水泥混凝土路面早期裂縫修補(bǔ)材料研究進(jìn)展

張 影，申力濤

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

水泥混凝土和瀝青混凝土是目前最主要的兩種路面材料，我國(guó)瀝青資源匱乏，而水泥工業(yè)蓬勃發(fā)展，這為我國(guó)水泥混凝土路面的發(fā)展提供了有力的支撐。此外，水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、荷載擴(kuò)散能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了普及和運(yùn)用[1]。但是，水泥混凝土路面裂縫問(wèn)題是其無(wú)法克服的缺點(diǎn)，多組分材料中不同組分界面處極易出現(xiàn)薄弱層，且混凝土拌和施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣孔、干縮裂縫等[2]；水泥混凝土路面面板厚度級(jí)配等不達(dá)標(biāo)、切縫位置不合理[3-4]、路面基層強(qiáng)度不均等外在因素，也會(huì)導(dǎo)致水泥混凝土路面在荷載和應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂縫[3-5]。

截止2012年，我國(guó)水泥混凝土路面里程達(dá)165.32萬(wàn)km。至今，一些路面已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)早期裂縫?？梢灶A(yù)計(jì)，未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó)水泥混凝土路面裂縫處置工作將十分緊迫。水泥混凝土早期裂縫寬度一般在15 mm以內(nèi)，并且未出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、唧泥、沉陷等嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性病害[6]。此時(shí)的裂縫修補(bǔ)以裂縫密封為主要目的，防止雨水侵蝕導(dǎo)致路基削弱、裂縫擴(kuò)大[7-8]。

在水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)中，修補(bǔ)材料的性能是決定修補(bǔ)效果的關(guān)鍵因素。參考通用水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)材料特性[2]，針對(duì)早期裂縫修補(bǔ)，需要特別考慮材料的相容性、可灌性、黏接性和耐久性。最早使用的裂縫修補(bǔ)材料以瀝青為主，但其與水泥基材料的黏接性和耐久性較差，因此出現(xiàn)了有機(jī)膠黏劑類(lèi)裂縫修補(bǔ)材料，如環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)、聚氨酯類(lèi)、烯類(lèi)等；超細(xì)水泥的出現(xiàn)，解決了水泥基裂縫修補(bǔ)材料可灌性差的問(wèn)題，因此引發(fā)了水泥及水泥基改性裂縫修補(bǔ)材料的研究熱潮。

1 有機(jī)膠黏劑類(lèi)裂縫修補(bǔ)材料

國(guó)內(nèi)最早廣泛使用的水泥混凝土路面早期裂縫修補(bǔ)材料為瀝青類(lèi)材料，可以分為冷拌瀝青、熱拌瀝青，利用瀝青材料的可灌性，在路面板的裂縫處灌以瀝青，起到封閉裂縫的作用。瀝青類(lèi)材料用于水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)，由于黏接性、耐久性等問(wèn)題，多作為臨時(shí)修補(bǔ)材料[7]。為了彌補(bǔ)瀝青類(lèi)材料的上述缺陷，出現(xiàn)了許多用于水泥混凝土路面裂縫灌縫、密封的有機(jī)膠黏劑類(lèi)材料，比較典型的有環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)、聚氨酯類(lèi)和烯類(lèi)膠黏劑。

環(huán)氧樹(shù)脂以其優(yōu)越的黏接性和強(qiáng)度得到廣泛應(yīng)用，但是應(yīng)用于水泥混凝土路面早期裂縫修補(bǔ)時(shí)，需要對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性，以提高流動(dòng)性，降低脆性。李麗峰以環(huán)氧樹(shù)脂和柔性與剛性復(fù)配固化劑，制備了水泥混凝土路面灌縫修補(bǔ)材料，拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)到18.3 MPa，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為91.5℃[9]。王子龍通過(guò)聚氨酯對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行增韌改性，合成得到聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂裂縫修補(bǔ)材料，抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率分別可以達(dá)到36.0 MPa、78.4 MPa、45.2 MPa 和 5.8%[10]。

聚氨酯類(lèi)裂縫修補(bǔ)材料具有較優(yōu)的柔性、耐疲勞性和耐沖擊性，特別是其具有優(yōu)異的耐低溫性能，因此可以應(yīng)用于高寒地區(qū)或冬季施工的裂縫修補(bǔ)工程。周有祿等對(duì)聚氨酯進(jìn)行了柔性改性，制備了可用于高寒地區(qū)特殊環(huán)境的裂縫注漿的材料，并用于混凝土裂縫修補(bǔ)工程，對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)[11]。張志耕等采用聚氨酯預(yù)聚體與環(huán)氧丙烯酸酯，制備了一種可以在-15℃低溫下固化的灌漿材料，用于高寒環(huán)境下的混凝土裂縫修補(bǔ)，取得良好的效果[12]。

烯類(lèi)修補(bǔ)材料主要以烯類(lèi)聚合物配制或進(jìn)一步聚合得到，其中丙烯酸酯類(lèi)裂縫修補(bǔ)材料黏度低并且能與環(huán)氧樹(shù)脂混溶，因此將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，開(kāi)發(fā)新材料的研究較多。耿飛等以環(huán)氧樹(shù)脂改性丙烯酸丁酯增韌的甲基丙烯酸甲酯材料，以過(guò)氧化苯甲酰和胺類(lèi)體系為固化劑，研制出了可用于水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)加固工程的丙烯酸類(lèi)裂縫修補(bǔ)材料[13]。

