水泥混凝土路面裂縫快速修補(bǔ)材料的研究

韓亞芳，曾平安，陳照威，吳迪，陳林聰

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500；2、廣州交投城市道路建設(shè)有限公司 廣州510030；3、廣東建科交通工程質(zhì)量檢測中心有限公司 廣州510500）

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國交通事業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，截至2017 年年底，全國公路通車總里程突破470 萬km，近5 年公路總里程增長約53.4 萬km，位居世界第四位［1］。其中，水泥混凝土路面應(yīng)用較為廣泛，其具有力學(xué)強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)、耐久性好、經(jīng)濟(jì)性良好等優(yōu)點(diǎn)，在我國的路面結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位［2］。隨著使用時(shí)間的增長，路面長期暴露在自然環(huán)境中，遭受日曬雨淋及行車沖擊，導(dǎo)致路面產(chǎn)生不同程度損壞，主要包括結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性破壞。結(jié)構(gòu)損壞包括輕裂縫、沉陷、錯(cuò)臺(tái)、碎裂、拱起等；非結(jié)構(gòu)性損壞包括輕微裂縫、露骨、麻面、剝落、磨光、接縫料損壞、坑洞等［3］。水泥混凝土路面的破壞給我國帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，其中，裂縫是路面早期病害中較嚴(yán)重的一種，其不但影響道路通行舒適性，而且對通行安全性及道路使用壽命也有不利影響［4-5］。因此，及時(shí)對水泥混凝土路面早期病害尤其是裂縫進(jìn)行維修，對于節(jié)省資源、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要的意義。

目前常用的水泥路面快速養(yǎng)護(hù)維修材料分有機(jī)類和無機(jī)類，其中有機(jī)類主要包含丙烯酸酯類、環(huán)氧樹脂類、硅酮膠類、聚氨酯類修補(bǔ)材料、改性瀝青嵌縫材料等，這些有機(jī)類材料柔韌性較好，具有較高的延伸率，但對于基面粘結(jié)性能較差，在多種復(fù)合力的作用下，容易出現(xiàn)脫落問題［6-9］。無機(jī)類材料主要包含快干水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥、聚合物改性水泥等，這些材料主要問題是養(yǎng)護(hù)通車一段時(shí)間后，很快出現(xiàn)裂縫和脫落，耐久性較差［10，11］。綜上所述，無機(jī)類材料粘接性能較差、屬脆性材料，修補(bǔ)后易出現(xiàn)再次開裂；而有機(jī)類材料也存在粘接性能差、不耐久、耐老化性差等缺陷［12］。

因此針對目前水泥混凝土路面裂縫養(yǎng)護(hù)存在的問題，本文開發(fā)了具有良好粘接性、耐久性、滲透性、韌性的裂縫修補(bǔ)材料，并對其粘結(jié)性能、韌性、抗壓強(qiáng)度、抗彎折強(qiáng)度、耐水煮老化性能進(jìn)行了深入的研究，并將其應(yīng)用于水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

本文所用的裂縫修補(bǔ)為改性環(huán)氧樹脂膠粘劑A、B雙組分型，其中A 組分主要由雙酚A 型環(huán)氧樹脂、稀釋劑、增韌劑、促進(jìn)劑KH-560組成。環(huán)氧樹脂采用廣州某公司生產(chǎn)的GELR127，粘度較低，改善修補(bǔ)材料的滲透性；活性稀釋劑采用安徽某公司生產(chǎn)的三羥甲基丙烷三縮水甘油醚（XY636）與樹脂材料相容性好、可降低體系粘度、改善修補(bǔ)材料的滲透性；增韌劑采用上海某公司生產(chǎn)的聚氨酯改性環(huán)氧樹脂材料EPU-253，具有良好的剪切強(qiáng)度、韌性和優(yōu)良的耐沖擊性，具體理化性能如下：環(huán)氧當(dāng)量為235～270 g/eq，粘度為180 000～220 000（25℃，cps），色澤為 1.0 max Gardner。促進(jìn)劑采用東莞某公司生產(chǎn)的KH-560，對于混凝土基面具有良好的附著力。B組份固化劑由酚醛胺固化劑組成，固化劑采用深圳某公司生產(chǎn)的酚醛胺固化劑5390，具有高粘結(jié)性能、耐沖擊性能；對比材料為市售環(huán)氧修補(bǔ)膠黏劑，市售水泥混凝土。

