聚合物纖維快速修補材料的性能研究及工程應用

梁旭之，伍 杰，劉 斌，何 流，朱乘，秦仕平

（1.貴州省遵義公路管理局，貴州 遵義 563099；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶市 400067；3.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050；4.遵義公路建設養護有限公司，貴州 遵義 563099）

0 引 言

橋梁伸縮縫是連接橋梁梁體與橋臺之間的重要結構物，其結構的好壞嚴重影響著行車的安全性和舒適性[1]。混凝土作為單縫式伸縮縫的重要組成部分，其性能的優劣決定了伸縮縫的服役時間和結構完整性[2-3]。隨著車流量的增加以及長期的車輛荷載沖擊，伸縮縫混凝土區域極易產生破損或與路面的黏結脫落，而常規的混凝土區域修補養護時間長，短時間內難以開放交通，極大地影響了交通通行效率[4-6]。

聚合物膠粉作為有機高分子制品，具有良好的保水性、可塑性和黏結度，能夠很好地改善砂漿內部的黏聚性和流動性能，已經廣泛運用于砂漿材料中[7-9]。聚丙烯纖維具有很好的韌性與抗拉強度，摻入砂漿中能夠有效提升砂漿的抗沖擊性能，提高特種水泥的抗折強度并改善干縮過大現象[10-11]。因此本文在原有的快速修補材料配比[12]之上，通過添加聚合物膠粉和聚丙烯纖維，配制出短期強度高、收縮性小并且利于施工的快速修補材料，以期減少施工對交通帶來的干擾，達到快速開放交通的效果。同時，為驗證其效果，將配制的快速修補材料應用在G326 國道遵義湄潭段的橋梁伸縮縫維修養護工程中，對材料進行現場施工工藝、性能和應用效果分析，所得結果可為類似的材料開發及工程應用提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗水泥為特種水泥，其化學成分見表1。硅灰為高活性微硅粉，滿足《高強高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T 18736—2002）標準要求。礦渣粉為S95級，技術指標見表2。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，技術指標見表3。聚合物膠粉選用瓦克再分散乳膠粉，技術指標見表4。纖維選用聚丙烯纖維，抗拉強度不小于400 MPa，斷裂延伸率為30%。細集料為ISO 標準砂。減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率大于25%。試驗用水滿足《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）技術要求。

表1 2 種水泥的主要化學成分

表2 礦粉的技術指標

表3 Ⅱ級粉煤灰的技術指標單位：%

表4 聚合物膠粉的技術指標

1.2 材料配比設計

快速修補材料應在短期內達到較高的抗折強度和抗壓強度，并且具有良好的流動度和凝結時間以利于施工。結合課題組前期研究基礎[12]，本試驗采用的基礎配比為水泥質量：砂質量=1∶1.1，水灰比0.33；礦物摻合料采用外摻法，替代水泥用量，其中硅灰6%、礦粉2%、粉煤灰4%；減水劑摻量為膠凝材料的0.03%。在此基礎上對聚合物膠粉和纖維的用量進行篩選，其中聚合物膠粉摻入量為膠凝材料的0%～8%，以2%為1 個梯度進行試驗；聚丙烯纖維摻入量為膠凝材料的0%～4%，以1%為1 個梯度進行試驗。

1.3 性能測試方法

（1）力學性能試驗。水泥砂漿的成型、養護參照《水泥膠砂強度檢驗方法》，采用40 mm×40 mm×160 mm 的三聯模成型試件，進行砂漿抗折強度和抗壓強度試驗。

（2）流動度試驗。水泥砂漿流動度試驗參照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）進行，運用跳桌進行試驗，控制頻率為1 次/s，共25 次。振動結束，用直尺沿坐標軸方向分2 次測量其直徑，取平均值，該平均值即為該水泥砂漿的流動度。

（3）凝結時間。水泥膠砂凝結時間試驗參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2002），采用貫入阻力法測定修補砂漿的初凝和終凝時間，從加水起開始計時。

