馬正先 ，周傳貴 ，逄魯峰 ，常青山 ，付鵬 ，宋沛霖 ，李兵

（1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101；2.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟南 250001）

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的大力投入，高速客運鐵路和大跨度橋梁的建設(shè)力度逐漸增大，為了縮短冬季施工工期而又不影響支座砂漿的性能，對冬季支座施工就提出了新的挑戰(zhàn)。在冬季施工中，持續(xù)低溫下水泥的水化特性將發(fā)生顯著變化，主要是由于施工環(huán)境溫度為負溫時，水泥水化所需要的自由水會結(jié)冰，使水泥水化反應(yīng)所需要的自由水減少，水泥不能在持續(xù)低溫環(huán)境下繼續(xù)進行水化反應(yīng)，導致其早期強度較低[1]。為了使水泥能在持續(xù)低溫環(huán)境下繼續(xù)進行水化反應(yīng)，提高其早期強度，研制一種能夠滿足冬季施工要求的特種支座砂漿勢在必行。

近年來，針對支座砂漿的特殊要求，通過改變支座砂漿的原料組成和配比，開展了一些有關(guān)支座砂漿灌漿材料的研究。馬保國等[2-4]以硫鋁酸鹽水泥為基本膠凝材料，添加減水劑、緩凝劑和自制的功能組分并優(yōu)化配比，成功研制出TXRG-Ⅱ型早強支座砂漿。研究發(fā)現(xiàn)，混雜纖維的摻入可以起到彌合裂縫的作用，并能推遲砂漿內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和擴展。查炎鵬等[5]以高鋁水泥、石膏、普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，復配早強劑和緩凝劑，研制出高鐵用支座砂漿。張勇和楊富民[6]以水泥、減水劑、石英砂、礦物摻合料、增稠組分、調(diào)凝組分和高分子聚合物為原料，研制出TK-Z支座灌漿材料。周華新等[7]以低堿硫鋁酸鹽水泥為基本膠凝材料，配以減水、早強、緩凝和消泡組分并經(jīng)試驗確定其最佳摻量，研制出高速鐵路專用支座砂漿材料。

本文先通過正交試驗確定防凍劑的最佳摻量，再通過調(diào)整硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥與普通硅酸鹽水泥的比例，緩凝劑的摻量，考察其對砂漿早期強度的影響，從而給出支座砂漿的最佳配比，并使其各項性能指標符合科技基函[2005]101號《客運專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件》中支座砂漿的技術(shù)要求[8]。

1 試驗

1.1 原材料

膠凝材料：P·O52.5水泥，山東山水建材集團生產(chǎn)；高鋁水泥，鄭州新興特種水泥廠生產(chǎn)；42.5級硫鋁酸鹽水泥，中國聯(lián)合水泥集團有限公司生產(chǎn)；無水石膏，山東棗莊信通石膏粉廠生產(chǎn)。骨料：20～40目石英砂、40～70目烘干砂、70～120目烘干砂，均為市售。外加劑：酒石酸，鄭州明瑞化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)，分析純（AR）；碳酸鋰，鄭州力邁化工有限公司生產(chǎn)，分析純（AR）；亞硝酸鈉、甲酸鈉、甲酸鈣、粉狀聚羧酸粉水劑PC1701，均來自山東華迪建筑科技有限公司。拌合水：自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗步驟

在普通支座砂漿配方研究的基礎(chǔ)上，確定負溫支座砂漿的基準配比：膠凝材料組成為70%硫鋁酸鹽水泥+24%普硅水泥+6%石膏，膠砂比為1∶1，用水量占膠凝材料質(zhì)量的27%，酒石酸、減水劑摻量分別占膠凝材料總質(zhì)量的0.26%、0.24%。（1）首先通過正交試驗確定防凍劑的最佳摻量；（2）在防凍劑最佳摻量條件下，以普通硅酸鹽水泥和石膏作為基本膠凝材料，在單摻硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥的試驗基礎(chǔ)上，對硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥進行復摻試驗，研究－5℃環(huán)境溫度下對支座砂漿性能的影響；（3）通過調(diào)整緩凝劑優(yōu)化配比，確定最優(yōu)摻量，并給出最終的支座砂漿優(yōu)化配比。

