付杰，董庆广，王娟，陈宁

（上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032）

0 前言

机场跑道完好性是保障飞行安全的重要因素。为克服机场跑道病害、保证航班正常运行须采取快速修补措施，作业时间往往为航班停止工作的凌晨1～5点间，并要求修补材料1h抗压、抗折强度满足通航要求。目前工程中常采用普通硅酸盐水泥、磷酸镁水泥、聚合物水泥砂浆等实现对道面病害的快速修补。但还存在着收缩严重、凝结时间不易控制、耐老化性能差、与基层材料粘结力不足等问题。而具有快硬早强、高抗冻、高抗渗性能的硫铝酸盐水泥不失为一种好的选择。

扶庭阳等[1]研制了一种4 h抗折、抗压强度分别大于7、40 MPa，后期强度稳定增长的超早强硫铝酸盐水泥混凝土。孙佳龙[2]利用Li2CO3制备了超早强快速修补水泥基自流平砂浆，1 h抗折、抗压强度分别大于3、10 MPa。刘从振[3]研究发现，聚羧酸系减水剂可降低硫铝酸盐水泥浆体的经时损失，提高后期强度，掺量为0.4%时，7 d抗压、抗折强度分别达102、11.6 MPa。廖国胜等[4]研究发现，硅灰能够加快水泥水化速率，掺量为5%时，Al3+浓度最低，促进水化效果更明显。丁向群等[5]提出矿粉、硅灰和粉煤灰对硫铝酸盐水泥-普通硅酸盐水泥复合体系性能影响差别大，硅灰增大了砂浆干缩值，矿粉、粉煤灰则可减小干缩，矿物掺合料的掺加能够提高砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能，粉煤灰效果最好。Bhanja和Sengupta[6]发现，硅灰的最佳取代率取决于水胶比，且相比劈裂抗拉强度，硅灰对抗折强度的改善更明显。

笔者针对目前市场上快速修补材料存在的问题，在前期研究中通过缓凝剂和促凝剂种类、掺量调节使硫铝酸盐水泥砂浆1 h抗压、抗折强度分别达到44.8、5.8 MPa，并满足20 min施工性能，但砂浆还存在骨料沉降、浆体离析等问题，如图1所示。

图1 前期研究砂浆浆体情况

鉴于此，本文进一步改善砂浆浆体性能与力学性能，针对浆体离析问题，掺加保水增稠组分。考虑到纤维素醚的缓凝作用，对砂浆短期力学性能不利，则选用具有保水增稠作用、火山灰活性及填充效应的辅助胶凝材料硅灰进行试验，研究硅灰对快速修补砂浆性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：唐山北极熊牌42.5级快硬复合硫铝酸盐水泥，其主要化学成分和物理性能分别见表1、表2；砂：8～16目石英砂和20～30目碳酸钙砂，二者质量比为1∶1；辅助胶凝材料：硅灰，上海天凯建材科技有限公司；减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，上海三瑞高分子材料有限公司；缓凝剂：NH1；促凝剂：CN1，国药集团化学试剂有限公司；水：自来水。

表1 水泥的主要化学成分 %

表2 水泥的物理性能

1.2 试验方法

1.2.1 修补砂浆制备

按配合比称取原材料，包括水泥、砂、硅灰、外加剂、水等；将称好的干物料倒入搅拌机预搅拌30 s，混合充分；将部分水与液体外加剂混合均匀倒入搅拌机，再将剩余的水倒入，当配合比中无液体外加剂时，可直接将全部水倒入搅拌机。先低速搅拌1 min，再高速搅拌2 min。

1.2.2 性能测试方法

砂浆流动度测试：参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行；抗压强度、抗折强度测试：参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验》进行；干燥收缩测试：参照JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行；耐磨性能测试：参照JC/T 421—2004《水泥胶砂耐磨性试验方法》进行，测试过程如图2所示；拉伸粘结强度测试：参照JGJ70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行；粘结抗折强度测试：参照JTG3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行，试件成型如图3所示。

图2 耐磨性能测试过程

图3 抗折粘结强度试件成型

2 结果与讨论

2.1 1 h强度

用硅灰取代部分水泥，研究不同取代率0、11%、17%、22%对砂浆短期力学性能的影响。配合比如表3所示，对各配合比下砂浆1 h抗压、抗折强度进行测试，结果如表4所示。

表3 不同硅灰取代率砂浆的配合比

表4 施工性能及短期力学性能测试

由表4可见，随硅灰取代率增大，砂浆1 h抗压、抗折强度均先提高后降低，且除4#外，其余配比砂浆1 h抗压强度均在30.0 MPa以上，1 h抗折强度均在5.0 MPa以上。

