水泥混凝土路面快速修補材料研究綜述

陳志勇

（福建東南市政勘察設計有限公司，福州 350001）

1 前言

近年來,隨著惠民政策力度不斷地加大,全國已基本實現“村村通公路”的總體目標。 混凝土與瀝青結構是目前常見的兩種路面結構形式。 混凝土結構路面因具有水穩定性好、承載力高、耐高溫、材料廉價等優勢,得到了廣泛使用。 據統計,目前混凝土結構路面占總通車里程數的75%左右。

盡管水泥混凝土路面具有眾多優點, 但仍存在一些缺陷,可歸為以下3 方面：(1)大型車輛及超載車輛不斷增加,使得原有的路面結構滯后于當前的交通量發展速度；(2)早期路面施工主要以人工為主,機械為輔,使得施工過程中質量得不到充分保證；(3)部分承包商一味地追求經濟利益,使用不合格的原材料,以次充好,未嚴格按照施工規范標準實施,導致路面未開放交通,就出現各種病害。種種不利因素均會影響路面的正常使用功能, 若得不到有效,控制,將會給社會經濟發展帶來阻礙。

2 快速修補材料研究現狀

目前水泥混凝土路面修補材料可分為無機水泥類、有機類和有機無機混合材料3 類[1]。

2.1 無機水泥類修補材料

無機水泥類修補材料是指在各類不同的水泥中加入外加劑等材料配合而成的具有不同性能的材料。 根據材料成分不同, 可分為以特種水泥為主的修補砂漿和水泥基中摻入其他無機礦物兩類。

目前國內外有不少學者研究了不同性能的無機水泥類修補材料,如Whiting.D.等[2]研制了以硫酸鹽水泥為原料的路面快速修補材料, 其24h 抗壓強度可以達到28MPa 以上；A Tafraoui 等[3]在普通混凝土中加入適量的偏高嶺土混合物,該類材料具有優異的耐久性能,可改善其物理力學性能。 鄧毅等[4]研究了砂率、濕度等參數變化對混凝土路面快速修補材料的影響, 可為路面養護工作提供施工指導依據；何立斌等[5]充分利用硫鋁酸鹽特性,研制了適用于寒冷地區路面破損快速修復的材料； 黃義雄等[6]研制出了一種新型外加劑,摻入到磷酸鎂水泥中,可配制出120 min 左右就能滿足通車要求的修補材料。

無機類水泥快速修補材料具有成本低、 易于施工操作、與舊結構相容性好等優點,但同時也存在與舊結構粘結強度低、后期維護費用成本高等缺點。無機類快速修補材料特點見表1。

表1 無機類水泥快速修補材料特點

2.2 有機修補材料

有機類快速修補材料是指以有機物為母材, 通過合成等方式產生的新型材料,主要以環氧樹脂、改性瀝青為主。

改性瀝青混合料是一種最為普通的裂縫修補材料,因其具有施工簡易、 短期內可開放交通等優勢受到了廣泛的青睞,但也存在如強度無法滿足原設計要求,使得使用年限短、整體性能差等缺陷[7]；環氧樹脂修補材料具有顯著的粘結力特點,P Carballeira 等[8]研究發現采用環氧樹脂作為舊混凝土路面修補材料, 其修補后的拉伸強度和彈性模量都有所改善；葉嬌鳳等[9]研究表明,增加適量的腈橡膠可改善環氧樹脂的粘結力、抗拉等力學性能；張文靜等[10]通過試驗法分析了砂石比、骨膠比等不同參數含量的變化對聚氨酯混凝土修補材料的性能影響； 彭全敏采用正交試驗法,配制出砂、石、水泥、聚氨酯、固化劑等不同含量對修補材料的性能參數影響規律[11]。

可見, 有機類快速修補材料具有粘結力強、 抗耐久性、抗滲性良好等優點、能夠在短期內強度達到車輛開放要求。 但該材料易老化、價格昂貴、有毒性,無法廣泛推廣應用。 有機類快速修補材料性能見表2。

