高性能水泥路面修補混凝土試驗研究

1、高性能水泥路面修補混凝土試驗研究 摘要：水泥混凝土路面作為我國高等級公路和城市道路工程中一種重要的路面結(jié)構(gòu)形式.在各類路面工程中發(fā)揮著重要作用。在對混凝土路面表面破損技術(shù)分析的基礎上,采用高效減水劑、超細礦渣以及聚合物對細?；炷吝M行改性,研究其路用性能,可為混凝土路面和結(jié)構(gòu)工程破損修補提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：修補混凝土;強度;粘結(jié)性能;耐久性能;施工工藝中圖分類號：TU0前言水泥混凝土路面具有強度高、擴散荷載能力強、溫度與水穩(wěn)定性好、使用壽命長、維護費用低等優(yōu)點.因此在各類路面工程中發(fā)揮著十分重要的作用.其廣闊的發(fā)展前景也倍受全社會的重視,已成為我國高等級公路和城市道路工程中的一種重要的路面結(jié)

2、構(gòu)形式。但是由于水泥混凝土自身是一種脆性材料,對交通超載及環(huán)境因素的變化十分敏感,加上設計、施工和管理不善等問題.在長期運營中.路表砂漿層易破損.不但會嚴重影響路面的平整性和抗滑性,內(nèi)部的粗集料在失去了砂漿層的保護后也會迅速脫落,從而導致整個面板的斷裂破壞。通過分析湖南多條高速公路檢測數(shù)據(jù)可知,很多路面竣工僅10年后便有10的路面面板出現(xiàn)了表面破損和抗滑構(gòu)造喪失等問題,嚴重影響了其正常運營?？上攵?施工控制和材料設計質(zhì)量更低的省縣級公路和各類城市道路的破壞速度和強度會更加巨大。以往對破損路面較多采用換板等維修措施,但因此帶來的工作量大和耽誤通車等問題一直困擾著管理部門。參考國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗特別

3、是近年來較為流行的預防性養(yǎng)護理念,采用小粒徑混凝土對破損面板進行早期修補可以大大減緩路面的破損速率.因而成為目前對混凝土路面和結(jié)構(gòu)工程破損修補的主要方法之一。本文在對混凝土路面表面破損技術(shù)分析的基礎上,采用高效減水劑、超細礦渣以及聚合物對細?；炷吝M行改性,并研究其路用性能。l現(xiàn)有路面破損修補方法及不足目前的混凝土表面破損修補技術(shù)流程大致如圖1所示?；炷帘砻嫫茡p修補技術(shù)的關(guān)鍵在于加強舊混凝土路面與新澆混凝土之間的粘結(jié).而二者收縮性能的不協(xié)調(diào)導致了其界面易開裂,加上外界車輛荷載的作用和環(huán)境變化的影響,成為修補材料破壞的源頭。國外相關(guān)研究表明,影響新老水泥基材粘結(jié)的主要因素有修補界面的清潔度、老

4、混凝土界面開裂情況、新拌混凝土的粘結(jié)性能.其中前二者與施工工藝有關(guān).第三個因素主要考慮到材料組成設計的改性研究。根據(jù)國內(nèi)外調(diào)研報告可知.目前的混凝土路面破損修補材料在施工工藝和材料設計方面還有很大的提升余地。因此,本研究將主要關(guān)注研究高性能修補混凝土.并對其相應施工工藝進行討論。2主要試驗2.1試驗原材料性能水泥選用海螺牌42.5#普通硅酸鹽水泥:細集料選用河砂.細度模數(shù)為2.60;粗集料采用最大粒徑為19mm的連續(xù)級配石灰?guī)r碎石：減水劑選用聚羧酸系高效緩凝減水劑：使用的超細礦渣比表面積為530m2/kg;攪拌用水選擇自來水。此外為了研究多種修補工藝.還研究了聚合物修補混凝土的性能,聚合物選用

