水泥混凝土路面快速修补材料研究综述

陈志勇

（福建东南市政勘察设计有限公司，福州 350001）

1 前言

近年来,随着惠民政策力度不断地加大,全国已基本实现“村村通公路”的总体目标。 混凝土与沥青结构是目前常见的两种路面结构形式。 混凝土结构路面因具有水稳定性好、承载力高、耐高温、材料廉价等优势,得到了广泛使用。 据统计,目前混凝土结构路面占总通车里程数的75%左右。

尽管水泥混凝土路面具有众多优点, 但仍存在一些缺陷,可归为以下3 方面：(1)大型车辆及超载车辆不断增加,使得原有的路面结构滞后于当前的交通量发展速度；(2)早期路面施工主要以人工为主,机械为辅,使得施工过程中质量得不到充分保证；(3)部分承包商一味地追求经济利益,使用不合格的原材料,以次充好,未严格按照施工规范标准实施,导致路面未开放交通,就出现各种病害。种种不利因素均会影响路面的正常使用功能, 若得不到有效,控制,将会给社会经济发展带来阻碍。

2 快速修补材料研究现状

目前水泥混凝土路面修补材料可分为无机水泥类、有机类和有机无机混合材料3 类[1]。

2.1 无机水泥类修补材料

无机水泥类修补材料是指在各类不同的水泥中加入外加剂等材料配合而成的具有不同性能的材料。 根据材料成分不同, 可分为以特种水泥为主的修补砂浆和水泥基中掺入其他无机矿物两类。

目前国内外有不少学者研究了不同性能的无机水泥类修补材料,如Whiting.D.等[2]研制了以硫酸盐水泥为原料的路面快速修补材料, 其24h 抗压强度可以达到28MPa 以上；A Tafraoui 等[3]在普通混凝土中加入适量的偏高岭土混合物,该类材料具有优异的耐久性能,可改善其物理力学性能。 邓毅等[4]研究了砂率、湿度等参数变化对混凝土路面快速修补材料的影响, 可为路面养护工作提供施工指导依据；何立斌等[5]充分利用硫铝酸盐特性,研制了适用于寒冷地区路面破损快速修复的材料； 黄义雄等[6]研制出了一种新型外加剂,掺入到磷酸镁水泥中,可配制出120 min 左右就能满足通车要求的修补材料。

无机类水泥快速修补材料具有成本低、 易于施工操作、与旧结构相容性好等优点,但同时也存在与旧结构粘结强度低、后期维护费用成本高等缺点。无机类快速修补材料特点见表1。

表1 无机类水泥快速修补材料特点

2.2 有机修补材料

有机类快速修补材料是指以有机物为母材, 通过合成等方式产生的新型材料,主要以环氧树脂、改性沥青为主。

改性沥青混合料是一种最为普通的裂缝修补材料,因其具有施工简易、 短期内可开放交通等优势受到了广泛的青睐,但也存在如强度无法满足原设计要求,使得使用年限短、整体性能差等缺陷[7]；环氧树脂修补材料具有显著的粘结力特点,P Carballeira 等[8]研究发现采用环氧树脂作为旧混凝土路面修补材料, 其修补后的拉伸强度和弹性模量都有所改善；叶娇凤等[9]研究表明,增加适量的腈橡胶可改善环氧树脂的粘结力、抗拉等力学性能；张文静等[10]通过试验法分析了砂石比、骨胶比等不同参数含量的变化对聚氨酯混凝土修补材料的性能影响； 彭全敏采用正交试验法,配制出砂、石、水泥、聚氨酯、固化剂等不同含量对修补材料的性能参数影响规律[11]。

可见, 有机类快速修补材料具有粘结力强、 抗耐久性、抗渗性良好等优点、能够在短期内强度达到车辆开放要求。 但该材料易老化、价格昂贵、有毒性,无法广泛推广应用。 有机类快速修补材料性能见表2。

表2 有机类水泥快速修补材料特性

2.3 有机无机混合料

有机无机混合料是指采用一种或多种不同的有机料与无机料按照一定的比例混合而成的新型材料, 是当前研究较为热门的一种路面修补材料, 该材料充分集合了有机、无机修补料的优势,是一种较为理想的路面修补材料。 如黄从运等[12]研制了一种丁苯乳液改性水泥砂浆的材料,可实现快硬、早强等特点,且便于现场实施操作；黄梅等[13]利用普通硅酸盐水泥、二水石膏等为材料,掺入适量的减水剂和乳胶粉,研制出可实现2h 内抗压强度可达到30MPa 的新材料；周华新等[14]在铝酸盐水泥中掺入适量的缓凝剂、高性能减水剂等,通过试验分析表明该修补砂浆材料具有耐久性好、体积稳定性等优点。

通过归纳总结关于有机无机混合料修补材料研究成果可见,这种混合材料可充分发挥了有机、无机材料的优势,具有优越的性能,是当前较为理想的材料,经得起实际检验并得到了大量应用。

3 快速修补材料的性能要求

3.1 材料强度

快速修补材料应具有足够的强度, 能满足修复后车辆行驶要求。 当前市面上修补材料品种多样,各类性能指标也不同。 依据《公路水泥混凝土路面设计规范》[15]要求,修补材料的最低抗折强度、抗压强度应与母材相同,才能保证与原结构路面一起承受外来荷载。 普通路面通车强度要求见表3。

表3 普通混凝土路面设计抗压、抗折强度

3.2 凝结时间

路面修补施工的最大特点是尽可能不影响正常交通秩序或将影响降到最低, 这就要求修补材料具有早期强度高、早硬等特征,以便修复完成后尽快放行。 常规的普通混凝土砂浆终凝时间长、且前期强度低,不具备作为修复材料的可行性。 因此,要求路面快速修补材料必须具备满足工作和易性的同时还要满足初凝时间不低于拌和、运输、振捣等总时间(30min 左右),终凝时间不长于2h。

