水泥混凝土路面多功能快速修补材料试验研究.doc

水泥混凝土路面多功能快速修补材料试验研究道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心资助项目（编号：kfj110301）李九苏1,2，曹勇2（1.道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心，长沙 410004；2.长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410004）摘要：研制了一种对水泥混凝土路面多种病害均具有修复能力的多功能快速修补材料。以抗压强度、抗折强度为指标确定其最佳配合比为：粉煤灰为胶凝材料总质量的20%、缓凝剂硼砂与氧化镁的最佳摩尔比为0.05、水胶比为0.2。探讨了多功能快速修补材料的水化及凝结硬化机理，在此基础上，试验研究了硼砂、粉煤灰以及普通硅酸盐水泥对凝结时间的调节作用，结果表明硼砂、粉煤灰对凝结时间的调节作用有限，而当普通硅酸盐水泥掺量超过70%时，凝结时间可显著延长。关键词：快速修补；凝结硬化机理；磷酸镁水泥Experimental investigation on multifunctional rapid repairing material involved in cement concrete pavementLi Jiusu1,2，Cao Yong2(1.Engineering Research Center of Catastrophic Prophylaxis and Treatment of Road & Traffic Safety，Ministry of Education, Changsha 410004, China; 2.School of Traffic and Transportation Engineering ,Changsha University of Science & Technology, Changsha, 410004,China )Abstract：A type of multifunctional rapid repairing material（MRRM） used for cement concrete pavement has been manufactured . The manufactured MRRM can repair the majority of cement concrete pavement distresses. Its optimum mix proportion was determined in terms of compressive strength and flexural strength.:the ratio of fly ash to the binder was 20%, and the molar ratio of borax to magnesium oxide was 0.05 with an optimum water to binder ratio of 0.2.The hydration, setting and hardening of MRRM was discussed. The adjustment by adding borax, fly ash or ordinary Portland cement on setting time was then investigated, respectively. The results show that both the borax and fly ash affect the setting time of MRRM to some extent. However, the setting time of MRRM can be extended considerably when the dosage of the ordinary Portland cement was higher than 70%. Keywords:rapid repairing material；setting and hardening mechanism；magnesium phosphate cement0 引言截至2010年，我国公路总里程已达370万公里，其中高速公路总里程6.5万公里，居世界第二位，仅次于美国。水泥混凝土路面因其强度高、刚度大、荷载扩散能力强、稳定性好、抗磨耗能力强以及造价较低等优点，在我国道路网构成中约占20%1。然而，水泥混凝土路面营运过程中断板、脱空、错台、裂缝等不同程度的病害，严重影响路面行车舒适性甚至使路面丧失结构承载能力。我国的水泥混凝土路面实际使用寿命一般都达不到设计年限就需要进行维修。传统的修补材料一般只针对单一的某种病害进行修复，如裂缝灌浆材料仅针对裂缝类病害，对断板、脱空等其他病害无能为力。本文旨在研制一种针对水泥混凝土路面裂缝、破碎、断角、补块等断裂类病害，脱空、错台等竖向位移类病害，接缝剥落等接缝病害以及露骨、表面裂纹等表面类病害2均具有修复能力的快速修补材料，即水泥混凝土路面多功能快速修补材料（multifunctional rapid repairing material，MRRM）。