抗扰动快硬高延性混凝土的制备

李利伟，杨建辉

（1. 常州市武进区公路事业发展中心，江苏 常州 213001；2. 常州绿玛特建筑科技有限公司，江苏 常州 213163）

0 引言

随着经济快速发展，大量重型车辆的出现，对承担交通运输功能的道路的要求大大提高。水泥混凝土公路路面一旦损坏，需要尽快修补，尽早开放交通。然而现在交通运输量繁重、交通量较大，封闭交通会增加车辆绕行距离，社会影响较大，有时候根本不允许封闭交通。因此，研究如何在交通不中断或在交通流量较小条件下对其进行加固、修补有重大意义。由于车辆行驶会引起路面的振动，导致新浇筑混凝土在凝结硬化过程中受到持续扰动，混凝土的性能及内部结构将会受到影响。张悦然和张永娟等[1-2]采用标准振击筛模拟振动条件，指出混凝土凝结硬化中期抗扰动能力最弱，并提出掺加调凝剂缩短混凝土的凝结时间、掺加聚丙烯纤维以及掺加硫铝酸盐熟料与明矾石膨胀剂可提高混凝土抗扰动能力。

然而普通纤维（玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维或玄武岩纤维等）混凝土抗裂性较好，但抗拉强度和延性仍较低，拉伸变形能力一般不大于 0.2%[3]；钢纤维混凝土虽具有较高的抗拉强度，但是拉伸延性不超过0.5%，拉伸变形能力远不如钢筋（钢筋拉伸应变能力不小于 8%）。从力学指标来看，现有的高性能混凝土都不足以提供抗拉贡献，与传统的混凝土相差不大[4]，如用于交通量繁重的城市快速路水泥路面修复，在重型车辆反复碾压扰动下，会加速混凝土结构耐久性的劣化而反复维修[5]。

本文制备一种修补用抗扰动快硬高延性混凝土，应变（延性）可达 11%［钢筋的应变（延性）为 8%～9%］，具有优异的韧性；且其在应力最大峰值处最大裂缝宽度小于 0.2mm，完全满足严酷条件下的耐腐蚀耐久性要求，将为工程结构安全服役提供关键性材料保障。采用这种材料来设计修补混凝土，能有效减少甚至免除结构今后的维修，大幅度延长结构使用寿命，一般能使其寿命延长 30～50 年[6]。

本文采用标准振击筛模拟振动条件对抗扰动快硬高延性混凝土施加扰动，探索扰动条件下混凝土力学性能变化规律，并将该混凝土应用到城市快速路主干道上修复破损混凝土路面，并持续观察后续修补效果。

1 试验原料和方法

1.1 试验原料

水泥为唐山某公司生产的 42.5 级快硬硫铝酸盐水泥；纤维选用 3 种，分别记为 PVA（国产，长度 12mm，直径 40μm）、钢纤维（国产，长度 12～16mm，直径 0.2mm）及 PE（国产，长度 12mm，直径40μm）；细骨料为 70～120 目洁净石英砂；酒石酸、辅助胶凝材料、减水剂及其他助剂均为常州绿玛特建筑科技有限公司自行制备。

1.2 快硬高延性混凝土制备工艺

快硬高延性混凝土制备工艺为：（1）先将水泥、辅助胶凝材料、石英砂、减水剂及其他助剂混合，干拌 3～4min 至均匀状态；（2）加入计量好的水，快速搅拌 1～2min，使浆体至均匀状态；（3）切换搅拌状态，由高速降至低速，然后加入纤维，投完纤维后，快速搅拌 2～3min，使拌合物呈均匀状态；（4）搅拌完成后浇筑、捣实浆体，然后用透明塑料膜覆盖表面以防水分蒸发。

1.3 试验方法

（1）凝结时间测试：依据 GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中凝结时间测定方法测定浆体初凝、终凝时间。

（2）基本力学性能测试：按照 GB/T 17671—l999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，对不同配合比进行 24h 抗折、抗压强度进行测定。

