高速公路服務(wù)區(qū)路面養(yǎng)護(hù)中高性能水泥基修補(bǔ)砂漿的應(yīng)用

摘要 為探索高性能水泥基修補(bǔ)砂漿在高速公路服務(wù)區(qū)水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)改造中應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)，文章以某公路服務(wù)區(qū)路面為例，首先在調(diào)查既有病害并結(jié)合交通運(yùn)行實(shí)際的基礎(chǔ)上提出了高性能水泥基修補(bǔ)砂漿的快速修補(bǔ)方案；其次對(duì)水泥基修補(bǔ)砂漿的選材及砂漿性能進(jìn)行了分析及檢測(cè)；最后從高性能水泥基修補(bǔ)砂漿的制備、墊層準(zhǔn)備及養(yǎng)護(hù)改造的施工要點(diǎn)展開(kāi)了分析研究。結(jié)果表明，所使用的水泥基修補(bǔ)砂漿因添加了礦粉、聚丙烯纖維、丁苯乳液、RT1緩凝劑和EH5早強(qiáng)劑，具有快硬、早強(qiáng)、緩凝及優(yōu)異的工作性能、力學(xué)性能，可在類(lèi)似交通規(guī)模的高等級(jí)公路服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站等混凝土路面改造中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 高速公路；服務(wù)區(qū)；路面養(yǎng)護(hù)；高性能水泥基修補(bǔ)砂漿

中圖分類(lèi)號(hào) U418 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0052-03

0 引言

當(dāng)前我國(guó)高速公路服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站仍主要采用水泥混凝土路面，此類(lèi)場(chǎng)所車(chē)輛行駛速度緩慢、頻繁啟停，導(dǎo)致混凝土路面的病害數(shù)量和病害程度持續(xù)上升。一般性修補(bǔ)材料耐久性不足、養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)，無(wú)法保證服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站等場(chǎng)所交通的快速開(kāi)放。為此，必須探索此類(lèi)場(chǎng)所適用的快硬、早強(qiáng)、緩凝、工作性能和力學(xué)性能均優(yōu)異的修補(bǔ)材料的制備及施工工藝?；诖耍撐囊劳泄贩?wù)區(qū)水泥混凝土路面病害的實(shí)際，對(duì)由礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液及RT1緩凝劑和EH5早強(qiáng)劑等材料摻配而成的高性能水泥基修補(bǔ)砂漿（以下簡(jiǎn)稱(chēng)水泥基砂漿）的工程性能展開(kāi)分析，并對(duì)其在公路服務(wù)區(qū)病害路面處治中的應(yīng)用進(jìn)行分析研究，以期為此類(lèi)養(yǎng)護(hù)材料的推廣應(yīng)用提供借鑒參考。

1 工程概況

某高速公路全線長(zhǎng)96.8 km，包括2個(gè)服務(wù)區(qū)，但公路建設(shè)年代較早，再加上建設(shè)等級(jí)、施工技術(shù)等方面的原因，服務(wù)區(qū)內(nèi)全部采用水泥混凝土路面。隨著近些年交通運(yùn)輸規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，公路及服務(wù)區(qū)的交通量持續(xù)攀升，重型重載車(chē)輛持續(xù)增多。服務(wù)區(qū)混凝土路面先后出現(xiàn)裂縫、缺角、斷板、脫空、錯(cuò)臺(tái)等病害，降低了公路站點(diǎn)的服務(wù)水平。為此，由養(yǎng)護(hù)管理站負(fù)責(zé)對(duì)2個(gè)服務(wù)區(qū)水泥混凝土路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)改造。因交通量等原因，完全封閉服務(wù)區(qū)、拆除重鋪混凝土路面顯然不切實(shí)際，最終決定使用高性能水泥基砂漿對(duì)病害區(qū)域進(jìn)行快速修補(bǔ)。

