高性能水泥路面修补混凝土试验研究
摘要：水泥混凝土路面作为我国高等级公路和城市道路工程中一种重要的路面结构形式.在各类路面工程中发挥着重要作用。在对混凝土路面表面破损技术分析的基础上,采用高效减水剂、超细矿渣以及聚合物对细粒混凝土进行改性,研究其路用性能,可为混凝土路面和结构工程破损修补提供理论依据。
关键词：修补混凝土;强度;粘结性能;耐久性能;施工工艺
0前言
水泥混凝土路面具有强度高、扩散荷载能力强、温度与水稳定性好、使用寿命长、维护费用低等优点.因此在各类路面工程中发挥着十分重要的作用.其广阔的发展前景也倍受全社会的重视,已成为我国高等级公路和城市道路工程中的一种重要的路面结构形式。
但是由于水泥混凝土自身是一种脆性材料,对交通超载及环境因素的变化十分敏感,加上设计、施工和管理不善等问题.在长期运营中.路表砂浆层易破损.不但会严重影响路面的平整性和抗滑性,内部的粗集料在失去了砂浆层的保护后也会迅速脱落,从而导致整个面板的断裂破坏。通过分析湖南多条高速公路检测数据可知,很多路面竣工仅10年后便有10％的路面面板出现了表面破损和抗滑构造丧失等问题,严重影响了其正常运营。可想而知,施工控制和材料设计质量更低的省县级公路和各类城市道路的破坏速度和强度会更加巨大。以往对破损路面较多采用换板等维修措施,但因此带来的工作量大和耽误通车等问题一直困扰着管理部门。参考国内外相关经验特别是近年来较为流行的预防性养护理念,采用小粒径混凝土对破损面板进行早期修补可以大大减缓路面的破损速率.因而成为目前对混凝土路面和结构工程破损修补的主要方法之一。本文在对混凝土路面表面破损技术分析的基础上,采用高效减水剂、超细矿渣以及聚合物对细粒混凝土进行改性,并研究其路用性能。
l现有路面破损修补方法及不足
目前的混凝土表面破损修补技术流程大致如图1所示。
混凝土表面破损修补技术的关键在于加强旧混凝土路面与新浇混凝土之间的粘结.而二者收缩性能的不协调导致了其界面易开裂,加上外界车辆荷载的作用和环境变化的影响,成为修补材料破坏的源头。国外相关研究表明,影响新老水泥基材粘结的主要因素有修补界面的清洁度、老混凝土界面开裂情况、新拌混凝土的粘结性能.其中前二者与施工工艺有关.第三个因素主要考虑到材料组成设计的改性研究。
根据国内外调研报告可知.目前的混凝土路面破损修补材料在施工工艺和材料设计方面还有很大的提升余地。因此,本研究将主要关注研究高性能修补混凝土.并对其相应施工工艺进行讨论。
2主要试验
2.1试验原材料性能
水泥选用海螺牌42.5#普通硅酸盐水泥:细集料选用河砂.细度模数为2.60;粗集料采用最大粒径为19mm的连续级配石灰岩碎石：减水剂选用聚羧酸系高效缓凝减水剂：使用的超细矿渣比表面积为530m2/kg;搅拌用水选择自来水。此外为了研究多种修补工艺.还研究了聚合物修补混凝土的性能,聚合物选用SD622S羧基丁苯乳液,固含量为50％,预掺有机硅消泡剂,聚灰比在参考已有研究的基础上定为10％。
2.2配比设计原则
本研究的目标是研究不同组成材料对修补混凝土性能的影响程度,故参考以往的工程实践和国内外相关经验,首先确定了材料配比目标设计的三个原则：高流动性、高粘结强度、低收缩量。
高流动性保证了修补混凝土良好的施工性能.高粘结强度和低收缩量则是新旧混凝土界面粘结性能的根本要求。但事实上.上述三大原则对修补混凝土配比的要求不同甚至是相互矛盾的,如高粘结强度要求修补混凝土具备低水灰比特征,而高流动性则需要较大的用水量以及水泥用量;而低收缩量与低水泥用量又直接相关。因此,同时满足上述二三大原则是非常困难的.需要大量人力物力的投入。在权衡技术和成本各方面因素的基础上,提出了以下改性方法：
