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1、,超早强修补砂浆的研制与应用,江 苏 省 建 筑 科 学 研 究 院高性能土木工程材料国家重点实验室,干粉砂浆技术交流会,刘 加 平,汇报纲要,研究背景及研究思路研究内容与关键技术超早强修补砂浆材料研制工程应用,研究背景与思路,研究背景,运营里程接近 1 万公里在建里程超过 1 万公里已成为世界上高铁运营里程最长、在建规模最大的国家,2004年初，国务院批准中长期铁路网规划,线路平顺安全运营,轨道板精度,梁面高程控制箱梁架设精度,板式无砟轨道,桥梁结构为主（京沪高铁桥梁比例：86%）,高速铁路对线路平顺性要求非常高轨道板精度、梁面高程与箱梁完整性控制是关键环节！,研究背景,技术来源新建箱梁桥面
2、为什么需要大规模修补？,梁面平整度？,高速铁路对预制箱梁桥面水平度的要求 高速铁路箱梁桥面主要存在的缺陷,梁面平整度是保证列车平稳行驶的前提，梁面前后左右上下1m2范围内误差不能超过2毫米，4m2范围内误差不能超过8毫米,修补砂浆材料,严峻考验,研究背景,梁面精准调平材料既要超早强，又要自流平和良好界面粘结超早强：2h强度大于20MPa高流动性：自流平、自密实 （30min自流平性不损失）高粘结强度：大于2.5MPa高耐久：100年设计使用寿命,研究背景,高铁建设为超早强修补砂浆材料带来了挑战,研究思路,结合高铁对快速修补砂浆材料的技术要求及水泥基材料水化硬化特征，以低碱硫铝酸盐水泥为研究对象
3、。,承需解决的关键技术问题：,流动度损失，凝结非常快； 掺入缓凝强度发展慢，后期强度下降； 与硅酸盐水泥混凝土界面相容性问题 体积膨胀的稳定性; 与高效减水剂的适应性问题,研究内容与关键技术,研究内容,缓凝技术 超早强技术,超早强砂浆材料工作性提升超早强砂浆材料抗裂性提升超早强砂浆材料界面粘结提升,高铁梁面超早修补砂浆材料,超早强技术,关键性能提升,制备与工程应用,如何解决对立矛盾？,低碱硫铝酸盐水泥缓凝技术研究,低碱硫铝酸盐水泥缓凝理论模型的构想与设计,水化快，小时水化热高； 强度发展较快；后期强度不到缩；具有微膨胀特性。,低碱硫铝酸盐水泥 矿物组成：无水硫铝酸钙、型硅酸二钙及石膏,缓凝思路
4、：引入化学物质在水化初始形成包裹层，包裹低碱硫铝酸盐水泥熟料颗粒，延迟钙矾石的生成，从而起到缓凝作用。,缓凝组分B对低碱硫铝酸盐水泥缓凝作用理论分析,引入化学物质B在水化初始形成包裹层，包裹硫铝酸盐水泥熟料颗粒，延迟钙矾石的生成。,B和氢氧化钙反应生成条状或板状六边形晶体,缓凝组分B水化产物形成的包裹层,缓凝组分B水化产物SEM照片,低碱硫铝酸盐水泥缓凝技术研究,缓凝组分B对低碱硫铝酸盐水泥缓凝作用微观分析 掺B后低碱硫铝酸盐水泥水化30min微观试验结果,缓凝组分B水化产物衍射峰,缓凝组分B缓凝的机理是其水化产物包裹在水泥颗粒表面抑制了水泥水化 。,低碱硫铝酸盐水泥缓凝技术研究,CSA-1d
5、,CSA+缓凝-1d,缓凝组分B加入低碱硫铝酸盐水泥中能延缓其水化，从而起到缓凝作用 缓凝组分B使水化速率降低反而更有利于低碱硫铝酸盐水泥的充分水化,CSA+缓凝-28d,CSA-28d,X-ray衍射结果与分析,低碱硫铝酸盐水泥缓凝技术研究,掺量不足，缓凝效果不好 ；过量时，包裹层较厚，水化产物AFm及AFt形成的结晶压力不足以导致包裹膜破裂，影响工程质量和进度； 掺量较大时，后期下降很明显 。,存在问题：,缓凝组分B对低碱硫铝酸盐水泥缓凝作用试验分析B对低碱硫铝酸盐水泥水化的影响,低碱硫铝酸盐水泥缓凝技术研究,低碱硫铝酸盐水泥快硬超早强技术研究,低碱硫铝酸盐水泥快硬超早强理论模型的构想与设
6、计 早强模型设计,基于以上包裹层缓凝技术，要达到在较短时间内突破缓凝包裹层，使水泥颗粒凝结硬化主要有两种模型：,引入外界阳离子降低液相Ca+、SO42-及Al3+浓度，提供钙矾石结晶必需的晶核;,引入小分子和较小的离子渗透通过包裹层，并立即参与反应。,A-Ca-Na-Si gel,A- Si crystals,包裹层 Crystals,低碱硫铝酸盐水泥快硬超早强模型的试验验证 凝结时间测试结果,0.4% retarder,0.2% retarder,可通过控制缓凝和超早强组分的量来控制低碱硫铝酸盐水泥的凝结硬化时间。,低碱硫铝酸盐水泥快硬超早强技术研究,24h Compressive stre
