水泥混凝土路面微裂縫修補(bǔ)材料及性能探討

(山西八建集團(tuán)有限公司十二分公司，山西太原 030027)

1 混凝土路面現(xiàn)狀

水泥混凝土路面建設(shè)在我國(guó)的應(yīng)用由來(lái)已久，相對(duì)于瀝青混凝土路面而言，水泥混凝土路面具有良好的特質(zhì)，比如易維護(hù)、壽命長(zhǎng)、剛度大，且有較好的高溫穩(wěn)定性和荷載擴(kuò)散能力，因而得到了普及和運(yùn)用。目前，我國(guó)已建成的水泥混凝土高級(jí)路面近200萬(wàn)km，約占高級(jí)路面(瀝青、水泥)的60%，當(dāng)前，公路累計(jì)里程在迅猛增長(zhǎng)，但早期投入使用的水泥混凝土路面很多已臨近使用年限，不斷增加著道路維護(hù)任務(wù)量。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，機(jī)動(dòng)車數(shù)量增長(zhǎng)迅猛，公路等級(jí)和行車速度都有大幅提升，加之重型交通機(jī)械以及超載運(yùn)輸?shù)纫蛩貙?duì)路面的破壞，再加上化學(xué)侵蝕、磨耗和長(zhǎng)期暴曬、雨雪、凍融、溫差變化等惡劣自然條件，以及長(zhǎng)期經(jīng)受的車輛循環(huán)和沖擊荷載等，勢(shì)必會(huì)對(duì)路面造成大量損壞。為了能使水泥混凝土路面維持較長(zhǎng)的使用壽命，并長(zhǎng)期保持良好道路狀態(tài)，就應(yīng)該在道路使用期間盡早采取較為經(jīng)濟(jì)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和修復(fù)措施。

2 混凝土路面的損壞和養(yǎng)護(hù)

按結(jié)構(gòu)性能而言，可將水泥混凝土路面的損壞分為兩類。一類是由基層未達(dá)標(biāo)、載荷過(guò)重和劇烈溫度變化引發(fā)的結(jié)構(gòu)性損壞，比如嚴(yán)重裂縫、斷板、沉陷、錯(cuò)臺(tái)、拱起、接縫碎裂等。另一類是由于材料問(wèn)題或施工質(zhì)量而引起的非結(jié)構(gòu)性損壞，比如輕微表面裂縫，麻面、剝落、起皮、坑槽和孔洞等。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是在路面狀況比較好的狀態(tài)下，為使路面能夠長(zhǎng)期保持這種良好狀況，所進(jìn)行的技術(shù)性養(yǎng)護(hù)措施。裂縫修補(bǔ)是一種計(jì)劃性的養(yǎng)護(hù)，也是最為常見(jiàn)的一種預(yù)防性的養(yǎng)護(hù)措施。如在路面有輕微裂縫出現(xiàn)時(shí)隨即進(jìn)行灌縫養(yǎng)護(hù)等措施，避免裂縫受環(huán)境影響和載荷增加而繼續(xù)擴(kuò)展引起面板的損壞。微裂縫如不及時(shí)修補(bǔ)養(yǎng)護(hù)將會(huì)影響公路行車的穩(wěn)定和舒適性，也勢(shì)必增加后期的道路維修保養(yǎng)費(fèi)用。

3 混凝土微裂縫養(yǎng)護(hù)的材料現(xiàn)狀

通常根據(jù)路面裂縫特點(diǎn)和所在部位，將裂縫分為表面裂縫、貫穿裂縫及埋藏裂縫等。裂縫修補(bǔ)要根據(jù)裂縫成因和變化形態(tài)選用合理的技術(shù)措施。在工程實(shí)踐中，對(duì)于寬度小于3 mm的稱為輕微裂縫，可采用擴(kuò)縫灌漿法，多采用水泥砂漿或環(huán)氧樹(shù)脂材料。對(duì)于寬度在3 mm～15 mm的稱為中等裂縫，可采用條帶罩面法，多采用快硬混凝土材料。

