护、与混凝土良好的粘 3 重庆大学硕士学位论文 结性和好的耐久性等，使它可以用于不到l o m m 的薄层修复。但由于掺入了较大 量的聚合物而使其与基材的相容性较差，如热膨胀系数和弹性模量都与基材相差 较大，在发生热变形时会在界面过渡区产生高的剪力和拉力而引起修补材料的脱 落同时材料在环境作用下易于老化，降低了耐久性能【1 ”。此外，由于聚合物掺量 相对较大成本较高，普通工程难于接受，使用受到限制。 聚合物改性混凝土( p m c ) 自2 0 世纪5 0 年代开始使用，它由波特兰水泥和改 性聚合物组成。我国目前已开发的p m c 用聚合物品种有：丙烯酸酯共聚乳液、聚 氯丁二烯橡浆、聚苯乙烯丁二烯橡浆、氯乙烯片氯乙烯共聚乳液、b j 乳液、b h c 乳液、苯丙乳液等【l 川。所用聚合物占水泥胶结材的1 0 0 o 2 0 1 1 1 1 少量聚合物的添 加可以给水泥基材料带来明显的性能改善，如增加与基材的粘结强度、增加材料 的抗渗透性、防水性等。与p c 相比，p m c 中聚合物的掺量小得多，这样对修补 材料带来的负面影响相对较小，而且成本较p c 为低。 预填集料混凝土：它是美国工程师在1 9 3 7 年修复加里福尼亚州的圣菲( s a n t af e ) 铁路隧道工程期间想出来的【1 2 】作为一种性能优越的修补材料，它已逐渐得到广 泛应用。该法是先将洗净的粗集料进行压实，然后再将水泥净浆注入到压实的集 料间的空隙中水泥浆在注入集料间空隙的同时可排挤出集料间的气体或水，形 成高密实的混凝土。由于集料本身已经压实，颗粒间接触紧密，因此混凝土很少 出现干缩或其他体积变化。对于水工工程的修补和大体积混凝土工程修补很方便。 但是从配比设计到现场施工都应有严格的技术规范，并由熟练的技工操作阿。 环氧树脂类修补材料：主要有环氧树脂黏结砂浆、环氧树脂黏结替代混凝土、 环氧树脂黏结干填充料等。这类材料早期的力学性能有所降低但对长期强度没有 太大影响，并且与基材有较高的粘结强度，抗渗能力较好但是由于添加了环氧 树脂而使其热工性能和基材混凝土有较大的差异，如热膨胀系数若周围环境温 度变化较大，修补材料的变形与基材不一致就会导致其与基材分离进而脱落；此 外，可能由于环氧树脂的加入使修补材料的电势与基材的电势不同，反而有加速 钢筋锈蚀的危险。因此，不得用于由于钢筋锈蚀而引起的修补阿。 其他树脂类修补材料：由混凝土的开裂和剥落引起的渗漏、裂缝是混凝土常见 的病害之一。可以采用注入树脂的修补方法。要求这种材料要有与基材较好的粘 结性、凝固较快、能使结构在修补后恢复其原有的结构强度。对用于微裂缝的树 脂还要有较好的渗透性，能够填充到裂缝的根部。常用的材料有环氧树脂、聚氨 基甲酸酯树脂等。前者由于凝固不是很快只能用于几毫米以下灌缝；后者修补裂 缝的宽度不受限制 8 1 。 密封类混合料修补材料：此类材料可用于防止外部环境带来的有害影响，如： 冻融循环、碳化、硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀等多种破坏作用。常用材料有：甲基 4 l 绪论 丙烯酸密封混合料、烷基烷氧基硅氧烷黏结混合料等前者应与引发剂、促进剂 共同掺入，其掺量分剐约为5 和2 嘲经后者处理的混凝土有较好的抗渗性。 可以有效防止水的渗透当用这种材料修补时，经液体载体蒸发固体沉积就可以 得到修补效果但这类材料多为有机类，不宜用于多变的外部环境中 有机物的掺入改善了修补材料的诸多性能，如抗渗性、密实性、拌合物和易性、 耐化学腐蚀性等。