3.3 粘结强度

修补材料的粘结力特性是影响水泥混凝土路面修复质量的重要因素之一, 新旧混凝土修复界面经常会出现振捣不密实、积水等现象,导致界面成为整个路面最薄落的环节,一段时间后又出现开裂、破坏等病害。 这就要求修补材料必须具有足够的粘结力,保证新、旧界面能够协同工作、共同受力,如果修补材料具有较好的抗压、抗折能力,但粘结力不足,修复后的结构路面短期内仍会有新的病害产生。 目前,国内外对于修补材料界面的粘结指标要求还没有形成统一的规范标准要求, 主要是参照材料的抗压、抗剪和抗折粘结强度。

3.4 收缩性

通过大量的市场调查发现, 普遍快速修补材料后期均有出现较为明显的收缩性, 造成修补界面出现不同程度的裂痕,甚至裂纹,主要是因为这类材料早期大量热量分散,而旧结构路面基本没有热量分散,使得新旧界面出现单一的收缩应变, 当材料应力大于材料的抗拉应力时,结构就出现裂缝。 因此,修补材料的收缩性能指标是决定路面修补质量的关键参数之一, 要求修补材料的收缩率尽可能地小,以有效延长路面的修补寿命。

3.5 耐久性

大量的试验研究结果表明, 混凝土路面截面出现蜂窝、 麻面等病害现象很大程度上是因为修补材料长期暴露在空气中,与周边的环境(水、氧气、阳关、温度)不断地交替变化发生各种反应所产生的, 与材料的耐久性息息相关。因此,作为路面修补材料必须具有足够的耐久性,从而延长修补寿命。

4 水泥混凝土路面快速修复工艺及方法研究

优质的修补材料与科学施工是影响混凝土路面修补质量的两个主要因素。 以往的水泥路面一般是边凿除边修补,这种方法不仅质量得不到保障且费力费时,还会造成交通堵塞,对社会影响不可估量。因此,在重视研制新型修补材料的同时,也应该注重施工工艺、方法及注意事项。 本节分别从施工工艺、病害修补方法两方面展开论述[16-17]。

4.1 修补工艺

(1)测量放样。 结合检测报告与现场病害复核位置,根据病害严重程度及类型采取对应的修复对策。 应在病害位置往四周扩展不低于10cm 以上划定为修补范围,若遇到狭长裂缝病害, 可选择其一侧板块进行凿除的修补方式。

(2)切割。在放样的基础上,根据实际病害情况,采用不同直径切割片对修补区进行切割, 根据现场经验及理论力学,建议破损范围切割成矩形状,且长、宽边长度不得小于35cm,可改善修补区域的受力性能。

(3)清理。 尽可能选用小振幅风镐等机械对切割区域的混凝土进行凿除、破碎,以便于工人清理,不留残渣,并对其清洗干净。

(4)路基处理。 一般情况下,路面出现各种塌陷、挤泥、错台等病害,主要是与该位置下的路基强度不够或出现不均匀沉降有关。 有必要对其该位置处的路基进行夯实或填充坚硬的碎石等材料,保证路基满足设计承载力要求。

(5)新旧混凝土界面处理。路基处理好后,一方面,将界面处理剂均匀涂刷在凿除旧混凝土路面的四周及底面层或水泥浆材料。另一方面,在凿除破损路面时,应向下呈内扩展凿除,且将四周凿成粗糙不平的锯齿状,以便新旧结构更好的粘结成一体。

(6)修补料浇筑。 严格按照设计要求的配合比,拌制快速修补料,浇筑破损处。 当厚度较大时,宜分层填筑、分层振捣,保证浇筑的密实度,各个施工前后工序应衔接紧密,严格控制时间在初凝前将表面振捣、抹平完毕,并在终凝前刻纹结束。

(7)养护。 严格执行相关养护规定,保证养护期间修补面处于保湿状态, 宜采用草袋等吸水性强的材料覆盖,严禁采用围水养护。 参照预留的试验块或根据现场混凝土回弹强度情况决定路面开放时间。

4.2 快速修补方法

根据路面出现的不同病害情况及形状, 可将路面快速修补方法分为以下4 大类。

(1)条状罩面法。 条状罩面法是指将破损处一定范围外的缺陷路面凿除,并清洗干净,之后灌注快速修补料的一种方法。 该方法适用于路面出现错位、蜂窝等病害修补。

(2)扩缝粘结法。 扩缝粘结法适用于路面出现不同类型的裂缝,其主要施工方法是沿着裂缝的宽度扩大,然后打入高性能粘结力胶体材料,可实现快速开放交通,且处置效果良好。

(3)全厚修补法。 全厚修补法是指将破损的混凝土板块全部凿除,并对下部路基进行处理,直至达到设计承载力要求后再浇筑路面层的一种修补方法。 该方法需要对交通进行短暂的封闭, 主要用于大面积的混凝土面板破碎、塌陷等病害修补。

(4)注浆法。注浆法适用于板底脱空、挤泥等路面病害修复。 其主要原理是在板块上钻孔,以便向板底压入超细早强混凝土材料, 从而使得板块抬高到原有的路面层位置,以恢复正常交通通行。

5 结语

为了更好地让交通运输网服务于当前社会经济发展,相关部门不仅要抓好水泥混凝土路规划、设计、施工、养护、运营等各个环节的质量,还要鼓励科研机构、研究学者大胆探索新型材料、施工技术、方法等先进技术用于路面快速修补,以缩短恢复社会车辆正常通行时间,为社会的持久稳定发展提供保障。