结合以上测试结果，取代率为11%（2#试样）时，1 h抗压、抗折强度均较不掺硅灰（1#试样）时增大；取代率继续增大至17%（3#试样）时，1 h抗压、抗折分别下降至39.2、5.9 MPa，较对照组1#试样抗压强度下降12.5%，抗折强度反增1.7%；当取代率增大至22%（4#试样）时，1 h抗压、抗折强度大幅下降，分别为27.8、5.2 MPa，较对照组1#试样分别下降37.9%、10.3%。

由于硅灰的填充效应、火山灰活性以及界面效应，适当掺加可使砂浆基体强度提高，但随取代率增大，主要强度产生源水泥量减少，掺加硅灰带来的强度提升值小于水泥用量减少导致的强度下降值时，砂浆强度整体表现为降低。

2.2 浆体性能

使各配比砂浆初始流动度保持基本一致，对表3中各配比砂浆的初始及放置20 min重新搅拌后的流动度进行测试，结果如图4所示。

图4 新拌砂浆和放置20 min后砂浆流动度测试

结合表4可见，在保持4组砂浆初始流动度基本一致的基础上，放置20 min再进行高速搅拌后，流动性仍保持良好，均保持在250 mm以上，具有良好的施工性能。硅灰填充在水泥颗粒之间，将其包裹的水置换出来，且硅灰颗粒表面光滑，可在水泥颗粒间起到轴承作用，进而提高浆体的流动性。

对抗折测试后的试件断面进行观察，可得到浆体均匀情况，如图5所示。

图5 各配比浆体情况

由图5可以看出，随硅灰取代率的增大，浆体离析、骨料沉降的现象得到改善，取代率为17%、22%时，砂浆几乎不发生分层，均匀性良好。硅灰填充在水泥颗粒及细骨料之间，使浆体密实度增大，阻止了骨料下沉，提高砂浆的均匀性。

2.3 抗压、抗折强度

分别对表3中各配比砂浆的1 h、1 d、7 d、14 d的抗压、抗折强度进行测试，研究随龄期延长不同取代率硅灰对砂浆抗压、抗折强度的影响，结果如表5所示。

表5 不同取代率砂浆抗压、抗折强度测试

由表5可见：

（1）砂浆抗压强度随龄期延长而逐渐提高，未发生强度倒缩现象。硫铝酸盐水泥后期强度发展停止或倒缩，是因为其水化产物之一钙矾石发生脱水转晶[7]。由于硅灰的掺入，其中含有的活性SiO2能够在各龄期与水化产物Ca（OH）2发生二次反应生成C-S-H凝胶，且多生成于水泥水化生成的C-S-H凝胶的孔隙中[8]，密实度提高，使得砂浆各龄期均具有较高的强度值。

除1 h强度外，1～14 d龄期，4种配比砂浆的抗压强度从大到小为2#（取代率为11%）>3#（取代率为17%）>1#（取代率为0）>4#（取代率为22%）。

（2）随龄期延长，1#和2#砂浆的抗折强度在1 h～7 d龄期呈增大趋势，而至14 d时发生下降，且不掺硅灰的1#强度下降幅度大于掺加硅灰的2#；3#和4#砂浆抗折强度在1 h～14 d龄期皆持续增长，但在7 d～14 d增长较缓慢，且4#增长幅度大于3#。由此可以看出，硅灰的掺入有利于改善硫铝酸盐水泥砂浆后期抗折强度倒缩的情况。

综合以上不同硅灰取代率砂浆浆体性能以及短、中期力学性能测试结果表明，3#砂浆综合性能良好。硅灰取代率为17%的3#砂浆浆体分层离析现象不明显，1 h抗压、抗折强度分别为39.2、5.9 MPa；14 d抗压、抗折强度可达到86.6、9.2 MPa。

后又对3#砂浆进行了28 d和56 d抗压、抗折强度测试，观察其长期强度发展情况。3#砂浆各龄期抗压、抗折强度如图6所示。试验结果显示，3#砂浆28 d抗压、抗折强度分别为89.0、8.9MPa，56 d抗压、抗折强度分别为91.0、7.4 MPa。3#砂浆抗压强度随龄期延长逐渐提高，在后期未发生倒缩现象，抗折强度发展至14 d后开始发生下降，在56 d时下降至7.4MPa，但仍大于1 d时的6.7 MPa。

图6 3#砂浆的抗压、抗折强度

2.4 粘结强度

2.4.1 拉伸粘结强度

3#砂浆的3、14 d拉伸粘结强度分别为2.2、3.2MPa，在短期及中长期均有较高的拉伸粘结强度，且随龄期延长呈增大趋势。拉伸粘结强度测试试件的破坏形貌如图7所示。