（4）干縮試驗。根據《水泥膠砂干縮試驗方法》（JC/T 603—2004）進行試驗，采用三聯試模，制作25 mm×25 mm×280 mm 兩端預埋銅釘頭試件。將試件帶模養護，24 h 后脫模將試件放入干縮養護室中，并用比長儀測量試件長度，記為初始長度L0，之后測量各齡期（從放入干縮養護室中開始計算）的長度后按規范計算出其收縮率，精確至1.0×10-6。

2 結果與討論

2.1 流動度及凝結時間

不同摻量下聚合物膠粉及聚丙烯纖維對材料流動度和凝結時間的影響見圖1～圖4。

圖1 聚合物膠粉對材料流動度的影響

由圖1 可知，材料中加入聚合物膠粉對砂漿的流動度起到了明顯的改善作用，流動度得到不同程度的提升。摻量在4%以內時，流動度隨著摻量的增加提升最大，之后又隨著摻量的增加而出現衰減，當摻量達到8%時，流動度較摻量為4%時發生了較大程度的減少[13]。

由圖2 可知，材料的凝結時間隨著聚合物膠粉摻量的增加而增加，在摻量為4%時提升最為明顯，之后無明顯增加。由此可以看出，少量的聚合物膠粉水化溶解后，產生的極細顆粒具有滾珠效應，改善了水泥漿體的流動性能，使凝結時間延長；而隨著聚合物膠粉摻量的增加，產生的膠粉顆粒將形成聚合物薄膜，阻礙水分的流動，使得水泥漿體流動度降低，凝結時間無明顯提升。

圖2 聚合物膠粉對材料凝結時間的影響

由圖3 和圖4 可知，砂漿的流動度隨著聚丙烯纖維摻量的增加而逐漸降低，并且摻量越多，流動度降低越明顯，凝結時間也隨著聚丙烯纖維摻量的增加而降低。這是由于聚丙烯纖維摻在砂漿中，隨著攪拌逐漸形成了網狀分布，增大了砂漿中的黏滯力，阻礙了砂漿中液體的流動，從而導致砂漿流動度降低，砂漿更容易凝結，凝結時間降低[14]。

圖3 聚丙烯纖維對材料流動度的影響

圖4 聚丙烯纖維對材料凝結時間的影響

2.2 抗折強度和抗壓強度

不同摻量下的聚合物膠粉和聚丙烯纖維對材料抗折強度、抗壓強度的影響見表5。

表5 聚合物膠粉和聚丙烯纖維對材料力學性能的影響

由表5 可知，隨著聚合物膠粉摻量的增加，材料的抗折強度、抗壓強度都呈現先增加后減少的趨勢，且隨著齡期的增加，該趨勢更加明顯。這是由于少摻量的聚合物膠粉能夠增加砂漿的流動度，從而使得砂漿內部更加密實，隨著水泥水化作用的進行，力學強度更高；當超過4%的摻量后，砂漿流動度降低，并且摻量過高會取代一部分特種水泥的硬化效果，使得砂漿力學強度降低。聚丙烯纖維對材料的抗折強度提升明顯，隨著摻量的增加逐漸趨于穩定，而對材料的抗壓強度僅有小幅提升，影響不大。分析得到隨著聚丙烯纖維的加入，材料內部流動度降低，纖維逐漸網狀化，提升了砂漿的韌性，從而大幅提高了材料的抗折強度，并使其長期的抗壓強度有所提升。

綜上，選用聚合物膠粉摻量2%、聚丙烯纖維摻量2%為最佳摻量，此時砂漿的抗折強度與抗壓強度均達到最大值（見表5）。在最優配方條件下所測試的材料流動度能達到190 mm 左右，凝結時間在20～25 min 范圍內。

2.3 干縮性能

選定聚合物膠粉、聚丙烯纖維摻量均為2%進行試驗，分別測試試件3 d、7 d、14 d、28 d 和56 d 的收縮量，以此來對比分析。聚合物膠粉、聚丙烯纖維對砂漿干縮性能的影響見圖5。

