水泥混凝土路面板底脫空灌漿材料研究

李燕清，向陽開，熊潮波

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074;2.重慶市南岸區交通局，重慶400060)

目前，我國已投入使用的水泥混凝土路面進入了大規模的路況嚴重惡化期和大規模的投資改造期。水泥混凝土路面板底脫空引起的錯臺、唧泥、早期斷板等病害日益嚴重，這給公路管理養護部門帶來了巨大的經濟損失和技術困難。而板底灌漿治理技術是預防和治理脫空最有效的方法［1］。

1 灌漿材料的性能要求

灌漿治理脫空是利用壓力泵的壓力將灌漿材料壓入板底脫空部位，硬化后形成結構致密、強度高、水穩性良好的支撐層，牢固地與板底及基層黏結，從而改善路面板的受力狀態，防止其破壞［2］。

從灌漿工藝和使用要求上講［3］，理想的灌漿材料應滿足以下要求:①流動性好，能夠進入細小空隙;②漿體結硬后強度高，并有一定的早期強度;③離析、泌水性小;④漿液固化收縮率小;⑤漿液原材料來源豐富，配置方便，經濟性好，能大規模應用于工程。

2 灌漿材料配合比設計

針對灌漿治理路面板底脫空對灌漿材料的性能要求，通過準確選材、精確配比等方法，配制出具有高強、早強、流動性好、離析、泌水性小，干縮率小的灌漿材料。

2.1 試驗原材料選用

目前工程上灌漿治理水泥混凝土路面板底脫空大多是采用水泥砂漿，由水泥、砂、粉煤灰、外加劑和水按一定比例拌和攪拌而成。具體性能要求及選用情況如下［3］。

1)水泥:要求選擇保水性好、泌水性小且有一定早期強度的水泥作為灌漿材料的膠凝材料，故宜選用普通硅酸鹽水泥。筆者采用重慶小南海水泥廠生產的P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥。

2)砂:砂的摻入可以提高漿液的強度，減小水泥用量，同時減小漿液固化后的收縮。但是大粒徑的砂容易產生離析泌水現象，因此，宜選用特細砂。筆者在試驗時采用標準砂，根據GB 178—1997《水泥強度試驗用標準砂》要求［4］，在拌制前用0.5 mm的方孔篩進行篩選，保證砂粒徑不大于0.5 mm。

3)粉煤灰:粉煤灰的加入可以增加漿液和易性并能取代部分水泥，使砂漿的可泵性和經濟型達到優化。筆者采用重慶珞璜電廠生產的Ⅱ級粉煤灰。

4)減水早強劑:減水早強劑可促進漿體早期強度迅速形成、增加漿體的流動性和和易性，筆者采用重慶市博銳達建材有限公司生產配置的BDN-Ⅱ型高效早強減水劑，它是由早強、減水等組分有機復合而成的，能迅速提高水泥砂漿的早期強度、改善流動性能、提高和易性。

5)膨脹劑:膨脹劑的摻入可減少漿體的硬化收縮，甚至使漿體中產生微膨脹性，提高硬化漿體與水泥混凝土板和基層之間的黏結。筆者采用重慶博銳達建材有限公司生產的BD-UEA高效型膨脹劑。

6)水:選用清潔自來水。

用于灌漿治理水泥混凝土路面板底脫空的水泥砂漿對其流動性能、分層度、干縮率、早期強度等都有特定的要求，為了設計出一種比較理想的灌漿材料，通過選用不同配合比的材料做室內稠度試驗、分層度試驗、干縮率試驗和早期強度試驗，研究每種原材料的摻量對以上性能的影響，確定各種材料摻量的合理范圍，從而得出幾種滿足灌漿材料特殊性能要求的材料配合比。

2.2 砂漿稠度和分層度試驗

通過砂漿稠度試驗測定砂漿流動性能，流動性能指標參照使用ASTM-C-939(美國材料與試驗協會認定的預制集料混凝土流漿試驗方法)中的錐形漏斗(體積1 725 mL±5 mL)制定，以流出時間(s)為標準(在室溫條件下純水的流出時間為8 s)。將攪拌均勻的砂漿傾入漏斗中，直至表面觸及點測規下端，砂漿自由流完的時間即為其稠度值。砂漿分層度試驗用于測定砂漿的保水性，保水性不好的砂漿在運輸、停放、使用過程中易產生離析、泌水現象。將砂漿拌合物按砂漿稠度試驗方法測定稠度后，裝入砂漿分層度測定儀內，靜置30 min后，去掉上節200 mm砂漿，剩余的100 mm砂漿倒出放在拌和鍋內拌2 min，再按稠度試驗方法測定其稠度。前后測得的稠度之差即為該砂漿的分層度值(s)。

