机场修补材料总结

机场修补材料阶段总结 一 目的及意义 本次试验的目的是希望制备一种以偏高岭土为主要原材料的新型机场快速修补材料，其主要性能指标应满足机场快速修复材料的要求：如早强（3h抗压强度能达到30MPa）、耐久（抗冲击、耐酸碱侵蚀、耐水、耐紫外）、体积稳定（收缩较小）等，于实验室实现性能稳定且具有一定区分度的产品线，此举既是为了积极拓展偏高岭土基材料的工程应用范围，也是为了细分高端市场进行有益的探索。 二 试验原材料 主要原材料为：过烧MgO、粉煤灰、偏高岭土（MO4）、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、硼酸、水玻璃等。 三 试验过程 净浆部分实验： 试验初期进行了配合比的试配过程，通过观察净浆初始流动度、凝结时间、1h及3h强度变化及发展，确定三组配比进行成型20×20×20mm试块并测定1天强度。 1 成型20×20×20mm试块及强度 MgO 磷酸二氢铵 MK FA 水 压强1d（MPa） 20g 5g - - 5g 20 19g 5g 1g - 5g 18.25 16g 5g 1g 3g - 12.25 由表1知，最好的强度只达到20MP，考虑到试块较小试验误差大，所以以后试验中改为成型40×40×40mm试块。另外，成型过程中发现净浆存在凝结时间过短，不利于成型，所以加入硼酸调节凝结时间。 表2 不同硼酸掺量的凝结时间测定 硼酸掺量 凝结时间及现象 2% 初凝和终凝在3~5分钟内迅速完成，反应热高 4% 5分钟开始初凝，在10分钟内完成终凝 6% 6分钟开始初凝，13~14分钟终凝 8% 10分钟时开始初凝，20分钟以后终凝 经过试验发现硼酸的掺量对体系的凝结时间有较大影响，随着硼酸掺量的增加，凝结时间会增加。但是随着硼酸的掺量增加，会增加体系的需水量，影响早期强度。综合凝结时间以及对需水量增加两方面的综合考虑，决定将硼酸掺量确定为4%。 确定了硼酸掺量后，需要进一步确定的是磷酸二氢铵的掺量，结合资料和之前所做试验，探讨磷酸二氢铵与氧化镁质量比分别为1:3、1:4和1:5的三种掺量。 表3 不同掺量磷酸二氢铵的早期强度 MgO 磷酸二氢铵 硼酸 水 压强3h（MPa） 90g 30 5g 15 40 96g 24g 5g 15 46 100g 20g 5g 15 20 由试验可知当磷酸二氢铵与氧化镁的质量比为1:3和1:4时强度较高，3h最高强度达到46MP，而当质量比为1:5是强度只有20MP。结合强度发展以及成本考虑，确定磷酸二氢铵掺入质量与氧化镁掺入质量比为1:4。 在确定硼酸和磷酸二氢铵掺量的基础上，进行偏高岭土部分替代氧化镁试验，掺量初步确定为替代氧化镁质量分数的5%、10%、15%和20%，研究偏高岭土的不同掺量对磷酸二氢铵反应体系的影响。 表4 偏高岭土替代部分氧化镁的早期强度试验 MgO MK 磷酸二氢铵 水 硼酸 压强3h（MPa） 120g 0 30g 22.5 3.6g 45 114g 6g 30g 22.5g 3.6g 46.9 108g 12g 30g 22.5g 3.6g 48.1 102g 18g 30g 22.5g 3.6g 35 96g 24g 30g 25g 3.6g 45 试验结果表明偏高岭土加入后，5%和10%的掺量的试块强度有所提高与不掺入偏高岭土的空白样相比略有提高，而且偏高岭土的加入会改善试块的体积稳定。但是，偏高岭土的掺入会增加体系需水量。 资料表明粉煤灰的使用可以起到一定程度减水作用，于是在掺入偏高岭土的基础上，对粉煤灰进行复掺试验。 