水泥混凝土路面早期裂缝修补材料研究进展

张 影，申力涛

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

水泥混凝土和沥青混凝土是目前最主要的两种路面材料，我国沥青资源匮乏，而水泥工业蓬勃发展，这为我国水泥混凝土路面的发展提供了有力的支撑。此外，水泥混凝土路面具有强度高、荷载扩散能力强、稳定性好等优点，因而得到了普及和运用[1]。但是，水泥混凝土路面裂缝问题是其无法克服的缺点，多组分材料中不同组分界面处极易出现薄弱层，且混凝土拌和施工时会产生气孔、干缩裂缝等[2]；水泥混凝土路面面板厚度级配等不达标、切缝位置不合理[3-4]、路面基层强度不均等外在因素，也会导致水泥混凝土路面在荷载和应力的作用下产生裂缝[3-5]。

截止2012年，我国水泥混凝土路面里程达165.32万km。至今，一些路面已经开始显现早期裂缝。可以预计，未来几年内，我国水泥混凝土路面裂缝处置工作将十分紧迫。水泥混凝土早期裂缝宽度一般在15 mm以内，并且未出现错台、唧泥、沉陷等严重的结构性病害[6]。此时的裂缝修补以裂缝密封为主要目的，防止雨水侵蚀导致路基削弱、裂缝扩大[7-8]。

在水泥混凝土路面裂缝修补中，修补材料的性能是决定修补效果的关键因素。参考通用水泥混凝土路面裂缝修补材料特性[2]，针对早期裂缝修补，需要特别考虑材料的相容性、可灌性、黏接性和耐久性。最早使用的裂缝修补材料以沥青为主，但其与水泥基材料的黏接性和耐久性较差，因此出现了有机胶黏剂类裂缝修补材料，如环氧树脂类、聚氨酯类、烯类等；超细水泥的出现，解决了水泥基裂缝修补材料可灌性差的问题，因此引发了水泥及水泥基改性裂缝修补材料的研究热潮。

1 有机胶黏剂类裂缝修补材料

国内最早广泛使用的水泥混凝土路面早期裂缝修补材料为沥青类材料，可以分为冷拌沥青、热拌沥青，利用沥青材料的可灌性，在路面板的裂缝处灌以沥青，起到封闭裂缝的作用。沥青类材料用于水泥混凝土路面裂缝修补，由于黏接性、耐久性等问题，多作为临时修补材料[7]。为了弥补沥青类材料的上述缺陷，出现了许多用于水泥混凝土路面裂缝灌缝、密封的有机胶黏剂类材料，比较典型的有环氧树脂类、聚氨酯类和烯类胶黏剂。

环氧树脂以其优越的黏接性和强度得到广泛应用，但是应用于水泥混凝土路面早期裂缝修补时，需要对环氧树脂进行改性，以提高流动性，降低脆性。李丽峰以环氧树脂和柔性与刚性复配固化剂，制备了水泥混凝土路面灌缝修补材料，拉伸剪切强度达到18.3 MPa，玻璃化转变温度为91.5℃[9]。王子龙通过聚氨酯对环氧树脂进行增韧改性，合成得到聚氨酯改性环氧树脂裂缝修补材料，抗压强度、弯曲强度、拉伸强度、断裂伸长率分别可以达到36.0 MPa、78.4 MPa、45.2 MPa 和 5.8%[10]。

聚氨酯类裂缝修补材料具有较优的柔性、耐疲劳性和耐冲击性，特别是其具有优异的耐低温性能，因此可以应用于高寒地区或冬季施工的裂缝修补工程。周有禄等对聚氨酯进行了柔性改性，制备了可用于高寒地区特殊环境的裂缝注浆的材料，并用于混凝土裂缝修补工程，对混凝土裂缝进行长期动态跟踪监测[11]。张志耕等采用聚氨酯预聚体与环氧丙烯酸酯，制备了一种可以在-15℃低温下固化的灌浆材料，用于高寒环境下的混凝土裂缝修补，取得良好的效果[12]。

烯类修补材料主要以烯类聚合物配制或进一步聚合得到，其中丙烯酸酯类裂缝修补材料黏度低并且能与环氧树脂混溶，因此将两者的优点结合，开发新材料的研究较多。耿飞等以环氧树脂改性丙烯酸丁酯增韧的甲基丙烯酸甲酯材料，以过氧化苯甲酰和胺类体系为固化剂，研制出了可用于水泥混凝土路面裂缝修补加固工程的丙烯酸类裂缝修补材料[13]。

