水泥基路面修補(bǔ)材料的試驗(yàn)研究

王 娜

(中鐵建設(shè)集團(tuán)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(nèi)道路工程中占有很大比例[1]。水泥混凝土路面的應(yīng)用歷史相當(dāng)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(dǎo)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(bǔ)材料發(fā)展日新月異。美國ChemRex公司對薄層水泥基修補(bǔ)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(qiáng)，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(nèi)早期廣泛使用瀝青質(zhì)材料作為水泥混凝土路面水泥基修補(bǔ)材料。隨著交通事業(yè)快速發(fā)展，國內(nèi)研制出的補(bǔ)強(qiáng)型材料主要包括環(huán)氧樹脂、改性環(huán)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(jìn)行大面積水泥混凝土路面的修補(bǔ)，在快速修補(bǔ)領(lǐng)域存在局限性。另外國內(nèi)目前常用特種水泥進(jìn)行水泥混凝土道路快速修補(bǔ)，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(jīng)特種水泥改性后的快速水泥基修補(bǔ)材料，會隨時間及環(huán)境變化出現(xiàn)后期強(qiáng)度倒縮、耐磨性降低和新舊混凝土之間粘結(jié)性能較差的問題[13]。

2 設(shè)計(jì)思路

本文針對水泥混凝土路面快速水泥基修補(bǔ)材料問題，選用快硬性硫鋁酸鹽水泥對水泥基修補(bǔ)材料進(jìn)行改性。按照交通部現(xiàn)行規(guī)范《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTJ 073.1—2001)[14]規(guī)定的水泥基修補(bǔ)材料技術(shù)要求開展研發(fā)；結(jié)合水泥基修補(bǔ)材料的道路修補(bǔ)適用性，選擇凝結(jié)時間、流動性、早期強(qiáng)度三個指標(biāo)對水泥基修補(bǔ)材料進(jìn)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(biāo):標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度3 d為26.0 MP，28 d為48.5 MPa；抗折強(qiáng)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(biāo):初凝時間為22 min，終凝時間170 min；抗壓強(qiáng)度3 d為42.5 MPa，28 d為45.1 MPa；抗折強(qiáng)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(bǔ)材料產(chǎn)生較多的鈣礬石晶體，減少體積收縮，增強(qiáng)硬化后的體積穩(wěn)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?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)中級砂，粒度0.5～1.0 mm。

4 水泥基修補(bǔ)材料早期性能研究

4.1 水泥基修補(bǔ)材料凝結(jié)時間

依據(jù)交通部現(xiàn)行規(guī)范《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)，選用普通硅酸鹽水泥與快硬硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行復(fù)配，內(nèi)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(bǔ)材料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總于表1。

表1 水泥基修補(bǔ)材料凝結(jié)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(bǔ)材料凝結(jié)時間呈現(xiàn)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(dāng)硫鋁酸鹽水泥占復(fù)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(bǔ)材料使用；快硬硫鋁酸鹽水泥占復(fù)配水泥的20%～30%時，水泥基修補(bǔ)材料初凝時間在120 min左右，基本滿足實(shí)際施工需要；當(dāng)快硬硫鋁酸鹽水泥占復(fù)配水泥比例大于50%時，初凝時間小于60 min，且水泥基修補(bǔ)材料流動性快速降低，漿體發(fā)生閃凝現(xiàn)象，無法在道路修補(bǔ)施工中使用。綜上，為滿足實(shí)際施工需要，快硬硫鋁酸鹽水泥占復(fù)配水泥比例應(yīng)控制在20%～30%之間。

圖1 水泥基修補(bǔ)材料凝結(jié)時間及凈漿流動度

4.2 水泥基修補(bǔ)材料流動性

選擇凈漿流動度作為評價水泥基修補(bǔ)材料的流動性指標(biāo)，由表1可知:隨快硬硫鋁酸鹽水泥占比增加，水泥基修補(bǔ)材料的流動性呈現(xiàn)先小幅度上升后再逐漸下降的趨勢。當(dāng)快硬硫鋁酸鹽水泥占比在30%以下時，水泥基修補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)材料早期強(qiáng)度

《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD40—2011)[16]要求水泥基修補(bǔ)材料的強(qiáng)度應(yīng)與原混凝土路面強(qiáng)度大致相當(dāng)，水泥基修補(bǔ)材料的抗彎拉強(qiáng)度根據(jù)道路交通等級不同控制在4.0～5.0 MPa，而相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度則控制在25.0～35.0 MPa。試驗(yàn)設(shè)計(jì)值為早期抗折強(qiáng)度大于5.0 MPa，早期抗壓強(qiáng)度大于25 MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

