高速公路服務區路面養護中高性能水泥基修補砂漿的應用

摘要 為探索高性能水泥基修補砂漿在高速公路服務區水泥混凝土路面養護改造中應用的技術要點，文章以某公路服務區路面為例，首先在調查既有病害并結合交通運行實際的基礎上提出了高性能水泥基修補砂漿的快速修補方案；其次對水泥基修補砂漿的選材及砂漿性能進行了分析及檢測；最后從高性能水泥基修補砂漿的制備、墊層準備及養護改造的施工要點展開了分析研究。結果表明，所使用的水泥基修補砂漿因添加了礦粉、聚丙烯纖維、丁苯乳液、RT1緩凝劑和EH5早強劑，具有快硬、早強、緩凝及優異的工作性能、力學性能，可在類似交通規模的高等級公路服務區、收費站等混凝土路面改造中推廣應用。

關鍵詞 高速公路；服務區；路面養護；高性能水泥基修補砂漿

中圖分類號 U418 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0052-03

0 引言

當前我國高速公路服務區、收費站仍主要采用水泥混凝土路面，此類場所車輛行駛速度緩慢、頻繁啟停，導致混凝土路面的病害數量和病害程度持續上升。一般性修補材料耐久性不足、養護周期長，無法保證服務區、收費站等場所交通的快速開放。為此，必須探索此類場所適用的快硬、早強、緩凝、工作性能和力學性能均優異的修補材料的制備及施工工藝。基于此，該文依托公路服務區水泥混凝土路面病害的實際，對由礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液及RT1緩凝劑和EH5早強劑等材料摻配而成的高性能水泥基修補砂漿（以下簡稱水泥基砂漿）的工程性能展開分析，并對其在公路服務區病害路面處治中的應用進行分析研究，以期為此類養護材料的推廣應用提供借鑒參考。

1 工程概況

某高速公路全線長96.8 km，包括2個服務區，但公路建設年代較早，再加上建設等級、施工技術等方面的原因，服務區內全部采用水泥混凝土路面。隨著近些年交通運輸規模的持續擴大，公路及服務區的交通量持續攀升，重型重載車輛持續增多。服務區混凝土路面先后出現裂縫、缺角、斷板、脫空、錯臺等病害，降低了公路站點的服務水平。為此，由養護管理站負責對2個服務區水泥混凝土路面進行養護改造。因交通量等原因，完全封閉服務區、拆除重鋪混凝土路面顯然不切實際，最終決定使用高性能水泥基砂漿對病害區域進行快速修補。

2 高性能水泥基砂漿的工程性能

2.1 原材料

（1）水泥。選用當地供應的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其熟料中主要包括C2S、C3S、C3A、C4AF等礦物組分，分別占比44.1%、33.6%、10.7%和11.6%，其性能指標取值情況見表1所示。同時，選用42.5級快硬水泥，其性能檢測結果見表2所示。據此可知，普通硅酸鹽水泥和快硬水泥性能均符合技術要求。

（2）集料。選用粒徑在2.36 mm以下，細度模數2.76，表觀密度2.701 g/cm3，孔隙率44.1%，松散堆積密度

1.499 g/cm3，含泥量為1.4%的機制砂。

（3）礦粉。使用密度為2.91 g/cm3，比表面積410 m2/kg，

含水量0.14%，燒失量0.12%，三氧化硫含量為0.10%的礦粉。該礦粉在受到激發劑作用后活性增大，能快速生成膠凝材料，進而改善水泥基砂漿的后期強度和泌水離析[1]，提升水泥基砂漿的耐久性和抗滲性。

（4）減水劑和調凝劑。為增強拌和物結構的密實性，減少用水量，提升高性能水泥基砂漿強度，改善其工作性能，按比例摻加高效減水劑。具體而言，選用穩定性及與水泥基相容性均較好的萘系高效減水劑，其在常溫下為棕黃色粉劑，固含量為96.7%，硫酸鈉含量為6.8%，氯離子含量為0.4%，凈漿流動度為238 mm。

