水泥混凝土路面快速修補材料研究*

郭唯一 鄭秀華 侯毓棟 梁 霄 叢 林

(1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院 哈爾濱 201103; 3.上海嘉瀏高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司 上海 200030)

大多數(shù)水泥混凝土路面的嚴(yán)重?fù)p壞最初表現(xiàn)為路面的局部病害，如裂縫、接縫附近混凝土局部破壞、路面脹縫損壞、邊角斷裂及表層脫落等，這些小范圍的局部病害如果不能得到及時有效地修復(fù)，將導(dǎo)致病害進一步加劇，造成更大的經(jīng)濟損失。目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用的成果大多是沿用傳統(tǒng)的普通混凝土修補技術(shù)。常用的水泥基材料修復(fù)技術(shù)不僅施工工藝復(fù)雜、而且修補界面黏結(jié)差，效果不理想。若采用整板修復(fù)技術(shù)工藝，不僅修復(fù)工期長，且很不經(jīng)濟。如何解決傳統(tǒng)修補方法費時費力、養(yǎng)生期長、影響交通等問題，己成為當(dāng)今水泥混凝土路面修補材料研究的首要目標(biāo)。張水等[1]使用快硬硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，并添加苯丙乳液，試驗結(jié)果顯示，修補材料黏結(jié)強度有顯著提升，且3 d抗折、抗壓強度分別為3～4 MPa和25～26 MPa，28 d達(dá)到5～6 MPa和31～33 MPa。高英力等[2]在水泥基材料中添加超細(xì)粉煤灰一氟石膏材料，在不摻早強劑的情況下1 d抗壓強度就達(dá)到25 MPa以上；龍方來等[3]在砂漿中摻加可再分散乳膠粉和聚丙烯纖維，28 d黏結(jié)強度達(dá)8.0 MPa。但這些研究大多未考慮6 h早期強度，以致難以滿足快速通車的需求。由此，提出水泥混凝土快速修補材料研究方向。

JTJ073.1-2001 《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，用于板塊修補的混凝土材料應(yīng)在24 h內(nèi)達(dá)到原板設(shè)計強度的70%以上，即混凝土24 h抗折強度要達(dá)到3.5 MPa(原板設(shè)計強度為5.0 MPa)。因此，若要實現(xiàn)快速修補的目標(biāo)，修補砂漿的6 h抗折強度不能低于3.5 MPa，且具備一定的黏結(jié)強度和較好的施工和易性。相關(guān)研究表明，使用一定的快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥復(fù)配作為膠凝材料，可以提高修補材料的早期強度[4]，同時保證一定的后期強度；在膠凝材料中摻加聚合物乳液，可以有效改善新老界面間的黏結(jié)強度[5]，并減緩凝結(jié)速率，方便施工。

因此，本研究采用普通硅酸鹽水泥-快硬硫鋁酸鹽水泥-丁苯膠乳三元復(fù)合膠凝體系制備砂漿，對水泥凈漿的凝結(jié)時間、砂漿的流動度、抗壓抗折強度、黏結(jié)強度進行測試與分析，以期得到一種綜合性能較好的快速修補材料。

1 原材料及試驗方法

試驗采用唐山北極熊公司生產(chǎn)的標(biāo)號42.5快硬硫鋁酸鹽水泥，亞泰建材公司生產(chǎn)的標(biāo)號42.5普通硅酸鹽水泥，最大粒徑為2.36 mm的河砂，自來水。采用深圳市吉田化工有限公司生產(chǎn)的丁苯膠乳106號，固含量為50%，大都化工公司生產(chǎn)的苯丙乳液，固含量為52%。采用京旗化工生產(chǎn)的消泡劑JQ-904，聚羧酸高效減水劑。

試驗用抗壓抗折試件的制備參照GB/T 17671-1999 《水泥膠砂強度檢驗方法》[6]，每組配合比同時成型3條截面為40 mm×40 mm×160 mm的試件，檢測6 h,1 d,3 d的抗壓抗折強度。

