環氧樹脂砂漿在水泥混凝土路面修補中的應用研究

鞏延明，延文濤

（1：山東省廣饒縣公路事業發展中心，山東 東營 257300；2：山東省廣饒縣交通運輸局，山東 東營 257300）

0 引言

某公路按二級公路標準建設，位于山西省境內，全長89.161 4 km，路基寬度為8.5 m，路面寬度為7.5 m，路面為水泥混凝土路面，設計速度為60 km/h。該項目預算批復投資44 790.321 3萬元，2012年開工建設，2016年8月通車，目前已運行近6年。最近一次養護該公路時發現，水泥混凝土路面破損較為嚴重，多種病害相繼發生，對公路的使用造成了較大的安全隱患。在此背景下，擬對公路路面進行修補，根據各參建單位意見，先行挑選試驗段，采用試驗方法確定修補材料，并進一步推廣到整條公路使用。

1 現狀路面病害情況

經調查，本公路水泥混凝土路面損壞型態可分為裂縫、接縫損壞、表面損壞及其他類型，主要損壞型態如下。

1）裂縫：包含角隅斷裂、縱向裂縫、橫向裂縫或耐久性裂縫。此種病害由于路面收縮、翹曲引起應力，以及超載和路基支撐喪失、不足或不正確鋸縫等導致。

2）接縫損壞：包含接縫填充料損壞、縱向接縫碎裂與橫向接縫碎裂。此種病害由于混凝土不正確攤鋪或養護使混凝土碎裂，以及材料老化和脫出等導致。

3）表面損壞：包含龜裂、表面剝落與碎裂、粒料磨損與脫落。此種病害由于混凝土不正確攤鋪或養護使粒料松動，以及選取不適當骨料或不正確拌合等導致。

4）其他：包含擠破、高差、車道與路肩高差、車道與路肩分離、修補損壞與翻漿現象等。此種病害由于路面基礎沉降或膨脹使接縫移位，以及路面排水不良或細粒料流失等導致。

路面損壞主要原因包括交通載重、惡劣天氣及材料等因素。路面在鋪筑完成后，即開始隨時間逐漸損壞，其形成因素較多，例如面層老化、疲勞作用、不良排水及基層下不均勻沉降等導致路面損壞。路面惡化主要原因是逐漸老化及交通荷重結果[1]。另外，不合理的施工技術、不符合標準的材料或不成熟的施工技術等會加速路面惡化過程。同時，既有路面需要例行維修、整修及功能更新。水泥混凝土路面由于受到各種內外在因素的影響，如車輪載重所造成的疲勞破壞、自然環境因素、設計不當、排水不良、骨料性質及骨料間的連鎖作用，亦會引起各種不同形式的破壞。

2 研究方案及材料

本研究主要針對水泥混凝土路面維護補強工法及其相關流程。一般而言，水泥混凝土路面包括接縫式無筋混凝土路面、接縫式鋼筋混凝土路面、連續式鋼筋混凝土路面等3種基本形式。工程上對于混凝土修補材料，主要多以環氧樹脂或亞克力材料為基材，對于細微裂縫，可以直接灌注的方式填入裂縫，達到修補的目的，但對于較寬大的裂縫，或是混凝土發生剝落時，則使用以一定量的骨料與基材混合成砂漿，達到修補與節省投資的目的[2]。本研究首先選用環氧樹脂作為基材，然后進行施作環氧樹脂砂漿。參考近5年相關研究，多以高性價比材料，如水泥、粉煤灰等部分替代環氧樹脂砂漿中的樹脂用量施作有缺陷的混凝土試體，以上述的材料進行修補，模擬實際混凝土修補的情形，進而評估以水泥或粉煤灰等部分替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿的成效。故本次試驗基于水泥和粉煤灰作為替代材料進行探討。

本研究所使用的環氧樹脂材料、水泥及粉煤灰分述如下。

1）水泥：采用P.O 42.5水泥，比重為3.16 g/cm3（比重無量綱，下同）。

2）粉煤灰：比重為2.8 g/cm3。

3）環氧樹脂：主劑與硬化劑調配比例為2：1。主劑與硬化劑的比重各為0.98 g/cm3與0.97 g/cm3，依據《環氧粘接劑技術要求》（ASTM C881）環氧樹脂分類，為第IV類、第二級、C型。

4）細骨料：使用通過16號（孔徑1.18 mm），停留30號（孔徑0.6 mm）上粒徑的河砂，在拌合前均進行沖洗與烘干，方可使用。

5）粗細骨料：經篩分清洗后置放于儲存場內，粗骨料比重為2.62 g/cm3，細骨料比重為2.60 g/cm3。

3 試驗方案及成果分析

本研究的環氧樹脂砂漿試驗配比為環氧樹脂:細骨料=1:4(重量比)，而細骨料粒徑則需滿足顆粒通過16號篩而停留在30號篩。參考以往文獻，采用等差階梯替代法，試驗控制變量為水泥與粉煤灰替代環氧樹脂用量10%，20%，30%及40%，值得一提的是，替代量過高將影響流動性及柔性，故本次試驗控制最高替代量為40%。混凝土養護齡期為28 d，待養護齡期到達時，使用環氧樹脂砂漿進行修補，以探討修補后的成效。每種配比分別制作6個10 cm×10 cm×38 cm有缺陷的棱柱形試體，與3個Φ10 cm×高20 cm的圓柱試體，以飽和石灰水養護28 d后進行環氧樹脂砂漿修補，修補完后再放置于室溫下14 d，讓環氧樹脂砂漿能夠硬化發展強度，然后再進行相關測試試驗[3]，試樣如圖1所示，剪切后的形態如圖2所示。根據道路車行要求，結合路面相關檢測指標，本次擬進行剪切強度及抗彎強度試驗。

