（材料学专业论文）硫铝酸盐水泥基修补砂浆的研究.pdf

s t u d y o ns u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t - - b a s e dr e p a i r m o r t a r b y d u p e n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f c h e n g x i n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 1 哪7洲7删7，3 圳8舢8iiii_ 帅y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘! 监e t 期：适上：婆 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壶监导师签名：爿鳖篁日期：趋出蔓婆 济南大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 修补材料的性能要求3 1 2 2 修补材料的发展4 1 2 3 外加剂改性硫铝酸盐水泥的研究1 0 1 2 4 水泥混凝土的耐磨性1 2 1 3 研究目的与意义1 3 1 4 主要研究内容1 3 第二章实验原料、设备和方法1 5 2 1 实验原料1 5 2 1 1 水泥1 5 2 1 2 可再分散乳胶粉1 5 2 1 3 超细矿渣1 5 2 1 4 标准砂1 6 2 1 5 其它1 6 2 2 实验用仪器设备1 6 2 3 成型方法1 7 2 3 1 净浆成型1 7 2 3 2 砂浆成型1 7 2 4 性能测试1 7 2 4 1 基本性能测试1 7 2 4 2 抗折强度与抗压强度测试1 7 2 4 3 粘结抗折强度测试1 8 2 4 4 抗碳化测试1 8 2 4 5 干缩率和失水率测试1 9 硫铝酸盐水泥基修补砂浆的研冤 量曼曼曼曼量量曼鲁曼曼皇曼皇曼量量量曼曼曼曼曼量曼曼皇! 曼曼! 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼舅曼i ii 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼璺 2 4 6 耐磨性测试1 9 2 4 7 微观结构分析2 0 第三章改性硼酸延缓硫铝酸盐水泥的凝结2 1 3 1 实验原料2 1 3 2 实验方案2 1 3 3 结果与分析2 2 3 3 1 硫酸铝对硫铝酸盐水泥性能的影响2 2 3 3 2 新型缓凝剂对硫铝酸盐水泥性能的影响2 4 3 3 3 新型缓凝剂的研制思路2 7 3 4 本章小结2 8 第四章可再分散胶粉改性硫铝酸盐水泥基修补砂浆的研究3 0 4 1 实验原料3 0 4 2 实验方案3 1 4 2 1 实验配合比3 1 4 2 2 实验方法3 2 4 3 结果与分析3 2 4 3 1 可再分散乳胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆保水性的影响3 2 4 3 2 可再分散乳胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆抗压强度与抗折强度的影响3 2 4 3 3 可再分散乳胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆折压比的影响3 5 4 3 4 可再分散乳胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆粘结强度的影响3 5 4 3 5 微观分析3 6 4 3 6 可再分散乳胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆干缩性的影响4 0 4 3 7 可再分散乳胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆耐磨性的影响4 1 4 4 本章小结4 3 第五章超细矿渣改性硫铝酸盐水泥基修补砂浆性能的研究4 4 5 1 实验原料4 4 5 2 实验方案4 5 5 2 1 实验配合比4 5 5 2 2 实验方法4 5 5 3 结果与分析4 5 l l 济南大学硕士学位论文 5 3 1 超细矿渣对硫铝酸盐水泥砂浆抗碳化性能的影响4 5 5 3 2 超细矿渣对硫铝酸盐水泥砂浆耐磨性的影响4 8 5 4 本章小结4 9 第六章纤维增强硫铝酸盐水泥基修补砂浆性能的研究5 1 6 1 木质纤维和聚丙烯纤维增强硫铝酸盐水泥基修补砂浆性能的研究5 1 6 1 1 实验原料5 1 6 1 2 实验配合比5 2 6 1 3 实验方法5 2 6 1 4 木质纤维对硫铝酸盐水泥砂浆力学性能的影响5 2 6 