此外，為加速膠凝材料的水化進程，促進凝結，還應在水泥基砂漿內摻加硫酸鹽、氯鹽、鉻酸鹽等早強劑。考慮該高速公路服務區交通量大，不能長時間中斷交通，所使用的修補材料必須具備優異的早強性能[2]。具體而言，高性能水泥基砂漿終凝時間應不超出60 min，120 min抗折強度應達到3.5 MPa，故最終選用EH5早強劑。為延緩裂縫出現，還使用以烴基羧酸鹽、烴基化合物為主成分的RT1緩凝劑。

（5）纖維。使用長度為6 mm，密度0.94 g/cm3，當量直徑33.9 μm，斷裂強度598 MPa，熔點167℃，斷裂伸長率為24.9%的聚丙烯纖維，以較好控制結構內部裂縫的產生，增強水泥基砂漿的柔韌性。

（6）丁苯膠乳。聚合物乳液固含量位于50%～70%之間，以聚合物顆粒、穩定劑、乳化劑等為主成分，通過聚合物乳液的使用，以提升水泥基砂漿的黏結性、流動性。丁苯乳膠屬于高分子聚合物，除具備聚合物常規性能外，還具有減水效果，能提高砂漿的耐久性。

2.2 高性能水泥基砂漿基本性能

2.2.1 工作性能

高性能水泥基砂漿工作性能主要體現在流動性、保水性、黏結性、泌水性等方面。對于該高速公路服務區混凝土路面養護處治而言，為取得較好的處治效果，首先應具備較好的流動性，這就對其凝結時間提出了較高要求。根據《水工混凝土試驗規程》（SL/T 352—2020）展開測試，結果顯示，RT1緩凝劑對水泥基砂漿長期強度無明顯影響；而EH5早強劑用量增大后，水泥基砂漿強度先增后降，最后完全喪失流動性。因此，最終按照0.3%和0.03%的比例分別摻加RT1緩凝劑和EH5早強劑，對應的水泥基砂漿性能見表3所示。由表3可見，在此設計用量下，水泥基砂漿60 min強度即滿足技術要求，后期強度亦無顯著衰減，擴展度取值也較為合理[3]。

2.2.2 抗滲性能

按照《水工混凝土試驗規程》制備上下口直徑分別為7.0 cm和8.0 cm，高3.0 cm的錐形試件，標準養護

28 d后在其側面均勻涂刷一層有機硅橡膠，壓入磨具后靜置24 h。此后，通過砂漿滲透儀進行水泥基砂漿的滲透試驗，試驗水壓從0.2 MPa增加至0.3 MPa，此后每間隔120 min增大0.1 MPa，直至試件完全滲水。根據測試結果，高性能水泥基砂漿抗滲性明顯優于普通砂漿；當礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量依次為20%、5.0%、0.3%和4.0%時，試件滲水高度最小，僅為

0.3 cm。試驗所用的全部試件在制備時均使用了普通水泥、快硬水泥和礦粉，故抗滲性能較好；在試驗開始后2 h左右，因快硬水泥的作用，骨架結構已經基本形成；8 h左右普通水泥即發生水化反應，填充骨架空隙，結構密實度進一步提升。與此同時，水泥材料和聚合物共同構建起空間網格結構；纖維的密布作用使空隙分布得到進一步改善。

2.2.3 抗硫酸鹽侵蝕性能

按照不同的礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量制備試件，養護至設計齡期后置入5%濃度的硫酸鈉溶液，以模擬硫酸鹽環境。此后進行試件的抗壓強度和抗折強度檢測。

根據結果，普通砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能較弱，試驗后抗壓強度和抗折強度僅為60.2 MPa和6.9 MPa；高性能水泥基砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能隨著礦粉摻量的增大而增強，主要原因在于礦粉和普通水泥間的協同作用，使砂漿致密度得到顯著提升。其中，礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量依次為20%、5.0%、0.3%和6.0%的試件，在試驗后的抗壓強度和抗折強度分別達到74.2 MPa和11.4 MPa，抗硫酸鹽侵蝕性能最優。

2.2.4 干縮性能

因該公路服務區混凝土路面養護中的高性能水泥基砂漿使用快硬水泥，其硬度大、失水速率高，從理論上看，發生干縮并引發裂縫的可能性較大。針對此情況，對不同材料組合砂漿的干縮率進行測試，結果見表4所示。由此看出，高性能水泥基砂漿的收縮過程主要出現在1 d以內，而普通砂漿的干縮過程則出現在1 d以后。礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量依次為20%、5.0%、0.3%和6.0%時的水泥基砂漿干縮率最小，變動趨勢也最為緩和，故推薦使用。通過分析原因可以看出，該摻配比例下，聚合物摻量最大，纖維拉伸性能對干縮應力變形有抵消作用，聚合物引氣效果使砂漿孔封閉較好，而纖維和聚合物融合形成網狀結構[4]。