表5 不同掺量粉煤灰复掺的早期强度试验 MgO MK FA 磷酸二氢铵 水 硼酸 压强 3h（MPa） 压强1d(MPa) 90g 12g 18g 30g 22.5g 3.6g 26.9 - 96g 12g 12g 30g 22.5g 3.6g - 53.75 90g 12g 18g 30g 22.5g 3.6g - 56.25 84g 12g 24g 30g 22.5g 3.6g - 46.25 由实验结果，粉煤灰确实起到一定减水作用，但是在水化初始阶段，特别是对3h强度发展有一定不利影响，15%的粉煤灰和10%的偏高岭土复掺在3h时强度只有26.9MP，但是在1d强度却可以达到56MP。 砂浆部分实验： 1 对胶砂比以及水灰比进行初步确定 砂浆部分的试验是在净浆试验的基础上进行的，关键是对砂浆的胶砂比和水灰比的确定和早期强度的分析。 表6 胶砂比与水灰比对早期强度的影响试验 MgO 磷酸二氢铵 胶砂比 水灰比 硼酸 折强 3h（MPa） 压强 3h（MPa） 折强 1d（MPa） 压强 1d（MPa） 240g 60g 1:1 0.25 15g - - 4 16.6 240g 60g 1:1 0.2 15g 5.0 31.9 5.5 34.4 240g 60g 1:1.5 0.2 15g 4.8 27.5 5.6 37.5 240g 60g 1:2 0.25 15g 3.2 16.25 4.2 22.2 砂浆凝结时间都在15分钟左右，配比中硼酸掺量提高到了5%。表中第一组与第二组只有水灰比不同，但是第二组压强比第一组增加了一倍多，所以试样随着水灰比减少早期强度显著增加。第四组胶砂比达到1:2后，强度下降比较多，结合强度和成本考虑，选择胶砂比为1:1.5较为合适。 2 MK与粉煤灰复掺 表7 偏高岭土与粉煤灰的复掺 MK FA 磷酸二氢铵 胶砂比 水灰比 折强 3h（MPa） 压强 3h（MPa） 折强 1d（MPa） 压强 1d（MPa） 24g - 60g 1:1.5 0.22 4.8 24 6.0 39.4 24g 36g 60g 1:1.5 0.25 4.6 21.9 - - 由试验结果表明在掺入10%偏高岭土后，早期（特别是3h强度有增加）折强和压强都有所增加，这与净浆试验结论基本一致。复掺粉煤灰后，早期强度与只掺入偏高岭土相比有所下降。 由于试块3h强度不是很理想，在分析配方后，决定降低水灰比，来增加早期抗压强度，使稳定在30MP以上 表8 对水灰比进行调整后的试验试验数据 MgO MK FA 磷酸二氢铵 胶砂比 水灰比 硼酸 折强 3h（MPa） 压强 3h（MPa） 折强 1d（MPa） 压强 1d（MPa） 600g - - 150g 1:1.5 0.18 37.5g 5 27 5.8 34.4 540g 60g - 150g 1:1.5 0.18 37.5g 5 30 6.6 36.25 450g 60g 90g 150g 1:1.5 0.18 37.5g 5.1 26 6.1 37.5 390g 90g 120g 150g 1:1.5 0.18 37.5g 3.7 19.4 6.0 33.1 试验数据可以知道，降低水灰比后，试块的3h和1d强度均有增加，3h时加入10%偏高岭土的试块强度最高达到30MP；1d时掺入10%偏高岭土和15%粉煤灰强度最高。 磷酸氢二铵与水玻璃实验: 磷酸氢二铵体系是碱性的，在复掺入碱性激发剂水玻璃后，希望能激发偏高岭土活性，从能达到早强目的。 表8 磷酸氢二铵与水玻璃的复掺 MgO 磷酸氢二铵 MK 水玻璃 NaOH 水 硼酸 3h（MP） 120g 12.5g - - - 22.5 3.6 6.3 50g 12.5g 40g 40g 6g 20g - 0 与磷酸二氢铵相比，磷酸氢二铵强度较低，早期高强度没有实现，且在搅拌过程中，反应迅速进行并大量氨气释放，味道非常难闻，同时伴随着有块状凝结，最终3小时强度太低，没有达到预期效果，需要进一步探索。 三 试验结果与讨论 1）​ 通过试验，已经制得净浆3h强度达到48.1MP，砂浆3h强度达到30MP配方，满足快速修补早期强度需求。 