摘要
混凝土在长期自然环境、荷载以及侵蚀作用下，易出现大量的微小裂缝，严重影响结构的耐久性和安全性。快硬硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥基修补材料早期强度高，但界面粘结性能仍难以满足裂缝修补的需求，且这两种材料的保水性能差，其中的水分易被吸走，造成水化不充分，导致粘结强度低，增加二次破坏的可能性。因此，本论文采用粘结强度高、保水性好的磷酸镁水泥作为微小裂缝的快速修补材料。 磷酸镁水泥常用水胶比为0.12-0.16,但在该水胶比下其浆体粘度较大，须进一步降低粘度，以适应微小裂缝修补的需求。其次，若配比不当，磷酸镁水泥还存在耐水性问题，会导致修补材料强度下降，导致二次破坏。基于此，本文通过三种表面活性剂和三种矿物掺合料改善磷酸镁水泥的粘度和耐水性，同时研究两种不同粒径的超细石英砂对微小裂缝修补材料性能的影响规律。 论文首先对磷酸镁水泥基微小裂缝修补材料进行配合比设计，研究了水胶比和镁磷比对塑性粘度、流动度、凝结时间和可灌性的影响，同时研究对力学性能和干燥收缩的影响规律，以期获得适宜于微小裂缝修补的磷酸镁水泥配合比。其次，通过掺入三种表面活性剂和三种矿物掺合料降低磷酸镁水泥浆体的粘度，改善耐水性，同时探究其对抗压强度、粘结强度、耐水性和收缩性影响规律，分析了对磷酸镁水泥水化的影响机理，通过可灌性、超声波脉冲速度检测和超声波波形变化检测对微小裂缝修补效果进行表征。最后，研究不同粒径超细石英砂对磷酸镁水泥流变性、凝结时间、力学性能、耐水性和收缩性影响规律。通过上述研究，获得如下结论: (1)研究了磷酸镁水泥基微小裂缝修补材料的配合比。水胶比在0.14-0.20之间可获得良好的流动度和力学性能，根据不同的裂缝宽度选择合适的水胶比。尽管粘结强度在镁磷比为4时达到最大值，但塑性粘度、流动度、凝结时间和强度在镁磷比为3时达到最佳，因此，确定磷酸镁水泥基微小裂缝修补材料的镁磷比为3。 (2)引入磷酸三丁酯(TBP)、聚丙二醇400(PPG 400)和聚乙二醇200(PEG 200)降低磷酸镁水泥浆体的粘度。随着TBP、PPG 400和PEG 200的加入，磷酸镁水泥的塑性粘度分别降低了 51.6％、30.3％和37.9％,流动度分别提高了 23.7％、19.5％和16.3％。拉伸粘结强度分别提高了 36.4％、28.8％和28.8％,界面弯拉强度分别提高了 7.4％、11.1％和13.5％。这是由于表面活性剂不仅可以减少干燥收缩，而且可减少界面上的孔隙，28d时干燥收缩分别降低了 16.5％、41.5％和66.2％。可灌性研究表明，含TBP磷酸镁水泥的可灌性要优于PPG 400和PEG 200,这也与超声波脉冲速度检测和超声波波形变化检测结果相一致。因此，适量的表面活性剂可降低磷酸镁水泥浆体粘度，延长凝结时间，减小干燥收缩，提高流动度和粘结强度，改善可灌性，对微小裂缝的修补具有积极作用。 (3)引入球形硅灰、球形粉煤灰和矿渣粉降低磷酸镁水泥浆体的粘度和硬化体的耐水性。含球形硅灰和球形粉煤灰磷酸镁水泥浆体的塑性粘度分别降低了 52.1％和67.2％。含20％球形硅灰和15％球形粉煤灰的凝结时间分别提高了 66.7％和73.3％。耐水性试验结果表明:抗压强度保留率分别从71.3％提高到77.9％、84.4％和84.5％。在粘结强度方面，球形硅灰和球形粉煤灰的最佳掺量均为10％,矿渣粉的最佳掺量为5％。可灌性研究表明:含球形粉煤灰的磷酸镁水泥的可灌性要优于球形硅灰和矿渣粉，这也与超声波脉冲速度检测和超声波波形变化检测结果相一致。 (4)掺入80目和150目超细石英砂的塑性粘度分别为9.37 Pa·s和8.97 Pa·s。力学性能方面，掺入80目超细石英砂在水化龄期28 d的抗压、抗折强度分别为51.00 MPa和9.78 MPa,拉伸粘结强度和界面弯拉强度分别为1.32 MPa和6.31 MPa,掺入150目超细石英砂在水化龄期28 d的抗压、抗折强度分别为45 MPa和8.64 MPa,拉伸粘结强度和界面弯拉强度分别为1.14 MPa和5.89 MPa。耐水性方面，掺入80目超细石英砂在水化龄期28 d的强度保留率为79.8％,掺入150目超细石英砂的强度保留率为76.8％。干燥收缩方面，掺入80目和150超细石英砂在水化龄期28 d的干燥收缩分别为1.45×10-4、1.92×10-4。因此，掺入80目超细石英砂的磷酸镁水泥性能优于掺入150目超细石英砂的磷酸镁水泥。
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