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新型自流平修补砂浆的研究
李文婷1, 陈剑雄1, 丁正2, 苏都喜1
（1.重庆大学，重庆400045；2.中国建筑工程总公司上海分公司，上海200336）
0 前言
对受损建筑的修补、加固已经成为当今建筑行业的一个重要领域，修补材料的选择和性能是其关键。除了其本身要有良好的性能外，还必须与修补对象的性能相适应，如渗透相容性、电化学相容性、尺寸相容性等[1]。此外，还包括与修补对象所处的环境相适应，如顶棚的修补，要求修补材料快凝且粘结强度非常高；钢筋密集区、复杂型体、薄壁构件要求修补材料有尽可能好的流动性以减少振动等。针对上述情况，在保证满足粘结性、尺寸稳定性等的基础上，制备出粘结性好并具备微膨胀性的新型自流平修补砂浆。
1 试验
1.1 原材料
水泥：P·O42.5R，重庆拉法基水泥公司产，比表面积407m2/kg；矿渣：粒化高炉水淬矿渣，重庆环亚建材有限公司产，比表面积465 m2/kg；石灰石粉：由石灰岩机制砂磨至比表面积230 m2/kg；砂：细度模数1.94，最大粒径1 mm；减水剂：氨基磺酸盐高效减水剂；膨胀组分PE 自制；对比膨胀剂：ZY 型高效膨胀剂，重庆江北特种建材厂产。
主要原材料化学成分见表1。
1.2 试验方法
流动度试验按照JC/T 985—2005 《地面用水泥基自流平砂浆》进行；
强度试验按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行；
胀缩性试验按照JC 476—2001《混凝土膨胀剂》中混凝土的限制膨胀率试验方法进行。
界面粘结强度以粘结抗剪强度表示，将老砂浆试件在胶砂抗折试验机上折断后，用钢刷将断面的松散砂、水泥石刷掉，用水冲洗断面，待自然晾干到表面无明水后将界面剂均匀涂刷于断面上，再在试模另一半浇筑上修补砂浆，24 h 拆模后于标准养护条件下养护至28 d 取出在胶砂抗折试验机上测其抗折强度。
2 修补砂浆相关性能研究
2.1 胶凝材料的选择对修补砂浆性能的影响
修补砂浆KL 及基材的相关性能见表2。
2.1.1 矿物掺合料对新拌砂浆流动性的影响
以矿渣、石粉为掺合料等量替代部分水泥，拌合物流动度及经时损失见图1。其中K30 为单掺矿渣30%；KL5、KL10、KL5 为掺30%的矿渣后再分别与5%、10%、15%的石粉复掺（下同）。水胶比0.25，胶砂比1∶1。
掺入矿渣30%的K30 组拌合物初始流动性较好，满足规范不小于130 mm的要求，但30 min 内的扩展度损失较大。掺入石粉后拌合物初始扩展度有所提高，且经时损失随着石粉掺量的增加而减小。石粉掺量为10%时，拌合物30 min 内几乎无流动度损失，但当石粉掺量增至15%时，拌合物经时损失又有所增大。
矿渣、石粉可以改善拌合物的变形性，提高其稳定性。欧洲试验研究表明，磨细的石粉可使新拌合物表现出良好的工作性，较高的抗压强度和较好的成形面。这主要因石粉的掺入改善了混合体系的颗粒堆积形态[2]。还有研究表明，CaCO3 对浆体有塑化作用，CaCO3 含量越高浆体所需拌合水量越低[3]。本试验用石粉密度为263 kg/m3，水泥、矿渣密度分别为313kg/m3、287 kg/m3。可见，石粉相对密度较小，用其等量取代水泥时会增加浆体体积，从而改善拌和物的和易性。此外，石粉会增加拌合物的黏性。现场观测也发现，随着石粉掺量的增加，拌合物黏性更大。在石粉掺量不超过10%时，对拌合物的保水性有利；掺量增至15%时，黏性的增加给拌合物流动度带来了负面影响。除此以外，它还与化学方面的因素有关，有研究者认为，石粉提供给溶液中离子改善水化动力反应和水化产物的形状[3]。