路面裂縫的修補(bǔ)要有良好的施工工藝，還要有性能較好的修補(bǔ)材料。對(duì)于水泥混凝土路面，主要采用水泥漿材、化學(xué)漿材和瀝青等修補(bǔ)材料，籠統(tǒng)來(lái)講，細(xì)縫灌化學(xué)漿材，寬縫灌水泥漿材。因?yàn)樗酀{材粒徑大、流動(dòng)性不強(qiáng)，在大于3 mm的中等裂縫中用來(lái)做灌漿處理。相對(duì)于水泥漿材而言，化學(xué)漿材和瀝青材料價(jià)格高、耐久性不強(qiáng)，且與原有的路面混凝土相容性差。道路工程中，能夠直接對(duì)裂縫進(jìn)行自然灌漿的水泥基產(chǎn)品非常少。所以，探索一種具有成本優(yōu)勢(shì)、工藝操作簡(jiǎn)便的水泥漿材來(lái)用于1 mm～3 mm微裂縫的修補(bǔ)材料，對(duì)于道路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)具有重要意義。

4 探索新材料進(jìn)行微裂縫修補(bǔ)

目前，用于混凝土路面微裂縫修補(bǔ)的材料以化學(xué)漿材類居多，主要有環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、乳化瀝青和水玻璃等材料，但化學(xué)漿材價(jià)格高昂、環(huán)保性差，對(duì)于大規(guī)模的水泥混凝土路面修補(bǔ)不具有成本優(yōu)勢(shì)，因而應(yīng)用較少。水泥漿體可用于1 mm～3 mm微裂縫的修補(bǔ)，受限于裂縫的空間，漿體材料粒徑應(yīng)滿足要求，水泥砂漿不能作為修補(bǔ)材料。眾所周知，聚合物可顯著改善水泥材料的耐久性以及力學(xué)性能，而高效減水劑可明顯影響水泥漿體的流動(dòng)性，所以，本文嘗試在水泥凈漿中添加聚合物、高效減水劑等外摻料，旨在探索具有較好經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的水泥混凝土路面微裂縫修補(bǔ)材料。使用聚合物、高效減水劑等外摻料對(duì)水泥進(jìn)行改性，可較好地提升修補(bǔ)材料的性能，以達(dá)到性能優(yōu)良、高強(qiáng)度、使用耐久、具有良好變形能力和粘結(jié)能力的要求，并與原有混凝土能夠良好相容。所以，要嚴(yán)格篩選原材料，設(shè)計(jì)最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案，確定最佳配合比。修補(bǔ)材料的成型過(guò)程其實(shí)就是一個(gè)對(duì)各種材料組成進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程。

5 微裂縫修補(bǔ)材料的性能要求

水泥混凝土路面微裂縫的修補(bǔ)效果很大程度上取決于修補(bǔ)材料的流變性能。因?yàn)槁访嬷械奈⒘芽p具有不規(guī)則且狹小的特征，修補(bǔ)材料漿體在微裂縫中流動(dòng)時(shí)，受縫壁阻力和自身粘滯力影響較大，只有具備較好的流動(dòng)性和體積穩(wěn)定性，才能保證漿體填充滿裂縫，形成好的修補(bǔ)效果。此外，交通狀況的持續(xù)性也對(duì)修補(bǔ)材料的凝結(jié)時(shí)間提出了要求。因此，要對(duì)修補(bǔ)材料漿體的流動(dòng)性、可灌性、穩(wěn)定性、凝結(jié)時(shí)間等指標(biāo)做嚴(yán)格要求。