a)由于资金和时问的限制.无法进行长期而大量的试配试验.因此选择通过添加外加剂和矿质掺和料,对已有的普通水泥路面修补混凝土配比进行优化.以配制高性能修补混凝土的方法;
b)考虑到本地区的供材状况,没有选用快硬早强型水泥和其他改性剂,而是选择了当地市场长期能够供货的普通水泥、减水剂和其他原材料;
c)采用高效减水剂以保证低水泥用量和用水量.使混凝土具有较高的流动性;
d)为了在合适的修补工作性前提下降低修补混凝土的早期收缩.固定水泥(胶凝材料)总用量为360kg/m3,掺入占水泥掺量30％的磨细矿渣,并掺入适量膨胀剂。
另外.考虑到施工的便利性.控制修补混凝土的坍落度在5cm～7cm的范围之内。确定了四种改性修补混凝土配比(见表1),其中J0为已有的普通修补混凝土.J1～J3分别为普通改性修补混凝土、矿渣改性修补混凝土和聚合物改性修补混凝土。
注：聚合物修补混凝土中的水灰比包括聚合物乳液的含水量。
2.3试验方法
修补混凝土的搅拌、装模及成型方法以及抗折、抗压强度和抗冻、收缩测试方法均参照《公路工程水泥混凝土试验规程》(JTJ053—94)进行。粘结强度采用粘结抗弯拉强度进行评价.即在90d龄期的C40旧混凝土小梁断块上浇筑修补混凝土.全试件尺寸为55cmx15cmx15cm.养护至28d龄期后测试其抗弯拉强度掺聚合物的混凝土采用前7d标准养护.后期干养护至28d的养护方式;其他类修补混凝土采用标准养护方式。
3试验结果与讨论
3.1强度和粘结性能试验
如前所述.基于材料方面的考虑,提高新老混凝土界面粘结能力的关键因素是修补混凝土的高粘结性和低收缩性。因此,本研究首先通过测试力学强度、粘结强度和3d收缩率.比选修补混凝土的最优配比,测试结果见表2。
表2强度与粘结性能测试结果
对表2结果分析可知.种改性修补混凝土的粘结强度均远远高于普通修补混凝土。高效减水剂、矿渣和聚合物的掺人均可有效地提高混凝土的粘结强度。特别是复合双掺高效减水剂和矿渣以及复合双掺聚合物和矿渣,两者改性混凝土的粘结强度与普通修补混凝土相比较提高了约52％与108％。
单掺高效减水剂虽然可以显著增加混凝土的粘结强度,但收缩也有较大的增长,因此会影响新旧混凝土界面的粘性性能。而矿渣或聚合物的掺入可以降低新浇筑混凝土的收缩量特别是3d内的收缩量.因此非常有利于降低新老混凝土界面开裂的趋势。
虽然综合比较粘结强度和收缩性能,J2与J3配比均性能优良.聚合物改性修补混凝土甚至更胜一筹.但考虑到聚合物价格太高,从而使得修补混凝土的成本难以承受。因此在广泛听取各管理和养护单位意见后,最终决定选择J2N]矿渣改性修补混凝土作为推荐配合比。
3.2耐久性试验
作为路面修补材料,修补混凝土不但需要与老混凝土面层粘结良好,而且也需要具备较小的收缩性.才能保证在长期使用中不至于与原路面脱离。另外,由于修补混凝土直接承受环境冻融、腐蚀和车轮磨耗的作用.还要保护本来已经很薄弱、且集料剥落的旧混凝土面层免受外界破坏,因此修补混凝土必须具备比普通混凝土性能优越得多的耐久性能。修补混凝土的全龄期干缩、抗冻、耐磨测试结果如图l～图3所示
图1全龄期干缩测试结果
图2抗冻试验结果
图3耐磨性能测试结果
可见.修补混凝土的耐久性能远远优于普通混凝土。首先其干缩量较普通混凝土显著下降,尤其是7d前的干缩降幅较大,因而可避免修补材料与原路面的脱离破坏。
高效减水剂和矿渣的双掺也有利于混凝土抗冻性能的提高.在300次标准冻融循环后,其相对动弹性模量仍相当于初始状态的74％。仍能够保持大部分的负荷能力;而普通混凝土动弹性模量却降低了将近一半,表明其结构和承载能力已破坏殆尽。此外。该修补材料较普通混凝土更为优越的地方是.与一般的混凝土耐磨性与抗压强度成正比的研究结论不同,虽然修补混凝土的抗压强度与普通混凝土相当,但耐磨性能却更优越,单位磨损质量降低了48％,这也是掺人超细矿渣的原因。