（3）抗拉强度、延伸率测试：试验采用试件为13mm×60mm×280mm 狗骨试件（见图 1），标准养护至 24h，参照 JC/T 2461—2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》标准，利用微机控制电子万能试验机进行测试，加载方式为按位移加载，加载速率为 0.5mm/min。

图1 拉伸性能用试件

（4）快硬高延性混凝土抗扰动试验：搅拌 20 升快硬高延性混凝土，分别装入 3 个 5 升混凝土容量桶，编号 1、2、3 号，剩余 5 升装入砂浆胶砂试模。搅拌完的快硬高延性混凝土静置 30min，选 1 号放入标准摇筛机上固定，震动 8min 后装入砂浆胶砂试模，到第 60min时，选 2 号放入标准摇筛机上固定，震动 8min 后装入砂浆胶砂试模；到第 90min 时，选 3 号放入标准摇筛机上固定，震动 8min 后装入砂浆胶砂试模。每次摇完后观察有无裂缝出现，24h 后测试拉伸性能和抗折抗压性能。

2 试验结果和分析

2.1 缓凝剂用量对不掺纤维快硬高延性混凝土凝结时间和强度的影响

根据前期工作优选一组基准配合比，但此时为考虑缓凝剂及纤维种类对可操作时间及物理力学性能的影响，因此未添加缓凝剂和纤维，基准配合比如表 1 所示。

表1 基准配合比

由于硫铝水泥凝结硬化快，因此需要加入缓凝剂保证有合适的施工时间。本文采用酒石酸作为缓凝剂[7]，固定水胶比为 0.25，在其他组份不变的前提下，缓凝剂用量分别为 0.20%、0.24%、0.28% 和 0.32%。表 2 为缓凝剂的用量对凝结时间和 24h 抗压抗折强度的影响。

从表 2 可以看出，随着缓凝剂用量的增加，初凝时间逐渐增加，但终凝与初凝之间的时间差变化不大。当缓凝剂用量为 0.28% 时，初凝时间可以达到 64min，高延性混凝土具有了较长施工时间。随着酒石酸添加量增大，抗压强度逐渐降低，抗折强度先增加后降低。在酒石酸添加量为 0.28% 时抗折强度最高。对水泥混凝土路面而言，抗折抗弯强度越高越好，因此固定缓凝剂掺量为 0.28%。

表2 缓凝剂的用量对凝结时间的影响

2.2 纤维种类对快硬高延性混凝土拉伸性能和抗压抗折性能的影响

在前述基础上，其他组分不变，分别掺入体积含量相等（2%）的 3 种纤维。搅拌均匀后成型，标准养护至 2h 拆模，然后自然养护至 24h，测试拉伸性能和抗压抗折性能，结果见表 3。

表3 纤维种类对混凝土拉伸性能和力学性能的影响

将表 3 与表 2 中缓凝剂掺量为 0.28% 的数据对比可以看出，掺加钢纤维对快硬高延性混凝土抗折抗压性能提升非常明显，抗压强度提升 61%，抗折强度提升 112%，但延伸率只有 0.4%，比较低，对抗拉性能提升不明显，拉破坏后出现 1 条粗裂缝。掺加 PVA 纤维后，抗压强度下降 19.6%，抗折强度提升 63.7%，延伸率为 2.5%，对抗拉性能提升较明显，拉破坏后出现 10条较粗裂缝。掺加 PE 纤维后，抗压强度下降 9.8%，抗折强度提升 90%，延伸率为 11%，对抗拉性能提升极明显，且拉破坏后出现 64 条细微裂缝，出现极明显的多缝开裂现象，能够大幅度分散应力，且裂缝平均宽度为 0.12mm，小于结构安全设计要求的 0.2mm，能极大提升耐久性。3 种纤维拉伸破坏后的形状见图 2。按照普遍规律，延伸率越大的材料韧性及抗开裂性能越好，在受抗扰动性能也越好。出于今后免维护的考虑，抗扰动快硬高延性混凝土选定掺加纤维种类为 PE 纤维，体积掺量为 2%。