1.2 性能測試方法

將改性環(huán)氧膠黏劑各組分按照固定配比調(diào)配，攪拌均勻后備用。

拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率：按照配比1∶0.80，將A、B組分混合均勻后，將膠液倒入四氟乙烯模具框中，在（23±2）℃、50%濕度下恒溫養(yǎng)護(hù)2 d 后，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定裁成標(biāo)準(zhǔn)試樣。按照《塑料拉伸性能的測定 第3 部分：薄膜和薄片的試驗(yàn)條件：GB/T 1040.3-2006》要求，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)（GMT 4304 進(jìn)行，試驗(yàn)速率控制為50 mm/min。

鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度：將調(diào)好的膠液涂覆于2 塊鋼板面，分別控制長度為12.5±0.25 mm，隨后將2塊鋼板粘結(jié)在一起，在室溫下（23±2℃）養(yǎng)護(hù)2 d，測試其拉伸抗剪強(qiáng)度。按照《膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測定(剛性材料對剛性材料)：GB/T 7124-2008》要求，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)控制試驗(yàn)速率為2.0 mm/min，勻速拉到試樣斷裂，記錄破壞載荷。

固化收縮性能：按照《塑料不飽和聚酯和環(huán)氧樹脂 總體積收縮率的測定：ISO-3521-1997》要求，25 ℃下浮力法測固化后密度，比重瓶法測固化前密度。

粘接強(qiáng)度：用調(diào)好的膠液把2 個(gè)半8 字型水泥混凝土塊粘在一起組成1 個(gè)8 字型的試樣，在室溫下（23±2℃）養(yǎng)護(hù)1 d，粘接面尺寸為22.5 mm×22.2 mm。按照《建筑防水涂料試驗(yàn)方法：GB/T 16777-2008》，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)（GMT 4304）測定粘結(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)速率為2.0 mm/min，勻速拉到試樣斷裂，記錄破壞載荷及斷面位置。

抗壓強(qiáng)度：按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程：JTG E30-2005》要求，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試，試驗(yàn)速率0.3 MPa/s。

抗折強(qiáng)度：按照J(rèn)TG E30-2005標(biāo)準(zhǔn)，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)速率為控制為0.05 MPa/s。

濕熱老化：將成型好的混凝土8 字模試件置于40 ℃養(yǎng)護(hù)2 d 后，在恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)（ZL-80S）60 ℃、98%濕度下老化到規(guī)定時(shí)間，到期取出后測試粘度強(qiáng)度。

冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)：將成型好的混凝土8 字模試件置于40 ℃養(yǎng)護(hù)2 d 后，在高低溫箱（GDW-225）進(jìn)行循環(huán)，溫度70 ℃中12 h，-5 ℃下 12 h 為一個(gè)循環(huán)，完成規(guī)定循環(huán)次數(shù)后，取出試樣并測試其粘結(jié)強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 增韌劑用量確定

環(huán)氧樹脂本身為線型、熱塑性的，與固化劑固化后形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上硬而脆，韌性不足。環(huán)氧樹脂材料與固化劑固化反應(yīng)經(jīng)歷了放熱、冷卻收縮的過程，固化收縮后產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，在路面應(yīng)用后容易出現(xiàn)脆裂現(xiàn)象［13］。因此，為減少固化物內(nèi)應(yīng)力過大引起的裂紋，采用增韌劑對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，向雙酚A 型環(huán)氧樹脂引入柔性鏈段，將鏈增長，從而起到增韌作用［14］。本文采用聚氨酯改性雙酚A 型環(huán)氧樹脂EPU-253，對環(huán)氧樹脂膠黏劑A 組分進(jìn)行增韌改性。EPU-253 是高粘度高彈性聚氨酯改性環(huán)氧樹脂，與樹脂及固化劑配合使用后具有高剝離強(qiáng)度、耐外力沖擊，具有良好的搭接剪切強(qiáng)度、良好的抗蠕變性能，適合于延伸率要求較高的路面裂縫修補(bǔ)材料，可保證修補(bǔ)材料的柔韌性和耐久性。