4机理分析
修补混凝土的力学性能、粘结性能和耐久性能之所以远远优于普通混凝土.主要是因为它在改善混凝土的工作性能，改善内部结构两方面发挥了重要作用。
4.1改善工作性能
高效减水剂有着显著的减水效果,从而可以在坍落度相同的条件下大幅度降低混凝土单位用水量;矿渣虽然减水效果略差.但可以改善混合料的粘聚和保水性能。当两者协同作用时,可以大幅度改善混凝土的工作性能并降低水灰比.从而改善其力学与耐久性能。
4.2改善内部结构
低水灰比混凝土本身内部结构密实均匀,加上矿渣可以填充普通混凝土内部原生微裂隙与孔隙.从而显著改善其内部结构。矿渣和水泥水化物一起结合可以跨越混凝土内部裂缝,起到桥接和填充的作用。这不但可防止外界腐蚀性因子的侵入.还可以增大混凝土的柔性。
5施工工艺优化
5.1施工准备
5.1.1场地处理
对需要修补的面板逐一编号、统计修补面积.计算修补混凝土各种原材料的用量。同时注意对强度不足的基层必须进行预先处理。
5.1.2修补机具
水泥混凝土路面修补多为小面积.因此更适宜人工或小型机具摊铺。需要配备的主要设备有：发电机组、小型空气压缩机(带风钻.凿除混凝土路面板)、切缝设备、混凝土强制式拌和机、插入或平板式振捣器、抹光机、振动梁以及其他辅助机具。
5.2施工流程与工艺
5.2.1备料
在拌和场地落实后.按配合比比例备足所需材料。
5.2.2界面处理
采用高压水枪处理旧混凝土界面,一方面可将旧混凝土界面的疏松集料和旧砂浆轻松除去.表面浮尘和泥土也可洗掉,另一方面界面处还不会出现像凿松等工艺一样的微裂缝。如能在施工前将聚合物乳液配合水泥砂浆均匀地涂敷在旧混凝土界面层再浇筑修补混凝土,还可以增加层间的粘结性。
5.2.3搅拌
首先将水与减水剂搅拌均匀.投料顺序为：石、水泥、矿渣、砂、水,首先干拌大约30s,干拌完毕后加入水再进行拌和60s～90s。
5.2.4摊铺
搅拌完毕后立即摊铺.布料时应注意控制好摊铺的虚高,以保证有足够的材料进行找平。首先用插入式振动器振捣.并用平板振捣器收面.再采用木抹粗平和钢抹精平进行二次抹面工序。
5.3养生与切缝
5.3.1养生
混凝土浇筑完毕后24h,在修补混凝土面喷洒混凝土养护剂或按常规养生.以保证路面处于潮湿状态。
5.3.2切缝及灌缝
养生3d后用切缝机切缝.并用聚氯乙烯胶泥或高聚物沥青混合料等进行灌缝.在确认缝干后直接压入背衬条。
6结论与建议
6.1结论
总结高性能水泥路面修补混凝土试验研究.得出以下几点结论：
a)修补混凝土的力学性能和粘结性能相对普通混凝土有明显改善,表现为抗折强度在大幅度提高的同时压折比与抗压强度有所下降.粘结强度却显著上升.这表明修补混凝土具有较高的抗弯折能力、断裂性能与粘结性能.十分适合于修补层的受力模式：
b)双掺高效减水剂和矿渣用于修补混凝土的耐久性能优于普通混凝土,表现为其干缩、抗冻.耐磨和耐腐蚀性能均有显著增长.因而更能满足修补材料所应具有的低收缩性、高耐久性与低磨耗性的要求;c)修补混凝土之所以具有优良的路用性能.是因为矿渣的掺入和低水灰比同时改善了混凝土的工作性和内部结构.使得混凝土逐渐向密实的柔性材料转化。
6.2建议
对于高性能水泥路面修补混凝土提出以下两点建议：
a)水泥路面修补材料达到长期而耐久的寿命,不但需要配制高性能的修补材料,更应该对新老界面层的接触应力状态、受力模式等进行力学计算,并将其与材料的室内试验结果、施工工艺结合分析,才能开发出真正意义上的高性能水泥路面修补材料,这也是本研究缺少且急需跟进的部分：
b)对界面层的不同状态进行微观的电镜、渗透性和孔隙率分析,结合微观层面研究和改性材料的宏观性能,将是未来研究发展的主要方向
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