3 高性能水泥基砂漿修補施工工藝

對該公路服務區混凝土路面展開調查發現，既有病害以橫向裂縫、接縫破損及碎裂、斷角、錯臺、坑洞為主。根據《公路水泥混凝土路面養護技術規范》（JTJ 073.1—2018）進行評定，該服務區路面損壞狀況指數位于70～80之間，等級為良；斷板率離散程度大，亟待養護處治。

3.1 修復方案確定

養護修復方案應根據病害類型及范圍綜合確定。對于露石、麻面及脫皮等病害，應按照一定厚度鑿除。對于小范圍坑槽，應將周邊底面鑿毛后修補；而對于整板范圍的坑槽，則應將整板鑿除一定厚度后修補。對于原路面錯臺病害，應將底板鑿毛后罩面，同時設置坡度，按接坡進行處理。對于小范圍缺角、掉邊及板裂等病害，應局部鑿除后修補；而對于整板范圍的碎裂，應整板翻修處治。

3.2 高性能水泥基砂漿制備

為保證高性能水泥基砂漿性能質量，必須加強原材料性能及制備過程控制。根據前述原材料用量分析、工程性能研究，并結合服務區水泥混凝土面板病害的實際，在高性能水泥基砂漿制備時，普通硅酸鹽水泥、塊硬水泥、河砂、水、礦粉、聚丙烯纖維、丁苯乳膠、RT1緩凝劑和EH5早強劑用量依次為0.4 kg、7.8 kg、16.1 kg、2.69 kg、

0.12 kg、0.023 kg、0.321 kg、0.0001 kg和0.0001 kg。

在拌和場取樣后送至工地試驗室，測得的高性能水泥基砂漿工作時間為30 min，黏結強度為3.4 MPa；120 min

抗壓及抗折強度分別為24.5 MPa和5.3 MPa；1 d抗壓及抗折強度分別為36.8 MPa和6.6 MPa，材料性能滿足要求。

3.3 墊層準備及打底

在進行混凝土面板翻修改造時，應通過風鎬拖走面板破碎物，檢測墊層含水量，并通過噴水或晾曬進行調整。此后，將級配集料墊層分層攤鋪、壓實至95%及以上的密實度，層厚按照5 cm進行控制。對于墊層排水不暢的情形，應加鋪C10混凝土基層打底，其上鋪筑高性能水泥基砂漿。

3.4 砂漿攤鋪及整平

通過強制式攪拌機制備完成高性能水泥基砂漿后，在30 min內泵送至修補區進行攤鋪。攤鋪期間應配備2臺平板式及插入式振搗器進行同步振搗，以保證填充密實。

使用木質模板刮平面層后再通過鏝刀抹平，整平后修補層表面的縱向平整度達到3 mm；修補區表面紋理也與原路基本吻合。考慮高性能水泥基砂漿具有較大的黏結性和較短的終凝時間，必須使攤鋪和整平環節緊密銜接[5]。

3.5 養生及開放交通

待將修補區水泥基砂漿進行壓紋處理后，及時噴灑養護劑并覆蓋濕麻袋養生，因所采用的高性能水泥基砂漿具有早強、緩凝、快硬的特性，故養生2 h后即可開放交通，但應采取40 km/h以下的限速管制及重型重載車輛的限行控制。

4 結論

綜上所述，高性能水泥基砂漿與普通水泥砂漿相比，具有較好的工程力學性能，其早期強度高、耐久性好、快硬、緩凝，對于交通量大且運行繁忙的高速公路服務區水泥混凝土路面的病害修補十分適用。按照礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量依次為20%、5.0%、0.3%和6.0%的比例制備出高性能水泥基砂漿，并嚴格按照流程養護處治后，該公路2處服務區的水泥混凝土路面均取得了較好的改造效果，路面抗滲性、抗硫酸鹽侵蝕性、干縮性、抗沖擊性能均得到明顯提高，結構疲勞壽命延長。

參考文獻

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