水泥混凝土路面板底脫空灌漿材料研究

李燕清，向陽開，熊潮波

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.重慶市南岸區(qū)交通局，重慶400060)

目前，我國已投入使用的水泥混凝土路面進入了大規(guī)模的路況嚴重惡化期和大規(guī)模的投資改造期。水泥混凝土路面板底脫空引起的錯臺、唧泥、早期斷板等病害日益嚴重，這給公路管理養(yǎng)護部門帶來了巨大的經(jīng)濟損失和技術(shù)困難。而板底灌漿治理技術(shù)是預(yù)防和治理脫空最有效的方法［1］。

1 灌漿材料的性能要求

灌漿治理脫空是利用壓力泵的壓力將灌漿材料壓入板底脫空部位，硬化后形成結(jié)構(gòu)致密、強度高、水穩(wěn)性良好的支撐層，牢固地與板底及基層黏結(jié)，從而改善路面板的受力狀態(tài)，防止其破壞［2］。

從灌漿工藝和使用要求上講［3］，理想的灌漿材料應(yīng)滿足以下要求:①流動性好，能夠進入細小空隙;②漿體結(jié)硬后強度高，并有一定的早期強度;③離析、泌水性小;④漿液固化收縮率小;⑤漿液原材料來源豐富，配置方便，經(jīng)濟性好，能大規(guī)模應(yīng)用于工程。

2 灌漿材料配合比設(shè)計

針對灌漿治理路面板底脫空對灌漿材料的性能要求，通過準確選材、精確配比等方法，配制出具有高強、早強、流動性好、離析、泌水性小，干縮率小的灌漿材料。

2.1 試驗原材料選用

目前工程上灌漿治理水泥混凝土路面板底脫空大多是采用水泥砂漿，由水泥、砂、粉煤灰、外加劑和水按一定比例拌和攪拌而成。具體性能要求及選用情況如下［3］。

1)水泥:要求選擇保水性好、泌水性小且有一定早期強度的水泥作為灌漿材料的膠凝材料，故宜選用普通硅酸鹽水泥。筆者采用重慶小南海水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥。

2)砂:砂的摻入可以提高漿液的強度，減小水泥用量，同時減小漿液固化后的收縮。但是大粒徑的砂容易產(chǎn)生離析泌水現(xiàn)象，因此，宜選用特細砂。筆者在試驗時采用標準砂，根據(jù)GB 178—1997《水泥強度試驗用標準砂》要求［4］，在拌制前用0.5 mm的方孔篩進行篩選，保證砂粒徑不大于0.5 mm。

3)粉煤灰:粉煤灰的加入可以增加漿液和易性并能取代部分水泥，使砂漿的可泵性和經(jīng)濟型達到優(yōu)化。筆者采用重慶珞璜電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。

4)減水早強劑:減水早強劑可促進漿體早期強度迅速形成、增加漿體的流動性和和易性，筆者采用重慶市博銳達建材有限公司生產(chǎn)配置的BDN-Ⅱ型高效早強減水劑，它是由早強、減水等組分有機復(fù)合而成的，能迅速提高水泥砂漿的早期強度、改善流動性能、提高和易性。

5)膨脹劑:膨脹劑的摻入可減少漿體的硬化收縮，甚至使?jié){體中產(chǎn)生微膨脹性，提高硬化漿體與水泥混凝土板和基層之間的黏結(jié)。筆者采用重慶博銳達建材有限公司生產(chǎn)的BD-UEA高效型膨脹劑。

6)水:選用清潔自來水。

用于灌漿治理水泥混凝土路面板底脫空的水泥砂漿對其流動性能、分層度、干縮率、早期強度等都有特定的要求，為了設(shè)計出一種比較理想的灌漿材料，通過選用不同配合比的材料做室內(nèi)稠度試驗、分層度試驗、干縮率試驗和早期強度試驗，研究每種原材料的摻量對以上性能的影響，確定各種材料摻量的合理范圍，從而得出幾種滿足灌漿材料特殊性能要求的材料配合比。

2.2 砂漿稠度和分層度試驗

通過砂漿稠度試驗測定砂漿流動性能，流動性能指標參照使用ASTM-C-939(美國材料與試驗協(xié)會認定的預(yù)制集料混凝土流漿試驗方法)中的錐形漏斗(體積1 725 mL±5 mL)制定，以流出時間(s)為標準(在室溫條件下純水的流出時間為8 s)。將攪拌均勻的砂漿傾入漏斗中，直至表面觸及點測規(guī)下端，砂漿自由流完的時間即為其稠度值。砂漿分層度試驗用于測定砂漿的保水性，保水性不好的砂漿在運輸、停放、使用過程中易產(chǎn)生離析、泌水現(xiàn)象。將砂漿拌合物按砂漿稠度試驗方法測定稠度后，裝入砂漿分層度測定儀內(nèi)，靜置30 min后，去掉上節(jié)200 mm砂漿，剩余的100 mm砂漿倒出放在拌和鍋內(nèi)拌2 min，再按稠度試驗方法測定其稠度。前后測得的稠度之差即為該砂漿的分層度值(s)。