具體測試結(jié)果由圖1 所示，隨著增韌劑EPU-253添加量的增加，樣品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率呈先增加后降低的趨勢；當(dāng)聚氨酯改性雙酚A 型環(huán)氧樹脂EPU-253添加量為15%時(shí)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均達(dá)到最大值，拉伸強(qiáng)度為23.6 MPa，斷裂伸長率為125.5%，力學(xué)性能最佳。這是因?yàn)榫郯滨ジ男原h(huán)氧樹脂EPU-253可與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成三維交聯(lián)網(wǎng)狀物，起初隨著反應(yīng)的進(jìn)一步加強(qiáng)，固化物拉伸強(qiáng)度進(jìn)一步增加；當(dāng)EPU-253增加到一定量后不能完全參與固化反應(yīng)，在膠黏劑體系中只能起到一定程度的增韌作用，因此導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率下降。

圖1 增韌劑EPU-253添加量的選擇Fig.1 Selection of Adding Amount of Toughening Agent EPU-253

2.2 稀釋劑對滲透性的影響

優(yōu)良的可灌性是保證修補(bǔ)材料深入裂縫深處，實(shí)現(xiàn)完全填充裂縫的前提。修補(bǔ)材料要求具有較低的初始黏度，且對水泥混凝土具有較好的浸潤作用，可以用于裂縫兩壁產(chǎn)生良好的粘接強(qiáng)度［15］。環(huán)氧膠黏劑組分中環(huán)氧樹脂、增韌劑組分粘度非常大，室溫環(huán)境下流動(dòng)性較差，因此不適用于裂縫修補(bǔ)，為改善其流動(dòng)性降低室溫環(huán)境下材料組分的作業(yè)粘度，需要添加合適的稀釋劑。

本文選擇活性稀釋劑三羥甲基丙烷三縮水甘油醚（XY636）添加到環(huán)氧膠黏劑組分中，可有效地降低樹脂的粘度。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1稀釋劑的添加對粘度及性能的影響可知，隨著稀釋劑三羥甲基丙烷三縮水甘油醚添加量的增加，A 組分粘度逐漸降低，說明稀釋劑的添加可明顯降低樹脂組分的粘度；鋼-鋼抗剪切強(qiáng)度隨稀釋劑添加量的增加，呈先上升后下降的趨勢，是由于活性稀釋劑內(nèi)含有三個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，可與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物，抗剪強(qiáng)度明顯提高；當(dāng)稀釋劑含量超過18%后，強(qiáng)度出現(xiàn)下降的轉(zhuǎn)折，是由于過多的環(huán)氧基團(tuán)不能完全參與到固化反應(yīng)中，所以強(qiáng)度逐漸下降。因此，本文選擇稀釋劑添加量為18%時(shí)，A 組分粘度較低，僅990 mPa·s，鋼-鋼抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值16.6 MPa。通過添加適量的稀釋劑使得樹脂粘度明顯降低，具有較好的滲透力，可用于水泥混凝土深裂縫的灌縫。良好的抗剪切強(qiáng)度可保證樹脂膠黏劑對混凝土具有較好的粘接力，從而保證對水泥混凝土裂縫的修補(bǔ)效果。

表1 稀釋劑的添加對粘度及性能的影響Tab.1 Influence of Diluent on Viscosity and Properties

2.3 裂縫修補(bǔ)材料性能

2.3.1 收縮性能

水泥混凝土裂縫修補(bǔ)材料及普通環(huán)氧類修補(bǔ)膠固化收縮率與齡期的關(guān)系如圖2所示。

圖2 固化后收縮率與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系Fig.2 Relationship between Curing Shrinkage and Curing Age

