为满足现代交通对道路快速修复技术的迫切需求，本研究创新性地开发了一种基于石灰激发的偏高岭土基地质聚合物快速修复材料。该材料以工业副产石灰和偏高岭土为主要原料，通过优化碱性激发剂体系，实现了常温下1小时内超高早期强度发展，同时具备优异的界面粘结性能和长期耐久性。系统研究了其反应机理、流变特性、收缩性能及与旧混凝土的复合行为，形成了成套的现场快速施工工艺，并在多个应急维修工程中成功应用。
一、地质聚合物快速修复材料的设计理念
- 技术需求驱动
极速开放交通：城市主干道、机场跑道等要求修复后2-4小时内开放。
超高早期强度：1小时抗压强度需达到15-20MPa以上，以承受早期荷载。
卓越的粘结力：与新老界面粘结牢固，避免脱空、剥落等二次病害。
体积稳定与耐久：低收缩、抗渗、抗冻融，保证长期修复效果。
- 石灰在地质聚合物体系中的独特作用
双重角色：既是低成本的碱性激发剂（提供OH⁻），又是钙源补充剂（提供Ca²⁺）。
协同成胶：参与形成（C,N）-A-S-H型凝胶，与传统地聚物（N-A-S-H凝胶）交织，形成互穿网络结构，兼具早期快硬和高后期强度。
工作性调节：与硅酸钠等液态激发剂复配，可有效调节浆体的凝结时间和流动性。
二、材料体系开发与性能优化
- 核心原材料选择与配比
偏高岭土（MK）：高活性，Al₂O₃含量≥35%，烧失量≤2%，比表面积≥15000 m²/kg。
激发剂体系：
石灰（CH）：工业副产（如电石渣），有效CaO含量≥65%，细度（0.08mm筛余）≤10%。
改性水玻璃（SS）：模数1.2-1.5，浓度40-42°Bé，通过加入NaOH调节模数。
促凝剂：锂盐（如Li₂CO₃）或铝酸盐，微量掺加（0.2%-0.5%）。
优化配比范围（质量比）：MK : CH : SS（固含量） = 100 : (15-25) : (25-35)。外加水调整流动度。
- 关键性能指标
工作性：初始流动度≥220mm（胶砂），可调范围广。
凝结时间：初凝15-30分钟，终凝30-60分钟。
力学性能：
1h抗压强度：15-25MPa
4h抗压强度：30-40MPa
28d抗压强度：60-80MPa
粘结强度（与老混凝土）：≥2.5MPa（28d），早期（4h）即达1.0MPa以上。
变形性能：28d干燥收缩≤400με，远低于硅酸盐水泥基快修材料。
三、反应机理与微观结构特征
- 早期快速反应动力学
放热特征：等温量热曲线显示，在拌和完成后迅速出现一个陡峭的放热峰，峰值出现在30-60分钟内，对应早期凝胶的快速形成。
产物演化：XRD与FTIR分析表明，反应初期（数小时内）即生成大量的无定形（C,N）-A-S-H凝胶。石灰的加入促进了铝硅酸盐网络的解聚与重组，且Ca²⁺加速了凝胶的沉淀过程。
- 界面粘结机理
化学键合：地质聚合物浆体中的[SiO₄]和[AlO₄]四面体可与老混凝土表面的硅羟基（-Si-OH）发生缩合反应，形成Si-O-Si或Si-O-Al共价键。
物理啮合与渗透：浆体良好的流动性使其能充分渗入旧基面的微裂缝和孔隙中，形成“锚固”效应。
微观结构：SEM显示，新老材料界面处存在一个几微米厚的致密过渡区，新生成的凝胶与旧基体的水化产物交织生长，无明显裂缝或薄弱层。
四、施工工艺与现场应用技术
- 快速修复工艺流程
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现场评估与开槽 → 高压水/喷砂界面处理 → 界面剂涂刷（可选）→
材料现场计量与高速拌和（≤3分钟）→ 浇筑与自流平 → 覆盖保湿 →
强度监测与开放交通
总耗时可控制在2-3小时内。
- 专用施工设备
移动式高速搅拌机：转速≥1000 rpm，确保浆体均匀。
自流平浇筑设备：带导流槽的料斗，避免离析。
现场强度快速监测仪：采用贯入阻力法或超声波法，实现非破损强度实时评估。
- 质量控制要点
原材料温度控制：低温环境需对水和骨料预热。
拌和时间控制：精确计时，避免过长或过短。
浇筑时机：在浆体保持最佳流动度时完成浇筑。
早期养护：浇筑后立即覆盖塑料薄膜防止水分蒸发，无需浇水。
五、长期耐久性与工程案例
- 耐久性测试结果
抗渗性：渗透系数<1×10⁻¹² m/s，表现出优异的抗氯离子渗透能力。
抗冻融性：经100次快速冻融循环后，强度损失<10%，质量损失<1%。
耐化学侵蚀：在5%硫酸钠溶液中浸泡180天，外观完整，强度保持率>90%。
干湿循环：优良的体积稳定性使其能抵抗干湿交替产生的应力。
- 典型工程应用案例
案例一：机场跑道紧急抢修
问题：某国际机场跑道出现局部破损，要求4小时内恢复运营。
方案：采用本材料进行修复，厚度10cm。
结果：3.5小时后检测强度达标，准时开放。2年后跟踪检查，修复区域状况完好。
案例二：城市道路检查井周边修复
问题：井周沉陷与破损频发，传统材料修复慢、效果差。
方案：环形开槽，采用本材料填充。
结果：2小时开放交通，修复体与周边路面平顺衔接，长期无二次沉陷。
六、技术经济性与环境效益分析
- 综合成本分析
材料成本：虽高于普通水泥，但远低于进口环氧等有机快修材料。
施工效率：极短的养护时间大幅减少了交通管制、人工和设备占用成本。
寿命周期成本：优异的耐久性极大延长了维修周期，全寿命成本具有显著优势。
- 可持续性优势
固废利用：可直接利用电石渣等工业副产石灰，实现废物高值化利用。
低温室气体排放：地聚物生产过程的碳排放仅为硅酸盐水泥的20%-30%。
资源节约：无需高温煅烧，能耗低。
七、结论与推广前景
- 研究结论
石灰激发地质聚合物快速修复材料成功实现了“超早强、高粘结、低收缩、耐久的完美结合，其综合性能满足甚至超过了苛刻的道路快速修复要求。石灰作为关键激发组分，在降低成本的同时保障了性能。 - 推广前景与建议
标准制定：亟待编制相应的产品标准、设计施工技术规程。
产业链构建：推动偏高岭土、专用激发剂等上游材料的标准化、商品化供应。
应用拓展：可进一步探索在桥梁伸缩缝修复、钢桥面铺装、海工结构修补等领域的应用。
智能化发展：结合物联网，开发具有自诊断功能的智能修复材料系统。