1.2.2 性能測試方法

負溫支座砂漿的攪拌、養(yǎng)護成型方法按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢測方法（ISO法）》進行。漿體流動性依據(jù)GB/T50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行測試。防凍劑依據(jù)JC475—2004《混凝土防凍劑》進行測試，彈性模量依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，支座砂漿各項性能指標依據(jù)科技基函[2005]101號《客運專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件》規(guī)定執(zhí)行。

1.2.3 試驗設(shè)備

砂漿攪拌機：JJ-5，無錫建儀-江蘇華創(chuàng)；壓力試驗機：DKZ-500，揚州博瑞克儀器；抗折試驗機：DKE-50000，濟南海威爾儀器；試模：4 cm×4 cm×16 cm，無錫華南試驗儀器；電子天平：LP5001B，杭州萬特衡器。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 防凍劑的選擇及最佳摻量

冬季在負溫施工環(huán)境下，根據(jù)冰晶畸變理論[9]，在不摻加防凍劑時由于氫鍵作用，水分子很容易聚合成龐大的分子集合體，從而產(chǎn)生冰晶，液相中的冰點開始析水，摻加防凍劑后，由于防凍劑分子在一定程度上對水分子中的氫鍵有干擾作用，從而減緩了聚合成水分子集合體的速度，使析出的冰晶呈細小絮狀結(jié)構(gòu)。另外，根據(jù)液灰比理論[10]，水分子在溫度下降至冰點時開始析出冰晶，在一定的負溫狀態(tài)下又達到了新的平衡狀態(tài)即冰液共存狀態(tài)，由于仍有液態(tài)水存在，水泥可以在新的負溫狀態(tài)下繼續(xù)水化，水泥水化所消耗的水由冰融化來補充。本試驗在基準配合比的基礎(chǔ)上，選擇亞硝酸鈉、甲酸鈉、甲酸鈣3種防凍劑和碳酸鋰早強劑用量4個因素進行研究，每個因素取3個水平，以2 h抗壓強度，24 h抗折強度，24 h抗壓強度為指標，正交試驗因素水平見表1，測試結(jié)果見表2，極差分析見表3。

表1 防凍劑選擇正交試驗因素水平

表2 正交試驗設(shè)計與測試結(jié)果

表3 正交試驗結(jié)果極差分析

從表3可以看出：影響負溫支座砂漿2h抗壓強度的主次順序為 D＞A＞B＞C，最優(yōu)組合為 A2B3C1D3；影響負溫支座砂漿24h抗折強度的主次順序 D＞B＞A＜C，最優(yōu)組合為 A2B2C2D3；影響負溫支座砂漿24 h抗壓強度的主次順序為D＞A＞B＞C，最優(yōu)組合為A2B3C2D3。

3種防凍劑中，亞硝酸鈉對支座砂漿的早期強度影響最大，但沒有考慮到對后期強度的影響以及與室溫下普通支座砂漿的強度差距。通過正交試驗得出3組最優(yōu)組合，與相同配合比而不摻防凍劑、只摻碳酸鋰早強劑在室溫情況下進行對比試驗，確定防凍劑的最佳摻量。負溫支座砂漿的配合比見表4，性能測試結(jié)果見表5。

表4 負溫支座砂漿的配合比 kg

表5 摻不同防凍劑負溫支座砂漿的性能指標

由表5可以看出，摻防凍劑的3組配比中，F(xiàn)2組強度最高，與在室溫下不摻防凍劑的F4組試樣相比，F(xiàn)2組支座砂漿的2 h抗壓強度降低了9.0%，24 h抗折強度降低了9.2%，但是3、7、28 d抗壓強度僅分別降低了1.4%、1.7%、2.7%。防凍劑對初始流動度以及30 min流動影響不大。

由此可以確定最佳防凍劑摻量為：亞硝酸鈉0.12%、甲酸鈉0.12%、甲酸鈣0.14%，同時摻加0.2%的酸碳鋰。

2.2 膠凝材料的調(diào)整

通過上述正交試驗初步確定了防凍劑的最佳摻量，但強度和流動度尚不能滿足支座砂漿的要求，需要通過調(diào)整普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥硫鋁酸鹽水泥三者之間的比例來解決。試驗中，外加劑摻量均參照F2組，膠凝材料中石膏摻量為6%不變。