新拌砂漿流動度測試按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2419-2005 《水泥膠砂流動度測定方法》[7]進行。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1346-2011 《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》[8]進行凝結(jié)時間試驗。由于快硬硫鋁酸鹽凝結(jié)時間較短，將觀察和測定間隔縮短為1 min/次。

砂漿黏結(jié)強度測試按照如下方法進行：首先制作普通硅酸鹽42.5級水泥膠砂試件，養(yǎng)護7 d后使用抗折強度試驗機折斷，取試件的一半模擬舊混凝土路面。將斷塊放入試模，澆筑修補材料并成型試件。養(yǎng)護至齡期后測試抗折強度，并觀察斷裂面情況。

2 快速修補材料性能分析

2.1 2種水泥復(fù)配膠凝體系的研究

已有研究表明[9]，快硬硫鋁酸鹽水泥(R·SAC)和普通硅酸鹽水泥(P·O)復(fù)配比例對砂漿的強度有很大影響，但這些研究的結(jié)論各有不同。因此，本試驗控制快硬硫鋁酸鹽水泥占比為0%～100%，以10%的梯度進行選取，并固定水灰比0.3，膠砂比1∶1.5，以探究膠凝材料中R·SAC所占比例對砂漿力學(xué)強度的影響。試驗結(jié)果見圖1，并將具體強度值匯總于表1。

圖1 R·SAC占比對砂漿強度的影響

表1 試件各齡期力學(xué)強度

從圖1可見，砂漿試件的抗壓、抗折強度與快硬硫鋁酸鹽水泥占比并非線性關(guān)系，而是顯著的先增后減趨勢，且水化速度顯著增加。在膠凝材料體系全部為普通硅酸鹽水泥時，試件無法正常脫模，幾乎沒有強度。隨膠凝材料中R·SAC比例提高，砂漿6 h、1 d、3 d抗壓強度及抗折強度均呈先增后減趨勢， 并在R·SAC占比為60%或70%時達(dá)到最大值。路面快速修補材料不僅應(yīng)有足夠的強度，還應(yīng)有適宜的凝結(jié)時間：初凝時間不宜過長，終凝時間不宜過短。因此，對上述11種配比對應(yīng)的水泥凈漿進行凝結(jié)時間測試，以探究膠凝材料中R·SAC占比對凈漿凝結(jié)時間的作用效果。試驗結(jié)果見圖2。

圖2 R·SAC占比對水泥凈漿凝結(jié)時間的影響

由圖2可知，隨R·SAC占比的增加，水泥凈漿凝結(jié)時間顯著縮短，終凝和初凝時間之差也大幅減小，在占比超過80%后二者有所回升。當(dāng)R·SAC占比為80%時凝結(jié)時間最短，初凝時間為14 min，終凝時間為17 min。

考慮到R·SAC占比60%時可以獲得最高的早期抗折強度，同時也能保證一定的抗壓強度和初凝、終凝時間，因此選用快硬硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥比例6∶4作為基礎(chǔ)膠凝材料配比。

2.2 三元復(fù)配膠凝體系的研究

在水泥砂漿中加入聚合物乳液，可以提升砂漿黏聚性能，不顯干澀[10-11]；且能有效改善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能、黏結(jié)性能。而這些性能的改善程度又取決于聚合物乳液的種類及摻量，且并非摻量越大性能越好。苯丙乳液、丁苯膠乳在普通硅酸鹽水泥中性能穩(wěn)定，可以有效改善水泥砂漿的力學(xué)性能，并延長凝結(jié)時間。但關(guān)于這2種乳液在快硬硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥復(fù)配體系中性能的研究較少。此外，2種乳液均具有良好的引氣作用，會導(dǎo)致砂漿含氣量上升，使強度降低。因此，應(yīng)在砂漿拌和時摻加一定量的消泡劑，以消除這一不利影響。

