水泥基路面修補材料的試驗研究

王 娜

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 前言

水泥混凝土作為一種高級路面材料，在國內道路工程中占有很大比例[1]。水泥混凝土路面的應用歷史相當悠久，可追溯到古老年代[2-5]。但是由于施工不合理、超重載車損壞等因素，導致路面過早失去使用功能。

近年來，國外水泥混凝土路面水泥基修補材料發展日新月異。美國ChemRex公司對薄層水泥基修補材料的研究，包括無聚合物Sonocrete Sonopath100(單組分)、The Roc Sp20噴射砂漿(纖維增強，含硅灰可噴射)等[6-7]。其他幾家美國公司也有比較深入的研究，包括Tectonite(單組分氧化鎂水泥)、Re-Crete(單組分)、Polyfast LPL(單組分改性聚合物)、Sika Top 123 Plus(雙組分改性聚合物)、Eucopatch(單組分)[8-10]等。

國內早期廣泛使用瀝青質材料作為水泥混凝土路面水泥基修補材料。隨著交通事業快速發展，國內研制出的補強型材料主要包括環氧樹脂、改性環氧樹脂、酚醛樹脂、改性酚醛樹脂類等。密封型材料包括聚氨醋類、烯類、橡膠類、瀝青類等粘合劑。但因價格昂貴不適合進行大面積水泥混凝土路面的修補，在快速修補領域存在局限性。另外國內目前常用特種水泥進行水泥混凝土道路快速修補，包括快硬硅酸鹽水泥、高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥、磷酸鎂水泥、氟鋁酸鹽水泥以及偏高嶺土水泥等[11-12]。一些經特種水泥改性后的快速水泥基修補材料，會隨時間及環境變化出現后期強度倒縮、耐磨性降低和新舊混凝土之間粘結性能較差的問題[13]。

2 設計思路

本文針對水泥混凝土路面快速水泥基修補材料問題，選用快硬性硫鋁酸鹽水泥對水泥基修補材料進行改性。按照交通部現行規范《公路水泥混凝土路面養護技術規范》(JTJ 073.1—2001)[14]規定的水泥基修補材料技術要求開展研發；結合水泥基修補材料的道路修補適用性，選擇凝結時間、流動性、早期強度三個指標對水泥基修補材料進行性能評價。

3 原材料

(1)普通硅酸鹽水泥

選用北京金隅牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥(代號P.O)，主要性能指標:標準稠度用水量28.5%，安定性合格；初凝時間124 min，終凝時間315 min；抗壓強度3 d為26.0 MP，28 d為48.5 MPa；抗折強度3 d 為3.9 MPa，28 d為7.1 MPa。

(2)快硬硫鋁酸鹽水泥

選用河北省北極熊牌42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥(代號R.SAC)，主要性能指標:初凝時間為22 min，終凝時間170 min；抗壓強度3 d為42.5 MPa，28 d為45.1 MPa；抗折強度3 d 為7.0 MPa，28 d 為7.5 MPa。

(3)膨脹劑

選用天津豹鳴UEA-Ⅰ型膨脹劑，可促使水泥基修補材料產生較多的鈣礬石晶體，減少體積收縮，增強硬化后的體積穩定性[15]，常用摻量一般為4%～20%。

(4)減水劑

選用聚羧酸高性能減水劑，推薦摻量1%～1.5%。

(5)消泡劑

消泡劑為白色固體粉末，推薦摻量0.2%～0.4%。

(6)砂

選用廈門艾思歐標準砂有限公司生產的標準中級砂，粒度0.5～1.0 mm。

4 水泥基修補材料早期性能研究

4.1 水泥基修補材料凝結時間

依據交通部現行規范《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420—2020)，選用普通硅酸鹽水泥與快硬硫鋁酸鹽水泥進行復配，內摻10%膨脹劑、1.5%減水劑、0.4%消泡劑，水膠比0.33作為水泥基修補材料進行試驗，試驗數據匯總于表1。