2.1.2 矿物掺合料对修补砂浆力学性能的影响（见图2、图3）
从图2、图3 可以看出，单掺矿渣时，修补砂浆的早期抗折强度和抗压强度均比纯水泥砂浆（空白组C，下同）的低。但随着龄期的增长，这种差距越来越小。其28 d 抗折强度已与空白组相当，抗压强度略高于空白组。石粉掺量在10%内时，砂浆的早期抗压强度有所提高，抗折强度变化不大；当石粉掺量达10%时砂浆28 d 抗折强度提高幅度较大；掺量增至15%时，砂浆抗压强度变化不大，但各龄期的抗折强度与石粉的早强作用及石粉自身的特性有关。归纳起来包含了特定的化学反应、微晶核效应、微集料填充效应。过去，石粉都被作为一种惰性填充料。然而，自20 世纪80 年代以来的研究表明[3]，（1）掺入石粉后熟料水化加速，碳铝酸盐形成，改善了微孔结构；（2）钙矾石形成过程中，SO42-可以被CO32-取代而不影响水化反应进程；（3）硅酸钙与碳酸钙之间存在过渡区，且碳酸钙加速了C3S 的水化，改变了水化硅酸钙中的C/S。此外，分散的细石粉颗粒对C3S 有明显的微晶核效应，使CaCO3 颗料附近的Ca（OH）2 优先成核，大部分Ca（OH）2 生长在CaCO3 表面，而不是在特定的位置，局部生成大晶体，Ca（OH）2 晶粒细化，有利于界面粘结[4]。此外，石粉填充于颗粒之间的孔隙隙中，使水泥石结构更密实。
2.2 修补砂浆的尺寸稳定性
20 世纪末，修补材料的发展开始从只强调修补材料本身的性能，过渡到重视其与基材性能的相容性。其中，修补材料与先浇基面之间的尺寸相容性是最关键的因素之一[5]。在本试验条件下，膨胀剂的最佳掺量为10%。14 d 水中养护，温度为（20±2）℃的限制膨胀率为0.068%，具有一定微膨胀性。
2.3 修补砂浆与基材的粘结性能
由于粘结过渡区受多因素的影响，如修补方位、界面粗糙度等，目前对粘结强度还没有统一的测试方法。粘结抗剪和粘结抗拉是评定粘结性的2 个最常用指标。鉴于此，作者采用了如前所述的测试方法测试了粘结过渡区的抗剪强度，同时也间接反映了过渡区的弯拉性。以水泥60%、矿渣30%与自制膨胀组分PE 等其它原料配制成界面剂，水胶比为0.27，配比与粘结抗剪强度见表3。
从表3 可以看出，掺入PE 与掺入普通膨胀剂ZY 的界面剂相比，各龄期过渡区粘结强度都有不同幅度的提高。这是由于PE 中所含SO42-相对较多，它可与C3A反应生成钙矾石，其微膨胀性不但补偿了过渡区因收缩出现的细微裂纹，而且微膨胀产生的预压应力也抵消了部分收缩产生的拉应力，使新老材料粘结得更牢固。掺入普通膨胀剂也有微膨胀的效果。但至于为何掺PE 比掺膨胀剂效果更好，笔者认为这是因为普通膨胀剂会使过渡层内富含粗大钙矾石和氢氧化钙晶体，使新老层机械咬合力和范德华力不够强[6]。掺入PE 形成的钙矾石可能较细小，比表面积较大，加之PE 中的掺合料发生火山灰反应吸收了部分氢氧化钙生成胶凝体，因此增强了过渡区的粘结性。
3 结语
研制的新型自流平修补砂浆具有较好的工作性，可满足复杂形体、薄壁构件、配筋密集区的修补加固施工。其28 d 抗折强度大于12 MPa、抗压强度大于60 MPa。用自制膨胀剂PE配制的界面剂可使28 d 粘结过渡区强度大于7 MPa，优于掺膨胀剂的对比组。其具体原因，有待进一步研究。