2 高性能水泥基砂漿的工程性能

2.1 原材料

（1）水泥。選用當(dāng)?shù)毓?yīng)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其熟料中主要包括C2S、C3S、C3A、C4AF等礦物組分，分別占比44.1%、33.6%、10.7%和11.6%，其性能指標(biāo)取值情況見(jiàn)表1所示。同時(shí)，選用42.5級(jí)快硬水泥，其性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2所示。據(jù)此可知，普通硅酸鹽水泥和快硬水泥性能均符合技術(shù)要求。

（2）集料。選用粒徑在2.36 mm以下，細(xì)度模數(shù)2.76，表觀密度2.701 g/cm3，孔隙率44.1%，松散堆積密度

1.499 g/cm3，含泥量為1.4%的機(jī)制砂。

（3）礦粉。使用密度為2.91 g/cm3，比表面積410 m2/kg，

含水量0.14%，燒失量0.12%，三氧化硫含量為0.10%的礦粉。該礦粉在受到激發(fā)劑作用后活性增大，能快速生成膠凝材料，進(jìn)而改善水泥基砂漿的后期強(qiáng)度和泌水離析[1]，提升水泥基砂漿的耐久性和抗?jié)B性。

（4）減水劑和調(diào)凝劑。為增強(qiáng)拌和物結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，減少用水量，提升高性能水泥基砂漿強(qiáng)度，改善其工作性能，按比例摻加高效減水劑。具體而言，選用穩(wěn)定性及與水泥基相容性均較好的萘系高效減水劑，其在常溫下為棕黃色粉劑，固含量為96.7%，硫酸鈉含量為6.8%，氯離子含量為0.4%，凈漿流動(dòng)度為238 mm。

此外，為加速膠凝材料的水化進(jìn)程，促進(jìn)凝結(jié)，還應(yīng)在水泥基砂漿內(nèi)摻加硫酸鹽、氯鹽、鉻酸鹽等早強(qiáng)劑。考慮該高速公路服務(wù)區(qū)交通量大，不能長(zhǎng)時(shí)間中斷交通，所使用的修補(bǔ)材料必須具備優(yōu)異的早強(qiáng)性能[2]。具體而言，高性能水泥基砂漿終凝時(shí)間應(yīng)不超出60 min，120 min抗折強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到3.5 MPa，故最終選用EH5早強(qiáng)劑。為延緩裂縫出現(xiàn)，還使用以烴基羧酸鹽、烴基化合物為主成分的RT1緩凝劑。

（5）纖維。使用長(zhǎng)度為6 mm，密度0.94 g/cm3，當(dāng)量直徑33.9 μm，斷裂強(qiáng)度598 MPa，熔點(diǎn)167℃，斷裂伸長(zhǎng)率為24.9%的聚丙烯纖維，以較好控制結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生，增強(qiáng)水泥基砂漿的柔韌性。

（6）丁苯膠乳。聚合物乳液固含量位于50%～70%之間，以聚合物顆粒、穩(wěn)定劑、乳化劑等為主成分，通過(guò)聚合物乳液的使用，以提升水泥基砂漿的黏結(jié)性、流動(dòng)性。丁苯乳膠屬于高分子聚合物，除具備聚合物常規(guī)性能外，還具有減水效果，能提高砂漿的耐久性。

2.2 高性能水泥基砂漿基本性能

2.2.1 工作性能

高性能水泥基砂漿工作性能主要體現(xiàn)在流動(dòng)性、保水性、黏結(jié)性、泌水性等方面。對(duì)于該高速公路服務(wù)區(qū)混凝土路面養(yǎng)護(hù)處治而言，為取得較好的處治效果，首先應(yīng)具備較好的流動(dòng)性，這就對(duì)其凝結(jié)時(shí)間提出了較高要求。根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL/T 352—2020）展開(kāi)測(cè)試，結(jié)果顯示，RT1緩凝劑對(duì)水泥基砂漿長(zhǎng)期強(qiáng)度無(wú)明顯影響；而EH5早強(qiáng)劑用量增大后，水泥基砂漿強(qiáng)度先增后降，最后完全喪失流動(dòng)性。因此，最終按照0.3%和0.03%的比例分別摻加RT1緩凝劑和EH5早強(qiáng)劑，對(duì)應(yīng)的水泥基砂漿性能見(jiàn)表3所示。由表3可見(jiàn)，在此設(shè)計(jì)用量下，水泥基砂漿60 min強(qiáng)度即滿(mǎn)足技術(shù)要求，后期強(qiáng)度亦無(wú)顯著衰減，擴(kuò)展度取值也較為合理[3]。