提高了材料的粘结强度、抗拉强度但是带来的问题是材料的 老化、变形不一致性、有毒性等如何孵决这些问题是使有机、无机类材料更好 复合的瓶颈。 纤维增强类 纤维用于建筑材料增强材已有悠久历史，到2 0 世纪6 0 年代已出现了多种新 型纤维增强材料而这类材料中最具代表性的纤维混凝土是在2 0 世纪8 0 年代开 始广泛使用的，但长期以来只作为非结构材料使用【1 3 】所用的纤维包括；天然植 物纤维、钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、合成纤维等几大类由于纤维较好的韧性 和较高的抗拉强度，主要用于改善材料的脆性，弹性模量来增强结构在动力反应 中的耗能性、耐疲劳性等并且纤维一般较细长可以起到跨越裂缝阻止裂缝进一 步扩大或延缓裂缝出现的桥梁作用嘲纤维与混凝土有较好的相容性。但应保证它 们之间有足够的粘结强度，以免在受荷过程中发生粘结破坏，通常采用增大纤维 表面的粗糙度来增强它和混凝土的机械咬合力目前，关于这类材料中纤维的脆 性粘结破坏所引起的强度降低或修补失效机理和粘结破坏模型已经成为了美国对 纤维增强材料的研究重点u 4 1 纤维增强材具有许多优良的性质，近年来关于它的 研究也越来越多，从新材料的研发到生产技术、应用等美国在近2 0 年已将纤维 增强复合材料广泛用于结构的修补与加固并取得了令人满意的效果，如今已成为 了这一行业的一种主流u j 虽然纤维的价格较贵，但它在拌合物中的掺量较低一 般在2 以内就可明显改善材料的性能，因此总造价仍在一般工程所接受范围之 内 砌体修补类 此类材料的应用是基于材料性能相容性的原则。上个世纪建造的一些古老建 筑由于环境造成的累积作用已愈加明显这些建筑多是砖石砌体，用现代的传统 材料- 水泥砂浆不能达到令人满意的修补效果，因为它与基材的性能不相容。水泥 基砂浆的可溶性碱含量较高，其结晶和水化循环会对受损的古老建筑造成潜在的 危险。修补材料应当有协调变形的能力，如果它具有抵抗变形的过高强度势必会 导致原砌体中过大的应力而引起材料的失效【1 4 1 因此，一些国际研究中心如 i c o m o s 或i c c r o m 都推荐使用与基材性能相似的修补材料石灰类修补材料近 年来在国外有一些研究并用于了实践如希腊克里特岛历史砌体的修纠1 5 l 。石灰砂 5 重庆大学硕士学位论文 浆在养护一年后强度有较大的增长，并且随着胶凝成分的增加可以获得一种较好 的互锁结构使内部不连续相减少，界面过渡区减少。但若胶凝成分增加过多就会 导致孔隙的增加从而引起强度的降低。保持一定的c a c 0 3 c a ( o i - l ：) 2 比可以提高其 强度，c a c 0 3 为晶体的生长提供了成核条件，同时石灰砂浆中火山灰成分的结晶 也导致孔隙率的降低和强度的增长【。 防止钢筋锈蚀类 混凝土中钢筋锈蚀的修补：普通的水泥混凝土呈高碱性，能在钢筋周围形成 钝化膜对钢筋起到重要的保护作用。但如果外部环境引入的侵蚀性介质破坏了钝 化膜致使钢筋锈蚀，锈蚀产物的膨胀性会导致混凝土开裂。裂缝又为侵蚀性介质 提供了更多的通路，加速了钢筋的锈蚀，如此反复的恶性循环最终导致材料彻底 破坏。但要减少外部环境的侵蚀作用是很难的，尤其是在严寒地区除冰盐和促凝 剂的使用引入了大量氯离子，造成了许多钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀而破坏。此 外，大气中c 0 2 的扩散导致水泥石p h 值下降使钝化膜不再稳定，这也对钢筋的 锈蚀起到了促进作用。