5、SD622S羧基丁苯乳液,固含量為50,預摻有機硅消泡劑,聚灰比在參考已有研究的基礎上定為10。2.2配比設計原則本研究的目標是研究不同組成材料對修補混凝土性能的影響程度,故參考以往的工程實踐和國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗,首先確定了材料配比目標設計的三個原則：高流動性、高粘結(jié)強度、低收縮量。高流動性保證了修補混凝土良好的施工性能.高粘結(jié)強度和低收縮量則是新舊混凝土界面粘結(jié)性能的根本要求。但事實上.上述三大原則對修補混凝土配比的要求不同甚至是相互矛盾的,如高粘結(jié)強度要求修補混凝土具備低水灰比特征,而高流動性則需要較大的用水量以及水泥用量;而低收縮量與低水泥用量又直接相關(guān)。因此,同時滿足上述二三大原則是非常困

6、難的.需要大量人力物力的投入。在權(quán)衡技術(shù)和成本各方面因素的基礎上,提出了以下改性方法：a由于資金和時問的限制.無法進行長期而大量的試配試驗.因此選擇通過添加外加劑和礦質(zhì)摻和料,對已有的普通水泥路面修補混凝土配比進行優(yōu)化.以配制高性能修補混凝土的方法;b考慮到本地區(qū)的供材狀況,沒有選用快硬早強型水泥和其他改性劑,而是選擇了當?shù)厥袌鲩L期能夠供貨的普通水泥、減水劑和其他原材料;c采用高效減水劑以保證低水泥用量和用水量.使混凝土具有較高的流動性;d為了在合適的修補工作性前提下降低修補混凝土的早期收縮.固定水泥(膠凝材料總用量為360kg/m3,摻入占水泥摻量30的磨細礦渣,并摻入適量膨脹劑。另外.考慮

7、到施工的便利性.控制修補混凝土的坍落度在5cm7cm的范圍之內(nèi)。確定了四種改性修補混凝土配比(見表1,其中J0為已有的普通修補混凝土.J1J3分別為普通改性修補混凝土、礦渣改性修補混凝土和聚合物改性修補混凝土。注：聚合物修補混凝土中的水灰比包括聚合物乳液的含水量。2.3試驗方法修補混凝土的攪拌、裝模及成型方法以及抗折、抗壓強度和抗凍、收縮測試方法均參照公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程(JTJ05394進行。粘結(jié)強度采用粘結(jié)抗彎拉強度進行評價.即在90d齡期的C40舊混凝土小梁斷塊上澆筑修補混凝土.全試件尺寸為55cmx15cmx15cm.養(yǎng)護至28d齡期后測試其抗彎拉強度摻聚合物的混凝土采用前7d標

8、準養(yǎng)護.后期干養(yǎng)護至28d的養(yǎng)護方式;其他類修補混凝土采用標準養(yǎng)護方式。3試驗結(jié)果與討論3.1強度和粘結(jié)性能試驗如前所述.基于材料方面的考慮,提高新老混凝土界面粘結(jié)能力的關(guān)鍵因素是修補混凝土的高粘結(jié)性和低收縮性。因此,本研究首先通過測試力學強度、粘結(jié)強度和3d收縮率.比選修補混凝土的最優(yōu)配比,測試結(jié)果見表2。表2強度與粘結(jié)性能測試結(jié)果對表2結(jié)果分析可知.種改性修補混凝土的粘結(jié)強度均遠遠高于普通修補混凝土。高效減水劑、礦渣和聚合物的摻人均可有效地提高混凝土的粘結(jié)強度。特別是復合雙摻高效減水劑和礦渣以及復合雙摻聚合物和礦渣,兩者改性混凝土的粘結(jié)強度與普通修補混凝土相比較提高了約52與108。單摻高

