厚榮斌，楊大永，劉 穎，馬向楠

(1.齊齊哈爾高速公路管理處,齊齊哈爾市 161002；2.黑龍江省高速公路管理局,哈爾濱市 150040；3.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089；4.中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測(cè)技術(shù)有限公司，北京 100089)

1 引 言

水泥混凝土路面作為我國主要路面形式之一，隨著我國經(jīng)濟(jì)和交通的快速發(fā)展，極端氣候頻發(fā)已經(jīng)重型交通物流的發(fā)展需求，水泥混凝土路面病害發(fā)生的比例逐年增加，這對(duì)我國的水泥混凝土養(yǎng)護(hù)和修補(bǔ)工作提出了更高的要求。

針對(duì)水泥混凝土路面的淺表破壞以及非結(jié)構(gòu)性破壞，國內(nèi)外道路工作者在施工工藝以及修補(bǔ)材料的研究方面取得了一定的成果，研究表明其中影響水泥混凝上路面修復(fù)層的重要關(guān)鍵在于其修補(bǔ)材料的選擇，目前常用的水泥路面修補(bǔ)材料類型有以如環(huán)氧樹脂類、聚氨酯類等代表的有機(jī)類、無機(jī)類，如快硬水泥混凝土等和聚合物復(fù)合改性類。其中聚合物復(fù)合改性類水泥修復(fù)材料有著優(yōu)異的路面性能，例如良好的行車性能和施工和易性，因此其在水泥混凝土路面修復(fù)及養(yǎng)護(hù)工程有著廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

2 原材料及配比方案

2.1 水膠比

選用42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥，其物理性能指標(biāo)見表1，為更好地發(fā)揮快硬硫鋁酸鹽水泥的早期強(qiáng)度，將水膠比定為0.14，膠砂比為1∶1.2，細(xì)集料各種指標(biāo)如表2所示。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥物理性能指標(biāo)表

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)表

2.2 纖維

纖維可以改善修復(fù)材料的柔韌性，提高抗裂能力，本研究選用的纖維種類為聚丙烯纖維，其性能如表3所示，考慮到纖維的加入對(duì)修復(fù)材料的抗壓和抗折強(qiáng)度產(chǎn)生的負(fù)面作用，摻入量不易過大，通過文獻(xiàn)調(diào)研和工程實(shí)踐確定纖維摻入量為水泥質(zhì)量的0.1%。

表3 纖維主要技術(shù)指標(biāo)表

2.3 聚合物

為了提高修復(fù)材料自身的粘結(jié)性以及修復(fù)層與舊路面的界面粘附性性，需要摻入少量的聚合物來增加此性能，本研究選用可再分散乳膠粉，屬于醋酸乙烯酯/乙烯共聚型，其摻量為水泥質(zhì)量的0.4%。主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 聚合物乳膠粉主要技術(shù)指標(biāo)

2.4 摻和料

為了提高修補(bǔ)材料的密實(shí)度和抗?jié)B能力，加入硅灰作為修補(bǔ)材料的摻合料，其摻量為水泥質(zhì)量的6%，在此摻量條件下，可以在一定程度提高修復(fù)材料的后期強(qiáng)度，其各項(xiàng)指標(biāo)如表5所示。

表5 硅灰的質(zhì)量指標(biāo)表

2.5 減水劑和消泡劑

減水劑是一種在維持復(fù)合改性修復(fù)砂漿工作性能不變的情況下，能大量減少拌合水用量的外加劑，本文選用FDN-C萘系高效減水劑，摻量為水泥質(zhì)量的0.8%，具體技術(shù)指標(biāo)見表6所示。

表6 減水劑參數(shù)指標(biāo)

在消泡劑的選擇方面，本文選用廣州市騰唐化工有限公司生產(chǎn)的粉狀固體消泡劑，主要成分是聚硅氧烷，摻量為水泥質(zhì)量的0.1%。

3 力學(xué)性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 力學(xué)強(qiáng)度研究

圖1 各齡期砂漿力學(xué)強(qiáng)度變化曲線

抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是反應(yīng)砂漿力學(xué)強(qiáng)度的兩個(gè)指標(biāo)。本節(jié)在復(fù)合改性修復(fù)砂漿配比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以1 d、7 d以及28 d齡期下，以普通水泥砂漿、快硬水泥砂漿為參比，對(duì)復(fù)合改性修復(fù)砂漿進(jìn)行抗壓與抗折強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見圖1所示。

