超快硬水泥混凝土施工性能及指標(biāo)研究

俞　軍，崔玉寶

（1.上海市永達(dá)市政建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程有限公司，上海市 200052；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市 201804）

0　引言

隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市機(jī)動(dòng)車擁有量迅速增加，越來(lái)越多的超載、重交通作用于現(xiàn)有路面鋪裝上，使得路面鋪裝性能快速下降，出現(xiàn)眾多病害，影響道路正常使用。路面封閉交通維修對(duì)交通影響大，因此路面鋪裝的快速維修越來(lái)越受到重視，要實(shí)現(xiàn)“快速”，主要有兩個(gè)途徑：一是采用預(yù)制工藝，簡(jiǎn)化路面現(xiàn)場(chǎng)的施工工序；二是使用能夠快速形成強(qiáng)度的材料，縮短封閉交通養(yǎng)生的時(shí)間[1]。超快硬水泥混凝土具有快硬、早強(qiáng)的特點(diǎn)[2]，因此相較一般路面修補(bǔ)材料具有更大的優(yōu)勢(shì)。尤其是在水泥混凝土路面大面積破壞時(shí)，相較瀝青、樹(shù)脂等有機(jī)類修復(fù)材料，水泥混凝土的修復(fù)效果更好[3]。但針對(duì)適用于路面快修的超快硬水泥混凝土性能及指標(biāo)并未有特別規(guī)定，只是仍沿用道路用硅酸鹽水泥規(guī)范。

1　常見(jiàn)路面快速修補(bǔ)料介紹

1.1　普通水泥混凝土和砂漿

對(duì)于水泥混凝土路面的破損，國(guó)內(nèi)最早采用的方法就是破除已損壞的水泥混凝土路面，然后澆筑與老路標(biāo)號(hào)相同或更高的混凝土。該方法雖然承載力可以滿足要求，但普通水泥混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)慢，養(yǎng)護(hù)時(shí)間一般在28 d，施工周期長(zhǎng)，不能滿足白天開(kāi)放交通的要求[4]。

1.2　瀝青混凝土

早期我國(guó)對(duì)瀝青混凝土路面的修復(fù)主要采用原路面配合比的瀝青混凝土或者采用瀝青灌入式面層修補(bǔ)[5]。部分水泥混凝土路面也有采用瀝青混凝土修復(fù)的經(jīng)驗(yàn)。雖然使用瀝青混泥土修復(fù)路面施工周期短，可以滿足時(shí)間要求，但瀝青混凝土存在強(qiáng)度低、對(duì)溫度要求高等缺點(diǎn)，對(duì)于破壞嚴(yán)重的路段并不能完全滿足修復(fù)要求。

1.3　超快硬水泥混凝土

超快硬水泥混凝土除具有普通水泥混凝土的一般特性外，還具有可塑性好、泌水性佳以及快速使用的特點(diǎn)。一般是以硅酸鹽水泥和適量磨細(xì)的石膏為主要成分，通過(guò)添加一定的外加劑進(jìn)行改性制成。能夠調(diào)節(jié)水泥的早期強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)路面的快速修復(fù)。缺點(diǎn)是干縮大，施工過(guò)程和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生水化熱，對(duì)養(yǎng)護(hù)條件要求高。與普通水泥混凝土和瀝青混凝土相比，超快硬水泥混凝土更適用于路面的快修。

2　超快硬水泥混凝土性能試驗(yàn)

超快硬水泥混凝土適用于路面快速維修，主要是由于其具有形成強(qiáng)度快、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度指標(biāo)嚴(yán)格把控。同時(shí)，超快硬水泥混凝土凝結(jié)時(shí)間快，應(yīng)合理調(diào)節(jié)水灰比和硬化時(shí)間，滿足混凝土的機(jī)械化施工要求。試驗(yàn)選取了一種C50超快硬水泥混凝土進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)及施工和易性試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)鋪試驗(yàn)段測(cè)定了其路用性能。

材料采用上海某公司產(chǎn)的水泥混凝土，水泥規(guī)格為P·Ⅱ52.5R，砂為中砂，骨料為5～20 mm碎石，外加減水劑。水泥混凝土各原材料配合比及用量見(jiàn)表1。

表1　C50超快硬水泥混凝土配合比

2.1　強(qiáng)度試驗(yàn)

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）[6]的規(guī)定，采用 15 cm×15 cm×15 cm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分別測(cè)定了C50超快硬水泥混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（溫度20℃±2℃，濕度95%以上）下養(yǎng)護(hù)2 h、3 h、6 h、1 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2。

表2　C50水泥混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

同時(shí)，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，采用15 cm×15 cm×60 cm的棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，分別測(cè)定了C50超快硬水泥混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)3 h、1 d、7 d、28 d的抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　C50水泥混凝土抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，超快硬水泥混凝土在3 h即可達(dá)到抗壓及抗折強(qiáng)度的一半，7 d可以達(dá)到28 d強(qiáng)度的80%以上，具有明顯早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

利用M TS材料試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)正弦波加載高低應(yīng)力模擬實(shí)際路面的疲勞受力狀況進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，加載方式采用四點(diǎn)彎曲，加載頻率取10 H z，相當(dāng)于車輛運(yùn)行速度為60 km/h時(shí)所產(chǎn)生正弦波的頻率。試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果如圖1和表4所示。