图2 拉伸破坏试件

2.3 扰动对快硬高延性混凝土拉伸性能和抗折抗压性能的影响

张永娟、张悦然[2]等的研究指出，标准摇筛机的震动特性基本上出于车桥耦合震动范围内，因此可采用标准摇筛机来模拟车桥耦合震动试验。研究表明，混凝土在凝结硬化中期受扰后的强度大幅度降低，在凝结硬化早期和后期受扰后强度降幅不大。本文掺 2% 体积 PE 纤维快硬高延性混凝土初凝时间为 64min，终凝为 73min（纤维对混凝土的凝结时间影响不大，所以与未掺纤维前的混凝土凝结时间一致），为全面了解扰动对快硬高延性混凝土性能的影响，选择凝结硬化早期（30min），凝结硬化中期（60min）和凝结硬化后期（90min）作为受扰动期，测试扰动对快硬高延性混凝土拉伸性能和抗折抗压性能的影响，结果见表 4。

将表 4 与表 3 数据对比可以看出，快硬高延性混凝土在凝结硬化早期（30min）和凝结硬化后期（90min）抗拉强度、抗折强度和抗压强度略有下降，但下降不多，说明扰动对凝结硬化早期和凝结硬化后期的快硬高延性混凝土力学性能影响有限。而在凝结硬化中期（60min），极限抗拉强度下降 1.0MPa（14.5%），抗压强度下降了 6.5MPa（13.4%），下降明显，抗折强度下降 1.4MPa（5.5%），下降不明显。但是，其延伸率反而提升了 1.8 个百分点，提升了 16.4%，说明其抗开裂能力得到提升，抗扰动性能优良。

表4 扰动对混凝土拉伸性能和力学性能的影响

2.4 工程应用

快硬高延性混凝土具有早强、施工开放时间可调、应变大、应力分散能力强及多缝开裂的特点，且可喷射、可抹灰、可浇筑，施工方便，可用于多种结构的修复。在不中断交通的情况下，目前已成功用于常州某快速路混凝土路面断板修复加固。具体应用工艺为：道路断板病害评估→修复方案设计→切除断板部位→断板部位凿毛→基层清理、润湿→钢筋布设与固定→浇筑快硬高延性混凝土→抹面收光→洒水、覆膜养护。

经后期跟踪，在大流量重载车辆反复碾压下，没有出现任何裂缝，效果优良，如图 3、图 4 所示。

图3 修复 8 个月后效果

图 4 修复时

3 结语

采用硫铝酸盐水泥为主要胶凝材料，制备了快硬高延性混凝土，凝结时间可调，可按工程实际条件控制操作时间，且施工性良好，粘聚性强但不粘刀，浇筑施工时流动性好，喷射施工时不垂挂，一次喷射厚度可达 20mm。纤维种类是实现快硬高延性混凝土材料应变硬化及延伸率（延性）和多缝开裂的最关键材料，钢纤维、PVA 纤维、PE 纤维掺量为 2% 时，极限应变平均值为 0.4%、2.5%、11%，但掺钢纤维时未出现多缝开裂，掺 PVA 纤维时出现多缝开裂现象，但裂缝数远小于掺 PE 纤维，且裂缝宽度较大，大于 0.2mm；考虑到《混凝土结构耐久性设计规范》中承重结构混凝土裂缝宽度不能大于 0.2mm，以及水分通过裂缝渗入混凝土中锈蚀钢筋的缘故，用于承重结构混凝土修复得采用 PE纤维，掺量 2% 时性能优良。

在道路工程修复过程中，不可能全部封闭道路，还得考虑车辆对快硬高延性混凝土扰动影响，本文制备的快硬高延性混凝土在凝结硬化早期（30min）、凝结硬化中期（60min）和凝结硬化后期（90min）受扰动时，在受扰动影响最大的凝结硬化中期，虽然抗压强度、抗折强度和极限抗拉强度有不同程度下降，但延伸率反而提升 16.4%，说明其抗开裂能力反而得到提升，抗扰动能力优良。

抗扰动快硬高延性混凝土适合用于不能完全中断交通、受车辆扰动的道路、桥梁混凝土路面，也适合于不受扰动的砌体结构、水坝、隧道等混凝土结构修复，应用范围广，前景良好。