圖1 試樣示意圖（cm）

圖2 試樣剪切后的形態

1）水泥替換量對環氧樹脂砂漿剪切強度的影響

根據試驗得知，各水泥替換量對于黏結成效均有較差的效果，如圖3所示。以水泥替換量與未替代者比較其強度發展比值，替換量10%，20%，30%，40%強度發展比值為62%，55%，60%，50%，強度范圍為50%～62%，代表以水泥替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿其黏結強度并無提升的效果，而黏結強度只有未替代者的50%左右，其各水泥替換量對環氧樹脂砂漿進行單軸抗壓試驗時，破壞型態均為黏結界面破壞。

圖3 水泥替換量與剪切強度關系

2）粉煤灰替換量對環氧樹脂砂漿剪切強度的影響

根據試驗可知，粉煤灰替換量20%對于剪切強度的提升有明顯的效果，如圖4所示。以粉煤灰替換量與未替代者比較其強度發展比值，替換量10%，20%，30%，40%的強度發展比值為69%，160%，110%，80%，強度范圍為69%～160%，其落差明顯很大，替換量10%與20%的強度發展比值二者之間相差91%，對于替換量20%其剪切強度明顯劇增，對于粉煤灰替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿黏結強度較有理想的結果，其各粉煤灰替換量對環氧樹脂砂漿進行單軸抗壓試驗時，破壞型態均為黏結界面破壞。

圖4 粉煤灰替換量與剪切強度關系

3）抗彎缺陷試體受壓面修補

試驗結果如圖5所示。根據試驗可知，當水泥替換量分別為30%，40%時，其抗彎強度高于無缺陷混凝土的抗彎強度；而水泥替換量10%，20%及未替代者的抗彎強度均小于無缺陷混凝土的抗彎強度，比較替換量0～40%與無缺陷混凝土的強度發展比值，0，10%，20%，30%，40%分別為97%，99%，96%，108%，104%，強度發展比值范圍為96%～108%。以水泥替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿進行修補，恢復原構件強度有良好的表現，強度折減率只在4%以內，其水泥替換量對環氧樹脂砂漿修補后強度影響順序為30%＞40%＞10%＞0%＞20%。

圖5 受壓面修補抗彎強度試驗對比

粉煤灰替換量10%～40%的抗彎強度均低于無缺陷混凝土，比較其0～40%與無缺陷混凝土的強度發展比值，0，10%，20%，30%，40%分別為97%，90%，96%，93%，89%，強度發展比值范圍為89%～97%，以粉煤灰替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿進行修補的強度折減率為11%，代表比水泥替代環氧樹脂，稍微高出7%的強度折減率，其粉煤灰替換量對環氧樹脂砂漿修補后強度影響的順序為0＞20%＞30%＞10%＞40%，影響順序無明顯變化趨勢[4]。

4)抗彎缺陷試體受拉面修補

試驗結果如圖6所示。根據試驗結果，以所有替換量來看，明顯高于無缺陷混凝土的抗彎強度，而以未替代者明顯高于其他所有水泥與粉煤灰替換量，水泥與粉煤灰替換量0～40%的強度發展比值，水泥替換量10%，20%，30%，40%強度發展比值分別為129%，126%，110%，109%的范圍，呈現替換量越多，受拉側抗彎強度則越低的趨勢。而粉煤灰替換量10%，20%，30%，40%強度發展比值分別為128%，118%，113%，101%的范圍，同樣呈現替換量越多，受拉側抗彎強度越低的趨勢。水泥與粉煤灰替換量對環氧樹脂砂漿修補后強度影響的順序為10%＞20%＞30%＞40%＞0。

圖6 受拉面修補抗彎強度試驗對比

以未替代者比較其水泥及粉煤灰替換量和無缺陷混凝土的相對強度比值，得知水泥替換量的相對強度比值范圍為78%～92%，而粉煤灰替換量的相對強度比值范圍為72%～92%，二者皆高于或趨近未替代者的72%，代表以水泥與粉煤灰替代環氧樹脂砂漿進行受拉側混凝土修補有良好的效果。

4 結論

1)膠結材料替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿的斜剪強度，在水泥的部分，各水泥替換量對于黏結成效均有較差的效果。而在粉煤灰的部分，替換量20%及30%的強度比未替代者的高，以整體來看，粉煤灰部分替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿黏結強度有較好的提升效果。

2)不同水泥與粉煤灰部分替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿于修補受壓側缺陷混凝土的抗彎強度，以水泥部分替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿進行修補，恢復原構件強度有良好的效果，強度折減率只在4%以內。以粉煤灰部分替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿進行修補的強度折減率為11%，代表比水泥部分替代環氧樹脂者，略高出7%的強度折減率。

3)不同水泥與粉煤灰部分替代環氧樹脂的環氧樹脂砂漿于修補受拉側缺陷混凝土的抗彎強度，以所有替換量來看，明顯高于無缺陷混凝土的抗彎強度，而又以未替代者明顯高于其他所有水泥與粉煤灰替換量，呈現替換量越多，受拉側抗彎強度則越低的趨勢。