1 5 木质纤维对硫铝酸盐水泥砂浆干缩性和失水性的影响5 4 6 1 6 聚丙烯纤维对硫铝酸盐水泥砂浆力学性能的影响5 6 6 1 7 聚丙烯纤维对硫铝酸盐水泥砂浆干缩性和失水性的影响5 8 6 1 8 掺入木质纤维和聚丙烯纤维的实验数据对比分析5 9 6 2 造纸污泥对硫铝酸盐水泥基修补砂浆性能的研究6 l 6 2 1 实验原料6 1 6 2 2 实验配合比6 1 6 2 3 实验方法6 l 6 2 4 造纸污泥对硫铝酸盐水泥砂浆力学性能的影响6 2 6 2 5 造纸污泥对硫铝酸盐水泥砂浆干缩性和失水性的影响6 4 6 3 纤维增强硫铝酸盐水泥基修补砂浆抗折强度和抗裂性的机理分析6 7 6 3 1 纤维的特性6 7 6 3 2 基体材料的特性6 8 6 3 3 纤维增强机理6 8 6 4 本章小结7 0 第七章最优实验方案选择与回归分析7 1 7 1 最优实验方案选择7 2 7 1 1 因素水平7 2 7 1 2 正交方案与正交分析7 2 7 1 3 最佳方案实验结果验证7 4 7 2 回归分析7 5 i i i i v 济南大学硕士学位论文 摘要 在当今国内外既有混凝土结构老化病害现象十分普遍的情况下，研究制备性 能优越的水泥基修补砂浆意义重大。本文使用硫铝酸盐水泥为基材，针对其凝结 时间快、柔韧性差和易于干缩开裂等缺点，制备新型缓凝剂及掺入可再分散乳胶 粉、超细矿渣和多种纤维对砂浆的凝结时间、柔韧性、粘结性、保水性、干缩性、 失水性、耐磨性和耐久性进行改性，制备出性能更加优越的硫铝酸盐水泥基修补 砂浆，并利用s e m 微观分析对水泥砂浆改性机理进行研究。最后，以砂浆的3 d 抗压强度作为考察指标，进行正交实验分析和线性回归分析。研究结果表明： 单掺硫酸铝对硫铝酸盐水泥有促凝作用，强度较空白样也仅有略微降低。掺 入w - - 0 3 的硼酸时，硫铝酸盐水泥的初凝时间为2 9 6 m i n ，终凝时间为3 6 1 m i n ； 而复掺o 3 的硼酸和0 5 的硫酸铝时，水泥的初凝和终凝时间分别降低为 1 1 3 m i n 和1 6 8 m i n ，增加硫酸铝的掺入量凝结时间会进一步降低。掺入新型缓凝 剂不仅稳定的延缓了水泥的凝结时间，对其前期强度也无不利影响，且能提高其 后期强度。 适量的可再分散乳胶粉能够显著改善硫铝酸盐水泥砂浆的保水性、抗压强 度、抗折强度和抗折粘结强度，尤其是抗折强度。当可再分散乳胶粉掺量达到 2 o 时，砂浆的2 8 d 抗压和抗折强度分别可达4 9 6 m p a 和8 2 1 m p a ，1 4 d 抗折粘 结强度达5 6 m p a ；同时随着可再分散乳胶粉掺量的增加，砂浆的折压比随之升 高，明显改善了砂浆的柔韧性；且砂浆各龄期的干缩率不断增大，但还能保持在 一个比较理想的范围内；同时砂浆的耐磨性提高，当掺入2 o 的胶粉时，其单 位磨损量较基准样降低了1 9 6 ，这说明聚合物胶粉对砂浆的耐磨性有十分显著 的改善作用。 掺加适量的超细矿渣对提高硫铝酸盐水泥砂浆的抗碳化性能有很大的帮助， 而掺量过高又会起反作用。当掺量为2 0 时碳化深度最低，2 8 d 的碳化深度降低 为8 9 m m ；继续掺加到3 0 时碳化深度又会升高。适量的掺入超细矿渣对硫铝 酸盐水泥砂浆的耐磨性也有十分显著的改善作用，而掺量过高又会降低其耐磨 性。掺入2 0 的超细矿渣时，砂浆的单位磨损量较基准样降低了4 7 o ；而掺入 3 0 的超细矿渣时，砂浆的单位磨损量较基准样反而升高了4 7 。 掺入木质纤维和聚丙烯纤维都能改善砂浆的保水性，还能使砂浆的各龄期抗 v 硫铝酸盐水泥基修补砂浆的研究 折强度升高，干缩率与失水率降低，聚丙烯纤维还能增进砂浆的后期抗压强度。 当木质纤维掺量1 4 , = 0 3 时，砂浆各龄期的干缩率和失水率达到最低值，2 8 d 干 缩率降低为0 0 2 9 ，7 d 失水率降低为o 4 ；当聚丙烯纤维掺量w = o 5 时，砂 浆各龄期的干缩率和失水率达到最低值，2 8 d 干缩率降低为0 0 3 ，7 d 失水率降 低为0 3 9 。 适量的掺加造纸污泥虽然会降低硫铝酸盐水泥砂浆的抗压强度和抗折强度， 但降低幅度不大，而掺量过高会严重影响砂浆的力学性能。且适量的掺加造纸污 泥能够降低砂浆的干缩率与失水率，当掺入1 o 的造纸污泥时，各龄期的干缩 率与失水率均降到最低，2 8 d 干缩率降低为0 0 2 9 ，7 d 失水率降低为0 3 4 。 继续掺加造纸污泥对砂浆的干缩率与失水率不利。 以硫铝酸盐水泥砂浆3 d 抗压强度为例作为考察指标，通过正交实验分析， 得到最好的实验方案应当是a 3 8 2 c l d l ，即胶粉掺量为2 o ，超细矿粉掺量为 2 0 ，聚丙烯纤维掺量为o ，水灰比为0 4 7 ，这与前几章的研究结果相对应。 