因此，该类修补具有重要意义，其研究也越来越多其中 修补材料的渗透性很重要，但它又是一个复杂的过程，包含了液体微观和宏观上 的流动，毛细运输，扩散和渗透效应。此外，应注意修补材料与基材的电化学相 容性，受损的混凝土结构修补后氯离子会残留一些在原混凝土中，由于修补材料 与基材有不同的湿度、氧气含量，加之氯离子浓度的不同因此可能会导致更快的 腐蚀。可见，材料的内部环境同外部环境同样重要。但遗憾的是很少设计考虑到 了修补材料的内部环境以及修补材料在这种环境中的行为【i q 。目前常用的方法是 在修补材料中添加保护钢筋的外加剂如阻锈剂；采用减少收缩的措施：低收缩修 补材料、高蠕变性修补材料、低弹性模量修补材料、高抗拉强度修补材料等。 1 3 修补材料的发展趋势 1 3 1 修补材料性能相容性概念的提出 修补材料的发展到是从单一强调修补材料的高强度、高耐久性至4 注重修补材 料与待修复基材性能的相容性。后者认为如果不注重材料性能的相容性而盲目采 用一些性能指标高的修补材料可能引起修补材料在未充分发挥其优良性能前就因 为与基材性能不相容而脱粘失效，得不偿失 材料的相容性是指修补材料和既有混凝土基材之间相互作用而有的共同的性 能，它确保修补系统可以抵抗作用应力并且在超过设计的服役寿命且暴露于特定 的环境中时能保持结构的完整性和受保护性【3 】。相容性具体表现在修补材料和基材 的尺寸稳定性、化学性、电化学性和离子迁移性等。具体可用图1 2 来概括。 6 i 绪论 混凝土修补材科的性能 相容材料的选择+ 土+ 耐久性材料生产 化学相容性电化 干缩热膨胀蟠变弹性模量几何尺寸 图1 2 修补材料的性能相容性l l f i g 1 2c o m p a t i b i l i t yo f r e p a i r m a m _ i a l l r q 在修补过程中修补材料和先浇基面之间的尺寸相容性是最关键的因素之一 u 习它是控制由于收缩、热膨胀、延展效应和弹性模量引起的体积变化的重要因 素【1 7 1 l b r i l l t l 明等强调了修补材料的低收缩性，且修补材料的抗张强度必须优于基 质混凝土目前各类修补材料一般都有足够的工程抗压强度，而实际在修补材料中 较易产生张应力，所以必须优先选取抗张强度较大的修补材料对于弹性模量的认 识存在一些分歧：多数研究者认为修补材料的弹性模量比基材小些更好，这样修 补材料变形大可以耗散部分变形与能量刚；但i c e h a s s a n ( 2 0 0 0 ) 认为修补材料的弹 性模量应比基材大3 0 为好，因为低弹性模量的修补材料变形大，它可以将荷载 通过过渡区传递给弹性模量高的基材，从而增加了基材的负荷或者由于过渡区薄 弱而引起修补的失效田】此外，还有电化学的不相容性，如在配筋路面，修补材料 必须和基质材料具备相似的孔隙率及电阻率，如果修补材料的孔隙率及电阻率差异 较大，则会导致修补区域和基质混凝土区域的溶液电位差增加，在特定区域钢筋电 化学腐蚀加剧，导致修补失败；又如受损的混凝土结构修补后，c r 会残留一些在原 混凝土中，由于修补材料不同的湿度、氧气浓度和c 1 浓度，因此可能由此造成的 电势差将导致原混凝土中c i - 的加速腐蚀等阎e m b e r s o n 将修补材料与基材性能 之间的匹配关系概括为表1 1 p 。