水泥混凝土路面快速修補(bǔ)材料研究綜述

陳志勇

（福建東南市政勘察設(shè)計(jì)有限公司，福州 350001）

1 前言

近年來(lái),隨著惠民政策力度不斷地加大,全國(guó)已基本實(shí)現(xiàn)“村村通公路”的總體目標(biāo)。 混凝土與瀝青結(jié)構(gòu)是目前常見的兩種路面結(jié)構(gòu)形式。 混凝土結(jié)構(gòu)路面因具有水穩(wěn)定性好、承載力高、耐高溫、材料廉價(jià)等優(yōu)勢(shì),得到了廣泛使用。 據(jù)統(tǒng)計(jì),目前混凝土結(jié)構(gòu)路面占總通車?yán)锍虜?shù)的75%左右。

盡管水泥混凝土路面具有眾多優(yōu)點(diǎn), 但仍存在一些缺陷,可歸為以下3 方面：(1)大型車輛及超載車輛不斷增加,使得原有的路面結(jié)構(gòu)滯后于當(dāng)前的交通量發(fā)展速度；(2)早期路面施工主要以人工為主,機(jī)械為輔,使得施工過(guò)程中質(zhì)量得不到充分保證；(3)部分承包商一味地追求經(jīng)濟(jì)利益,使用不合格的原材料,以次充好,未嚴(yán)格按照施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施,導(dǎo)致路面未開放交通,就出現(xiàn)各種病害。種種不利因素均會(huì)影響路面的正常使用功能, 若得不到有效,控制,將會(huì)給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)阻礙。

2 快速修補(bǔ)材料研究現(xiàn)狀

目前水泥混凝土路面修補(bǔ)材料可分為無(wú)機(jī)水泥類、有機(jī)類和有機(jī)無(wú)機(jī)混合材料3 類[1]。

2.1 無(wú)機(jī)水泥類修補(bǔ)材料

無(wú)機(jī)水泥類修補(bǔ)材料是指在各類不同的水泥中加入外加劑等材料配合而成的具有不同性能的材料。 根據(jù)材料成分不同, 可分為以特種水泥為主的修補(bǔ)砂漿和水泥基中摻入其他無(wú)機(jī)礦物兩類。

目前國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者研究了不同性能的無(wú)機(jī)水泥類修補(bǔ)材料,如Whiting.D.等[2]研制了以硫酸鹽水泥為原料的路面快速修補(bǔ)材料, 其24h 抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到28MPa 以上；A Tafraoui 等[3]在普通混凝土中加入適量的偏高嶺土混合物,該類材料具有優(yōu)異的耐久性能,可改善其物理力學(xué)性能。 鄧毅等[4]研究了砂率、濕度等參數(shù)變化對(duì)混凝土路面快速修補(bǔ)材料的影響, 可為路面養(yǎng)護(hù)工作提供施工指導(dǎo)依據(jù)；何立斌等[5]充分利用硫鋁酸鹽特性,研制了適用于寒冷地區(qū)路面破損快速修復(fù)的材料； 黃義雄等[6]研制出了一種新型外加劑,摻入到磷酸鎂水泥中,可配制出120 min 左右就能滿足通車要求的修補(bǔ)材料。

無(wú)機(jī)類水泥快速修補(bǔ)材料具有成本低、 易于施工操作、與舊結(jié)構(gòu)相容性好等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在與舊結(jié)構(gòu)粘結(jié)強(qiáng)度低、后期維護(hù)費(fèi)用成本高等缺點(diǎn)。無(wú)機(jī)類快速修補(bǔ)材料特點(diǎn)見表1。

表1 無(wú)機(jī)類水泥快速修補(bǔ)材料特點(diǎn)