2.2.1 水灰比對砂漿稠度和分層度的影響

灌漿材料最基本性能是流動性好，水泥砂漿的流動性主要取決于單位體積含水量，但水灰比過大會使砂漿保水性降低。因此，先考慮水灰比對漿體稠度和分層度的影響。在砂漿其他材料配合比不變的情況下，通過改變水灰比來研究水灰比對砂漿稠度和分層度的影響。其中砂灰比采用經(jīng)驗值0.2，減水早強劑摻量取1%。其試驗結(jié)果如圖1、圖2。

圖1 水灰比對砂漿稠度影響Fig.1 Effect of water cement ratio on mortar consistency

圖2 水灰比對砂漿分層度影響Fig.2 Effect of water cement ratio on mortar stratification

已有研究資料表明:現(xiàn)場灌漿過程中灌漿材料的稠度值大于26 s時會造成灌漿不暢;而稠度過小時漿液會出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，不摻減水劑的砂漿稠度值最小不應(yīng)小于16 s，對于摻減水劑的砂漿稠度值不應(yīng)小于12 s。由圖1可知:當(dāng)水灰比在0.375～0.475之間變化時，砂漿的稠度值變化范圍為13.39 ～25.86 s。但水灰比為 0.375 時，其稠度值很接近極限值(26 s)，考慮到工程上現(xiàn)場制漿過程中水分損失較大，所以水灰比不應(yīng)小于0.4。當(dāng)水灰比大于0.475后水灰比的增加對砂漿流動性能的改善并不明顯，水灰比增大反而降低砂漿的早期強度，增大干縮率。保水性良好的砂漿，其分層度值不大于3 s，分層度大于3 s的砂漿容易離析泌水，影響灌漿效果。從圖2可得:當(dāng)水灰比在0.375～0.475之間變化時其分層度均小于3 s。所以，用于灌漿治理路面板脫空的水泥砂漿水灰比應(yīng)控制在0.4～0.475之間。［5］

2.2.2 減水早強劑摻量對砂漿稠度和分層度的影響

BDN-Ⅱ型高效減水早強劑具有改善漿液流動性的作用，減水率為16% ～23%，廠家推薦摻量為0.8% ～1.2%。為了研究減水早強劑摻量對砂漿流動性能的影響，試驗固定砂漿其它材料配合比，只改變減水早強劑的摻量，測定砂漿的稠度值。試驗結(jié)果如圖3。

圖3 減水早強劑劑摻量對砂漿稠度影響Fig.3 Effect of water-reducing early strength agent on mortar consistency

由圖3可知:砂漿稠度值隨早強減水劑的摻量在0～1%之間變化時砂漿的稠度遞減，流動性增強。減水早強劑摻量為1%時稠度值最小，對砂漿流動性能的改善達到最佳效果。當(dāng)摻量達到1.25%時，砂漿的稠度值略有增加，說明已經(jīng)超過飽和值。圖4表明:隨著減水早強劑摻量的增加砂漿的分層度增大，但分層度值均小于3 s，砂漿的保水性均滿足要求。所以減水早強劑的最佳摻量為1%。

圖4 減水早強劑劑摻量對砂漿分層度影響Fig.4 Effect of water-reducing early strength agent on mortar stratification

2.2.3 砂灰比對砂漿稠度和分層度的影響

砂的加入有利于減小水泥用量和漿體的干縮率。但砂的加入會增大漿液中顆粒摩擦力，從而降低砂漿的流動性能［6］。同時，由于砂的密度大，當(dāng)摻入過量的砂后，砂漿靜置后會有大量砂沉積于漿液底層，發(fā)生離析泌水現(xiàn)象，影響灌漿效果。試驗采用固定砂漿其它配合比，只改變砂漿的砂灰比，測定砂漿的稠度和分層度值，分析砂灰比對稠度和分層度的影響。試驗結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 砂灰比對砂漿稠度影響Fig.5 Effect of sand cement ratio on mortar consistency

圖6 砂灰比對砂漿分層度影響Fig.6 Effect of sand cement ratio on mortar stratification

砂漿稠度值和分層度值都隨砂灰比的增大而增大(圖5、圖6)，說明砂的摻入降低了水泥砂漿的流動性能和保水性能。砂灰比的增加對砂漿分層度影響逐漸明顯，砂漿的保水性能降低得很厲害。當(dāng)砂灰比為0.4時分層度值已達到3.42 s，所以砂灰比應(yīng)控制在0.4以下。

2.2.4 粉煤灰摻量對砂漿稠度和分層度的影響

粉煤灰的加入可替代部分水泥，降低成本，還能改善漿體的和易性和收縮性能［7］。通過不同粉煤灰摻量的砂漿稠度試驗、分層度試驗來確定粉煤灰的摻量。試驗采用固定水灰比0.45、砂灰比0.2、減水劑摻加量0.01，砂漿稠度、分層度值隨粉煤灰摻量不同其測定結(jié)果如圖7、圖8。