9、效減水劑雖然可以顯著增加混凝土的粘結(jié)強度,但收縮也有較大的增長,因此會影響新舊混凝土界面的粘性性能。而礦渣或聚合物的摻入可以降低新澆筑混凝土的收縮量特別是3d內(nèi)的收縮量.因此非常有利于降低新老混凝土界面開裂的趨勢。雖然綜合比較粘結(jié)強度和收縮性能,J2與J3配比均性能優(yōu)良.聚合物改性修補混凝土甚至更勝一籌.但考慮到聚合物價格太高,從而使得修補混凝土的成本難以承受。因此在廣泛聽取各管理和養(yǎng)護單位意見后,最終決定選擇J2N礦渣改性修補混凝土作為推薦配合比。3.2耐久性試驗作為路面修補材料,修補混凝土不但需要與老混凝土面層粘結(jié)良好,而且也需要具備較小的收縮性.才能保證在長期使用中不至于與原路面脫離。另

10、外,由于修補混凝土直接承受環(huán)境凍融、腐蝕和車輪磨耗的作用.還要保護本來已經(jīng)很薄弱、且集料剝落的舊混凝土面層免受外界破壞,因此修補混凝土必須具備比普通混凝土性能優(yōu)越得多的耐久性能。修補混凝土的全齡期干縮、抗凍、耐磨測試結(jié)果如圖l圖3所示圖1全齡期干縮測試結(jié)果圖2抗凍試驗結(jié)果圖3耐磨性能測試結(jié)果可見.修補混凝土的耐久性能遠遠優(yōu)于普通混凝土。首先其干縮量較普通混凝土顯著下降,尤其是7d前的干縮降幅較大,因而可避免修補材料與原路面的脫離破壞。高效減水劑和礦渣的雙摻也有利于混凝土抗凍性能的提高.在300次標準凍融循環(huán)后,其相對動彈性模量仍相當于初始狀態(tài)的74。仍能夠保持大部分的負荷能力;而普通混凝土動彈

11、性模量卻降低了將近一半,表明其結(jié)構(gòu)和承載能力已破壞殆盡。此外。該修補材料較普通混凝土更為優(yōu)越的地方是.與一般的混凝土耐磨性與抗壓強度成正比的研究結(jié)論不同,雖然修補混凝土的抗壓強度與普通混凝土相當,但耐磨性能卻更優(yōu)越,單位磨損質(zhì)量降低了48,這也是摻人超細礦渣的原因。4機理分析修補混凝土的力學性能、粘結(jié)性能和耐久性能之所以遠遠優(yōu)于普通混凝土.主要是因為它在改善混凝土的工作性能，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩方面發(fā)揮了重要作用。4.1改善工作性能高效減水劑有著顯著的減水效果,從而可以在坍落度相同的條件下大幅度降低混凝土單位用水量;礦渣雖然減水效果略差.但可以改善混合料的粘聚和保水性能。當兩者協(xié)同作用時,可以大幅度

12、改善混凝土的工作性能并降低水灰比.從而改善其力學與耐久性能。4.2改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)低水灰比混凝土本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實均勻,加上礦渣可以填充普通混凝土內(nèi)部原生微裂隙與孔隙.從而顯著改善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。礦渣和水泥水化物一起結(jié)合可以跨越混凝土內(nèi)部裂縫,起到橋接和填充的作用。這不但可防止外界腐蝕性因子的侵入.還可以增大混凝土的柔性。5施工工藝優(yōu)化5.1施工準備5.1.1場地處理對需要修補的面板逐一編號、統(tǒng)計修補面積.計算修補混凝土各種原材料的用量。同時注意對強度不足的基層必須進行預先處理。5.1.2修補機具水泥混凝土路面修補多為小面積.因此更適宜人工或小型機具攤鋪。需要配備的主要設備有：發(fā)電機組、小型空氣壓縮機(