通过线性回归分析，得到3 d 抗压强度与各因素间的回归方程：y = 7 8 2 4 2 3 9 7 6 6 + 5 8 3 3 3 3 3 3 3 3 x l 一0 5 2 8 3 3 3 3 3 3 x 2 2 4 2 9 8 2 4 5 6 1 x 3 3 2 7 7 7 7 7 7 8 x 44 - 9 5 1 0 5 2 5 1 0 2 ( m p a ) 。 关键词：硫铝酸盐水泥；修补砂浆；超细矿渣；可再分散乳胶粉；纤维；污 泥 v l 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s et h ep h e n o m e n o no fc o n c r e t es t r u c t u r e 、析t l la g i n ga n dd i s e a s ei sv e r y c o m m o nb o t l li nc h i n aa n da b r o a d ，i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c hs u p e r i o rc e m e n t - b a s e d m o r t a l r e p a i rm o r t a rw a sp r o d u c e db ya d o p t i n gr a p i dh a r d e n i n gs u l p h o a l u m i n a t e c e m e n ta st h em a i nm a t r i xm a t e r i a l t h r o u g ha i m i n ga tt h ec h a r a c t e r so ft h er a p i d s e t t i n gt i m e ，t h ep o o rf l e x i b i l i t ya n de a s yt od r y s h r i n k a g eo ft h es u l p h o a l u m i n a t e c e m e n t ，an e wt y p eo fr e t a r d e ra n dr e d i s p e r s i b l ep o l y m e rp o w d e r s ，s u p e rf i n es l a g ， f i b e r sm o d i f i e dm o r t a rw e r ei n v e s t i g a t e dt oi m p r o v et h es e t t i n gt i m e ，t h ef l e x i b i l i t y ， t h eb o n d i n gp r o p e r t y ，t h ew a t e r - r e t e n t i o np r o p e r t y ，t h ed r y - s h r i n k a g ep r o p e r t y ，t h e w a t e rl o s sp r o p e r t y , t h ew e a r i n gp r o p e r t ya n dt h ed u r a b i l i t yo ft h em o r t a r a n dt h e a n a l y s i so fm o r p h o l o g i c a l 咖c t u r eo ft h ec e m e n t b a s e dm o d i f i e dm a t e r i a lh a sb e e n m a d eb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e f i n a l l y , 、析t l lt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha t3 d o ft h em o r t a ra st h ee v a l u a t i n gc r i t e r i a , o r t h o g o n a ld e s i g na n dl i n e a rr e g r e s s i o n a n a l y s i sw a si n v e s t i g a t e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t ： a l u m i n u ms u l p h a t ec a na c c e l e r a t et h es e to ft h es u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t ，a n d s l i g h t l yd e c r e a s et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ec