2 水泥基裂縫修補(bǔ)材料

水泥基裂縫修補(bǔ)材料在研究初期受到水泥漿體可灌性的限制，多用于水泥混凝土路面坑槽或大裂縫的修補(bǔ)，直至后來(lái)超細(xì)水泥的出現(xiàn)，水泥基裂縫修補(bǔ)材料也可以用于水泥混凝土早期裂縫的修補(bǔ)。至今，廣泛開(kāi)展的普通水泥、超細(xì)水泥的改性研究使水泥基裂縫灌漿材料的應(yīng)用領(lǐng)域得以擴(kuò)展。目前研究較多的是聚合物乳液和礦渣改性水泥基灌漿材料。

申愛(ài)琴等利用具有柔性、雙組分防水及黏結(jié)性能的聚合物乳液改性超細(xì)水泥制備了水泥混凝土結(jié)構(gòu)物微裂縫修補(bǔ)材料，改善了界面黏附狀況，強(qiáng)化了柔韌性、抗?jié)B性及抗腐蝕性等性能[2]。周靈以普通水泥作為基質(zhì)材料，用聚合物和高效減水劑作為主要改性劑，開(kāi)發(fā)出了一種新型水泥路面微裂縫修補(bǔ)材料[14]。何凡以聚合物乳液對(duì)水泥基材進(jìn)行改性，制備了路面裂縫修補(bǔ)材料，發(fā)現(xiàn)摻加聚合物可有效改善水泥漿體的可灌性，減輕水泥砂漿的干縮，但是會(huì)滯緩改性水泥漿體的凝結(jié)時(shí)間[15]。楊清宇采用聚丙烯酸酯乳液對(duì)超細(xì)水泥進(jìn)行改性，得到可灌性好、拉伸剪切強(qiáng)度1.5～3 MPa、耐久性好的灌縫材料，并且進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析[6]。徐媛制備了SBR改性乳化瀝青改性的水泥砂漿，研發(fā)出滿足各項(xiàng)路用技術(shù)指標(biāo)要求，并且適合寒冷地區(qū)水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)的材料[16]。

王曉飛采用磨細(xì)礦渣改性超細(xì)水泥，研究了改性裂縫修補(bǔ)材料的各項(xiàng)性能，分析了磨細(xì)礦渣改性超細(xì)水泥水化產(chǎn)物、微觀結(jié)構(gòu)和水化熱，探討了其改性機(jī)理，揭示了改性材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀路用性能的相關(guān)性[17]。肖葳研制出了一種硅粉改性超細(xì)水泥的裂縫修補(bǔ)材料，分析了硅粉對(duì)超細(xì)水泥基裂縫修補(bǔ)材料性能的影響機(jī)理[18]。李銘以礦渣為基材，采用泡花堿和水泥熟料雙堿激發(fā)，研制出凝結(jié)時(shí)間短、抗壓抗折強(qiáng)度高并且經(jīng)濟(jì)環(huán)保的路面修補(bǔ)材料[19]。石艷以普通硅酸鹽早強(qiáng)水泥為基材，適當(dāng)摻加粉煤灰、礦渣粉、熟石灰粉和石英粉，采用較低的水膠比，研究開(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、抗凍性強(qiáng)、微膨脹的路面裂縫修補(bǔ)材料[20]。李湘前主要研究了礦物摻合料（粉煤灰、礦物纖維）和水灰比對(duì)混凝土塑性開(kāi)裂的影響，不同摻合料和外加劑對(duì)橋面鋪裝混凝土早期收縮的影響[21]。雷毅通過(guò)堿激發(fā)工業(yè)廢渣水泥、硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)配兩種基材，研究了超早強(qiáng)基體性能，并采用聚合物乳液進(jìn)一步改性，研制出了早強(qiáng)性能突出、黏結(jié)性能優(yōu)良、凝結(jié)時(shí)間適中的水泥混凝土路面快速修補(bǔ)材料，可以6 h開(kāi)放交通[22]。

3 展望

目前對(duì)水泥混凝土路面早期裂縫修補(bǔ)材料的研究主要集中在材料改性和配方研究。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的有機(jī)膠黏劑類(lèi)裂縫修補(bǔ)材料存在的主要問(wèn)題是成本過(guò)高，而水泥基裂縫修補(bǔ)材料大多仍處于研發(fā)狀態(tài)，材料的耐久性和環(huán)境適應(yīng)性都有待驗(yàn)證。因此，今后一段時(shí)間內(nèi)，水泥混凝土路面早期裂縫修補(bǔ)材料的研究應(yīng)主要集中在以下方面：

a）材料的改性及配方研究。材料的改性及配方研究將仍是水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)材料的研究熱點(diǎn)，通過(guò)改性及配方研究，改善材料自身性能和環(huán)境適應(yīng)性。

b）經(jīng)濟(jì)性分析和材料成本控制。目前對(duì)水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)材料的經(jīng)濟(jì)性分析相對(duì)較少，很多性能優(yōu)良的材料都因?yàn)槌杀据^高而無(wú)法推廣應(yīng)用，因此，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析和降低材料成本將是水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)材料研究的重要目標(biāo)。

c）相關(guān)技術(shù)規(guī)范的更新和補(bǔ)充?，F(xiàn)行的水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)材料相關(guān)的技術(shù)規(guī)范存在材料規(guī)定單一和缺乏耐久性規(guī)定的問(wèn)題，是限制材料應(yīng)用的一個(gè)重要因素，因此相關(guān)技術(shù)規(guī)范的更新和補(bǔ)充顯得十分必要。