4.3.1 水泥基修補(bǔ)材料早期抗折強(qiáng)度

由圖2可知:

圖2 水泥基修補(bǔ)材料早期抗折強(qiáng)度

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

(2)水泥基修補(bǔ)材料24 h最大抗折強(qiáng)度為5.6 MPa，高于規(guī)范中普通水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度5.0 MPa；隨著水化過程的進(jìn)行， 48 h 后的2∶8、3∶7、4∶6、7∶3四個比例的修補(bǔ)料抗折強(qiáng)度均達(dá)到規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)。

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

4.3.2 水泥基修補(bǔ)材料早期抗壓強(qiáng)度

由圖3可知:

圖3 水泥基修補(bǔ)材料早期抗壓強(qiáng)度

(1)當(dāng)快硬硫鋁酸鹽水泥所占比例低于50%時，抗壓強(qiáng)度隨著快硬硫鋁酸鹽水泥比例的增加而提高。當(dāng)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(chǎn)生瞬凝現(xiàn)象，致使部分材料的內(nèi)部存在孔洞，在數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為不規(guī)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(bǔ)材料的24 h抗壓強(qiáng)度達(dá)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(dá)到21 MPa，而其余配比均超過規(guī)范要求的25 MPa。

(3)水泥基修補(bǔ)材料3 d齡期的抗壓強(qiáng)度持續(xù)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(fù)配體系的水泥基修補(bǔ)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(yàn)結(jié)果表明，水泥基修補(bǔ)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(qiáng)度較低的問題。

5 水泥基修補(bǔ)材料的長期性能研究

5.1 水泥基修補(bǔ)材料的長期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

選定快硬硫鋁酸鹽水泥占比為20%、30%的水泥基修補(bǔ)材料，測試其路用性能指標(biāo)，并與不添加快硬硫鋁酸鹽水泥的對照組進(jìn)行抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 水泥基修補(bǔ)材料的長期抗折及抗壓強(qiáng)度

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

兩種配比材料7 d內(nèi)的抗壓強(qiáng)度增長速度均較快，7～28 d齡期之間，抗壓強(qiáng)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(qiáng)度均最高，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到55 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到60 MPa。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，快硬硫鋁酸鹽水泥可明顯提高水泥基修補(bǔ)材料的早期水化速率，使早期抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度快速提升，3 d之后強(qiáng)度增長速率開始逐漸下降，但28 d齡期其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)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(bǔ)材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度

驗(yàn)證水泥基修補(bǔ)材料與水泥路面裂縫兩側(cè)舊混凝土的粘結(jié)性能。圖4為裂縫兩側(cè)為已折斷的28 d齡期普通水泥標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)材料，待水泥基修補(bǔ)材料硬化后放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)。在24 h、48 h、3 d、7 d、28 d 齡期測試界面粘結(jié)強(qiáng)度，數(shù)據(jù)見表4。

圖4 修補(bǔ)料粘結(jié)示意

表4 水泥基修補(bǔ)材料界面粘結(jié)強(qiáng)度 MPa

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，24 h齡期的界面粘結(jié)強(qiáng)度，添加快硬硫鋁酸鹽水泥與不添加的水泥基修補(bǔ)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(dá)3.5 MPa，強(qiáng)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(qiáng)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(dá)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(jié)強(qiáng)度在28 d齡期內(nèi)均有穩(wěn)定上升趨勢。

5.3 水泥基修補(bǔ)材料的自然干燥收縮

參照《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》，檢測水泥基修補(bǔ)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(bǔ)材料收縮變化規(guī)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(fù)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(xiàn)象在溫度(20±2)℃、相對濕度(60±5)%的恒定環(huán)境下，主要發(fā)生在28 d齡期之內(nèi)，28 d之后變化幅度非常小，甚至接近于停止。

6 結(jié)論

本文主要針對路面裂縫水泥基修補(bǔ)材料進(jìn)行試驗(yàn)，獲得水泥基修補(bǔ)材料配合比并得出以下結(jié)論:

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

(2)當(dāng)快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥比例為3∶7時，表現(xiàn)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(bǔ)材料，選擇水膠比0.33、內(nèi)摻膨脹劑10%、復(fù)配水泥比例2∶8～3∶7的配比，凝結(jié)時間在2 h左右，可滿足48 h通車要求且具有較好的修補(bǔ)效果。