本研究選擇2種水泥最佳復(fù)配比例m(R·SAC)∶m(P·O)=6∶4的基礎(chǔ)膠凝材料，固定膠砂比為1∶1.5，并添加消泡劑控制砂漿含氣量不高于6.5%，制備不同聚灰比的2種聚合物改性水泥砂漿，以探究不同苯丙乳液、丁苯膠乳摻量對砂漿流動度、力學(xué)強度的影響。試驗結(jié)果見表2、圖3、圖4。

表2 丁苯膠乳砂漿流動度

圖3 摻苯丙乳液砂漿強度

圖4 摻丁苯膠乳砂漿強度

由圖3可知，在二元復(fù)配膠凝材料中摻加苯丙乳液，會顯著降低其抗壓、抗折強度，在聚灰比為0.06時，抗壓抗折強度相較空白組下降60%以上。且在拌和成型時，砂漿流動度隨苯丙乳液摻量的提高而明顯降低。

苯丙乳液加入水泥后，水泥中的各類離子使其破乳聚沉，無法與水泥砂漿形成整體，協(xié)同受力。且苯丙乳液本身具有一定的黏度，最終導(dǎo)致了體系整體黏稠度增大，流動性降低。因此，可以認(rèn)為苯丙乳液不適合摻加在快硬硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥復(fù)配體系中。

表2數(shù)據(jù)顯示了隨聚合物砂漿中丁苯膠乳摻量的提高，砂漿流動度得到顯著提高，在聚灰比為0.01時已經(jīng)超過了300 mm。由圖4可見，隨聚灰比的增高，6 h、1 d、3 d抗壓強度均呈下降趨勢。在聚灰比為0.1時相較空白組砂漿分別下降了31.8%、31.9%、32.5%。對于抗折強度，砂漿6 h、1 d、3 d抗折強度均呈先下降，后上升，再下降的趨勢。在聚灰比為0.06時，6 h強度達(dá)到最高值5.02 MPa，相較不摻加聚合物的砂漿試件提高了10.1%。聚灰比0.08時，1 d，3 d強度分別達(dá)到最大值6.12，7.02 MPa，相較空白組試件分別提高了4%、13%。

丁苯膠乳的摻入可以賦予砂漿良好的柔韌性，表現(xiàn)為提高基體的抗折強度，降低抗壓強度。聚灰比較低時，漿體內(nèi)丁苯膠乳含量不足，無法形成完全連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，存在大量結(jié)構(gòu)缺陷，因此抗折強度反而比空白組低。隨著其摻量的增加，砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到更有效的改善，聚合物脫水形成的高黏結(jié)力的膜，與各種水泥水化產(chǎn)物相互交織形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進而提高試件的抗折強度和韌性。但丁苯膠乳本身強度較低，當(dāng)摻量過大時反而會降低砂漿的抗折強度，砂漿試件側(cè)面圖見圖5。

圖5 砂漿試件側(cè)面圖

由圖5可見，在折斷的試件側(cè)面及截面處可以觀察到大量半徑較小的圓孔，因此引氣作用也是抗折強度降低的重要因素。丁苯膠乳的彈性模量較低，在受壓時無法承擔(dān)與水泥石相同的荷載。因此在聚灰比增大時，砂漿試件的抗壓強度隨之降低。

研究認(rèn)為，搶修工程用水泥的初凝時間一般不低于20～25 min，終凝時間不晚于60 min。對普通硅酸鹽水泥-快硬硫鋁酸鹽水泥-丁苯膠乳三元復(fù)合膠凝體系進行凝結(jié)時間測試，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 丁苯膠乳摻量對水泥凈漿凝結(jié)時間的影響

由圖6可見，丁苯膠乳的摻入可以顯著提高水泥凈漿的凝結(jié)時間。在聚灰比為0.1時，初凝時間為39 min，終凝時間為44 min，相較空白組提高了約1倍。這是因為丁苯膠乳在摻加到水泥凈漿后，隨時間推移逐漸形成膜狀物。這層薄膜阻礙了水泥熟料顆粒與水的接觸，并對水化產(chǎn)物的遷移形成障礙，從而縮短凝結(jié)時間。