2.2 有機(jī)修補(bǔ)材料

有機(jī)類快速修補(bǔ)材料是指以有機(jī)物為母材, 通過(guò)合成等方式產(chǎn)生的新型材料,主要以環(huán)氧樹脂、改性瀝青為主。

改性瀝青混合料是一種最為普通的裂縫修補(bǔ)材料,因其具有施工簡(jiǎn)易、 短期內(nèi)可開放交通等優(yōu)勢(shì)受到了廣泛的青睞,但也存在如強(qiáng)度無(wú)法滿足原設(shè)計(jì)要求,使得使用年限短、整體性能差等缺陷[7]；環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料具有顯著的粘結(jié)力特點(diǎn),P Carballeira 等[8]研究發(fā)現(xiàn)采用環(huán)氧樹脂作為舊混凝土路面修補(bǔ)材料, 其修補(bǔ)后的拉伸強(qiáng)度和彈性模量都有所改善；葉嬌鳳等[9]研究表明,增加適量的腈橡膠可改善環(huán)氧樹脂的粘結(jié)力、抗拉等力學(xué)性能；張文靜等[10]通過(guò)試驗(yàn)法分析了砂石比、骨膠比等不同參數(shù)含量的變化對(duì)聚氨酯混凝土修補(bǔ)材料的性能影響； 彭全敏采用正交試驗(yàn)法,配制出砂、石、水泥、聚氨酯、固化劑等不同含量對(duì)修補(bǔ)材料的性能參數(shù)影響規(guī)律[11]。

可見, 有機(jī)類快速修補(bǔ)材料具有粘結(jié)力強(qiáng)、 抗耐久性、抗?jié)B性良好等優(yōu)點(diǎn)、能夠在短期內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到車輛開放要求。 但該材料易老化、價(jià)格昂貴、有毒性,無(wú)法廣泛推廣應(yīng)用。 有機(jī)類快速修補(bǔ)材料性能見表2。

表2 有機(jī)類水泥快速修補(bǔ)材料特性

2.3 有機(jī)無(wú)機(jī)混合料

有機(jī)無(wú)機(jī)混合料是指采用一種或多種不同的有機(jī)料與無(wú)機(jī)料按照一定的比例混合而成的新型材料, 是當(dāng)前研究較為熱門的一種路面修補(bǔ)材料, 該材料充分集合了有機(jī)、無(wú)機(jī)修補(bǔ)料的優(yōu)勢(shì),是一種較為理想的路面修補(bǔ)材料。 如黃從運(yùn)等[12]研制了一種丁苯乳液改性水泥砂漿的材料,可實(shí)現(xiàn)快硬、早強(qiáng)等特點(diǎn),且便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施操作；黃梅等[13]利用普通硅酸鹽水泥、二水石膏等為材料,摻入適量的減水劑和乳膠粉,研制出可實(shí)現(xiàn)2h 內(nèi)抗壓強(qiáng)度可達(dá)到30MPa 的新材料；周華新等[14]在鋁酸鹽水泥中摻入適量的緩凝劑、高性能減水劑等,通過(guò)試驗(yàn)分析表明該修補(bǔ)砂漿材料具有耐久性好、體積穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)歸納總結(jié)關(guān)于有機(jī)無(wú)機(jī)混合料修補(bǔ)材料研究成果可見,這種混合材料可充分發(fā)揮了有機(jī)、無(wú)機(jī)材料的優(yōu)勢(shì),具有優(yōu)越的性能,是當(dāng)前較為理想的材料,經(jīng)得起實(shí)際檢驗(yàn)并得到了大量應(yīng)用。

3 快速修補(bǔ)材料的性能要求

3.1 材料強(qiáng)度

快速修補(bǔ)材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度, 能滿足修復(fù)后車輛行駛要求。 當(dāng)前市面上修補(bǔ)材料品種多樣,各類性能指標(biāo)也不同。 依據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]要求,修補(bǔ)材料的最低抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度應(yīng)與母材相同,才能保證與原結(jié)構(gòu)路面一起承受外來(lái)荷載。 普通路面通車強(qiáng)度要求見表3。

表3 普通混凝土路面設(shè)計(jì)抗壓、抗折強(qiáng)度

3.2 凝結(jié)時(shí)間

路面修補(bǔ)施工的最大特點(diǎn)是盡可能不影響正常交通秩序或?qū)⒂绊懡档阶畹? 這就要求修補(bǔ)材料具有早期強(qiáng)度高、早硬等特征,以便修復(fù)完成后盡快放行。 常規(guī)的普通混凝土砂漿終凝時(shí)間長(zhǎng)、且前期強(qiáng)度低,不具備作為修復(fù)材料的可行性。 因此,要求路面快速修補(bǔ)材料必須具備滿足工作和易性的同時(shí)還要滿足初凝時(shí)間不低于拌和、運(yùn)輸、振搗等總時(shí)間(30min 左右),終凝時(shí)間不長(zhǎng)于2h。