2.2.1 水灰比對砂漿稠度和分層度的影響

灌漿材料最基本性能是流動性好，水泥砂漿的流動性主要取決于單位體積含水量，但水灰比過大會使砂漿保水性降低。因此，先考慮水灰比對漿體稠度和分層度的影響。在砂漿其他材料配合比不變的情況下，通過改變水灰比來研究水灰比對砂漿稠度和分層度的影響。其中砂灰比采用經驗值0.2，減水早強劑摻量取1%。其試驗結果如圖1、圖2。

圖1 水灰比對砂漿稠度影響Fig.1 Effect of water cement ratio on mortar consistency

圖2 水灰比對砂漿分層度影響Fig.2 Effect of water cement ratio on mortar stratification

已有研究資料表明:現場灌漿過程中灌漿材料的稠度值大于26 s時會造成灌漿不暢;而稠度過小時漿液會出現泌水現象，不摻減水劑的砂漿稠度值最小不應小于16 s，對于摻減水劑的砂漿稠度值不應小于12 s。由圖1可知:當水灰比在0.375～0.475之間變化時，砂漿的稠度值變化范圍為13.39 ～25.86 s。但水灰比為 0.375 時，其稠度值很接近極限值(26 s)，考慮到工程上現場制漿過程中水分損失較大，所以水灰比不應小于0.4。當水灰比大于0.475后水灰比的增加對砂漿流動性能的改善并不明顯，水灰比增大反而降低砂漿的早期強度，增大干縮率。保水性良好的砂漿，其分層度值不大于3 s，分層度大于3 s的砂漿容易離析泌水，影響灌漿效果。從圖2可得:當水灰比在0.375～0.475之間變化時其分層度均小于3 s。所以，用于灌漿治理路面板脫空的水泥砂漿水灰比應控制在0.4～0.475之間。［5］

2.2.2 減水早強劑摻量對砂漿稠度和分層度的影響

BDN-Ⅱ型高效減水早強劑具有改善漿液流動性的作用，減水率為16% ～23%，廠家推薦摻量為0.8% ～1.2%。為了研究減水早強劑摻量對砂漿流動性能的影響，試驗固定砂漿其它材料配合比，只改變減水早強劑的摻量，測定砂漿的稠度值。試驗結果如圖3。

圖3 減水早強劑劑摻量對砂漿稠度影響Fig.3 Effect of water-reducing early strength agent on mortar consistency

由圖3可知:砂漿稠度值隨早強減水劑的摻量在0～1%之間變化時砂漿的稠度遞減，流動性增強。減水早強劑摻量為1%時稠度值最小，對砂漿流動性能的改善達到最佳效果。當摻量達到1.25%時，砂漿的稠度值略有增加，說明已經超過飽和值。圖4表明:隨著減水早強劑摻量的增加砂漿的分層度增大，但分層度值均小于3 s，砂漿的保水性均滿足要求。所以減水早強劑的最佳摻量為1%。

圖4 減水早強劑劑摻量對砂漿分層度影響Fig.4 Effect of water-reducing early strength agent on mortar stratification

2.2.3 砂灰比對砂漿稠度和分層度的影響

砂的加入有利于減小水泥用量和漿體的干縮率。但砂的加入會增大漿液中顆粒摩擦力，從而降低砂漿的流動性能［6］。同時，由于砂的密度大，當摻入過量的砂后，砂漿靜置后會有大量砂沉積于漿液底層，發生離析泌水現象，影響灌漿效果。試驗采用固定砂漿其它配合比，只改變砂漿的砂灰比，測定砂漿的稠度和分層度值，分析砂灰比對稠度和分層度的影響。試驗結果如圖5、圖6。

圖5 砂灰比對砂漿稠度影響Fig.5 Effect of sand cement ratio on mortar consistency

圖6 砂灰比對砂漿分層度影響Fig.6 Effect of sand cement ratio on mortar stratification

砂漿稠度值和分層度值都隨砂灰比的增大而增大(圖5、圖6)，說明砂的摻入降低了水泥砂漿的流動性能和保水性能。砂灰比的增加對砂漿分層度影響逐漸明顯，砂漿的保水性能降低得很厲害。當砂灰比為0.4時分層度值已達到3.42 s，所以砂灰比應控制在0.4以下。

2.2.4 粉煤灰摻量對砂漿稠度和分層度的影響

粉煤灰的加入可替代部分水泥，降低成本，還能改善漿體的和易性和收縮性能［7］。通過不同粉煤灰摻量的砂漿稠度試驗、分層度試驗來確定粉煤灰的摻量。試驗采用固定水灰比0.45、砂灰比0.2、減水劑摻加量0.01，砂漿稠度、分層度值隨粉煤灰摻量不同其測定結果如圖7、圖8。