由圖1可以看出：復(fù)合改性修復(fù)砂漿同普通水泥砂漿一樣，其抗壓與抗折強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而逐漸增大。與快硬水泥砂漿相比較，復(fù)合改性修復(fù)砂漿的1 d與7 d的抗壓和抗折強(qiáng)度均有所降低，這是因?yàn)榫酆衔锖凸璺鄣募尤胪七t了凝結(jié)時(shí)間，強(qiáng)度形成速度有所放緩，同時(shí)纖維的加入在一定范圍內(nèi)同樣會(huì)降低材料的強(qiáng)度；但與普通水泥砂漿相比，復(fù)合改性砂漿和早強(qiáng)水泥砂漿的1 d與7 d的早期強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于普通水泥砂漿，28 d下的三種水泥砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度相差不大，說明復(fù)合改性材料既滿足快速修復(fù)的強(qiáng)度要求，又比普通早期水泥具有更好的施工和易性。

3.2 柔韌性能研究

(1)壓折比

壓折比是材料的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的比值，能夠從力學(xué)強(qiáng)度角度直接地反應(yīng)出材料的柔韌性。材料壓折比愈小，說明材料的柔韌性愈好；反之，說明材料愈脆。復(fù)合改性修復(fù)材料的與其他兩種水泥材料壓折比對(duì)比圖，如圖2所示。

圖2 各齡期砂漿壓折比對(duì)比圖

由圖2可以看出：三種材料的壓折比對(duì)隨著齡期的增加而增大，由于早強(qiáng)水泥材料在1 d就形成了較高的強(qiáng)度，其壓折比值在早期就處于較高的范圍，說明其柔韌性相對(duì)更差；復(fù)合改性修復(fù)砂漿在保證早期強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，聚合物和纖維的加入，有效降低了早期壓折比，提高了施工和易性和材料的柔韌性。

(2)抗沖擊韌性

抗沖擊韌性是指材料在瞬時(shí)荷載的作用下抵抗破化和抗變形的能力。本文采用落球法進(jìn)行水泥砂漿抗的沖擊韌性測(cè)試，對(duì)比研究養(yǎng)護(hù)28 d后的復(fù)合改性砂漿與其他兩種水泥材料的抗沖擊韌性，具體測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 砂漿材料抗沖擊韌性和斷裂吸收能對(duì)比圖

由圖3可以看出：相較于早強(qiáng)水泥砂漿，28 d的復(fù)合改性修復(fù)砂漿的沖擊韌性和斷裂吸收能得到了明顯的提高。這說明了聚合物和纖維的加入能明顯改善砂漿的抗沖擊性能；復(fù)合改性修復(fù)材料的沖擊韌性與斷裂吸收能均高于普通水泥砂漿，說明其作為路面的修復(fù)層，有著更較好的抗沖擊能力，在一定程度上提高了修復(fù)路面的耐久性。

3.3 耐久性能研究

(1)抗收縮性能

復(fù)合改性修復(fù)砂漿作為一種流態(tài)砂漿拌合物，在澆筑成型過程中伴隨著失水凝固其體積會(huì)減小發(fā)生干縮。由于修補(bǔ)砂漿的收縮性，水泥路面薄層修補(bǔ)時(shí)，修補(bǔ)砂漿在已完成收縮變形的舊水泥路面上成型會(huì)在修補(bǔ)界面處會(huì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，如果修補(bǔ)材料與原路面之間的粘結(jié)力不能抵抗該拉應(yīng)力，那么修補(bǔ)路面會(huì)再次產(chǎn)生開裂，因此良好的收縮性是其必須具備的耐久性能之一。本文分別對(duì)普通水泥砂漿和復(fù)合改性修復(fù)砂漿進(jìn)行干縮率測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖4 復(fù)合改性修復(fù)材料與普通水泥干縮率對(duì)比圖

由圖4復(fù)合改性水泥修復(fù)砂漿和普通水泥試件干縮率對(duì)比可知，隨著齡期的增長(zhǎng)，兩種材料的干縮率同步增加，水泥材料的干縮現(xiàn)象是一個(gè)逐步累積的過程，且兩種材料的干縮增長(zhǎng)率最大的齡期區(qū)間在7 d之內(nèi)，7～28 d中干縮率增長(zhǎng)變緩，28 d之后干縮率增長(zhǎng)逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。復(fù)合改性修復(fù)砂漿在各齡期的干縮率一直低于普通水泥砂漿，這是因?yàn)榫酆衔锏募尤?，增加了水泥材料自身的密?shí)性，使得聚合物改性水泥砂漿抗收縮的性能有所改善。