2.2.1 單摻硫鋁酸鹽水泥

單摻硫鋁酸鹽水泥對支座砂漿流動度和強度的影響分別見圖 1、圖 2。

圖1 硫鋁酸鹽水泥摻量對支座砂漿流動度的影響

圖2 硫鋁酸鹽水泥摻量對支座砂漿強度的影響

由圖1、圖2可見：隨硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，支座砂漿的流動度有一定程度的降低，當摻量高于65%以后，30 min流動度損失較大；2 h抗壓強度及24 h抗壓強度先提高后降低，當摻量為70%時強度達到最高。

分析其原因主要是，硫鋁酸鹽水泥主要礦物成分為無水硫鋁酸鈣與硅酸二鈣，在常溫下的主要水化產(chǎn)物為AFt晶體，是早期強度的主要來源，而且硫鋁酸鹽水泥在負溫下水化產(chǎn)物種類與常溫下一致。與常溫時相比，負溫時硫鋁酸鹽水泥的誘導期更長，AFt晶體成核自由能和成核速率與溫度有關(guān)，溫度越低，AFt晶體越難成核，強度發(fā)展就越慢[11]。

2.2.2 單摻高鋁水泥

單摻高鋁水泥對支座砂漿流動度和強度的影響分別見圖3、圖 4。

圖3 高鋁水泥摻量對支座砂漿流動度的影響

圖4 高鋁水泥摻量對支座砂漿強度的影響

由圖3、圖4可以看出：隨高鋁水泥摻量的增加，支座砂漿的流動度降低；2 h抗壓強度及24 h抗壓強度先提高后降低，當摻量為70%時達到最高。與單摻硫鋁酸鹽水泥的相比，單摻高鋁水泥的支座砂漿2 h抗壓強度、24 h抗折強度要高，但30 min流動度損失也大。

分析其原因主要是，高鋁水泥主要礦物成分為鋁酸一鈣（CA）和鋁酸二鈣（C2A）等鋁酸鹽礦物，在有普通硅酸鹽水泥和石膏存在的情況下，其水化過程更加迅速，其中石膏的加入使CA和C2A的水化速度明顯加快，產(chǎn)生大量的AFt和水化鋁膠凝體。而普通硅酸鹽水泥的加入，為反應(yīng)體系提供了可溶性硫酸鈣，提供了高鋁水泥水化的堿性，可以促進高鋁水泥的水化，因此石膏和硅酸鹽水泥的加入，在一定程度上為反應(yīng)體系提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和反應(yīng)條件，從而大大提高了整個反應(yīng)體系的水化速度，使膠凝體系強度在短時間內(nèi)迅速提高[12]。

2.2.3 復摻硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥

通過單摻硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥試驗發(fā)現(xiàn)，當普通硅酸鹽水泥占膠凝材料的19%～34%時，初始流動度、30 min流動度、2h抗壓強度以及24 h抗折強度最接近標準指標。本節(jié)試驗確定以普通硅酸鹽水泥摻量為24%、29%、34%，硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥質(zhì)量比分別為 3∶7、5∶5、7∶3進行復摻。不同水泥摻量對流動度和強度的影響見表6。

表6 不同水泥摻量對支座砂漿流動度與強度的影響

由表6可以看出：

（1）通過復摻硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥，當普通硅酸鹽水泥摻量以相同的比例提高時，通過調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥之間的比例，可以有效的調(diào)節(jié)支座砂漿的流動度損失。

（2）當普通硅酸鹽水泥占膠凝材料24%～29%，硫鋁酸鹽水泥占膠凝材料的20%～35%，高鋁水泥占膠凝材料的32%～35%時，初始流動度達到315～330 mm，30 min流動度達到215～235mm，2 h抗壓及24 h抗折強度滿足支座砂漿的性能指標要求。

2.3 緩凝劑摻量的調(diào)整

上述試驗發(fā)現(xiàn)，支座砂漿的30 min流動度損失過大，因此，選擇石膏和酒石酸作為緩凝劑，通過調(diào)整石膏與酒石酸的比例來解決30 min流動度損失過大的問題。

根據(jù)前述試驗結(jié)果，確定普通硅酸鹽水泥25%、硫鋁酸鹽水泥34%、高鋁水泥35%，亞硝酸鈉、甲酸鈉、甲酸鈣、碳酸鋰、減水劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0.12%、0.12%、0.14%、0.20%、0.24%，通過調(diào)整石膏和酒石酸摻量來考察其對流動度、凝結(jié)時間和強度的影響，試驗結(jié)果見表7。