叼 7 重庆大学硕士学位论文 表1 1 修补材料与基质混凝土相容性的关系 性质修补材料和基质混凝土( c ) 之问的关系 收缩应变 r 1 0 ，质量系数1 6 2 5 1 2 注：碱度系数m o = ( c a o + m g o ) ，( s 1 0 2 + a 1 2 0 3 ) ： 质量系数k = ( c a o + m g o + a 1 2 0 3 ) ，( s i 0 2 + 面0 2 ) 2 ) 锂渣：硫酸法制备碳酸锂工艺的副产品外观呈土黄色，无水硬性。其颗 粒的多孔结构使其易吸附水分，在自然干燥下含有一定水分，潮湿而松散，烘干 后呈粉末状，颗粒较细。锂渣的化学成份与粘土质相似，主要是s i 0 2 、a 1 2 0 3 和 f e 2 0 3 等，锂渣中的s i 0 2 绝大多数是以无定形的s i 0 2 形式存在 ( 3 ) 石灰石粉：将石灰岩机制砂磨至比表面积4 3 0 m 2 k g 细集料 用四川简阳中砂与重庆特细砂复配而成，细度模数1 9 4 ，最大粒径l r n m , 含 重庆大学硕士学位论文 水率0 9 2 。 外加剂 减水剂：氨基磺酸盐高效减水剂 激发剂：q h 弱碱，白色粉末，分析纯； j s 碱金属盐，白色晶体，难溶于水，分析纯； t r i 强碱，白色片状，易溶于水，分析纯 乳胶粉：德国瓦克公司产v i n n a s p a s 可再分散乳胶粉。 膨胀剂：重庆江北特种建材厂产z y 型高效膨胀剂。 拌和水 自来水 2 2 试验方法 胶砂抗折、抗压强度试验 根据g b t 1 7 6 7 1 1 9 9 9 水泥胶砂强度检验方法进行 流动度及经时损失试验 根据j c t 9 8 5 2 0 0 5 地面用水泥基自流平砂浆进行试模采用内径 3 0 m m 士0 1 m m , 高5 0 m i n e 0 1 m m 的塑料空心圆柱体。测试板采用面积大于 3 0 0 m m x 3 0 0 m m 的平板玻璃。测试时将流动度试模置于测试板中央，测试板表面平 整光滑、无水滴，把制各好的试样灌满试模后，开始计时，在2 s 垂直向上提升 5 c m - 1 0 c m , 保持i o s 1 5 s 使试样自由流下。4 r a i n 后，测两个垂直方向的直径，取其 平均值。流动度为两次试验的平均值将同批试样在搅拌锅内静置3 0 m i n ，再按上 述步骤测试，得3 0 m i n 流动度值 砂浆凝结时间、稠度试验 根据g b t 1 3 4 6 - 2 0 0 1 水泥标准稠度用水量、凝结时间、体积安定性检验方法 进行 粘结抗剪强度试验 按照图2 1 进行 基材 界面剂 修补砂浆 图2 1 过渡区粘结抗剪强度测试方法 f i g 2 1 t e s t e ro f s h e a r i n gs t r e n g t hi nb o n dt r a n s i t i o nz o n e 1 4 2 原材料及试验方法 胀缩性试验 根据j c 4 7 6 - 2 0 0 1 混凝土膨胀剂中混凝土膨胀剂的限制膨胀率试验方法进 行 干缩性试验 根据j c _ 3 t 6 0 3 - 2 0 0 4 水泥胶砂于缩试验方法进行 氯离子渗透试验 根据水运工程混凝土试验规程j t j 2 7 0 9 8 进行 1 ) 试验装置氯离子渗透试验所用仪器为q s1 8 a 型万能电桥，试验装置如 图2 1 所示。主要有：频率为1 0 0 0 h z 的交流电桥，量程l q l o o k q ，精度0 0 0 2 1 出； 塑料试验槽两只，外型尺寸1 5 2 m m 1 5 2 m m x 5 0 m m ，内开深3 8 m m 、直径8 0 m m 的 凹槽；铜网，采用2 0 0 目铜网，分剪成多个直径为8 c m 圆形网；橡皮垫圈，外径 为1 0 c m ，内径为8 c m ，厚5 c m ，共准备两只；8 号医用乳胶手套。 