圖7 粉煤灰摻量對砂漿稠度影響Fig.7 Effect of Fly Ash on mortar consistency

圖8 粉煤灰摻量對砂漿分層度影響Fig.8 Effect of Fly Ash on mortar stratification

粉煤灰的加入會使?jié){液的稠度和分層度值增加(圖7、圖8)，其流動性能下降，這是因為粉煤灰單位體積的需水量大于水泥。另一方面，隨著粉煤灰摻量的加大，漿液分層度值呈增大趨勢，這是由于粉煤灰的密度較小，試驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰摻量達到0.4時，其分層度值大于3，且靜置后表面漂浮著薄層碳粉，砂漿離析泌水現(xiàn)象明顯。所以粉煤灰的摻量應(yīng)控制在0.4以下。

2.3 砂漿試塊干縮試驗

砂漿硬化的過程中會產(chǎn)生干縮現(xiàn)象，這種干縮會引起路面板的再次脫空。本試驗通過對砂漿試塊硬化后的體積與試模容積進行比較，以獲得砂漿的干縮率。試驗采用自行設(shè)計的簡易裝置(圖9)，測定過程如下:在桶中裝水至軟管處，將砂漿試件放入桶后，水平面上升導(dǎo)致水從軟管中流入量杯中，量杯中水的體積即是砂漿試件的體積。此裝置操作簡單快速，經(jīng)100 mm×100 mm×100 mm的標準試塊校核，其測量誤差在±0.1%以內(nèi)，滿足此實驗的要求。

將灌漿材料做成 70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm試塊，測定其7 d齡期后的干縮率。試驗結(jié)果如表1，膨脹劑摻量為10%與摻量為8%的試件相比干縮率相差很小，繼續(xù)增加膨脹劑摻量，對砂漿膨脹性能影響并不大。因此，膨脹劑的理想摻量應(yīng)為8%～10%。

圖9 干縮率測定裝置Fig.9 Apparatus for determination of dry shrinkage

表1 干縮率隨膨脹劑摻量變化Table 1 Dry shrinkage rate changes with expansive agent

2.4 灌漿材料配合比的選用

通過以上各種試驗，得出各種材料摻量的合理范圍:水灰比應(yīng)控制在0.4～0.475;砂灰比不宜超過0.3;粉煤灰的用量對砂漿的早期強度影響很大，摻量不宜超過0.3;減水早強劑的最優(yōu)摻量為10%;膨脹劑的理想摻量為0.08～0.1?？紤]到施工因素，選取以下7種不同配合比灌漿材料做現(xiàn)場灌漿試驗，根據(jù)灌漿效果得出灌漿材料最優(yōu)配合比。在灌漿之前測得各種配合比灌漿材料的性能如表2。

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3 現(xiàn)場灌漿試驗及效果檢驗

將所選用的7種配合比用于西部交通科技項目——《水泥混凝土路面工作狀態(tài)評價及預(yù)養(yǎng)護技術(shù)研究》重慶依托工程板底灌漿試驗，選取重慶市南岸區(qū)黃明路脫空板做現(xiàn)場灌漿試驗。從現(xiàn)場灌漿效果來看，材料Ⅰ、Ⅶ(水灰比為 0.4，0.425)入漿量少，說明漿體的流動性能沒達到要求，用水量過小。28 d后利用FWD［8］和探地雷達對灌漿治理過的脫空板進行脫空檢測。根據(jù)FWD的實測彎沉值的統(tǒng)計分析，對比灌漿治理前后的各測點的彎沉差，采用同板彎沉差法進行脫空判定，結(jié)果顯示Ⅱ、Ⅳ灌漿材料對路面脫空的治理效果最好，脫空的治理率分別達到86.6%，88.8%。同時探地雷達檢測也顯示出Ⅱ、Ⅳ灌漿材料對脫空治理的效果較好。

4 結(jié)語

筆者通過灌漿材料配合比性能試驗，并借鑒國內(nèi)對灌漿材料的已有研究成果，分析各種成分的摻量對漿體性能的影響，得出各種材料摻量的合理范圍:水灰比應(yīng)控制在0.4～0.475;砂灰比不宜超過0.3;粉煤灰的用量對砂漿的早期強度影響很大，摻量不宜超過0.3，在交通繁忙地段，為了盡早開放交通，建議不要摻加粉煤灰;減水早強劑的最優(yōu)摻量為0.1;膨脹劑的理想摻量為0.08～0.1。設(shè)計7種不同配合比的灌漿材料對試驗路段的脫空板做現(xiàn)場灌漿試驗，利用落錘式彎沉儀(FWD)和探地雷達檢測各種材料的灌漿治理效果，試驗結(jié)果表明:材料Ⅱ(水泥∶水∶砂∶減水早強劑∶膨脹劑 =1∶0.45∶0.3∶0.01∶0.1)和Ⅳ(水泥∶水∶砂∶減水早強劑∶膨脹劑 =1∶0.45∶0.2∶0.01∶0.08)對治理板底脫空效果很好。研究成果可供水泥混凝土路面養(yǎng)護維修工程參考。

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