MRRM以磷酸镁水泥（Magnesium phosphate cement ，MPC）为基材，MPC具有一系列适用于水泥混凝土路面病害修补的优点3-4，如：快凝快硬，试件可在30min之内拆模；早期强度高，lh抗压强度可达20MPa以上，3h抗压强度可达40MPa以上；低温凝结能力强，能在-205的低温环境中迅速凝结；粘结力强，与旧混凝土的粘接强度高；耐磨性及抗冻性好，干缩小等。但是，MPC也存在凝结硬化速度过快，不便施工；所需原材料价格偏高，不利推广等缺陷。笔者以MPC为基材，在对其水化机理进行深入分析的基础上，以硼砂、粉煤灰、普通硅酸盐水泥等外加剂作为调凝剂，在实验室成功制备出强度高、凝结时间一定范围内可调、造价较低的水泥混凝土路面多功能快速修补材料。在此基础上，深入探讨了其凝结硬化机理。1 试验用原材料及磷酸镁水泥的制备MRRM的基材为磷酸镁水泥（简写为MPC），国内外对MPC已有较多理论和应用研究，但对于其水化机理，尚未有定论。由于MPC凝结硬化速度过快，造价过高等原因，国内外对于MPC在公路建设领域的研究和应用，少见文献报道。1.1 试验所用原材料MPC的主要组分为磷酸二氢钾、硼砂和氧化镁。试验所用主要原材料如下：磷酸二氢钾：工业级，白色晶体，纯度为99.8%，简写为P；硼砂：工业级，白色晶体，纯度为95%，简写为B；氧化镁：简写为M，纯度为85%；粉煤灰（简写为FA）；韶峰牌52.5级普通硅酸盐水泥以及其他改性物质。1.2 磷酸镁水泥的制备MPC的主要组分为磷酸二氢钾、硼砂和氧化镁，MPC的制备过程简介如下：将磷酸二氢钾和硼砂分别用干燥设施干燥处理12h，温度为50；将干燥过的磷酸二氢钾和硼砂分别过150m方孔筛，保证筛余量不超过10%；处理过的磷酸二氢钾和硼砂于密封、干燥的条件下单独存放，各组分按适当比例配合即可制备成MPC。2 MRRM的基础配方MRRM的基材为MPC，因为MPC中硼砂作为缓凝剂主要是对氧化镁起作用，水化产物也主要是由磷酸二氢钾与氧化镁反应生成，所以磷酸二氢钾、硼砂和氧化镁的摩尔用量之间的关系分别用硼砂与氧化镁的摩尔比、磷酸二氢钾与氧化镁的摩尔比表示，即B/M和P/M。以正交试验设计为指导思想，选用三水平四因素正交表，即L9（34），其中四因素分别为粉煤灰比例、水胶比、B/M、P/M。制备了水泥净浆，测试了其1d和7d的抗压强度和抗折强度见表 1。表 1 多功能修补材料基础配方研究正交分组FA掺量水胶比B/MP/M抗折强度（MPa）抗压强度(MPa)1d7d1d7d10.20.20.051/45.647.0228.4244.2620.20.30.071/53.454.2517.5824.230.20.40.061/62.393.189.231540.40.20.071/64.556.5413.7231.1350.40.30.061/43.65.216.3822.3760.40.40.051/51.952.624.374.61700.20.061/53.987.7539.343.49800.30.051/64.033.6313.7220.93900.40.071/43.614.515.517.9弯拉应力是水泥混凝土路面板的主要设计依据，水泥混凝土路面修补材料应与原混凝土路面受力情况基本一致，因此对修补材料较短时间内的抗折强度要求较高，对MRRM 1d龄期的抗折强度进行分析，结果如表 2。表 2 对1d抗折强度影响因素的正交分析因素极差水平目标平均值123123FA掺量0.59 20%40%03.833.233.57水胶比2.21 0.20.30.44.723.392.52B/M0.55 0.050.060.073.443.873.32P/M1.29 1/41/51/64.282.993.36粉煤灰掺量为占多功能快速修补材料的质量比，氧化镁、磷酸二氢钾和硼砂之间的比例为摩尔比。表2中目标均值是指一个因素的某一个水平所对应的各实验结果之和的平均值，其大小表示该因素的此水平对实验结果的影响大小；极差指MRRM每个因素的极差，反映了某个因素水平波动时，1d抗折强度的变动幅度。极差越大，说明该因素对1d抗折强度的影响越大。结果表明最佳粉煤灰掺量为20%，B/M（综合考虑凝结时间对MRRM工作性能的影响以及实验过程中可能出现的偶然误差，将B/M仍取为0.05）和P/M分别为0.05和0.25，多功能快速修补材料的最佳水胶比为0.2；四个因素的主次顺序：水胶比、P/M、粉煤灰掺量和B/M。如果粉煤灰、MPC单价分别按200元/吨和2800元/吨计算，则在最佳配合比条件下，由于掺入20%的粉煤灰，快速修补材料的单价下降18.6%。其1d抗折强度达到5.64MPa，满足重载交通条件下开放交通所需的强度要求5。3 MRRM的水化及凝结硬化机理3.1 MRRM的水化机理MRRM的主要基体材料为MPC。MPC的主要原材料为磷酸二氢钾和氧化镁。磷酸二氢钾溶于水显酸性，氧化镁溶于水显碱性，MPC的水化反应是以磷酸二氢钾和氧化镁为主的酸碱中和反应6-7。