修補(bǔ)材料在狹小的微裂縫中應(yīng)可灌入自如，應(yīng)確定好漿體的流動(dòng)度大小和微裂縫灌入難度的關(guān)系，并將此作為配方改善和材料性能測(cè)定的依據(jù)。道路工程實(shí)踐中通常可采取可灌性試驗(yàn)來(lái)確定，方法是:將混凝土試件從中間劈開(kāi)形成兩個(gè)試塊，保持兩試塊豎直靠攏，中間留一條上口寬度1 mm～3 mm的平行裂縫和V形裂縫，使用水泥將裂縫周圍做密封處理，通過(guò)調(diào)整水灰比的方法獲得不同的流動(dòng)度。將攪拌好的水泥漿體倒入縫隙，待水泥漿體初凝以后，分開(kāi)兩個(gè)混凝土試塊，觀察和測(cè)量水泥漿的灌入情況。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出，漿體的流動(dòng)度在220 mm左右時(shí)，可灌滿整個(gè)裂縫。鑒于裂縫的實(shí)際情況較實(shí)驗(yàn)狀況更為復(fù)雜，我們把完全灌入裂縫的漿體流動(dòng)度限定在235 mm左右，將其定義為對(duì)1 mm～3 mm微裂縫的可灌性臨界值。

用于路面表層裂縫修補(bǔ)的材料，不但要完全灌入裂縫，還必須具有與路面結(jié)構(gòu)相同的路用性能，如力學(xué)性能與耐久性能。為保證路面修補(bǔ)效果，避免修補(bǔ)材料與基質(zhì)材料在修補(bǔ)后發(fā)生脫離，修補(bǔ)材料還應(yīng)具有良好的粘結(jié)和變形性能。可見(jiàn)，修補(bǔ)材料必須具有優(yōu)良的工作性能和路用性能才能充分保障其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用效果。此外，裂縫修補(bǔ)材料要與路面長(zhǎng)期共同承受交通動(dòng)荷載的沖擊振動(dòng)作用，要求修補(bǔ)材料必須具有適宜的剛度，以緩沖瞬間荷載，防止修補(bǔ)材料中或界面上破壞的再度產(chǎn)生。

6 微裂縫修補(bǔ)材料的工藝控制

1)為優(yōu)化裂縫修補(bǔ)材料配方，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，試驗(yàn)結(jié)果顯示水灰比宜控制在0.5左右、聚合物摻量宜控制在10%左右、減水劑摻量宜控制在0.2%左右。測(cè)試結(jié)果表明，摻加適量聚合物的修補(bǔ)材料的析水率只有基準(zhǔn)材料漿體的50%左右，聚合物的摻入對(duì)修補(bǔ)材料漿體穩(wěn)定性的提高作用效果非常顯著。2)修補(bǔ)材料的路用性能測(cè)試表明，在水泥中摻加單一聚合物，其力學(xué)強(qiáng)度比不摻加聚合物的試件要低。采用兩種聚合物混合的方式進(jìn)行改性，其修補(bǔ)材料的力學(xué)強(qiáng)度比基準(zhǔn)試件有所提高，并能夠達(dá)到路面力學(xué)強(qiáng)度規(guī)范的要求。力學(xué)強(qiáng)度最佳時(shí)的兩種聚合物的共混比例約為3/2～2/3之間。加入聚合物使得修補(bǔ)材料的剛度比普通水泥材料低10%～15%，修補(bǔ)材料在脆性材料的基礎(chǔ)上增加了柔性，較大提高了對(duì)抗沖擊荷載的能力和使用的耐久性。3)加入膨脹劑可極大降低水泥試件體積收縮，甚至可產(chǎn)生微膨脹，這對(duì)于改善和增強(qiáng)修補(bǔ)材料與基質(zhì)混凝土之間的界面作用較大。外摻劑對(duì)改善修補(bǔ)材料的孔結(jié)構(gòu)作用明顯，降低了總孔隙率，減少了有害大孔，增多了無(wú)害小孔，修補(bǔ)材料的抗?jié)B性和耐久性明顯提高。

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