超早強(qiáng)無收縮路面搶修材料力學(xué)性能影響因素的研究

許建國(guó)

（聊城市公路工程總公司，山東 聊城 252000）

隨著我國(guó)公路交通運(yùn)輸量的增長(zhǎng)，車量超載等帶來的道路超負(fù)荷使用，大大縮短了混凝土路面使用壽命。由于現(xiàn)在交通網(wǎng)的需求，對(duì)在使用的道路進(jìn)行路面修補(bǔ)時(shí)，不允許長(zhǎng)時(shí)間封閉交通，尤其是高速公路和城市道路[1]。因此，國(guó)內(nèi)外在路面快速修補(bǔ)技術(shù)及修補(bǔ)材料方面開展了系統(tǒng)研究。例如，美國(guó)開發(fā)的“派拉蒙特”（Pyrament）混合水泥拌制的混凝土[2]，4h 抗壓強(qiáng)度達(dá)到 13.4MPa。Whiting, D. 等用快硬的硫鋁酸鹽水泥配制24h 抗壓強(qiáng)度達(dá) 28MPa 的公路快速修補(bǔ)混凝土[3]。隨著水泥技術(shù)的發(fā)展，各種新型特種水泥也相繼在混凝土路面的快速修補(bǔ)中得到了應(yīng)用，滿足開放交通的要求。

但現(xiàn)有的路面搶修材料還存在硬化速度慢、收縮大、與舊路面結(jié)合差、復(fù)修率高等問題，極易引起反復(fù)修補(bǔ)。針對(duì)上述問題，本文研發(fā)了一種基于硅酸鹽水泥/硫鋁酸鹽水泥復(fù)合膠凝體系的超早強(qiáng)路面搶修材料，輔以雙膨脹源高性能膨脹劑作為體積穩(wěn)定性抗裂增強(qiáng)關(guān)鍵材料，主要研究了膠凝材料體系、養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)搶修材料工作性、力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）硅酸鹽水泥（OPC），P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積 330m2/kg，其化學(xué)組成見表 1，物理性能見表 2。

（2）硫鋁酸鹽水泥（SAC），SAC52.5R 硫鋁酸鹽水泥，比表面積 474 m2/kg，其化學(xué)組成見表 1，物理性能見表 2。

表2 水泥物理性能

（3）膨脹劑，硫鋁酸鈣－氧化鈣雙膨脹源膨脹劑，性能符合 GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中的Ⅱ型產(chǎn)品要求，水中 7d 限制膨脹率 0.065%。

（4）碳酸鋰、硼酸，分析純化學(xué)試劑。

（5）減水劑，粉狀聚羧酸減水劑，減水率 38%。

（6）砂，石英砂，10～20 目、20～40 目、40～70目級(jí)配砂。

（7）石，5～15mm 碎石。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù) JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》，研究 OPC/SAC 比對(duì)超早強(qiáng)無收縮路面搶修材料流動(dòng)度的影響。

依據(jù) GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》，研究 OPC/SAC 比、碳酸鋰/硼酸比及養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)超早強(qiáng)無收縮路搶修材料早期抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度的影響。

依據(jù) GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，研究骨料對(duì)超早強(qiáng)路面無收縮搶修材料抗壓強(qiáng)度的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 OPC/SAC 比對(duì)路面搶修材料流動(dòng)度的影響

OPC/SAC 比對(duì)路面搶修材料流動(dòng)度的影響見表3。由表 3 可以看出，超早強(qiáng)無收縮路面搶修材料流動(dòng)度在 295～320mm，工作性能良好。隨著 OPC/SAC 比的降低，即硫鋁酸鹽水泥用量增加，路面搶修材料的流動(dòng)度呈減小趨勢(shì)，但降幅不大。

表3 OPC/SAC 比對(duì)流動(dòng)度的影響

2.2 OPC/SAC 比對(duì)路面搶修材料早期強(qiáng)度的影響

OPC/SAC 比對(duì)路面搶修材料早期強(qiáng)度的影響見表 4和圖 1、圖 2。

表4 OPC/SAC 比對(duì)抗折強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 OPC/SAC 比對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由表 4 和圖 1～2 可知，隨著 OPC/SAC 比的降低，硅酸鹽水泥減少、硫鋁酸鹽水泥增加，超早強(qiáng)無收縮路面搶修材料抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均是先增加后降低。強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)由硅酸鹽水泥體系特征逐漸向硫鋁酸鹽水泥體系特征轉(zhuǎn)變，凝結(jié)硬化加快，尤其是 1h、2h 早期強(qiáng)度，由無法硬化到快速硬化從而實(shí)現(xiàn)超早強(qiáng)。OPC/SAC 為 4/6 是一個(gè)拐點(diǎn)，此時(shí)路面搶修材料的早期強(qiáng)度最佳。