表2 有機類水泥快速修補材料特性

2.3 有機無機混合料

有機無機混合料是指采用一種或多種不同的有機料與無機料按照一定的比例混合而成的新型材料, 是當前研究較為熱門的一種路面修補材料, 該材料充分集合了有機、無機修補料的優勢,是一種較為理想的路面修補材料。 如黃從運等[12]研制了一種丁苯乳液改性水泥砂漿的材料,可實現快硬、早強等特點,且便于現場實施操作；黃梅等[13]利用普通硅酸鹽水泥、二水石膏等為材料,摻入適量的減水劑和乳膠粉,研制出可實現2h 內抗壓強度可達到30MPa 的新材料；周華新等[14]在鋁酸鹽水泥中摻入適量的緩凝劑、高性能減水劑等,通過試驗分析表明該修補砂漿材料具有耐久性好、體積穩定性等優點。

通過歸納總結關于有機無機混合料修補材料研究成果可見,這種混合材料可充分發揮了有機、無機材料的優勢,具有優越的性能,是當前較為理想的材料,經得起實際檢驗并得到了大量應用。

3 快速修補材料的性能要求

3.1 材料強度

快速修補材料應具有足夠的強度, 能滿足修復后車輛行駛要求。 當前市面上修補材料品種多樣,各類性能指標也不同。 依據《公路水泥混凝土路面設計規范》[15]要求,修補材料的最低抗折強度、抗壓強度應與母材相同,才能保證與原結構路面一起承受外來荷載。 普通路面通車強度要求見表3。

表3 普通混凝土路面設計抗壓、抗折強度

3.2 凝結時間

路面修補施工的最大特點是盡可能不影響正常交通秩序或將影響降到最低, 這就要求修補材料具有早期強度高、早硬等特征,以便修復完成后盡快放行。 常規的普通混凝土砂漿終凝時間長、且前期強度低,不具備作為修復材料的可行性。 因此,要求路面快速修補材料必須具備滿足工作和易性的同時還要滿足初凝時間不低于拌和、運輸、振搗等總時間(30min 左右),終凝時間不長于2h。

3.3 粘結強度

修補材料的粘結力特性是影響水泥混凝土路面修復質量的重要因素之一, 新舊混凝土修復界面經常會出現振搗不密實、積水等現象,導致界面成為整個路面最薄落的環節,一段時間后又出現開裂、破壞等病害。 這就要求修補材料必須具有足夠的粘結力,保證新、舊界面能夠協同工作、共同受力,如果修補材料具有較好的抗壓、抗折能力,但粘結力不足,修復后的結構路面短期內仍會有新的病害產生。 目前,國內外對于修補材料界面的粘結指標要求還沒有形成統一的規范標準要求, 主要是參照材料的抗壓、抗剪和抗折粘結強度。

3.4 收縮性

通過大量的市場調查發現, 普遍快速修補材料后期均有出現較為明顯的收縮性, 造成修補界面出現不同程度的裂痕,甚至裂紋,主要是因為這類材料早期大量熱量分散,而舊結構路面基本沒有熱量分散,使得新舊界面出現單一的收縮應變, 當材料應力大于材料的抗拉應力時,結構就出現裂縫。 因此,修補材料的收縮性能指標是決定路面修補質量的關鍵參數之一, 要求修補材料的收縮率盡可能地小,以有效延長路面的修補壽命。

3.5 耐久性

大量的試驗研究結果表明, 混凝土路面截面出現蜂窩、 麻面等病害現象很大程度上是因為修補材料長期暴露在空氣中,與周邊的環境(水、氧氣、陽關、溫度)不斷地交替變化發生各種反應所產生的, 與材料的耐久性息息相關。因此,作為路面修補材料必須具有足夠的耐久性,從而延長修補壽命。