由图7可以看出，试件均在混凝土基材处发生破坏，砂浆与混凝土基材的粘结性能较好。

图7 拉伸粘结强度测试破坏形貌

2.4.2 与旧混凝土的粘结抗折强度

研究针对砂浆与旧混凝土基材的粘结能力，除进行拉伸粘结强度测试外，还进行了抗折粘结强度测试，结果显示，3#砂浆与旧混凝土的2 h粘结抗折强度为2.7 MPa，试件在粘结处附近发生断裂。图8为试件进行粘结抗折强度测试后的破坏形貌。

图8 粘结抗折强度测试破坏形貌

2.5 耐磨性

机场道面修补材料应具有良好的耐磨性能，因此，对3#砂浆进行耐磨性能测试，测试结果28 d磨耗量为2.33 kg/m2，符合GB/T 13693—2017《道路硅酸盐水泥》中磨耗量不大于3.00 kg/m2要求。图9为耐磨性能测试后的试件形貌。

图9 耐磨性能测试后试件形貌

2.6 耐久性

对3#砂浆的耐久性能进行研究，分别测试其经过25次冻融循环、15次干湿循环后的立方体强度，并计算强度损失率。结果为，经25次冻融循环后，砂浆的立方体抗压强度为98.4 MPa，强度损失率为17.2%，符合GB/T 25181—2019《预拌砂浆》中不大于25%的要求。因此，3#砂浆具有较好的耐久性能。

2.7 微观结构

由以上试验结果可以看出，掺入适量硅灰，有利于强度的提升。一方面是因为硅灰的填充效应，其颗粒非常细，能够填充在水泥颗粒间，使砂浆密实性增加，强度提高；另一方面，由于硅灰具有很强的火山灰活性，其中含有的活性SiO2和活性Al2O3能够与硫铝酸盐水泥中的主要矿物成分硅酸二钙（2CaO·SiO2）的水化产物氢氧化钙发生二次反应[7]生成低碱性水化硅酸钙（C-S-H）凝胶[9]、水化铝酸钙等，还能与另一水化产物高碱性C-S-H凝胶反应生成低碱性C-S-H凝胶，低碱性C-S-H凝胶晶粒细小，衍生出连生体的触点很多，强度较高[9]，且由于消耗了硫铝酸盐水泥水化产物，还可使水化速率加快；同时掺入硅灰还能使骨料周围形成致密无定形的C-SH凝胶，可显著改善骨料与水泥石间的界面过渡区[10]。因此使砂浆基体强度提高。

但随硅灰替代率增大，水泥颗粒周围包裹的硅灰颗粒增加，一定程度上阻碍了水与水泥颗粒的接触，使强度发展缓慢，加之随替代率增大，强度产生源硫铝酸盐水泥量逐渐减少，也是砂浆强度降低的原因之一。

另外，亲水骨料对水的吸附力通常大于水泥浆体中水的内聚力，使得骨料表面形成一层吸附水膜，存在润滑作用，其具有一定厚度时会导致骨料发生沉降。而掺入硅灰后，硅灰具有保水作用，其颗粒比表面积大，能够吸附大量自由水，使得骨料吸附水膜变薄，阻止骨料沉降；且硅灰填充浆体内空隙，使得浆料更密实，浆体粘聚性增大。浆体离析、骨料沉降现象得到改善。

图10为3#砂浆与混凝土基材粘结界面形貌。

图10 3#砂浆与混凝土基材粘结界面形貌

由图10砂浆与混凝土基材粘结界面扫描电镜下的形貌可以看出，粘结界面处紧合无空隙，且砂浆结构致密。

3 结论

（1）掺加硅灰有助于改善硫铝酸盐水泥砂浆后期强度倒缩的情况。

（2）随硅灰取代率增大，硫铝酸盐水泥道面快速修补砂浆抗压、抗折强度先提高后降低，在取代率为11%时，强度有最大值，但此取代率下的砂浆浆体的离析分层现象明显。

（3）硅灰取代率为17%的砂浆综合性能良好，1 h抗压强度为39.2 MPa、抗折强度为5.9 MPa，同时满足20 min的施工性能；1 d抗压强度达67.1 MPa、抗折强度达6.7 MPa，具有较高的早期强度；56 d抗压强度为91.0 MPa、抗折强度为7.4 MPa，后期抗压强度不倒缩，抗折强度稍有下降，更长期情况还有待后续试验观察；与旧混凝土2 h粘结抗折强度为2.7 MPa，3 d拉伸粘结强度为2.2 MPa，14 d拉伸粘结强度为3.2 MPa，早期、后期与混凝土基材均有较高的粘结性能；28 d磨耗量为2.33 kg/m2，耐磨性能较好；经25次冻融循环、干湿循环后，强度损失率均小于20%，具有良好的耐久性。