e m e n t w h e na d d i n go 3 m a s s f r a c t i o no fb o r a c i ca c i d ，t h ei n i t i a l s e t t i n gt i m eo ft h es u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ti s 2 9 6 m i na n dt h ef i n a ls e t t i n gt i m ei s3 61r a i n w h e na d d i n g0 3 m a s sf r a c t i o no f b o r a c i ca c i da n do 5 m a s sf r a c t i o no fa l u m i n u ms u l p h a t e ，t h ei n i t i a ls e t t i n gt i m ea n d t h ef i n a ls e t t i n gt i m eo fs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tr e d u c et o2 9 6 m i na n d3 6 1 m i n c o n t i n u e i n gt oi n c r e a s et h em a s so fa l u m i n u ms u l p h a t ew i l lf u r t h e r l yr e d u c et h e s e t t i n gt i m e t h en e wt y p eo fr e t a r d e rs t e a d i l yd e l a yt h es e t t i n gt i m e o ft h e s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tw i t h o u tn e g a t i v ee f f e c t so nt h ee a r l ys t r e n g t ha n di n c r e a s e t h el a t e rs t r e n g t h t h ep r o p e ra m o u n to ft h er e d i s p e r s i b l ep o l y m e rp o w d e r sc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h ew a t e r - r e t e n t i o np r o p e r t y ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h a n dt h e b o n d i n g s t r e n g t h ，e s p e c i a l l y t h ef l e x u r a ls t r e n g t h w i t h2 0 m a s sf r a c t i o no fp o l y m e r p o w d e r s ，t h ec o m p r e s s i v ea n df l e x u r a ls t r e n g t ho ft h em o r t a rr e a c h4 9 6 m p aa n d 8 2 1 m p aa t2 8 da g e s ；t h eb o n d i n gs t r e n g t hc a nr e a c h5 6 m p aa t1 4 da g e s w i t ht h e m a s sf r a c t i o no ft h er e d i s p e r s i b l ep o l y m e rp o w d e r si n c r e a s i n g ，t h er a t i oo fr u p t u r et o p r e s s u r ea n dt h ef l e x i b i l i t yo ft h em o r t a ra r ei m p r o v e d a n dt h ed r y s h r i n k a g er a t i o i n c r e a s e sc o n s t a n t l y ，b u tc a nk e e pi na ni d e a lr a n g e t h ew e a r i n go ft h em o r t a ri s v i i 硫铝酸盐水泥基修补砂浆的研冤 i m p r o v e d w h e na d d i n g2 0 m a