2 水泥基裂缝修补材料

水泥基裂缝修补材料在研究初期受到水泥浆体可灌性的限制，多用于水泥混凝土路面坑槽或大裂缝的修补，直至后来超细水泥的出现，水泥基裂缝修补材料也可以用于水泥混凝土早期裂缝的修补。至今，广泛开展的普通水泥、超细水泥的改性研究使水泥基裂缝灌浆材料的应用领域得以扩展。目前研究较多的是聚合物乳液和矿渣改性水泥基灌浆材料。

申爱琴等利用具有柔性、双组分防水及黏结性能的聚合物乳液改性超细水泥制备了水泥混凝土结构物微裂缝修补材料，改善了界面黏附状况，强化了柔韧性、抗渗性及抗腐蚀性等性能[2]。周灵以普通水泥作为基质材料，用聚合物和高效减水剂作为主要改性剂，开发出了一种新型水泥路面微裂缝修补材料[14]。何凡以聚合物乳液对水泥基材进行改性，制备了路面裂缝修补材料，发现掺加聚合物可有效改善水泥浆体的可灌性，减轻水泥砂浆的干缩，但是会滞缓改性水泥浆体的凝结时间[15]。杨清宇采用聚丙烯酸酯乳液对超细水泥进行改性，得到可灌性好、拉伸剪切强度1.5～3 MPa、耐久性好的灌缝材料，并且进行了经济效益分析[6]。徐媛制备了SBR改性乳化沥青改性的水泥砂浆，研发出满足各项路用技术指标要求，并且适合寒冷地区水泥混凝土路面裂缝修补的材料[16]。

王晓飞采用磨细矿渣改性超细水泥，研究了改性裂缝修补材料的各项性能，分析了磨细矿渣改性超细水泥水化产物、微观结构和水化热，探讨了其改性机理，揭示了改性材料微观结构与宏观路用性能的相关性[17]。肖葳研制出了一种硅粉改性超细水泥的裂缝修补材料，分析了硅粉对超细水泥基裂缝修补材料性能的影响机理[18]。李铭以矿渣为基材，采用泡花碱和水泥熟料双碱激发，研制出凝结时间短、抗压抗折强度高并且经济环保的路面修补材料[19]。石艳以普通硅酸盐早强水泥为基材，适当掺加粉煤灰、矿渣粉、熟石灰粉和石英粉，采用较低的水胶比，研究开发了一种强度高、流动性好、抗冻性强、微膨胀的路面裂缝修补材料[20]。李湘前主要研究了矿物掺合料（粉煤灰、矿物纤维）和水灰比对混凝土塑性开裂的影响，不同掺合料和外加剂对桥面铺装混凝土早期收缩的影响[21]。雷毅通过碱激发工业废渣水泥、硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复配两种基材，研究了超早强基体性能，并采用聚合物乳液进一步改性，研制出了早强性能突出、黏结性能优良、凝结时间适中的水泥混凝土路面快速修补材料，可以6 h开放交通[22]。

3 展望

目前对水泥混凝土路面早期裂缝修补材料的研究主要集中在材料改性和配方研究。国内现有的有机胶黏剂类裂缝修补材料存在的主要问题是成本过高，而水泥基裂缝修补材料大多仍处于研发状态，材料的耐久性和环境适应性都有待验证。因此，今后一段时间内，水泥混凝土路面早期裂缝修补材料的研究应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将仍是水泥混凝土路面裂缝修补材料的研究热点，通过改性及配方研究，改善材料自身性能和环境适应性。

b）经济性分析和材料成本控制。目前对水泥混凝土路面裂缝修补材料的经济性分析相对较少，很多性能优良的材料都因为成本较高而无法推广应用，因此，进行经济性分析和降低材料成本将是水泥混凝土路面裂缝修补材料研究的重要目标。

c）相关技术规范的更新和补充。现行的水泥混凝土路面裂缝修补材料相关的技术规范存在材料规定单一和缺乏耐久性规定的问题，是限制材料应用的一个重要因素，因此相关技术规范的更新和补充显得十分必要。