4 水泥混凝土路面快速修復工藝及方法研究

優質的修補材料與科學施工是影響混凝土路面修補質量的兩個主要因素。 以往的水泥路面一般是邊鑿除邊修補,這種方法不僅質量得不到保障且費力費時,還會造成交通堵塞,對社會影響不可估量。因此,在重視研制新型修補材料的同時,也應該注重施工工藝、方法及注意事項。 本節分別從施工工藝、病害修補方法兩方面展開論述[16-17]。

4.1 修補工藝

(1)測量放樣。 結合檢測報告與現場病害復核位置,根據病害嚴重程度及類型采取對應的修復對策。 應在病害位置往四周擴展不低于10cm 以上劃定為修補范圍,若遇到狹長裂縫病害, 可選擇其一側板塊進行鑿除的修補方式。

(2)切割。在放樣的基礎上,根據實際病害情況,采用不同直徑切割片對修補區進行切割, 根據現場經驗及理論力學,建議破損范圍切割成矩形狀,且長、寬邊長度不得小于35cm,可改善修補區域的受力性能。

(3)清理。 盡可能選用小振幅風鎬等機械對切割區域的混凝土進行鑿除、破碎,以便于工人清理,不留殘渣,并對其清洗干凈。

(4)路基處理。 一般情況下,路面出現各種塌陷、擠泥、錯臺等病害,主要是與該位置下的路基強度不夠或出現不均勻沉降有關。 有必要對其該位置處的路基進行夯實或填充堅硬的碎石等材料,保證路基滿足設計承載力要求。

(5)新舊混凝土界面處理。路基處理好后,一方面,將界面處理劑均勻涂刷在鑿除舊混凝土路面的四周及底面層或水泥漿材料。另一方面,在鑿除破損路面時,應向下呈內擴展鑿除,且將四周鑿成粗糙不平的鋸齒狀,以便新舊結構更好的粘結成一體。

(6)修補料澆筑。 嚴格按照設計要求的配合比,拌制快速修補料,澆筑破損處。 當厚度較大時,宜分層填筑、分層振搗,保證澆筑的密實度,各個施工前后工序應銜接緊密,嚴格控制時間在初凝前將表面振搗、抹平完畢,并在終凝前刻紋結束。

(7)養護。 嚴格執行相關養護規定,保證養護期間修補面處于保濕狀態, 宜采用草袋等吸水性強的材料覆蓋,嚴禁采用圍水養護。 參照預留的試驗塊或根據現場混凝土回彈強度情況決定路面開放時間。

4.2 快速修補方法

根據路面出現的不同病害情況及形狀, 可將路面快速修補方法分為以下4 大類。

(1)條狀罩面法。 條狀罩面法是指將破損處一定范圍外的缺陷路面鑿除,并清洗干凈,之后灌注快速修補料的一種方法。 該方法適用于路面出現錯位、蜂窩等病害修補。

(2)擴縫粘結法。 擴縫粘結法適用于路面出現不同類型的裂縫,其主要施工方法是沿著裂縫的寬度擴大,然后打入高性能粘結力膠體材料,可實現快速開放交通,且處置效果良好。

(3)全厚修補法。 全厚修補法是指將破損的混凝土板塊全部鑿除,并對下部路基進行處理,直至達到設計承載力要求后再澆筑路面層的一種修補方法。 該方法需要對交通進行短暫的封閉, 主要用于大面積的混凝土面板破碎、塌陷等病害修補。

(4)注漿法。注漿法適用于板底脫空、擠泥等路面病害修復。 其主要原理是在板塊上鉆孔,以便向板底壓入超細早強混凝土材料, 從而使得板塊抬高到原有的路面層位置,以恢復正常交通通行。

5 結語

為了更好地讓交通運輸網服務于當前社會經濟發展,相關部門不僅要抓好水泥混凝土路規劃、設計、施工、養護、運營等各個環節的質量,還要鼓勵科研機構、研究學者大膽探索新型材料、施工技術、方法等先進技術用于路面快速修補,以縮短恢復社會車輛正常通行時間,為社會的持久穩定發展提供保障。