2）​ 早期强度与水灰比有密切的关系，降低水灰比会显著增加早期强度。 3）​ 偏高岭土的加入会略微增加试块3h以及1d强度。 4）​ 粉煤灰的加入会对降低试块3h抗压强度，但是就1d强度来说，影响不大。 下一步目标： 1 进一步尝试减低水灰比，增加早期强度 2 进行粘结性和耐磨性实验，满足路面应用的 一 前期试验总结 在前期试验中，对氧化镁与磷酸二氢铵的质量比、砂浆中胶砂比、水灰比进行了尝试性试验，得到以下结论： 1 得到氧化镁与磷酸二氢铵的最佳质量比为4:1 2 砂浆中胶砂比分别为:1:1、1:1.5和1:2时，试块抗压强度由强到弱逐渐递减。 3 随着水灰比降低，砂浆流动扩展度减小，试块强度增加，目前试验中水灰比为0.18，并得到最高的3h强度30Mpa。 结合前期试验结论，在本阶段中做了以下工作： 1 研究不同掺量的MK对试块强度的影响 2 深入研究不同胶砂比的最佳需水量，并得到最佳早期强度 3 研究修补材料的干缩性能 4 研究试块粘结和耐磨性能 5 通过调节硼酸掺量，来研究修补砂浆的凝结时间规律。 6 通过掺入深色掺合料调节修补材料颜色，并探讨其对早期强度的影响 二 本阶段试验 1 研究不同MK掺量对强度的影响 MK替代部分氧化镁加入修补砂浆中，对修补砂浆的强度有一定正面效应。正面效应主要体现在：首先MK颗粒细小，在修补砂浆中能起到调整级配和密实填充作用，从而增加砂浆密实程度。其次，MK具有很强的火山灰活性，能对修补材料的强度生成其正面作用。但是，MK的掺入量有限制，掺入过多会磷酸盐形成“稀释”，从而影响到水化结晶产物和未水化颗粒间形成的结晶结构网，同时掺入MK过多会增加修补砂浆需水量，降低强度。所以，这里需对MK的掺量进行讨论。 表1 不同MK掺入量的抗压强度 MK掺量 3h（MPa） 1d（MPa） 3d（MPa） 7d（MPa） 28d（MPa） PG0 0% 45.3 51.1 59.4 68.5 70.1 PG1 10% 52.2 58.8 67.1 74.3 75.1 PG2 15% 50.3 56.1 66.0 70.9 73.3 PG3 20% 50.0 55.4 64.3 70.5 71.6 表2 不同MK掺入量的抗折强度 MK掺量 3h（MPa） 1d（MPa） 3d（MPa） 7d（MPa） 28d（MPa） PG0 0% 7.6 9.0 >10 >10 >10 PG1 10% 8.0 9.5 >10 >10 >10 PG2 15% 7.6 9.3 >10 >10 >10 PG3 20% 7.5 9.2 >10 >10 >10 抗折仪的最大量程为10MPa，几组试样的3d抗折强度均超过量程。 根据表1和表2的数据，可知修补砂浆中掺入MK后，其抗折和抗压强度均有增长，并且可知掺入10%MK的一组抗折和抗压强度均达到最高。 2 不同胶砂比的最佳需水量 前期研究了修补砂浆采用1:1、1:1.5和1:2三种胶砂比的配方，且修补砂浆胶砂比为1:1时强度最高。修补砂浆在不同胶砂比下，其需水量是不相同的，在相同的条件下，砂浆中水灰比越低，其强度越高。所以，在满足工作性能的基础上，尽量减少修补砂浆的水灰比，来增加砂浆的强度。 表3 不同胶砂比的抗压强度 胶砂比 水胶比 3h（MPa） 1d（MPa） 3d（MPa） 7d（MPa） 28d（MPa） PE1 1:1 0.16 62.3 63.9 70.5 79.0 82.2 PG1 1:1.5 0.18 50.2 58.8 67.1 74.3 75.1 PM1 1:2 0.19 27.7 34.2 38.1 40.1 47.3 表4 不同胶砂比的抗折强度 胶砂比 水胶比 3h（MPa） 1d（MPa） 3d（MPa） 7d（MPa） 28d（MPa） PE1 1:1 0.16 8.7 9.4 >10 >10 >10 PG1 1:1.5 0.18 8.0 9.1 >10 >10 >10 PM1 1:2 0.19 6.9 7.1 7.6 8.2 9.2 在不同胶砂比下通过确定其水灰比,确定在胶砂比为1:1,水灰比为0.16时强度达到最高,3h抗压强度最高可达到62.3MPa。 