3.3 粘結(jié)強(qiáng)度

修補(bǔ)材料的粘結(jié)力特性是影響水泥混凝土路面修復(fù)質(zhì)量的重要因素之一, 新舊混凝土修復(fù)界面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)振搗不密實(shí)、積水等現(xiàn)象,導(dǎo)致界面成為整個(gè)路面最薄落的環(huán)節(jié),一段時(shí)間后又出現(xiàn)開裂、破壞等病害。 這就要求修補(bǔ)材料必須具有足夠的粘結(jié)力,保證新、舊界面能夠協(xié)同工作、共同受力,如果修補(bǔ)材料具有較好的抗壓、抗折能力,但粘結(jié)力不足,修復(fù)后的結(jié)構(gòu)路面短期內(nèi)仍會(huì)有新的病害產(chǎn)生。 目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于修補(bǔ)材料界面的粘結(jié)指標(biāo)要求還沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求, 主要是參照材料的抗壓、抗剪和抗折粘結(jié)強(qiáng)度。

3.4 收縮性

通過(guò)大量的市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn), 普遍快速修補(bǔ)材料后期均有出現(xiàn)較為明顯的收縮性, 造成修補(bǔ)界面出現(xiàn)不同程度的裂痕,甚至裂紋,主要是因?yàn)檫@類材料早期大量熱量分散,而舊結(jié)構(gòu)路面基本沒有熱量分散,使得新舊界面出現(xiàn)單一的收縮應(yīng)變, 當(dāng)材料應(yīng)力大于材料的抗拉應(yīng)力時(shí),結(jié)構(gòu)就出現(xiàn)裂縫。 因此,修補(bǔ)材料的收縮性能指標(biāo)是決定路面修補(bǔ)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一, 要求修補(bǔ)材料的收縮率盡可能地小,以有效延長(zhǎng)路面的修補(bǔ)壽命。

3.5 耐久性

大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明, 混凝土路面截面出現(xiàn)蜂窩、 麻面等病害現(xiàn)象很大程度上是因?yàn)樾扪a(bǔ)材料長(zhǎng)期暴露在空氣中,與周邊的環(huán)境(水、氧氣、陽(yáng)關(guān)、溫度)不斷地交替變化發(fā)生各種反應(yīng)所產(chǎn)生的, 與材料的耐久性息息相關(guān)。因此,作為路面修補(bǔ)材料必須具有足夠的耐久性,從而延長(zhǎng)修補(bǔ)壽命。

4 水泥混凝土路面快速修復(fù)工藝及方法研究

優(yōu)質(zhì)的修補(bǔ)材料與科學(xué)施工是影響混凝土路面修補(bǔ)質(zhì)量的兩個(gè)主要因素。 以往的水泥路面一般是邊鑿除邊修補(bǔ),這種方法不僅質(zhì)量得不到保障且費(fèi)力費(fèi)時(shí),還會(huì)造成交通堵塞,對(duì)社會(huì)影響不可估量。因此,在重視研制新型修補(bǔ)材料的同時(shí),也應(yīng)該注重施工工藝、方法及注意事項(xiàng)。 本節(jié)分別從施工工藝、病害修補(bǔ)方法兩方面展開論述[16-17]。

4.1 修補(bǔ)工藝

(1)測(cè)量放樣。 結(jié)合檢測(cè)報(bào)告與現(xiàn)場(chǎng)病害復(fù)核位置,根據(jù)病害嚴(yán)重程度及類型采取對(duì)應(yīng)的修復(fù)對(duì)策。 應(yīng)在病害位置往四周擴(kuò)展不低于10cm 以上劃定為修補(bǔ)范圍,若遇到狹長(zhǎng)裂縫病害, 可選擇其一側(cè)板塊進(jìn)行鑿除的修補(bǔ)方式。

(2)切割。在放樣的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際病害情況,采用不同直徑切割片對(duì)修補(bǔ)區(qū)進(jìn)行切割, 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及理論力學(xué),建議破損范圍切割成矩形狀,且長(zhǎng)、寬邊長(zhǎng)度不得小于35cm,可改善修補(bǔ)區(qū)域的受力性能。