13、帶風鉆.鑿除混凝土路面板、切縫設備、混凝土強制式拌和機、插入或平板式振搗器、抹光機、振動梁以及其他輔助機具。5.2施工流程與工藝5.2.1備料在拌和場地落實后.按配合比比例備足所需材料。5.2.2界面處理采用高壓水槍處理舊混凝土界面,一方面可將舊混凝土界面的疏松集料和舊砂漿輕松除去.表面浮塵和泥土也可洗掉,另一方面界面處還不會出現(xiàn)像鑿松等工藝一樣的微裂縫。如能在施工前將聚合物乳液配合水泥砂漿均勻地涂敷在舊混凝土界面層再澆筑修補混凝土,還可以增加層間的粘結(jié)性。5.2.3攪拌首先將水與減水劑攪拌均勻.投料順序為：石、水泥、礦渣、砂、水,首先干拌大約30s,干拌完畢后加入水再進行拌和60s90s。5

14、.2.4攤鋪攪拌完畢后立即攤鋪.布料時應注意控制好攤鋪的虛高,以保證有足夠的材料進行找平。首先用插入式振動器振搗.并用平板振搗器收面.再采用木抹粗平和鋼抹精平進行二次抹面工序。5.3養(yǎng)生與切縫5.3.1養(yǎng)生混凝土澆筑完畢后24h,在修補混凝土面噴灑混凝土養(yǎng)護劑或按常規(guī)養(yǎng)生.以保證路面處于潮濕狀態(tài)。5.3.2切縫及灌縫養(yǎng)生3d后用切縫機切縫.并用聚氯乙烯膠泥或高聚物瀝青混合料等進行灌縫.在確認縫干后直接壓入背襯條。6結(jié)論與建議6.1結(jié)論總結(jié)高性能水泥路面修補混凝土試驗研究.得出以下幾點結(jié)論：a修補混凝土的力學性能和粘結(jié)性能相對普通混凝土有明顯改善,表現(xiàn)為抗折強度在大幅度提高的同時壓折比與抗壓強度

15、有所下降.粘結(jié)強度卻顯著上升.這表明修補混凝土具有較高的抗彎折能力、斷裂性能與粘結(jié)性能.十分適合于修補層的受力模式：b雙摻高效減水劑和礦渣用于修補混凝土的耐久性能優(yōu)于普通混凝土,表現(xiàn)為其干縮、抗凍.耐磨和耐腐蝕性能均有顯著增長.因而更能滿足修補材料所應具有的低收縮性、高耐久性與低磨耗性的要求;c修補混凝土之所以具有優(yōu)良的路用性能.是因為礦渣的摻入和低水灰比同時改善了混凝土的工作性和內(nèi)部結(jié)構(gòu).使得混凝土逐漸向密實的柔性材料轉(zhuǎn)化。6.2建議對于高性能水泥路面修補混凝土提出以下兩點建議：a水泥路面修補材料達到長期而耐久的壽命,不但需要配制高性能的修補材料,更應該對新老界面層的接觸應力狀態(tài)、受力模式等

16、進行力學計算,并將其與材料的室內(nèi)試驗結(jié)果、施工工藝結(jié)合分析,才能開發(fā)出真正意義上的高性能水泥路面修補材料,這也是本研究缺少且急需跟進的部分：b對界面層的不同狀態(tài)進行微觀的電鏡、滲透性和孔隙率分析,結(jié)合微觀層面研究和改性材料的宏觀性能,將是未來研究發(fā)展的主要方向1主題內(nèi)容與適用范圍本標準規(guī)定了加氣混凝土的抗凍性試驗用儀器設備、試件、試驗步驟、結(jié)果評定和試驗報告。本標準適用于加氣混凝土。 2引用標準 GB11969加氣混凝土性能試驗方法總則 GB1197l加氣混凝土力學性能試驗方法 3儀器設備 31低溫箱或冷凍室，放入試件后，箱（室）內(nèi)溫度可調(diào)至25或25以下。 32恒溫水槽。 33天平：感量為1

