水利工程硅酸盐水泥快速修补材料的试验研究

2022-09-22孟庆宇

黑龙江水利科技 2022年8期

孟庆宇

(凌海市水利事务服务中心，辽宁凌海 121200)

0 引言

目前，水利工程技术人员越来越关注水泥快速修补材料的应用研究[1-4]。结合相关研究成果，可以将水泥快速修补材料划分成以有机聚合物为主的材料、以沥青及环氧树脂为主的有机材料和以传统水泥为基础的无机材料[5-7]。其中，有机聚合物材料的早期强度和耐久性相对较低，有机沥青及环氧树脂材料容易老化且耐久性、融合特性较差，传统水泥基材料的强度整体偏低且需要严格的养护措施。因此，为满足水利工程快速修补需求有必要研究分析新的修补材料。通过化学反应硅酸盐水泥能够生成黏聚性能良好的材料，近年来被广泛应用于重金属固化等领域，而对水利工程的快速修补这种特性材料的试验应用还鲜有报道[8-12]。鉴于此，文章通过试验研究探讨了硅酸盐水泥快速修补材料的凝结时间、流动度、收缩率、抗冻性和力学特性，旨在为水利工程快速修补材料的合理应用提供一定技术支撑。

1 试验配比方案

设计铝质、硅质、铁质等校正原料比例5%，助磨剂、晶种、矿化剂等外加剂比例5%，黏土质和石灰质原料比例10%、80%，经科学配比组合生成硅酸盐水泥。试验时选用泥灰岩作为石灰质原料，高钙泥灰岩与黏土混合配比，硅酸盐水泥的原料配比见表1。

表1 原料配比参数值

2 结果与分析

2.1 不同水泥砂浆抗压强度

试验分析不同配合比和水泥类型的砂浆抗压强度，试验结果如表2，抗压强度随水胶比变化曲线见图1。

表2 不同龄期的抗压强度值

续表2 不同龄期的抗压强度值

通过对比同一龄期不同类型水泥砂浆抗压强度数据，结果显示普通水泥、硅酸盐水泥的水胶比为0.42-0.52和0.19-0.40之间，其21d抗压强度处于46MPa-75MPa和18MPa-35MPa，试验结果比较均衡。图1表明，随着龄期的延长不同水胶比下2种类型水泥的抗压强度逐渐增加，变化趋势整体一致，并且硅酸盐水泥砂浆整体高于普通水泥砂浆的水胶比。

2.2 流动度与凝结时间试验

在合理确定砂浆配比的情况下，试验分析不同水胶比下各类型水泥的流动度及其凝结时间，见图2。

(a)硅酸盐水泥 (b)普通水泥

试验表明，水胶比较小的条件下，硅酸盐水泥明显优于普通水泥的流动度，硅酸盐水泥与普通水泥材料相比其需水量更少，随水胶比的增大两种水泥的流动度均表现出逐渐上升的变化趋势。结合凝结时间数据，硅酸盐水泥比普通水泥材料的凝结时间明显缩短，整体≤20min。因此，通过调整水泥胶比可以控制硅酸盐水泥的凝结时间，凭借其较快的凝结速度以及优越的流动性能硅酸盐水泥逐渐成为水利工程快速修补材料[13-14]。

2.3 凝结强度与抗压强度试验

水泥砂浆的主要特征有凝结强度和抗压强度，结合试验数据对比分析两种水泥不同龄期的凝结强度以及抗压强度，见图3。

试验表明，龄期达到21d时两种水泥的抗压强度相差不大，并且变化趋势整体一致。随龄期的增大硅酸盐水泥的抗压强度变化趋势总体高于普通水泥，其初期抗压强度达到34.0MPa，明显高于普通水泥。结合凝结强度试验数据，无论是早期还是后期硅酸盐水泥均高于普通水泥的凝结强度，硅酸盐水泥的早期凝结强度达到1.5MPa，与普通水泥相比具有更优的凝结性。

2.4 砂浆耐久性与收缩率试验

结合试验数据分析不同龄期各类型水泥的耐久强度以及干缩特性，见图4。结果发现，硅酸盐水泥的21d干缩压变相比于普通水泥砂浆减少了71.6%，抗磨冲刷强度即为水泥砂浆的耐久强度，硅酸盐水泥较普通水泥的耐久强度提高41.6%。根据收缩率试验数据，不同龄期内硅酸盐水泥均低于普通水泥的收缩率，这表明硅酸盐水泥优于普通水泥的干缩稳定性，具有更加稳定的工程修补性能[15]；结合耐久强度数据，硅酸盐水泥要高于普通水泥的耐久程度，随着龄期的不断延长其耐久度上升幅度逐渐趋于稳定，但两种水泥砂浆的耐久度差值也不断增加。

(a)凝结强度 (b)抗压强度

2.5 不同龄期抗冻及变形试验

两种类型水泥的不同龄期抗冻性能及变形特性试验数据见表3、4。由表3可知，冻融循环达到90次时硅酸盐水泥的质量损失率只有0.14%，冻融循环达到120次时硅酸盐水泥的相对弹性模量达到56.1%，其抗冻性能明显优于普通水泥。总体而言，两种水泥的抗冻性能相差不大[16-20]。结合表4中试验数据，硅酸盐水泥相比于普通水泥的1d、7d、21d极限拉伸值增加了26.9%、30.4%、28.2%，其抗拉弹性模量减少了13.7%、15.9%、22.6%，抗拉强度增加42.3%、25.0%、20.7%，抗压弹性模量减少了35.5%、29.5%、25.0%，所以硅酸盐水泥相对于普通水泥具有更好的力学特性。