2.3 碳酸鋰/硼酸比對(duì)路面搶修材料早期強(qiáng)度的影響

碳酸鋰/硼酸比對(duì)路面搶修材料早期強(qiáng)度的影響見表 5 和圖 3、圖 4。

圖2 OPC/SAC 比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

表5 碳酸鋰/硼酸比對(duì)抗折強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 碳酸鋰/硼酸比對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖4 碳酸鋰/硼酸比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

碳酸鋰是硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合膠凝體系的早強(qiáng)劑，硼酸則是充當(dāng)緩凝劑的角色。通過調(diào)整二者比例，可以控制 OPC/SAC 復(fù)合膠凝體系的凝結(jié)硬化。由表 5 和圖 3～4 可知，隨著碳酸鋰/硼酸比的增加，碳酸鋰摻量增加，1h 抗折強(qiáng)度有減小的趨勢(shì)，2h 與 1d 抗折強(qiáng)度均相差不多。1h抗壓強(qiáng)度有減小的趨勢(shì)，2h 與1d 抗壓強(qiáng)度均有所提高。因此，碳酸鋰/硼酸比也存在一個(gè)拐點(diǎn)，當(dāng)碳酸鋰摻量超過拐點(diǎn)時(shí)，早期 OPC/SAC復(fù)合膠凝體系的凝結(jié)硬化反而減緩。

2.4 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)路面搶修材料早期強(qiáng)度的影響

養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)超早強(qiáng)無收縮路面搶修材料早期強(qiáng)度性能的影響見表 6 和圖 5、圖 6。

表6 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)抗折強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖6 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由表 6 和圖 5～6 可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和低溫養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度發(fā)展大致相同，20℃ 試塊強(qiáng)度稍微高一些。原因在于二者入模溫度差不多，對(duì)于 40mm×40mm×160mm 的試塊，隨著反應(yīng)的發(fā)生，由于水泥基材料導(dǎo)熱不良，產(chǎn)生的熱量能被積聚在內(nèi)部，從而基本不影響早期強(qiáng)度的發(fā)展。在低溫季節(jié)施工時(shí)，需要采取熱水?dāng)嚢瑁员ＷC混凝土入模溫度。高溫養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度則顯著增加，這是因?yàn)楦邷啬艽蟠蟠龠M(jìn)材料的水化反應(yīng)速度，3h 基本快達(dá)到試塊的最終強(qiáng)度了。高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)早期強(qiáng)度，尤其是 3h 強(qiáng)度的發(fā)展是非常有利的，冬季施工的時(shí)候一定要做好電熱毯養(yǎng)護(hù)工作。

2.5 骨料對(duì)路面搶修材料早期強(qiáng)度的影響

骨料對(duì)超早強(qiáng)無收縮路面搶修材料早期強(qiáng)度的影響見表 7。

表7 骨料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響 MPa

由表 7 可知，加入粗骨料以后路面搶修材料的 1h強(qiáng)度和 2h 強(qiáng)度都有所降低，原因在于混凝土強(qiáng)度到了C60 以上后，混凝土抗壓破壞已經(jīng)從界面破壞轉(zhuǎn)變成石子本身破壞，與石英砂相比，石灰?guī)r碎石的強(qiáng)度已經(jīng)滿足不了要求。因此，路面搶修材料應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要選擇所需骨料。

3 結(jié)論

（1）隨著 OPC/SAC 比的降低，路面搶修材料的流動(dòng)度呈減小趨勢(shì)，但降幅不大。早期強(qiáng)度隨著OPC/SAC 比的減小先增加再降低，OPC/SAC 為 4/6 是一個(gè)拐點(diǎn)，此時(shí)該種路面搶修材料的早期強(qiáng)度最佳。

（2）隨著碳酸鋰/硼酸比的增加，碳酸鋰摻量增加，1h 抗折強(qiáng)度減小，2h 與 1d 抗折強(qiáng)度均相差不多；1h 抗壓強(qiáng)度減小，2h 與 1d 抗壓強(qiáng)度均有所提高。

（3）高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)早期強(qiáng)度，尤其是 3h 強(qiáng)度的發(fā)展是非常有利的，冬季施工的時(shí)候一定要做好電熱毯養(yǎng)護(hù)工作。

（4）骨料品質(zhì)直接影響路面搶修材料的強(qiáng)度等級(jí)。