17、g。 34電熱鼓風干燥箱。 4試件 41試件制備按GB11969第2章規(guī)定進行。 42試件尺寸和數(shù)量 100mmX100mmXl00mm立方體試件二組6塊（其中一組3塊為凍融試件。另外相對的一組3塊為對比試件）。 5試驗步驟 51將凍融試件放在電熱鼓風干燥箱內(nèi)，在65±2下保溫24h，然后在105±5烘至恒重。 52試件冷卻至室溫后，浸入水溫為20±5C水槽中，水面應高出試件20mm，保持48h。 53取出試件，用濕布抹去表面水分，放入預先降溫至15以下的低溫箱或冷凍室中，其間距不小于20mm，繼續(xù)降溫，當溫度降至18時記錄時間。在20±2下凍6h，取出

18、，放人相對濕度為95左右、溫度為20±5的室內(nèi)或20±5的水中，融化5h作為一次凍融循環(huán)，如此凍融循環(huán)15次為止。 54每隔5次循環(huán)檢查并記錄試件在凍融過程中的破壞情況。 5。5凍融過程中，發(fā)現(xiàn)試件呈明顯的破壞，應取出停止凍融試驗。 56將經(jīng)15次凍融循環(huán)后的試件和對比試件，放入電熱鼓風干燥箱內(nèi)，按5l條規(guī)定烘至恒重。 57將絕干狀態(tài)的凍融后試件和對比試件按GB11971第5章的規(guī)定，分別進行抗壓強度試驗。 6結(jié)果計算與評定 61重量損失率按式（1）計算： G0-G Gm×100（1） G0式中：Gm一一重量損失率，； G0凍融試件試驗前的烘干重量，g； G經(jīng)凍融

19、試驗后試件的烘干重量，g。 62抗壓強度損失率按式（2）計算： R0-R Rm×100（2） R0式中：Rm一一抗壓強度損失率，； R0一一對比試件絕干抗壓強度平均值，MPa； R凍融后的絕干試件抗壓強度平均值，MPa。 63抗凍性以凍融試件的重量損失率平均值和抗壓強度損失率平均值表示。重量損失率和抗壓強度損失率精確至1。 7試驗報告試驗報告應符合GB11969第4章的規(guī)定。附加說明：本標準由國家建筑材料工業(yè)局提出。本標準由國家建筑材料工業(yè)局硅酸鹽建筑制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心負責起草。本標準委托國家建筑材料工業(yè)局硅酸鹽建筑制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心負責解釋。本標準主要起草人姜炳年、姚國偉、張建

20、軍、楊世葉。自本標準實施之日起，原建筑材料工業(yè)部部標準JC 27280加氣混凝土抗凍性試驗方法作廢。（一）混凝土的電通量快速測定方法1  適用范圍1） 本方法通過測定混凝土在直流恒電壓作用下通過電量值的大小來評價混凝土原材料和配合比對混凝土抗?jié)B透性能的影響，也可用來間接評價混凝土的密實性。2） 本試驗方法適用于直徑為95102mm，厚度為51±3mm的素混凝土芯樣。3） 本試驗方法不適用于摻亞硝酸鈣的混凝土。摻其它外加劑或表面處理過的混凝土，當有疑問時，應進行氯化物溶液的長期浸漬試驗。2  試驗設備及材料1）

21、60; 儀器設備應滿足下列要求：  直流穩(wěn)壓電源，可輸出60V直流電壓，精度±0.1V；  帶有注液孔的塑料或有機玻璃試驗槽；  20目銅網(wǎng)；  數(shù)字式直流表，量程20A，精度±1.0%；  真空泵，真空度可達133Pa以下；  真空干燥器，內(nèi)徑不小于250mm。2）  試驗應采用下列材料：  用分析純試劑配制的3.0%氯化鈉溶液；  用分析純試劑配制的0.3mol/L氫氧化鈉溶液；  硅橡膠或樹脂密封材料。3  試驗步驟1） 在規(guī)定的56d試驗齡期前，對預