表1 水泥基修補材料凝結時間和工作性

由表1和圖1可知，隨快硬硫鋁酸鹽水泥比例增加，水泥基修補材料凝結時間呈現縮短的趨勢，初凝時間從最初的大于480 min縮短至27 min，終凝時間從最初的大于480 min縮短至37 min。當硫鋁酸鹽水泥占復配水泥比例小于20%時，因初凝時間過長無法作為快速水泥基修補材料使用；快硬硫鋁酸鹽水泥占復配水泥的20%～30%時，水泥基修補材料初凝時間在120 min左右，基本滿足實際施工需要；當快硬硫鋁酸鹽水泥占復配水泥比例大于50%時，初凝時間小于60 min，且水泥基修補材料流動性快速降低，漿體發生閃凝現象，無法在道路修補施工中使用。綜上，為滿足實際施工需要，快硬硫鋁酸鹽水泥占復配水泥比例應控制在20%～30%之間。

圖1 水泥基修補材料凝結時間及凈漿流動度

4.2 水泥基修補材料流動性

選擇凈漿流動度作為評價水泥基修補材料的流動性指標，由表1可知:隨快硬硫鋁酸鹽水泥占比增加，水泥基修補材料的流動性呈現先小幅度上升后再逐漸下降的趨勢。當快硬硫鋁酸鹽水泥占比在30%以下時，水泥基修補材料的流動性較好，可以保證凈漿流動度在240 mm以上。為保證水泥基修補材料能飽滿地灌入裂縫之中，施工中一般灌縫材料的流動度不宜小于240 mm。

4.3 水泥基修補材料早期強度

《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTGD40—2011)[16]要求水泥基修補材料的強度應與原混凝土路面強度大致相當，水泥基修補材料的抗彎拉強度根據道路交通等級不同控制在4.0～5.0 MPa，而相應的抗壓強度則控制在25.0～35.0 MPa。試驗設計值為早期抗折強度大于5.0 MPa，早期抗壓強度大于25 MPa，試驗數據見表2。

4.3.1 水泥基修補材料早期抗折強度

由圖2可知:

圖2 水泥基修補材料早期抗折強度

(1)當快硬硫鋁酸鹽水泥所占比例小于40%時，水泥基修補材料的早期抗折強度隨快硬硫鋁酸鹽水泥比例增加而提高，當快硬硫鋁酸鹽水泥所占比例高于40%則出現不規律性變化。

(2)水泥基修補材料24 h最大抗折強度為5.6 MPa，高于規范中普通水泥混凝土抗彎拉強度5.0 MPa；隨著水化過程的進行， 48 h 后的2∶8、3∶7、4∶6、7∶3四個比例的修補料抗折強度均達到規范要求標準。

(3)隨水化反應時間增加，膠凝材料的水化速率逐步降低，抗折強度增加量逐漸減小，但其3 d抗折強度仍有小幅度增加。

4.3.2 水泥基修補材料早期抗壓強度

由圖3可知:

圖3 水泥基修補材料早期抗壓強度

(1)當快硬硫鋁酸鹽水泥所占比例低于50%時，抗壓強度隨著快硬硫鋁酸鹽水泥比例的增加而提高。當快硬硫鋁酸鹽水泥所占比例高于50%時，由于快硬硫鋁酸鹽水泥的摻量較大，產生瞬凝現象，致使部分材料的內部存在孔洞，在數據上表現為不規律的變化。

(2)快硬硫鋁酸鹽水泥所占比例為50%的時候，水泥基修補材料的24 h抗壓強度達到最高36 MPa；48 h后快硬硫鋁酸鹽水泥所占比例為0%的配比只達到21 MPa，而其余配比均超過規范要求的25 MPa。

(3)水泥基修補材料3 d齡期的抗壓強度持續增長但速率降低。快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥在復配體系的水泥基修補材料中，快硬硫鋁酸鹽因水化過程削減了Ca(OH)2的濃度，降低了普通硅酸鹽水泥漿體堿度，使得C3S水化速度顯著提高。試驗結果表明，水泥基修補材料顯著的水化速度可有效改善普通硅酸鹽水泥早期抗壓強度較低的問題。