3 修补砂浆的干缩试验 道路修补材料需要有良好的体积稳定性，因而，对修补砂浆干缩率的测定显得非常重要。试验中，将修补砂浆成型为25mm×25mm×280mm试块，用比长仪测定其280mm轴向的长度变化率来表征其体积变化率，具体实验数据见下表： 表5 修补砂浆干缩率 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7d 14d 28d PG0 0.39 0.54 0.75 0.91 1.12 1.43 1.77 2.02 2.13 PG1 0.30 0.44 0.64 0.83 1.01 1.33 1.70 1.94 2.09 PG2 0.27 0.39 0.53 0.73 0.95 1.24 1.65 1.90 2.06 实验结果表明，修补砂浆的干缩率非常小，7d的干缩率仅为1.77×10-4，与普通水泥砂浆的（30~50）×10-4和环氧树脂砂浆的（7~10）×10-4相比要小的多，体积稳定性很高。 4 修补砂浆粘结强度试验 快速修补材料是在旧混凝土基础上进行修补，所以修补砂浆与水泥混凝土的粘结性能非常重要。修补材料与旧混凝土之间的界面粘结强度采用抗折强度间接测定，先制备40mm×40mm×160mm水泥砂浆试块，在水中养护28d后，将水泥砂浆试块从中间横向锯断，将其中一半置于40mm×40mm×160mm模具底部且断面朝上，再经浇筑修补砂浆成型（锯断面与修补砂浆结合）。然后测量成型后砂浆试块的抗折强度，来反映修补砂浆和水泥砂浆的粘结强度。 表6 修补砂浆与水泥砂浆粘结抗折强度 MK掺量 胶砂比 3h（MPa） 1d（MPa） 3d（MPa） 7d（MPa） 28d（MPa） PE1 10% 1:1 8.9 9.9 >10 >10 >10 PE2 20% 1:1 8.6 9.6 >10 >10 >10 PG1 10% 1:1.5 8.3 9.6 >10 >10 >10 PG2 20% 1:1.5 7.4 9.2 >10 >10 >10 PM1 10% 1:2 6.9 7.3 7.8 8.1 9.0 PE2 20% 1:2 6.6 7.2 7.7 8.2 9.1 空白水泥砂浆28d抗折强度（MPa） 8.2 修补砂浆与水泥砂浆的粘结抗折强度接近修补材料自身的抗折强度，说明修补砂浆与水泥砂浆粘结性能良好，不存在明显的强度界面劣化区域。 5 修补砂浆耐磨性能 修补材料耐磨性试验按GB/T 16925-1997《混凝土及其制品耐磨性试验方法》试验方法进行。根据磨头的转速R和材料的磨损深度D就可以计算出材料的耐磨度IA=(R×10-3)0.5/D。 表7 修补材料的耐磨性与OPC混凝土对比 耐磨度IA 修补砂浆 OPC混凝土 PE2 7.53 3.92 PG2 7.10 PM2 6.98 由上表知，经5000转的磨损，修补材料的耐磨度分别为7.53、7.1、6.98，而普通混凝土的耐磨度仅为3.92，说明修补材料的耐磨性显著优于普通混凝土。 6 凝结时间试验 在修补砂浆强度满足快速修补要求的情况下，需要对其粘结时间进行进行调整，希望能制得初凝时间为15min的修补砂浆。 表8 净浆的凝结时间试验 水灰比 MK(%) 硼酸（%） 初凝时间（min） 0.15 10 4 2~3 0.15 10 5 3~4 0.15 10 6 5~6 0.15 10 7 8~9 0.15 10 8 11~12 0.15 10 9 13~14 0.15 10 10 15~16 由于修补砂浆的凝结时间与硼酸的掺量有直接关系，在试验中尝试了硼酸掺量从4%~10%，且净浆凝结时间可以到达15min左右，完全满足实际中的需求。 