s sf r a c t i o no fr e d i s p e r s i b l ep o l y m e rp o w d e r s ，au n i t m a s so fw e a r i n gd e c r e a s e db y19 6 t h a nt h eb a s e ds a m p l e n l er e d i s p e r s i b l e p o l y m e rp o w d e r sc a l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ew e a r i n go ft h em o r t a r n 圮p r o p e ra m o u n t o f s u p e r f i n e s l a g c a r l s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h e a n t i - c a r b o n a t i o nc a p a b i l i t yo ft h es u l p h o a l u m i n a t ec e m e mm o r t a r 1 1 1 eo p p o s i t ee f f e c t i sp r o d u c e dw h e na d d i n gt o om u c h w h e na d d i n g2 0 m a s sf r a c t i o no fs u p e rf i n e s l a g ，t h ec a r b o n a t i o nd e p t hr e a c h e st ot h em i n i m u mv a l u e s t h ec a r b o n a t i o nd e p t h r e a c h e st o8 9 m ma t2 8 d b u ta d d i n g3 0 m a s sf r a c t i o no fs u p e rf i n es l a g ，t h e c a r b o n a t i o n d e p t hi n c r e a s e s 硼1 ep r o p e r a m o u n to fs u p e rf i n e s l a g c a na l s o s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ew e a r i n gp r o p e r t yo ft h es u l p h o a l u m i n a t ec e m e mm o r t a r 1 1 1 eo p p o s i t ee f f e c ti sa l s op r o d u c e dw h e na d d i n gt o om u c h w h e na d d i n g2 0 m a s s f r a c t i o no fs u p e rf i n es l a g ，au n i tm a s so fw e a r i n gd e c r e a s e db y4 7 0 t h a nb a s e d s a m p l e b u ta d d i n g3 0 m a s sf r a c t i o no fs u p e rf i n es l a g ，au n i tm a s so fw e a r i n g i n c r e a s e db y4 7 t h a nt h eb a s e ds a m p l e w o o df i b e ra n dp o l y p r o p y l e n ef i b e rc a l li m p r o v et h ew a t e r - r e t e n t i o np r o p e r t yo f t h em o r t a r ，a n dc a na l s oi m p r o v et h ef l e x u r a ls t r e n g t ho fd i f f e r e n ta g ea n dr e d u c et h e d r y - s h r i n k a g er a t i oa n dt h er a t eo fw a t e rl o s s n l ep o l y p r o p y l e n ef i b e rc a na l s o i m p r o v et h el a t ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h em o r t a r w i t h0 3 m a s sf r a