按照《塑料不飽和聚酯和環(huán)氧樹脂總體積收縮率的測定：ISO-3521-1997》要求，測試了市售普通環(huán)氧樹脂類材料的固化收縮率和新研制的裂縫修補(bǔ)材料的固化收縮率，其中固化前密度通過比重瓶法測定，固化后密度通過浮力法測定。由于環(huán)氧樹脂類膠結(jié)料固化速度較快，溫度較高，因此固化收縮率較大，固化收縮率大在實(shí)際使用時(shí)容易在粘結(jié)界面，出現(xiàn)因收縮而產(chǎn)生的裂縫，影響修補(bǔ)效果。由圖2可知，普通環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料和裂縫修補(bǔ)材料收縮率均隨齡期的增長，呈先增長后穩(wěn)定趨勢。裂縫修補(bǔ)材料的固化收縮率在養(yǎng)護(hù)齡期16 d 內(nèi)，呈逐漸增長的趨勢，最終收縮率穩(wěn)定在2.08%，與普通環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料收縮率3.29%對比表明，經(jīng)過增韌改性的修補(bǔ)材料收縮率明顯降低。而且，裂縫修補(bǔ)材料在實(shí)際應(yīng)用中未出現(xiàn)因收縮而產(chǎn)生裂縫的情況。

2.3.2 力學(xué)性能

由表2 抗壓強(qiáng)度對比和表3 抗折強(qiáng)度對比可知，環(huán)氧修補(bǔ)混合料與水泥混凝土對比，抗壓、抗折強(qiáng)度在早期有明顯的優(yōu)勢，尤其是在23℃養(yǎng)護(hù)8 h時(shí)，水泥混凝土仍不具有開放交通的能力，環(huán)氧類修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度可達(dá)19 MPa，抗折強(qiáng)度大于5 MPa，因此在施工時(shí)可以做到快速開放交通。通過裂縫修補(bǔ)混合料與普通環(huán)氧修補(bǔ)混合料對比可知，兩者抗壓性能相當(dāng)，但是經(jīng)過增韌改性后的抗折強(qiáng)度前者明顯優(yōu)于后者，且經(jīng)過充分養(yǎng)護(hù)后抗折強(qiáng)度達(dá)到16.8 MPa?？梢?，裂縫修補(bǔ)混合料具有強(qiáng)度高、彈性好、養(yǎng)護(hù)期短等優(yōu)點(diǎn)，比水泥混凝土、普通環(huán)氧修補(bǔ)材料更適應(yīng)于混凝土裂縫修補(bǔ)。

表2 抗壓強(qiáng)度對比Tab.2 Comparison of Compressive Srength

表3 抗折強(qiáng)度對比Tab.3 Comparison of Bending Strength

2.3.3 耐老化性能

表4為濕熱老化對粘接強(qiáng)度的影響，可以得出，裂縫修補(bǔ)膠結(jié)料在經(jīng)歷濕熱老化21 d 后，粘接8 字模的粘接強(qiáng)度平均為2.37 MPa，且破壞形式仍為混凝土破壞，如圖3所示，說明裂縫修補(bǔ)膠具有良好的耐濕熱老化性能。表5 為冷熱循環(huán)對粘接性能的影響，從表中可以看出，在經(jīng)歷15 個(gè)循環(huán)后，8 字模試樣粘接強(qiáng)度平均為2.13 MPa，且破壞形式仍為混凝土破壞，說明裂縫修補(bǔ)膠具有良好的耐冷熱循環(huán)的能力。

水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)材料主要用于戶外，使用環(huán)境惡劣，既需要經(jīng)歷夏季高溫多雨的濕熱環(huán)境，也需經(jīng)歷冷熱交替變化的四季氣候，因此，良好的耐濕熱老化性能和耐冷熱循環(huán)性能，在裂縫修補(bǔ)材料的實(shí)際路用性能中具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表4 濕熱老化對粘接強(qiáng)度的影響Tab.4 Influence of Hot and Humid Aging on Bonding Strength