(3)清理。 盡可能選用小振幅風(fēng)鎬等機(jī)械對(duì)切割區(qū)域的混凝土進(jìn)行鑿除、破碎,以便于工人清理,不留殘?jiān)?并對(duì)其清洗干凈。

(4)路基處理。 一般情況下,路面出現(xiàn)各種塌陷、擠泥、錯(cuò)臺(tái)等病害,主要是與該位置下的路基強(qiáng)度不夠或出現(xiàn)不均勻沉降有關(guān)。 有必要對(duì)其該位置處的路基進(jìn)行夯實(shí)或填充堅(jiān)硬的碎石等材料,保證路基滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

(5)新舊混凝土界面處理。路基處理好后,一方面,將界面處理劑均勻涂刷在鑿除舊混凝土路面的四周及底面層或水泥漿材料。另一方面,在鑿除破損路面時(shí),應(yīng)向下呈內(nèi)擴(kuò)展鑿除,且將四周鑿成粗糙不平的鋸齒狀,以便新舊結(jié)構(gòu)更好的粘結(jié)成一體。

(6)修補(bǔ)料澆筑。 嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的配合比,拌制快速修補(bǔ)料,澆筑破損處。 當(dāng)厚度較大時(shí),宜分層填筑、分層振搗,保證澆筑的密實(shí)度,各個(gè)施工前后工序應(yīng)銜接緊密,嚴(yán)格控制時(shí)間在初凝前將表面振搗、抹平完畢,并在終凝前刻紋結(jié)束。

(7)養(yǎng)護(hù)。 嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)養(yǎng)護(hù)規(guī)定,保證養(yǎng)護(hù)期間修補(bǔ)面處于保濕狀態(tài), 宜采用草袋等吸水性強(qiáng)的材料覆蓋,嚴(yán)禁采用圍水養(yǎng)護(hù)。 參照預(yù)留的試驗(yàn)塊或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土回彈強(qiáng)度情況決定路面開放時(shí)間。

4.2 快速修補(bǔ)方法

根據(jù)路面出現(xiàn)的不同病害情況及形狀, 可將路面快速修補(bǔ)方法分為以下4 大類。

(1)條狀罩面法。 條狀罩面法是指將破損處一定范圍外的缺陷路面鑿除,并清洗干凈,之后灌注快速修補(bǔ)料的一種方法。 該方法適用于路面出現(xiàn)錯(cuò)位、蜂窩等病害修補(bǔ)。

(2)擴(kuò)縫粘結(jié)法。 擴(kuò)縫粘結(jié)法適用于路面出現(xiàn)不同類型的裂縫,其主要施工方法是沿著裂縫的寬度擴(kuò)大,然后打入高性能粘結(jié)力膠體材料,可實(shí)現(xiàn)快速開放交通,且處置效果良好。

(3)全厚修補(bǔ)法。 全厚修補(bǔ)法是指將破損的混凝土板塊全部鑿除,并對(duì)下部路基進(jìn)行處理,直至達(dá)到設(shè)計(jì)承載力要求后再澆筑路面層的一種修補(bǔ)方法。 該方法需要對(duì)交通進(jìn)行短暫的封閉, 主要用于大面積的混凝土面板破碎、塌陷等病害修補(bǔ)。

(4)注漿法。注漿法適用于板底脫空、擠泥等路面病害修復(fù)。 其主要原理是在板塊上鉆孔,以便向板底壓入超細(xì)早強(qiáng)混凝土材料, 從而使得板塊抬高到原有的路面層位置,以恢復(fù)正常交通通行。

5 結(jié)語(yǔ)

為了更好地讓交通運(yùn)輸網(wǎng)服務(wù)于當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,相關(guān)部門不僅要抓好水泥混凝土路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量,還要鼓勵(lì)科研機(jī)構(gòu)、研究學(xué)者大膽探索新型材料、施工技術(shù)、方法等先進(jìn)技術(shù)用于路面快速修補(bǔ),以縮短恢復(fù)社會(huì)車輛正常通行時(shí)間,為社會(huì)的持久穩(wěn)定發(fā)展提供保障。