表7 石膏與酒石酸摻量對支座砂漿性能的影響

由表7可以看出：

（1）隨著石膏摻量的提高，支座砂漿的凝結(jié)時間越來越長，30 min流動度損失變小，當石膏摻量在6%～9%時，滿足支座砂漿的指標要求，石膏摻量繼續(xù)提高，強度呈下降趨勢。

（2）酒石酸的緩凝效果比石膏好，酒石酸摻量在0.24%～0.26%時，緩凝效果最佳，當酒石酸摻量提高到0.28%時，初凝時間和終凝時間明顯延長，在低溫環(huán)境下，水化進行得太慢，使強度降低。

石膏在硅酸鹽水泥、高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥三元膠凝體系水化過程中起著重要作用，由于C3A水化速度非?？?，在水化過程中二水硫酸鈣能夠迅速溶解，并與鋁酸三鈣水化產(chǎn)生的凝膠反應(yīng)生成鈣礬石，而且在水化過程中能包裹在鋁酸三鈣礦物顆粒的表面，阻止水分子進入，從而延緩鋁酸三鈣的進一步水化反應(yīng)。酒石酸是一種二元羧酸，有很強的極性，其緩凝機理主要是通過延長結(jié)構(gòu)誘導期而達到，能提高C3S的水化體溶液中的介穩(wěn)過飽和度，過飽和度越高，析出的晶核越小，數(shù)量越多，從而形成一個高分散性的溶膠體系，起到緩凝的效果。

2.4 負溫支座砂漿的最終配比與性能

根據(jù)上述試驗結(jié)果，確定負溫支座砂漿的最終配比為：膠砂比1∶1，用水量占膠凝材料的27%，普通硅酸鹽水泥占膠凝材料24%～29%，硫鋁酸鹽水泥占膠凝材料的20%～35%，高鋁水泥占膠凝材料的32%～35%，石膏摻量占膠凝材料的6%～9%，酒石酸為0.25%～0.27%，粉狀聚羧酸減水劑為0.24%，亞硝酸鈉為0.12%，甲酸鈉為0.12%，甲酸鈣為0.14%，碳酸鋰為0.2%。在上述變量中優(yōu)選3組進行試驗（其余不變），在－5℃條件下測試支座砂漿的各項性能指標是否滿足要求。試驗配比和測試結(jié)果見表8。

表8 支座砂漿的優(yōu)選配比和性能測試結(jié)果

由表8可以看出，3組優(yōu)化配比制備的支座砂漿各項性能指標均符合科技基函[2005]101號《客運專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件》中預制簡支箱梁盆式橡膠支座重力灌漿用灌漿材料的性能技術(shù)要求。此負溫支座砂漿已在山東華迪建筑科技有限公司投入生產(chǎn)并獲得應(yīng)用，效果良好。

3 結(jié)論

（1）3種防凍劑中，亞硝酸鈉對支座砂漿的早期強度影響最大。最佳防凍劑摻量：亞硝酸鈉0.12%、甲酸鈉0.12%、甲酸鈣0.14%，同時摻加0.2%的碳酸鋰早強劑。

（2）隨著硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥摻量的增加，支座砂漿的強度先提高后降低，初始及30 min流動度逐漸減?。粏螕礁咪X水泥比單摻硫鋁酸鹽水泥30 min流動度損失大。

（3）復摻硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥，當普通硅酸鹽水泥摻量以相同的比例提高時，通過調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥與高鋁水泥之間的摻比，可以有效地調(diào)節(jié)支座砂漿的流動度損失。

（4）隨著石膏和酒石酸摻量的提高，初凝和終凝時間逐漸延長，30 min流動度損失減小，酒石酸的緩凝效果要強于石膏。當石膏摻量＞9%、酒石酸摻量提高到0.28%時，初凝與終凝時間明顯延長，強度有下降的趨勢。

（5）負溫支座砂漿的最佳配比為：膠砂比1∶1，用水量占膠凝材料的27%，普通硅酸鹽水泥占膠凝材料24%～29%，硫鋁酸鹽水泥占膠凝材料的20%～35%，高鋁水泥占膠凝材料的32%～35%，石膏摻量占膠凝材料的6%～9%，粉狀聚羧酸減水劑為0.24%，酒石酸為0.24%～0.26%，亞硝酸鈉為0.12%，甲酸鈉為0.12%，甲酸鈣為0.14%，碳酸鋰為0.2%。