圖5 聚合物膠粉、聚丙烯纖維對砂漿干縮性能的影響

由圖5 可見，不同種類的材料收縮率都隨著齡期的增加而增大，在28 d 到56 d 中逐漸趨于緩慢。聚合物膠粉和聚丙烯纖維都能減緩材料的收縮性，其中聚合物膠粉減緩材料的收縮性效果更好。這是由于少量的聚合物膠粉可使砂漿內部氣孔減少，試件更為密實，從而降低了后期養護中的收縮。聚丙烯纖維可在試件內部形成網狀結構，增加試件的黏聚性，也會減少后期水泥水化作用帶來的收縮。

3 工程應用

3.1 工程概況

工程應用項目地點為G326 國道（秀山- 河口），是貴州省路網結構中的重要組成部分，大部分路段距上次大中修已有10 a 以上，隨著交通量的不斷增長，沿線橋梁產生了一定的病害。貴州省遵義市國省干線橋梁定期檢查結果表明，部分橋梁伸縮縫已經出現了不同程度的病害，削弱了橋梁的通行能力和服務水平，影響橋梁結構的運營安全和結構的耐久性。

本次示范工程主要對G326 國道遵義湄潭段的新田壩大橋和葉家壩大橋2 處橋梁伸縮縫混凝土進行維修更換。伸縮縫長度為11 m，寬度為0.8 m，開槽深度約0.2 m，類型為單縫式型鋼伸縮縫，其主要病害為型鋼斷裂、混凝土區域破損和混凝土與路面黏結區域破壞（見圖6）。

圖6 橋梁伸縮縫病害現狀

3.2 工程施工

（1）切縫、開槽。對需要拆除的伸縮縫區域兩邊進行精準切割，與原路面分割開來，確保無誤后，利用風鎬進行混凝土區域的破碎，開槽深度大于15 cm，破碎完成后切割掉舊型鋼，并在施工后清理干凈凹槽。

（2）安裝新型鋼。新型鋼放入凹槽后，調整高度和原路面的平整度，調整完成后采用鋼條焊接定位。

（3）混凝土澆筑。在新材料中加入質量分數為40%的5～15 mm 石子攪拌30 s，之后加水攪拌60 s，澆筑進凹槽中，再抹平基面（見圖7）。混凝土攪拌均勻后最好靜置1～2 min，待氣泡溢出后再澆筑；本材料自密實，無需振動。

圖7 施工現場澆筑

（4）養護、通車。澆筑完成30 min 后，材料達到凝結時間，在表面蓋上浸滿水的紡紗布進行養護。澆筑完2 h 后揭開紡紗布，清理現場，開放交通。

3.3 現場檢測

對現場拌合混凝土材料進行取樣檢測，內容包括流動度、凝結時間、2 h 抗折強度和抗壓強度、1 d抗折強度和抗壓強度。檢測結果見表6。

表6 快速修補材料施工現場檢測結果

由表6 可知，示范工程中的伸縮縫混凝土流動度、凝結時間等性能與最優配方下材料的室內性能相當，抗壓強度和抗折強度略低于室內測試值，其各項指標均滿足設計要求，工程應用效果良好。本研究成果可為其他項目應用提供技術指導。

4 結 語

（1）聚合物膠粉最佳摻量為2%，聚丙烯纖維最佳摻量為2%。在該摻量下，材料流動度能達到190 mm左右，凝結時間控制在20～25 min，2 h 抗折強度和抗壓強度分別達到7.4 MPa 和26.2 MPa，28 d 抗折強度和抗壓強度分別達到8.5 MPa 和50 MPa 以上，干縮率小于0.015%。

（2）少量的聚合物膠粉能改善砂漿的流動度，提高凝結時間，增加材料的力學強度，改善干縮性，但過多的聚合物膠粉會形成聚合物薄膜，影響砂漿密實性，使其力學強度降低。

（3）聚丙烯纖維隨著摻量的增加會降低砂漿的流動度，減少凝結時間，但能大幅提高砂漿抗折強度，對抗壓強度影響不大。

（4）通過把快速修補材料應用于G326 國道實際工程當中，驗證得到材料的流動度、凝結時間、抗折強度和抗壓強度均滿足設計要求，可推廣應用于類似工程之中。