圖1　C50水泥混凝土四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

表4　C50水泥混凝土疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從C50水泥混凝土疲勞試驗(yàn)結(jié)果看，C50超快硬混凝土的抗疲勞性能良好，應(yīng)力比為0.42時(shí)的疲勞次數(shù)達(dá)到66 760，但是也可以看出隨著應(yīng)力比的增加，疲勞壽命急速降低，在應(yīng)力比為0.7時(shí)達(dá)到241次，說(shuō)明C50超快硬混凝土雖然強(qiáng)度大，和其他普通混凝土一樣有著相同的問(wèn)題——內(nèi)部存在大量的缺陷，在高應(yīng)力荷載循環(huán)下內(nèi)部缺陷發(fā)展迅速，因此施工時(shí)要特別注意混凝土的養(yǎng)生。

2.2　施工和易性試驗(yàn)

除了強(qiáng)度之外，施工和易性是影響水泥混凝土性質(zhì)的重要參數(shù)，尤其是對(duì)硬化快的超快硬水泥混凝土而言。本節(jié)從初凝時(shí)間和坍落度兩方面評(píng)定超快硬水泥混凝土的施工和易性。

水泥的凝結(jié)時(shí)間有初凝和終凝之分，初凝時(shí)間是指從水泥加水到開(kāi)始失去塑性的時(shí)間，而終凝時(shí)間是指從加水到完全失去塑性的時(shí)間。水泥的初凝時(shí)間影響了水泥混凝土的施工和易性，初凝時(shí)間過(guò)短則無(wú)法滿足施工要求。按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2002）[7]中規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)C50超快硬水泥混凝土進(jìn)行了初凝時(shí)間和坍落度的測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　C50水泥混凝土施工和易性測(cè)試結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，C50超快硬水泥混凝土測(cè)定初凝時(shí)間大于90 min，坍落度在（180±30）mm范圍內(nèi)，能夠滿足施工和易性的要求。

2.3　路用性能測(cè)試

對(duì)水泥混凝土進(jìn)行試鋪，進(jìn)行了路用性能試驗(yàn)。分別按照“擺式儀測(cè)定路面摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法”測(cè)定表面摩擦系數(shù)，按照“手工鋪砂法測(cè)定路面構(gòu)造深度試驗(yàn)方法”測(cè)定構(gòu)造深度，按照“3 m直尺測(cè)定平整度試驗(yàn)方法”測(cè)定路面平整度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　C50水泥混凝土路用性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，C50超快硬水泥混凝土路用性能一般，如不進(jìn)行拋丸等處理，并不能滿足路面表層使用性能。

3　超快硬水泥混凝土性能控制指標(biāo)

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)規(guī)范，從強(qiáng)度、施工和易性以及路用性能三個(gè)方面提出了適用于路面快速修復(fù)的超快硬水泥混凝土性能控制指標(biāo)，見(jiàn)表7，供工程參考。

表7　超快硬水泥混凝土性能控制指標(biāo)

4　超快硬水泥混凝土實(shí)際應(yīng)用

長(zhǎng)寧區(qū)雙流路道路設(shè)計(jì)為城市支路，路面寬14 m，雙流路（新漁東路—茅臺(tái)路）部分路段路面損壞嚴(yán)重。道路西側(cè)為公交車停車場(chǎng)，東側(cè)為環(huán)衛(wèi)所，車輛通行頻繁且均為重載車輛，由于重載交通以及高負(fù)荷交通運(yùn)行，該路段路面板塊損壞嚴(yán)重，存在擁包、龜裂等現(xiàn)象，造成行車不舒適，存在安全隱患，亟須快速維修。

換填瀝青混凝土以及普通水泥混凝土+瀝青面層等常規(guī)維修方案不能滿足該路段的快速維修要求，因此采用C50超快硬水泥混凝土，實(shí)現(xiàn)快速施工。

為防止超快硬水泥混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)鑄罐，采用現(xiàn)場(chǎng)攪拌車攪拌的施工工藝，如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)攪拌車設(shè)多個(gè)料倉(cāng)，分別裝有粗細(xì)骨料、水泥、水及外加劑等。

圖2　現(xiàn)場(chǎng)攪拌車示意圖

現(xiàn)場(chǎng)攪拌車一般采用體積法計(jì)量，攪拌前對(duì)材料密度進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定，各材料稱量完畢后通過(guò)運(yùn)輸帶輸送至攪拌設(shè)備中，加稱量好的水進(jìn)行攪拌。攪拌設(shè)備采用螺旋式攪拌葉片。攪拌車參數(shù)見(jiàn)表8。

表8　現(xiàn)場(chǎng)攪拌車參數(shù)表

因道路通行需求，雙流路為雙向兩車道，不能實(shí)行全封閉施工，且白天車流量較大，必須保證雙向兩車道通行，因此只能采取夜間20：00至次日6：00施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)攪拌車的攪拌能力，配合施工人員，一個(gè)夜間可生產(chǎn)混凝土40～50 m3，可以完成200 m2的路面修復(fù)。最終歷時(shí)5個(gè)夜間施工，完成了面積837 m2的雙流路的道路修復(fù)。

5　結(jié)語(yǔ)

（1）相較普通水泥混凝土和瀝青混凝土，超快硬水泥混凝土形成強(qiáng)度快、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)使其更適用于路面快速維修。

（2）除了強(qiáng)度外，初凝時(shí)間和坍落度也是控制超快硬水泥混凝土施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，初凝時(shí)間過(guò)短會(huì)嚴(yán)重影響施工和易性，大大降低施工質(zhì)量。

（3）配備快速施工設(shè)備，超快硬水泥混凝土完全能夠短時(shí)間內(nèi)完成路面修復(fù)目標(biāo)，改進(jìn)施工工藝以及施工設(shè)備，形成一整套的快速施工體系，是今后應(yīng)著力研究的方向。