2 ) 试验方法本试验按水运工程混凝土试验规程j t j 2 7 0 - 9 8 ) 7 9 条进行。 试验采用直径1 0 0 m m ，厚6 0 m m 的圆柱形试块成型后，盖湿麻袋，在2 0 士5 室 内静置2 4 h 后脱模，用钢丝刷打毛试块的项 面和底面，试块在2 0 - j ：3 c 饱和c a ( o h h 溶 液养护至龄期试验的原理是依据氯离子在 直流电压作用下，能透过混凝土试件向正极 方向移动。通过测量混凝土的电荷量或电 导，反映出透过混凝土的氯离子量。并根据 n a a m t - p l a n k 方程式推算出氯离子的电迁移 扩散系数。试件电导值按下式计算，精确至 0 0 1 x 1 0 1 2 皿产s 鼋( m 1 九砷风 d = 0 2 3 5 x 1 0 4 c 2 0 式中： 风一铡得试件电阻( q ) a 一常数，取2 1 3 0 ； 图2 2 氯离子渗透试验装置 r i g 2 2 t e s t e r o f c l l i o r i n ei o np e r v a s i o n t i 一饱和氢氧化钙溶液的温度，以绝对温度计： 1 h 一2 0 时对应的绝对温度值，等于2 9 3 ； d 一试件的氯离子扩散系数 取同组3 个试件的相对氯离子渗透系数的平均值，作为该组试件的相对氯离 子渗透系数值。 抗硫酸盐腐蚀试验 根据g b 7 4 9 - 6 5 水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法进行 重庆大学硕士学位论文 x 衍射试验 采用日本理学d m a x - 5 a ，1 2 k w 转靶x 射线衍射仪。根据x 衍射图谱分析 不同水化产物的物相。 扫描电镜试验 采用k y k y - 1 0 0 0 b 型扫描电镜。2 0 2 0 x 2 0 m m 的净浆试块标准养护2 8 天后破 碎，用无水乙醇终止水化。试验前，将样品在烘箱中6 0 ( 2 烘至恒重观察前，在 断面上喷金，然后将样品喷金面置于扫描电镜下观察。 1 6 3e j 系列修补砂浆的制各与基本性能研究 3e j 系列修补砂浆的制备与基本性能研究 如前所述，修补材料的性能要与其修补对象的性能及环境相适应才具有实用 性迄今为止，现存待修复的建筑物绝大部分是以无机的水泥基材料混凝土作为 主要的建筑材料。这就从根本上决定了修补材料的性能应与无机材料的性能有较 好的协调性以普通硅酸盐水泥为主要胶凝材料，同时掺入矿物掺合料、高效减 水剂来达到降低水灰比、在较好流动度的情况下获得更高的强度和耐久性是当今 高性能混凝土制备的主要途径。本研究延用了这一基本思路，并针对修补环境的 不同掺入了适当的外加剂来对修补砂浆的某些性能，特别是其工作性和力学性能 进行调节，以研制出适应不同修补环境需要的系列修补材料此外，所选用的矿 物掺合料，除矿渣外，锂渣、石灰石粉在水泥水化体系中的研究利用还较少，认 识也不一致本课题不仅研究了这几种掺合料之间的超叠效应，而且各种掺合料 发挥优势互补，使这些工业废渣有了更高的利用价值促进了固体废弃物的资源 化 3 1e j 系列修补砂浆的工作性能研究 工作性是衡量修补材料性能的重要指标之一但有史以来，它都是一个复杂、 难以明确的概念t c p o w e r s 曾说：“工作性涉及无法进行直接测量的各种复杂性 能”刚它包括拌合物的流动性、泌水性、保水性、稳定性、稠度等基本流变性质 日系列修补砂浆适用于钢筋密集区、薄壁构件、复杂形体及路面桥面的修补除 高流动性外，还要求其具有一定粘性，浇筑过程中不产生分层、离析、泌水，且 又能在构件中自动流平、密实、凝结时间适宜良好的工作性不仅保证了材料质 量均匀从而能获得较高的强度和耐久性，而且减小了施工操作的难度和带来的环 境负荷。