圖7 粉煤灰摻量對砂漿稠度影響Fig.7 Effect of Fly Ash on mortar consistency

圖8 粉煤灰摻量對砂漿分層度影響Fig.8 Effect of Fly Ash on mortar stratification

粉煤灰的加入會使漿液的稠度和分層度值增加(圖7、圖8)，其流動性能下降，這是因為粉煤灰單位體積的需水量大于水泥。另一方面，隨著粉煤灰摻量的加大，漿液分層度值呈增大趨勢，這是由于粉煤灰的密度較小，試驗中發現當粉煤灰摻量達到0.4時，其分層度值大于3，且靜置后表面漂浮著薄層碳粉，砂漿離析泌水現象明顯。所以粉煤灰的摻量應控制在0.4以下。

2.3 砂漿試塊干縮試驗

砂漿硬化的過程中會產生干縮現象，這種干縮會引起路面板的再次脫空。本試驗通過對砂漿試塊硬化后的體積與試模容積進行比較，以獲得砂漿的干縮率。試驗采用自行設計的簡易裝置(圖9)，測定過程如下:在桶中裝水至軟管處，將砂漿試件放入桶后，水平面上升導致水從軟管中流入量杯中，量杯中水的體積即是砂漿試件的體積。此裝置操作簡單快速，經100 mm×100 mm×100 mm的標準試塊校核，其測量誤差在±0.1%以內，滿足此實驗的要求。

將灌漿材料做成 70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm試塊，測定其7 d齡期后的干縮率。試驗結果如表1，膨脹劑摻量為10%與摻量為8%的試件相比干縮率相差很小，繼續增加膨脹劑摻量，對砂漿膨脹性能影響并不大。因此，膨脹劑的理想摻量應為8%～10%。

圖9 干縮率測定裝置Fig.9 Apparatus for determination of dry shrinkage

表1 干縮率隨膨脹劑摻量變化Table 1 Dry shrinkage rate changes with expansive agent

2.4 灌漿材料配合比的選用

通過以上各種試驗，得出各種材料摻量的合理范圍:水灰比應控制在0.4～0.475;砂灰比不宜超過0.3;粉煤灰的用量對砂漿的早期強度影響很大，摻量不宜超過0.3;減水早強劑的最優摻量為10%;膨脹劑的理想摻量為0.08～0.1。考慮到施工因素，選取以下7種不同配合比灌漿材料做現場灌漿試驗，根據灌漿效果得出灌漿材料最優配合比。在灌漿之前測得各種配合比灌漿材料的性能如表2。

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3 現場灌漿試驗及效果檢驗

將所選用的7種配合比用于西部交通科技項目——《水泥混凝土路面工作狀態評價及預養護技術研究》重慶依托工程板底灌漿試驗，選取重慶市南岸區黃明路脫空板做現場灌漿試驗。從現場灌漿效果來看，材料Ⅰ、Ⅶ(水灰比為 0.4，0.425)入漿量少，說明漿體的流動性能沒達到要求，用水量過小。28 d后利用FWD［8］和探地雷達對灌漿治理過的脫空板進行脫空檢測。根據FWD的實測彎沉值的統計分析，對比灌漿治理前后的各測點的彎沉差，采用同板彎沉差法進行脫空判定，結果顯示Ⅱ、Ⅳ灌漿材料對路面脫空的治理效果最好，脫空的治理率分別達到86.6%，88.8%。同時探地雷達檢測也顯示出Ⅱ、Ⅳ灌漿材料對脫空治理的效果較好。

4 結語

筆者通過灌漿材料配合比性能試驗，并借鑒國內對灌漿材料的已有研究成果，分析各種成分的摻量對漿體性能的影響，得出各種材料摻量的合理范圍:水灰比應控制在0.4～0.475;砂灰比不宜超過0.3;粉煤灰的用量對砂漿的早期強度影響很大，摻量不宜超過0.3，在交通繁忙地段，為了盡早開放交通，建議不要摻加粉煤灰;減水早強劑的最優摻量為0.1;膨脹劑的理想摻量為0.08～0.1。設計7種不同配合比的灌漿材料對試驗路段的脫空板做現場灌漿試驗，利用落錘式彎沉儀(FWD)和探地雷達檢測各種材料的灌漿治理效果，試驗結果表明:材料Ⅱ(水泥∶水∶砂∶減水早強劑∶膨脹劑 =1∶0.45∶0.3∶0.01∶0.1)和Ⅳ(水泥∶水∶砂∶減水早強劑∶膨脹劑 =1∶0.45∶0.2∶0.01∶0.08)對治理板底脫空效果很好。研究成果可供水泥混凝土路面養護維修工程參考。

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