5 水泥基修補材料的長期性能研究

5.1 水泥基修補材料的長期強度發展規律

選定快硬硫鋁酸鹽水泥占比為20%、30%的水泥基修補材料，測試其路用性能指標，并與不添加快硬硫鋁酸鹽水泥的對照組進行抗折強度、抗壓強度進行比較，試驗結果見表3。

表3 水泥基修補材料的長期抗折及抗壓強度

當R.SAC占比20%，材料早期抗折強度迅速發展，3 d時達到6.8 MPa，之后增加速率降低，28 d時達到11.5 MPa，為材料中強度最高值；當R.SAC占比30%，3 d抗折強度最高，之后強度增長速度較慢，齡期28 d為11.2 MPa。

兩種配比材料7 d內的抗壓強度增長速度均較快，7～28 d齡期之間，抗壓強度增長幅度不大。快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥比例為2∶8的組分在7 d、28 d抗壓強度均最高，7 d抗壓強度達到55 MPa，28 d抗壓強度達到60 MPa。

試驗數據表明，快硬硫鋁酸鹽水泥可明顯提高水泥基修補材料的早期水化速率，使早期抗折強度、抗壓強度快速提升，3 d之后強度增長速率開始逐漸下降，但28 d齡期其抗折強度、抗壓強度仍高于未添加快硬硫鋁酸鹽水泥的組分。

5.2 水泥基修補材料的界面粘結強度

驗證水泥基修補材料與水泥路面裂縫兩側舊混凝土的粘結性能。圖4為裂縫兩側為已折斷的28 d齡期普通水泥標準膠砂試塊，中間縫隙5 mm。縫隙清理干凈后用純凈水潤濕，灌入攪拌好的水泥基修補材料，待水泥基修補材料硬化后放入標養室養護。在24 h、48 h、3 d、7 d、28 d 齡期測試界面粘結強度，數據見表4。

圖4 修補料粘結示意

表4 水泥基修補材料界面粘結強度 MPa

從試驗數據分析，24 h齡期的界面粘結強度，添加快硬硫鋁酸鹽水泥與不添加的水泥基修補材料差值較大，不添加快硬硫鋁酸鹽水泥材料僅為1.9 MPa，而添加了快硬硫鋁酸鹽水泥的膠凝材料則達3.5 MPa，強度值高出近1倍；而均添加了快硬硫鋁酸鹽水泥的兩組，在強度上則相差不大。在48 h齡期時，不添加快硬硫鋁酸鹽水泥的膠凝材料只達到3.0 MPa，低于開放交通所要求的4.5 MPa；而添加了快硬硫鋁酸鹽水泥的兩組膠凝材料均滿足要求，三組材料界面粘結強度在28 d齡期內均有穩定上升趨勢。

5.3 水泥基修補材料的自然干燥收縮

參照《水泥膠砂干縮試驗方法》，檢測水泥基修補材料的干縮率。圖5中:P1組為不添加硫鋁酸鹽水泥組分；R1為快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥比例為2∶8的組分；R2為快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥比例為3∶7的組分；W1為R2組不添加膨脹劑的組分。

圖5 水泥基修補材料收縮變化規律

上述四組材料3 d齡期干燥收縮率大小為R2＜R1＜P1＜W1，其中3∶7復配比例的組分干燥收縮率最低。快硬硫鋁酸鹽水泥的添加，對材料的干燥收縮起到了一定的抑制作用，降低了其收縮率。四組不同配比材料早期的干燥收縮率均較高，隨著齡期的增加，干燥收縮率增幅逐漸下降，28 d齡期之后僅有小幅度增加，說明材料的干燥收縮現象在溫度(20±2)℃、相對濕度(60±5)%的恒定環境下，主要發生在28 d齡期之內，28 d之后變化幅度非常小，甚至接近于停止。

6 結論

本文主要針對路面裂縫水泥基修補材料進行試驗，獲得水泥基修補材料配合比并得出以下結論:

(1)快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥復配的水泥基修補材料，兼顧了快硬硫鋁酸鹽水泥的早強快硬特性與普通硅酸鹽水泥穩定性。

(2)當快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥比例為3∶7時，表現出較好的施工性能與路用性能。

(3)針對輕微裂縫的水泥基修補材料，選擇水膠比0.33、內摻膨脹劑10%、復配水泥比例2∶8～3∶7的配比，凝結時間在2 h左右，可滿足48 h通車要求且具有較好的修補效果。