7、ngth,2h Compressive strength,早强组分可明显提高低碱硫铝酸盐水泥的小时强度。,低碱硫铝酸盐水泥快硬超早强模型的试验验证 小时强度测试结果,低碱硫铝酸盐水泥快硬超早强技术研究,7d Compressive strength,28d Compressive strength,早强组分可解决由缓凝组分引起的低碱硫铝酸盐水泥的后期强度降低的问题。,低碱硫铝酸盐水泥快硬超早强模型的试验验证 后期强度测试结果,低碱硫铝酸盐水泥快硬超早强技术研究,低碱硫铝酸盐水泥快硬而不速凝的调控,水化放热速率,水化放热量,通过控制缓凝组分、早强组分、减水剂组分的掺量以及复合技术可实现低碱硫铝酸
8、盐水泥水化放热过程的优化与调控。,水化放热速率和水化热分析,2h强度达到32MPa,有效解决了既要缓凝又要超早强的对立矛盾,初凝时间大于45min,调控钙矾石成核与生长速率,低碱硫铝酸盐水泥快硬而不速凝的调控,温度敏感性问题？,低碱硫铝酸盐水泥微膨胀调控技术,小时膨胀率,早期竖向膨胀性能,早期微膨胀控制,通过微膨胀调控材料可有效控制早期微膨胀性能,后期线膨胀性能调控,0,0.005,0.01,0.015,0.02,0.025,0.03,0.035,0.04,0.045,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,Expansion ratio/%,W/L=0.13,W/L=0.135
9、,W/L=0.14,1,3d,7d,14d,28d,56d,90d,120d,180d,360d,Time,36d,Fiber interface modification,Mortar application effect,长期变形性能,后期线膨胀系数,通过微膨胀组分及功能性组分的添加，控制后期体积稳定性，调整超早强修补材料线膨胀系数，实现高粘结耐久。,水泥基材料界面粘结提升技术,粘结基团-提高粘结性能,保护基团-提高耐水解性、抗碱侵蚀性和耐久性,低碱硫铝酸盐水泥界面粘结提升技术,通过聚合物交联技术，提高超早强水泥基材料与旧混凝土界面的粘结（2.5MPa）。,水泥基材料界面粘结研究,剪切粘结
10、强度测试,修补砂浆粘结耐久性测试,3h,1d,3d,7d,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,8.0,8.5,9.0,抗弯强度（MPa),龄期,干养,水养,无论是剪切还是正拉粘结强度，超早强修补砂浆都具有较好的粘结性能,修补砂浆粘结耐久性测试结果/MPa,冻融循环条件下界面粘结测试,冻融循环次数对粘结耐久性能的影响,超早强修补砂浆经过200次冻融循环后粘结强度仍能保持在2.5MPa以上，具有良好的抗冻粘结耐久性能,超早强修补砂浆材料研制,高铁梁面精度控制超早强修补砂浆,技术思路,国内标准,国外规范,施工环境,修补部位,信息调研,超早强修补砂浆性能测试,Fluidit
11、y and Setting time,2h,3h,8h,24h,28d,56d,90d,0,2,4,6,8,10,12,14,Flexural strength(MPa),Time,13.5,12.6,11.8,11.1,10.2,7.4,5.8,2h,3h,8h,24h,28d,56d,90d,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,Compressive strength(MPa),Time,90,86,75,60,45,36,28,Flexural strength,Compressive strength,超早强修补砂浆具有良好的施工性能，30min后能保持较好的自流
12、平性能；2h抗压强度大于20MPa，后期力学性能稳定增长。,超早强修补砂浆材料工程应用,使用方法,施工前准备工作：表面进行清理及凿毛。 水料比：水与干料的推荐比例为0.1250.135。 搅拌：建议采用调速搅拌机，在无调速搅拌机的情况下， 也可采用立式强制式混凝土搅拌机进行搅拌。 修补施工：将搅拌好的修补砂浆置于需要修补的位置， 用抹刀迅速修整表面。 养护：终凝后根据现场条件进行保湿养护，湿养护时间不少于7d。,应用技术,用于进行高铁梁体大面积快速修补。,梁面凿毛,抹面修补,修补后打磨,该技术相继在京沪高铁、津秦高铁 、宁杭客专 、石武客专等高速铁路工程获得了应用。,应用工程,高铁梁面标高的精准调整（1m范围内误差不超过2mm，4m范围内误差不超过3mm）,解决了薄层粘结强度低、收缩易开裂等关键技术难题 相继应用于沪杭、石武、兰新二线等一大批铁路工程,沪杭城际铁路,应用工程,广泛应用于广东、广西、安徽、江苏、江西、河南等全国20多个省、市、自治区混凝土道面修补工程中，解决了传统修补混凝土后期强度倒缩、收缩大、粘结强度低、耐久性差的问题,机场工程,公路工程,混凝土路面/机场跑道的快速修补,应用工程,敬请各位专家批评指正！,