c t i o no f w o o df i b e r , t h ed r y - s h r i n k a g er a t i oa n dt h er a t eo fw a t e rl o s so ft h em o t a rr e a c h m i n i m u mv a l u e s d r y - s h r i n k a g er a t i or e d u c e st o0 0 2 9 a t2 8 d 1 1 1 er a t eo fw a t e rl o s s r e d u c e st oo 4 a t7 d w i t l l0 5 m a s sf r a c t i o no fp o l y p r o p y l e n ef i b e r , t h e d r y - s h r i n k a g er a t i oa n dt h er a t eo fw a t e rl o s so ft h em o t a ra l s or e a c hm i n i m u mv a l u e s d r y - s h r i n k a g er a t i or e d u c e st o0 0 3 a t2 8 d n er a t eo fw a t e rl o s sr e d u c e st oo 3 9 a t7 d 们1 ep r o p e ra m o u n to fs l u d g ec a nd e c r e a s et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dt h e f l e x u r a ls t r e n g t ho ft h em o r t a r ，b u tt h er a n g ei sn o tt o ol a r g e t h eo p p o s i t ee f f e c ti s p r o d u c e dw h e na d d i n gt o om u c h 1 1 1 ep r o p e ra m o u n to fs l u d g ec a na l s or e d u c et h e d r y s h r i n k a g er a t i oa n dt h er a t eo f w a t e rl o s so ft h em o r t a r w i t l l1 o m a s sf r a c t i o n o fs l u d g e ，t h ed r y s h r i n k a g er a t i oa n dt h er a t eo fw a t e rl o s so ft h em o t a rr e a c h m i n i m u m v a l u e s d r y - s h r i n k a g er a t i or e d u c e st oo 0 2 9 a t2 8 d t h er a t eo fw a t e rl o s s r e d u c e st o0 3 4 a t7 d 砀ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha t3 do ft h es u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tm o r t a rw a su s e d a se v a l u a t i n gc r i t e r i a t h eb e s te x p e r i m e n t a lp r o g r a mi sa 3 8 2 c i d ib yo r t h o g o n a l d e s i g n 1 1 1 a ti st os a yt h a ta d d i n g2 0 w t o fr e d i s p e r s i b l ep o l y m e r ，2 0 w t o fp o w d e r s v i i i i x 济南大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 水泥砂浆是一种特殊的水泥混凝土，它的性能遵循水泥混凝土的性能变化规 律。从诞生至今，混凝土虽然只有一百多年的历史，却广泛应用于建筑交通、水 利、港口等许多领域。建于公元1 2 6 年的罗马万神殿至今世界闻名【l 】；使用寿命 已经有百余年的英国西南部港湾中的埃迪斯顿灯塔，是里程碑似的海工混凝土工 程【2 】：我国历史悠久的至今坚固无比的长城亦为胶凝材料砌筑而成。从波特兰水 泥到钢筋混凝土，再到预应力钢筋混凝土，这一步一步的突破性技术发展，带动 了大跨度桥梁和摩天大楼在世界各地的蓬勃发展。