如无特别说明，本组试验水胶比o 2 7 ，胶砂比1 ：l ，减水剂掺量为胶凝材 料质量的0 8 拌合物稠度均控制在1 1 2 , - - 1 1 8 c m ；砂浆容重2 1 1 5k g m 3 2 1 4 0 蚝 m 3 3 1 1 矿渣对新拌修补砂浆工作性能影响的研究 新拌合物的流动度会随着时间的推迟而降低这对于施工操作是极为不利的 而这种流动度的损失除与所使用的减水剂成分、水泥的化学成分等有关外，还主 要与水化体系液相中的减水剂浓度有关。有关研究表明网：超塑化剂主要是大量 吸附在水化颗粒表面的水化产物上而不是吸附在未水化水泥颗粒表面。水泥与超 塑化剂相适应性不好主要是水泥水化产物吸附大量的超塑化剂所致凡是加速水 泥初期水化的因素，特别是使水泥凝结加速的因素如c 担含量过高、s 0 3 掺量过 1 7 重庆大学硕士学位论文 少、碱含量高以及掺入内比表面积大的火山灰质混合材等均使水泥与超塑化剂的 相适应性变差。水泥的主要矿物组成是c 3 s 、c 2 s 、c 3 a 、c 4 a f ，其中c 3 s 、c 3 a 水化速率都很快，且在水泥成分中所占比重较大。因此，单纯以水泥为胶凝材料 势必在短时间内使水化体系中产生较多的水化产物，进而吸附大量的减水剂，使 液相中减水剂的浓度大大减小。这对减水剂的分散减水作用是十分不利的。在宏 观上即表现为：拌合物在减水剂加入后的短时间内有较好的流动性，这是由于水 化体系中水化产物还未大量生成。但随着时间的延长，拌合物的流动性会急剧下 降，甚至在短短的几十分钟变成一堆僵硬物，以致无法施工。因此，减少水化体 系初期的水化产物是解决拌合物流动度经时损失的关键。用矿物掺合料取代部分 水泥，减少水泥中水化速率较快的熟料组成，延缓水化产物的形成是行之有效的 措施。 矿渣是使用最为广泛的掺合料。本试验所采用的粒化高炉矿渣为钢铁工业的副 产品，经过快速冷却形成了具有活性的玻璃体结构因而具有潜在的水硬性。其 碱性系数为1 1 1 4 1 0 ，属碱性矿渣；质量系数为1 6 2 5 1 2 ，说明该矿渣质量好、 活性高。此外，试验中还将矿渣粉磨至一定的比表面积制得矿渣微粉。用其作为 砂浆的掺合料能改善或提高其硬化体的综合性能，其作用机理在于矿渣微粉除具 有潜在水硬性外，还具有微集料效应和微晶核效应，而且改善了砂浆界面区的结 构，减少了水泥初期水化产物的相互搭接口舶，有利于减水剂的分散。试验结果如 图3 1 所示。 图3 1 矿渣掺量对拌合物流动度的影响 f i g 3 1 i n f l u e n c eo f s l a gc o n t e n to i lf l u i d i t yo f p a s t e s 从图3 1 中可以看出，单掺矿渣，随着矿渣掺量的增加，新拌砂浆初始流动性 逐渐增大，当矿渣掺量在3 0 - 5 0 之间时，随矿渣掺量的增加拌合物流动度增加 趋势更为明显。当矿渣掺量超过5 0 时，拌合物流动性增加幅度明显减小。此外， 1 8 口5一槭承卜帚 3f _ j 系列修补砂浆的制各与基本性能研究 矿渣掺量低于5 0 时，拌合物3 0 分钟内的流动度损失值随矿渣掺量的增加而有所 减小，当掺量达到7 0 时，流动度的经时损失值又有所增加。 可见