(2)抗?jié)B性能

復(fù)合改性修復(fù)砂漿作為多孔材料，其內(nèi)部孔隙的數(shù)量、大小、分布及連通情況直接關(guān)系到其抵抗有害物質(zhì)侵蝕內(nèi)部的能力，其作為路面修補(bǔ)材料長(zhǎng)期遭受雨水的侵蝕，因此必須具備良好的抗?jié)B性能，這是提高路面的耐久性的關(guān)鍵。本文分別對(duì)普通水泥砂漿和復(fù)合改性修復(fù)砂漿進(jìn)行抗?jié)B性測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果見表7。

由表7可知，與普通水泥砂漿相比，復(fù)合改性修復(fù)砂漿具有更加優(yōu)良的抗?jié)B性，聚合物和纖維的摻入提高了修復(fù)砂漿的抗?jié)B性。

表7 砂漿抗?jié)B性測(cè)試結(jié)果

3.4 粘結(jié)直剪試驗(yàn)研究

為模擬修補(bǔ)路面的層間受剪狀態(tài)，本文采用直剪試驗(yàn)對(duì)復(fù)合改性修復(fù)砂漿的層間粘性性能進(jìn)行測(cè)試，并選擇普通水泥砂漿做為參比，具體試驗(yàn)步驟如下：

(1)采用300 mm×300 mm×50 mm車轍板成型C30標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

(2)利用鋼絲刷去除混凝土試塊表面浮漿，用粗砂紙打毛打磨出粗糙面，并用水清洗干凈；

(3)將試塊放置于底部墊置35 mm鋼板的300 mm×300 mm×100 mm的車轍板模具中，澆筑15 mm厚的待測(cè)砂漿，并進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生。

(4)利用鉆孔取芯機(jī)在養(yǎng)護(hù)后的試塊上取3個(gè)芯樣，芯樣尺寸為101.6 mm×65 mm。

(5)將芯樣試塊放入自制模具中，采用HS-SSI型直剪儀對(duì)芯樣進(jìn)行軸向壓應(yīng)力測(cè)試，并記錄芯樣斷裂時(shí)的最大壓應(yīng)力和剪切強(qiáng)度，具體測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 砂漿層間剪切粘結(jié)強(qiáng)度變化圖

由上圖可以看出：與普通水泥砂漿相比，復(fù)合改性修復(fù)砂漿的層間剪切粘結(jié)強(qiáng)度明顯得到了提高，層間剪切粘結(jié)比同樣提高，說明通過復(fù)合改性作用大幅提高了水泥砂漿的層間粘結(jié)性能。已有研究表明，纖維的摻入可以提高砂漿的層間粘結(jié)性能，進(jìn)一步強(qiáng)化了砂漿的自身強(qiáng)度減小了自身破裂的可能，從而對(duì)層間粘結(jié)性能的提高起到了積極作用。

4 結(jié) 論

(1)復(fù)合改性修復(fù)砂漿中由于聚合物和硅粉的加入推遲了凝結(jié)時(shí)間，強(qiáng)度形成速度與早強(qiáng)水泥相比有所放緩，同時(shí)纖維的加入在一定范圍內(nèi)同樣會(huì)降低材料的強(qiáng)度，但推遲了凝結(jié)時(shí)間，因此具有更好的施工和易性和耐久性；與普通水泥砂漿相比，復(fù)合改性砂漿的早期強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于普通水泥砂漿，說明與普通水泥材料相比，復(fù)合改性材料既可以足快速修復(fù)的強(qiáng)度要求。

(2)從材料的柔韌性角度來看，復(fù)合改性修復(fù)砂漿在保證早期強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，與早強(qiáng)水泥相比具有更好的柔韌性，不僅有效降低了早期的壓折比，其抗沖擊韌性和斷裂吸收能與普通水泥砂漿材料相比，均得到了明顯的提高，說明其作為路面的修復(fù)層，有著更較好的抗沖擊能力，在一定程度上提高了修復(fù)路面的耐久性。

(3)聚合物可以優(yōu)化復(fù)合改性水泥砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)，與普通水泥砂漿相比，其密實(shí)性明顯增加，材料的干縮率明顯降低，有著更優(yōu)異的后期強(qiáng)度，纖維的加入更有效增強(qiáng)了這一改性效果，使材料具有更好的抗?jié)B性，作為路面修復(fù)層材料，使路面結(jié)構(gòu)獲得更好的使用性能和耐久性。

(4)與普通水泥砂漿相比，纖維的摻入明顯提高的復(fù)合改性水泥砂漿的粘結(jié)性，降低了自身破裂可能的同時(shí)，明顯提高了修復(fù)層與舊水泥路面的層間粘結(jié)性。