混凝土至问世以来，其强度经 历了低、中、高乃至超高的发展历程，由此看来，人们似乎总是乐于追求强度的 不断提高。但是近四五十年来，因材质劣化而导致的混凝土结构过早失效以至破 坏崩塌的事故在国内外屡见不鲜，并愈演愈烈。这些事故的起因不是由于混凝土 强度不足，而是因为其耐久性不良。 1 9 8 5 年水利部组织的全国水工混凝土建筑物老化病害调查结果表吲3 j ：2 1 的中小型钢筋混凝土水闸和2 2 的大型混凝土坝等存在冻融剥蚀破坏；4 5 左右 的钢筋混凝土闸、涵洞、渡槽和大型混凝土坝等出现了严重的混凝土碳化、裂缝、 钢筋锈蚀等病害；6 8 7 的泄水建筑物出现汽蚀损坏和冲刷磨损。1 9 8 1 年调查华 南地区1 8 座钢筋混凝土码头发现【4 】，尽管仅建了7 1 5 年，其中的1 6 座码头的 混凝土遭到侵蚀，钢筋严重锈蚀。1 9 7 2 年，铁道部对全国3 0 7 0 年代建成的9 4 座隧道进行了调查【5 】，结果发现，有9 3 2 的隧道出现混凝土开裂，裂缝长度占 隧道总长度的1 9 2 。到2 0 世纪末，在我国已建的房屋中，有5 0 已进入老化 阶段【6 】，新建的混凝土公路和大桥5 1 0 年就要进行一次大修；仅1 9 8 5 - 1 9 8 9 五 年间，就有5 8 8 起房屋倒塌事故发生【_ 7 1 ，我国每年所需的维修费用可能高达数千 亿元。我国北方如北京、天津等地，即使没有像美国北方冷天要撒盐化冰雪，钢 筋混凝土立交桥的使用时间也并不长，却大都出现了混凝土顺筋胀裂和钢筋锈蚀 的破坏迹象，并日益加剧。1 9 9 8 年调查发现，我国北方某国际机场的混凝土停 机坪使用仅数年，混凝土道面已多数出现坑蚀剥落破坏，飞机正常的安全起降受 到严重影响，这都是由于路面混凝土遭受冻融及除冰盐侵蚀双重破坏所致1 8 j 。 硫铝酸盐水泥基修补砂浆的研究 不仅仅是我国，在世界范围内，既有混凝土结构老化病害现象也已十分普遍， 这就使得一门新兴的特殊工程行业一混凝土结构的维修加固行业迅速发展起来， 相应的维修加固费用也大幅增加。1 9 8 7 年，l i t v a n 和b i c k l e y 研究发现加拿大的 大量停车场的服务寿命比预计要早得多；1 9 9 1 年，美国在提交的国会报告国 家公路和桥梁先状中指出，价值约6 万亿美元的全部混凝土工程每年用于维修 的费用高达3 0 0 亿美元【9 】。1 9 8 1 年，在南非超过2 7 0 0 万英镑用于拆换路面、路 缘、桥梁、挡土墙、墩柱、电杆基础、蓄水坝、系桩柱、防波堤等的经费，建成 后3 1 0 年内这些结构物就发现开裂破坏。1 9 7 2 年英格兰岛中部用于支撑快车道 而花费2 8 0 0 万英镑建成的1 l 座混凝土高架桥，两年后就因冬季撒盐化冰雪引发 钢筋锈蚀，到1 9 8 9 年修补费高达造价的1 6 倍，为4 5 0 0 万英镑，再过十五年到 2 0 0 4 年还将耗费1 2 亿英镑【1 0 】。目前日本每年仅用于房屋结构维修的费用就高达 4 0 0 亿日元以上，使用不到1 0 年，日本引以自豪的“新干线”就出现了大面积 混凝土剥蚀、开裂现象【1 1 】。 可见，世界各国都为混凝土的耐久性劣化或失败付出了沉重的代价。然而， 值得庆幸的是，我们由于工程安全因素和巨资的耗费而醒悟：现在，混凝土耐久 性问题应该越来越受到人们的重视。美国学者提出的“五倍定律”能够形象地说 明耐久性的重要性，而设计对耐久性很重要。就是说在设计时，新建项目在钢筋 防护方面无谓地每节省1 美元，维修钢筋锈蚀要多追加5 美元的费用，维修顺筋 开裂的费用多追加2 5 美元，更要追加维修费1 2 5 美元来维修更为严重的破坏【1 2 1 。 这些沉重的代价让我们认识到，不仅需用耐久性良好的材料及时修复耐久性劣化 的混凝土工程，更重要的是保证其寿命的设计。为此，世界各国都开始改善技术， 专门研究混凝土的耐久性。自1 9 7 6 年以来，每三年就举行一次由欧洲r i l e m 等 公司发起的建筑材料与构件的耐久性国际会议：1 9 8 9 年，美国和葡萄牙先后举 。办国际会议讨论混凝土的耐久性；1 9 9 1 年第二届混凝土结构耐久性国际学术会 议在美国和加拿大联合举办。我国对混凝土的耐久性也日益重视。1 9 9 1 年全国 钢筋混凝土标准技术委员会成立了混凝土结构耐久性学术组；1 9 9 2 年1 1 月在济 南成立混凝土耐久性专业委员会、中国土木工程学会和混凝土与预应力混凝土学 会。我国已进入了有组织的混凝土耐久性研究阶段。我国正处于基本建设的高潮 期，发达国家不重视工程混凝土的耐久性，他们走过的路已经表明，这样将付出 极大的经济代价，经济建设的推进步伐受到严重的影响。因此，我国十分重视工 2 济南大学硕七学位论文 程质量和耐久性。 而在修补后混凝土结构能够耐久的关键之一是所选用的修补材料。由此看 来，研究修补材料并提高修补材料的性能己成为国际工程界普遍关注的重大课 题。