圖3 8字模粘接強(qiáng)度測試破壞形式Fig.3 Failure Form of Bonding Strength Test of 8 type Mold

表5 冷熱循環(huán)對粘接性能的影響Tab.5 Influence of Cold and Heat Cycle on Bonding Performance

2.4 工程應(yīng)用及效果

水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)，主要步驟如圖4、圖5所示，包括：

⑴ 基面處理：利用風(fēng)鎬炮清除縫內(nèi)松散混凝土及臟污浮塵，利用打磨機(jī)對基面不平整處進(jìn)行打磨，保證基面表面干凈無粉塵；

⑵ 底涂：取少量攪拌好的膠液，用毛刷在坑槽四壁及底部涂刷一層膠液；

⑶ 灌膠：將拌合好的膠液灌入到裂縫中，保證其與裂縫平齊；

⑷ 養(yǎng)護(hù)：施工完畢后讓修補(bǔ)層養(yǎng)生2～5 h（具體時(shí)間視環(huán)境溫度而定，氣溫在20 ℃以上養(yǎng)生3 h）即可開放交通。

水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)應(yīng)用實(shí)例如圖6 所示，圖6a施工地點(diǎn)為廣西洛維大橋面層改造，首先對基面裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理，施工溫度25℃，經(jīng)過修補(bǔ)后對面層進(jìn)行環(huán)氧薄層罩面，增加橋面的抗滑性能，具體使用1 年后的狀況如圖6b 所示，整體效果良好，無二次裂縫問題。

圖4 裂縫基面處理及底涂和灌膠Fig.4 Treatment of Fracture base Plane，Primer and Filling

圖5 基面撒布抗滑骨料及裂縫處理后Fig.5 Adding Anti-slip Aggregate and after Crack Treatment

圖6 水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)后及罩面（1年后）Fig.6 Crack Repair of Cement Concrete Pavement and Cove of it（One Year Later）

3 結(jié)論

⑴ 通過添加聚氨酯改性雙酚A 型環(huán)氧樹脂EPU-253 增韌劑對環(huán)氧樹脂組分進(jìn)行增韌改性，當(dāng)添加量為15%時(shí)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均達(dá)到最大值，拉伸強(qiáng)度為23.6 MPa，斷裂伸長率為125.5%，力學(xué)性能最佳。經(jīng)試驗(yàn)證明，EPU-253 與樹脂及固化劑配合使用后，可明顯提高材料的斷裂伸長率，增加材料的韌性，適合于路面裂縫修補(bǔ)材料，可保證修補(bǔ)材料的柔韌性和耐久性。

⑵ 通過添加活性稀釋劑三羥甲基丙烷三縮水甘油醚（XY636）到環(huán)氧膠黏劑組分中，當(dāng)添加量為18%時(shí)，A 組分粘度較低，僅 990 mPa·s，鋼-鋼抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值16.6 MPa。經(jīng)試驗(yàn)證明，添加適量的稀釋劑可使樹脂粘度明顯降低，具有較好的滲透力，從而保證對水泥混凝土裂縫良好的粘接力和灌縫效果。

⑶ 通過對裂縫修補(bǔ)材料固化收縮性能、力學(xué)性能和耐老化性能測試表明，裂縫修補(bǔ)材料的固化收縮率穩(wěn)定在2.08%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到59 MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)到16.8 MPa，經(jīng)過多次濕熱循環(huán)、冷熱循環(huán)后，粘接強(qiáng)度維持在2MPa以上，且破壞形式為混凝土破壞。

綜上所述，經(jīng)過增韌劑改性后的裂縫修補(bǔ)材料具有較高的斷裂伸長率、良好的滲透性能、較小的固化收縮性、較高的力學(xué)性能和耐老化性能，且通過工程實(shí)踐應(yīng)用證明，增韌改性的裂縫修補(bǔ)材料完全滿足水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)的要求。