当MRRM与水拌合后，MPC中的磷酸二氢钾首先溶于水中，并将迅速电离生成H+和PO43-，使溶液呈弱酸性；在弱酸性条件下，MgO溶解产生Mg2+，溶解和扩散到液相中的Mg2+与K+、PO43-迅速反应生成无定形的镁-磷酸钾络合物水化凝胶，即磷酸盐水化产物MgKPO4.6H2O。随着反应的进行，产物逐渐结晶析出。由于体系中氧化镁过剩，析出的产物就覆盖在氧化镁表面，形成一层水化产物膜将氧化镁粒子紧密地连结成一体。随着反应的继续，溶液中的K+和PO43-逐步透过水化产物膜渗透到MgO颗粒表面，形成较多的水化产物，结晶产生体积膨胀导致水化产物膜破裂。使MgO又暴露于酸性溶液中，水化反应速度重新加快，生成大量的水化产物。随着水化物的不断增多，相互之间接触和连生使得MRRM浆体成为一个以MgO颗粒为框架、以磷酸盐水化物为主要粘结料的结晶结构网，从而使MRRM硬化为有很高力学性能的硬化体。3.2 MRRM的凝结硬化机理如前所述，MRRM的基体材料为MPC。通常而言，MPC的水化速度很快，凝结、硬化所需时间很短，终凝和初凝的时间间隔很小，一般不到1min。考虑到施工过程中工作性的要求，本文中提到凝结时间都指初凝时间。按照国家标准GBT 1346-2001水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法测得MRRM初凝时间一般为35min，其凝结时间完全能达到瞬时修补、短时通车的要求，但是其速凝、快硬的特性却对工作性等指标造成了不利影响，如施工和易性迅速下降、扩展度不足以及密实填充性能劣化等。MPC作为MRRM的基材，其水化反应十分迅速，一旦MPC开始水化反应，其水化产物将迅速在MRRM中相互搭接形成强度骨架，使MRRM迅速硬化。因此控制MPC的水化速度是延缓MRRM水化的关键。硼砂为磷酸镁水泥的常用缓凝剂8-9，硼砂溶解生成的B4O72-迅速吸附到MgO颗粒表面，形成一层以B4O72-和Mg2+为主的水化产物层，阻碍了MgO的溶解以及K+、PO43-与MgO颗粒的接触，达到对MRRM缓凝的目的。硅酸盐水泥掺入到MRRM中，使氧化镁较为分散。氧化镁作为MRRM发生水化反应时水化产物的非均态核化结晶中心，其分布密度减小，相互之间的间距增大，从而使以氧化镁为晶核的水化产物难以相互搭接成为整体，因此使得MRRM的凝结时间延长。粉煤灰对MRRM的缓凝机理可以从两个方面进行阐述，其一是粉煤灰对磷酸根离子具有吸附作用10，延缓了磷酸根离子在MgO颗粒表面的吸附，推迟了水化产物（MgKPO4.6H2O）的生成，使多功能快速修补材料的硬化得到一定程度的缓冲。其二是粉煤灰中含有70%以上的玻璃微珠11，这些玻璃微珠形态完整、表面光滑，具有良好的润滑作用，因此增强了MRRM的流动性；粉煤灰在MRRM中具有一定的减水作用，需水量不及其它组分，相对增大了磷酸镁水泥的水胶比，使其颗粒之间的间距相对增大，氧化镁颗粒之间的间距也相对增大，这与硅酸盐水泥对MRRM的缓凝机理类似。4 硼砂、粉煤灰、硅酸盐水泥对MRRM的调凝作用4.1 硼砂对凝结时间的影响图 1为硼砂用量对凝结时间的影响。图 1 硼砂用量对凝结时间的影响从图1可以看出，当硼砂的用量与氧化镁摩尔量之比为0.05时，MRRM初凝时间最长，达到7min左右。显然，要真正实现对MRRM凝结时间的有效调节，更好地满足水泥路面维修的实际需要，必须寻求其它延缓MRRM凝结时间的技术手段。4.2 粉煤灰对凝结时间的影响改变粉煤灰掺量，测试在不同水胶比下，对凝结时间的影响，结果见表3。表3 粉煤灰掺量对凝结时间的影响水胶比粉煤灰掺量（%）010200.25455.20.303670.40348可见，在不同水胶比条件下，多功能快速修补材料凝结时间随着粉煤灰用量的增加而延长，尤其当水胶比较大时，由于材料颗粒之间的间距12-13较大，对凝结时间的调节作用更加显著。但是，无论是低水胶比还是较高水胶比条件下，粉煤灰对MRRM凝结时间的调节作用依然有限。4.3 硅酸盐水泥对凝结时间的影响考虑到MRRM强度要求较高及硼砂、粉煤灰对凝结时间的调节作用有限，试验中掺入52.5级普通硅酸盐水泥，研究了其对凝结时间的影响，见图2。图2 普通硅酸盐水泥掺量对凝结时间的影响由图2可见，当普通硅酸盐水泥的掺量较低时，MRRM的凝结时间随普通硅酸盐水泥掺量的增加而缓慢增加，此时对凝结时间的调节效果并不明显。当普通硅酸盐水泥的掺量达到70%以上时，凝结时间随掺量的增加而迅速增加。5 结论根据正交实验结果，确定了MRRM最佳基础配方：最佳粉煤灰掺量为20%，磷酸二氢钾和硼砂对氧化镁的摩尔比为0.25和0.05，最佳水胶比为0.2。硼砂、粉煤灰对MRRM凝结时间的调节作用有限，粉煤灰的调凝效果在较高水胶比条件下更为有效。高强度普通硅酸盐水泥可以作为MRRM的调凝剂使用，当其掺量超过70%时，调凝效果较为显著。参考文献1 傅智.高速公路路面结构宜“黑白并举”J.广西交通科技.2003,107（28）:8-11.2 傅智，金志强.水泥混凝土路面施工与养护技术M.北京：人民交通出版社，2003:225-231.3 雒亚莉，陈兵.磷酸镁水泥的研究与工程应用J.水泥.2009（9）：16-19.4 姜洪义，梁波，张联盟MPB超早强混凝土修补材料的研究J建筑材料学报.200l，4（2)：196-1985 中