随着科学技术的发展和人类文明的进步，人类生产活动涉及的范围越来越广， 关系国计民生的混凝土工程，如电站大坝、海洋工程、核反应堆和跨海大桥等不 断增多，这些在严峻环境下工作的工程，对混凝土耐久性和使用寿命的要求更大， 也就需要研究出性能更好的修补材料。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 修补材料的性能要求 水泥基修补材料是混凝土结构最主要的修补材料，与原结构相同的混凝土和 砂浆是最大量应用的材料，并且水泥和骨料的品种也力求与原有混凝土所用的相 同：若因化学侵蚀而损坏结构，则可能需要改用不同品种的水泥和保护涂层，以 便在钢筋周围重新形成耐久的保护性环境，使其适应各种状况下的自然条件和工 作环境。因此，要根据不同的情况选择合适的修补材料。 用于修补的材料比其他结构物所使用的材料要有更高的要求，因为它要承受 各种自然因素的长期影响，即耐久性更好，因此用于修补的材料要具备以下几方 面的性能【1 3 】： 1 ) 在满足工作性的基础上具有较好的柔韧性，因为柔韧性是反映混凝土和 砂浆折压比大小的指标。 2 ) 有一定的抗收缩性，如前所述，修补材料的收缩应力及温差应力能够导 致材料产生裂缝，而较低的弹性模量可提高材料的抗拉极限引申率，从而使材料 的抵抗变形能力得到提高，要达到这些要求可以改变修补材料中的胶凝材料成 分，一般通过采用膨胀水泥或掺入膨胀剂，在凝结后的早期水化阶段使修补材料 产生膨胀预应力，以抵消材料的收缩拉应力，也可采用根据聚合物的特点改性的 水泥砂浆或混凝土作为修补材料，以减小收缩。 3 ) 具有较好的抗磨性及抗冲击性，修补材料的抗磨性应高于老混凝土的抗 磨性，同时应具有较好的抗渗性、抗冻性和耐腐蚀性等，由于修补材料的孔隙率 大小是影响外界水及腐蚀性介质渗入的关键，为了保证材料的密实度，又不影响 施工和易性，一般在修补材料中既要掺入高效减水剂，又要掺入超细的活性矿粉， 3 硫铝酸盐水泥基修补砂浆的研究 掺入这两种外加剂既可以发挥减水剂的减水效应，又可以发挥超细矿粉的微观填 充效应，提高修补材料的耐久性能。 1 2 2 修补材料的发展 近年来在混凝土修补方面，科研工作者们做了大量的研究工作，例如由于新 老混凝土之间的粘结失效而导致混凝土修补常常发生破坏的问题，因而常常采用 收缩补偿砂浆作为混凝土结构的修补材料【1 4 1 ，减少由于收缩带来的修补层面的破 坏，从而提高修补结构的耐久性。预辅骨料混凝土( p r e p l a c e da g g r e g a t ec o n c r e t e ) t 1 5 】 是直接将粗骨料置于模板中，随后在缝隙中灌入水泥砂浆，配料与普通混凝土相 同，只是搅拌和浇筑方法不同，它们的强度、热性能及弹性模量相同，所以能使 新老混凝土粘结面处的应力变小，修补效果良好。也有研究证明将碳纤维掺入修 补混凝土可以降低干缩率，改善新老混凝土之间的粘结性【1 6 1 ，粘结效果更好。 随着水泥技术的发展，各种新型特种水泥如高铝水泥、硫铝酸盐水泥和铁铝 酸盐水泥等相继出现，它们被作为修补材料起到了很大的作用，如西安公路交通 大学的张登良教授，铁道科学研究院的李启棣高工，同济大学的张冠伦教授等人 成功的对路面修补材料进行了研究，1 d 甚至1 2 h 交通即可开放，因为修补混凝 土的养生时间被缩短1 7 d 9 】。目前，国内使用较为普遍的效果较好的超快硬修补混 凝土，通常要使用易风化、使用有效期短的快硬类特种水泥作基体材料才能达到 要求，一般用户因为不了解这些水泥的生产厂家及产品质量从而影响其推广使 用；也可在混凝土中掺加快速修补剂，但其在普通混凝土中的掺量过大，从而提 高了单位混凝土的成本。近年来修补材料的研究进展迅速，掺入其中的外加剂主 要分为以下几个种类。 1 2 2 1 活性矿物掺和料 由普通硅酸盐水泥、砂子、水混合搅拌而成的砂浆称为普通硅酸盐水泥基修 补砂浆，水泥与砂子的比例为1 ：2 l ：4 ，它主要用于混凝土损坏不太严重的结构 的修补。但随着混凝土损坏原因的日益复杂以及质量使用要求的不断提高，这种 材料已难以使用于要求更高的工程修补。因此，掺入活性矿物掺和料来配制高性 能混凝土成为必须。我们通常使用的掺和料有超细矿渣、粉煤灰、硅粉、火山灰、 沸石粉等，在配制混凝土时加入较大量细的矿物掺和料，具有改善工作性，降低 温升和增进后期强度的作用，还可以改善混凝土的内部结构，抑制碱一集料的反 4 济南大学硕士学位论文 曼m ln n 皇舅舅曼皇曼菖璺量曼皇曼芭曼舅量曼曼置曼皇曼皇皇曼曼舅曼曼蔓曼曼曼量曼鼍曼曼曼葛鼍曼曼曼曼皇曼量量曼毫曼曼量皇曼曼曼量 应，提高抗腐蚀能力。 起初使用粉煤灰的目的是为了降低混凝土成本和混凝土水化热。近年来，粉 煤灰在大坝混凝土、水工混凝土均大量使用，广泛应用于民用建筑c 4 0 级以下 的混凝土中，其应用技术发展很快。粉煤灰的优点是成本低、来