7 调节修补砂浆颜色试验 由于氧化镁为浅黄色粉末，因而成型后的砂浆为黄色。而这与普通混凝土路面的颜色相差很大，因而需要对其颜色进行调整。在这里，我们选择炭黑作为颜色调节剂，并探讨其对砂浆强度的影响。下表为炭黑替代编号配方中氧化镁的百分比。 表9 修补砂浆颜色调节试验 炭黑 颜色 强度 3h（MPa） 1d（MPa） PE1 1% 棕色 55 71 PE1 2% 深棕色 51 65 PE1 5% 黑色 50 58 炭黑掺入量为2%的颜色与混凝土颜色接近，并且成型后砂浆颜色均匀。同时炭黑的掺入对砂浆强度无明显不良影响，可以满足实际施工需求。 三 下阶段目标 1 进行修补砂浆耐久性试验 2 检验修补砂浆强度的稳定性 3 模拟现场施工，发现实际生产中可能存在的问题 硼砂作为缓凝剂试验： 实际施工对修补材料凝结时间提出较高要求，在以硼酸作为缓凝剂效果不佳的情况下，改使用硼砂代替硼酸作为缓凝剂试验，探讨不同掺量硼砂对凝结时间的影响。 表10 不同硼砂掺量的凝结时间 硼砂掺量（%） 凝结时间（min） 8 25 12 35 15 45 20 47 由试验可知硼砂相比硼酸能增加修补材料凝结时间，当硼砂掺量为15%时，凝结时间为45min，当硼酸掺量到20%时，凝结时间增长不大。所以，接下来会对硼砂掺量12%和15%着重研究它们对强度的影响。 硼砂和胶砂比对强度的影响 为了增加修补材料的工作性能，对前面试验的1:1的胶砂比进行调整，降低砂浆中砂含量，来增加砂浆流动度。 表11 硼砂掺量和砂率对强度 硼酸（%） 胶砂比 3h（MPa） 1d（MPa） P1 12 1:0.8 38.7 48.2 P2 12 1:0.6 35.4 47.1 P3 15 1:0.8 32.3 45.6 P4 15 1:0.6 30.5 45.2 P5 20 1:0.8 25.1 39.7 由试验可知，硼砂掺量增加对砂浆早期强度有负面作用，随着硼砂产量增加，3h强度明显减小；胶砂比对砂浆试块强度影响较小，胶砂比为1:0.8强度略微高于胶砂比1:0.6。 修补砂浆原材料持续时间试验 修补砂浆原材料封装后，其保质期需要重点关注，特别是磷酸二氢铵容易吸潮变质，对修补材料早期强度造成影响。本试验，采用已经封装三个月的原材料成型砂浆，并测量其3h强度，检验经过封装的修补材料是否变质失效。 3h砂浆强度为46MP，说明经过封装后的修补材料，保质期在3个月以上。 减水剂对修补砂浆的影响 施工中需要修补砂浆能有良好的工作性能，本试验在不增加体系水灰比的情况下，研究萘系减水剂和聚羧酸减水剂对修补砂浆在流动度和强度的影响。 表12 减水剂对修补砂浆流动度和强度的影响 减水剂 流动度变化 强度（MPa） 萘系（%） 聚羧酸（%） 3h 1d M1 0 0 41.0 51.4 M2 1 0 无明显变化 20.9 23.5 M3 3 0 无明显变化 16.6 18.6 M4 0 2 无明显变化 30.5 31.9 由试验可知，萘系和聚羧酸减水剂对修补材料流动性能无明显提升，同时会降低修补材料早期强度，尤其是萘系减水剂。 混凝土试验 本试验中，使用了硼砂和硼酸混合作为缓凝剂试验。经过试验发现，在砂浆中，硼砂作为缓凝剂能使凝结时间在30min以后，而在混凝土中凝结时间。 表13 混凝土3h抗折、抗压强度试验 胶砂比 砂率 硼酸 硼砂 抗折（MPa） 抗压（MPa） 1：0.8 0.31 - 12% 5.30 43.5 1：0.8 0.31 6% 6% 5.22 40.9 1：0.8 0.31 7% - 5.15 37.5 下阶段工作： 1 弄清硼砂作为混凝剂在砂浆和混凝土中表现不一致的原因，能使混凝土的凝结时间在30min以后。 2修补材料耐腐蚀、冻融循环等耐久性能测定。 0.19 0.21 715 761 589 808 571 627