修補界面的黏接強度關(guān)系到修補材料能否與舊混凝土路面保持協(xié)同工作，是修補成功與否的另一個重要因素。通過對不同聚灰比的砂漿試件進行黏結(jié)強度測試，以確定可以獲得最佳黏結(jié)性能的聚灰比。試驗結(jié)果見圖7。

圖7 聚灰比對修補材料黏結(jié)強度的影響

由圖7可見，在砂漿中摻加丁苯乳液可以提高新老界面間的黏結(jié)強度，且隨聚灰比的提高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。0.08聚灰比組在養(yǎng)護至6 h時，黏結(jié)強度就可以達(dá)到2.18 MPa，相較不摻加丁苯膠乳組提高了60.2%，但后續(xù)成長性略低于聚灰比0.06組。對于0.06聚灰比組，1 d黏結(jié)強度可達(dá)3.11 MPa，3 d黏結(jié)強度繼續(xù)提升，為3.60 MPa。

在聚灰比較低時，黏結(jié)強度隨聚灰比增大而上升。這是因為聚合物分子具有較強的擴散能力，能有效滲入到舊基體的毛細(xì)孔中，在聚合物脫水成膜后將新基體和舊基體連結(jié)，從而提高兩者之間的黏結(jié)性能。隨著聚灰比提高，黏結(jié)強度有所下降。這是因為丁苯膠乳增大了新拌砂漿的黏聚性，在灌入試模時相較低聚灰比組不易分散，因而降低了黏結(jié)強度。綜上，在聚灰比為0.06時，可以獲得綜合黏結(jié)性能最好的修補砂漿。

3 結(jié)論

本文研究了普通硅酸鹽水泥-快硬硫鋁酸鹽水泥-丁苯膠乳三元復(fù)合膠凝體系，通過測試新拌砂漿流動度及6 h，1 d，3 d抗壓抗折強度及黏結(jié)強度，得出如下結(jié)論。

1) 使用普通硅酸鹽水泥與快硬硫鋁酸鹽水泥復(fù)配作為基礎(chǔ)膠凝材料，可以增加砂漿的早期強度，縮短凝結(jié)時間，且不同復(fù)配比例的砂漿強度及凈漿凝結(jié)時間不同。其中：m(R·SAC)∶m(P·O)=7∶3時可以獲得最高的6 h和3 d抗折強度，m(R·SAC)∶m(P·O)=6∶4可以獲得最高的3 d抗折強度，m(R·SAC)∶m(P·O)=8∶2時凝結(jié)時間最短。

2) 苯丙乳液不適合摻加在快硬硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥復(fù)合體系中，會使力學(xué)強度及流動度顯著降低。

3) 丁苯膠乳的摻入可以提高砂漿的抗折強度，延長凝結(jié)時間，但會降低其抗壓強度。在聚灰比為0.08時可以獲得最高的1 d,3 d抗折強度。摻加丁苯乳液還可以提高新老界面間的黏結(jié)強度。聚灰比為0.08時6 h黏結(jié)強度可達(dá)到2.18 MPa，相較不摻加丁苯膠乳組提高了60.2%。

4) 使用水膠比為0.3，m(R·SAC)∶m(P·O)=6∶4，聚灰比為0.06，膠砂比為1∶1.5的配合比制備砂漿，其工作性能優(yōu)異。漿體本身6 h抗折強度達(dá)到4.98 MPa，1 d抗折強度為6.12 MPa，3 d抗折強度7.02 MPa，6 h抗壓強度16.21 MPa，1 d抗壓強度20.41 MPa，3 d抗壓強度29.31 MPa。且黏結(jié)強度最高，6 h黏結(jié)強度可達(dá)2.18 MPa，1 d黏結(jié)強度3.01 MPa，3 d黏結(jié)強度3.28 MPa。其力學(xué)強度、流動度、凝結(jié)時間均滿足水泥混凝土路面快速修補的需求。