2.2.2 抗?jié)B性能

按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》制備上下口直徑分別為7.0 cm和8.0 cm，高3.0 cm的錐形試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

28 d后在其側(cè)面均勻涂刷一層有機(jī)硅橡膠，壓入磨具后靜置24 h。此后，通過(guò)砂漿滲透儀進(jìn)行水泥基砂漿的滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)水壓從0.2 MPa增加至0.3 MPa，此后每間隔120 min增大0.1 MPa，直至試件完全滲水。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，高性能水泥基砂漿抗?jié)B性明顯優(yōu)于普通砂漿；當(dāng)?shù)V粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量依次為20%、5.0%、0.3%和4.0%時(shí)，試件滲水高度最小，僅為

0.3 cm。試驗(yàn)所用的全部試件在制備時(shí)均使用了普通水泥、快硬水泥和礦粉，故抗?jié)B性能較好；在試驗(yàn)開(kāi)始后2 h左右，因快硬水泥的作用，骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本形成；8 h左右普通水泥即發(fā)生水化反應(yīng)，填充骨架空隙，結(jié)構(gòu)密實(shí)度進(jìn)一步提升。與此同時(shí)，水泥材料和聚合物共同構(gòu)建起空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；纖維的密布作用使空隙分布得到進(jìn)一步改善。

2.2.3 抗硫酸鹽侵蝕性能

按照不同的礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量制備試件，養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期后置入5%濃度的硫酸鈉溶液，以模擬硫酸鹽環(huán)境。此后進(jìn)行試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度檢測(cè)。

根據(jù)結(jié)果，普通砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能較弱，試驗(yàn)后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度僅為60.2 MPa和6.9 MPa；高性能水泥基砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能隨著礦粉摻量的增大而增強(qiáng)，主要原因在于礦粉和普通水泥間的協(xié)同作用，使砂漿致密度得到顯著提升。其中，礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量依次為20%、5.0%、0.3%和6.0%的試件，在試驗(yàn)后的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到74.2 MPa和11.4 MPa，抗硫酸鹽侵蝕性能最優(yōu)。

2.2.4 干縮性能

因該公路服務(wù)區(qū)混凝土路面養(yǎng)護(hù)中的高性能水泥基砂漿使用快硬水泥，其硬度大、失水速率高，從理論上看，發(fā)生干縮并引發(fā)裂縫的可能性較大。針對(duì)此情況，對(duì)不同材料組合砂漿的干縮率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4所示。由此看出，高性能水泥基砂漿的收縮過(guò)程主要出現(xiàn)在1 d以?xún)?nèi)，而普通砂漿的干縮過(guò)程則出現(xiàn)在1 d以后。礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量依次為20%、5.0%、0.3%和6.0%時(shí)的水泥基砂漿干縮率最小，變動(dòng)趨勢(shì)也最為緩和，故推薦使用。通過(guò)分析原因可以看出，該摻配比例下，聚合物摻量最大，纖維拉伸性能對(duì)干縮應(yīng)力變形有抵消作用，聚合物引氣效果使砂漿孔封閉較好，而纖維和聚合物融合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[4]。

3 高性能水泥基砂漿修補(bǔ)施工工藝

對(duì)該公路服務(wù)區(qū)混凝土路面展開(kāi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，既有病害以橫向裂縫、接縫破損及碎裂、斷角、錯(cuò)臺(tái)、坑洞為主。根據(jù)《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ 073.1—2018）進(jìn)行評(píng)定，該服務(wù)區(qū)路面損壞狀況指數(shù)位于70～80之間，等級(jí)為良；斷板率離散程度大，亟待養(yǎng)護(hù)處治。

3.1 修復(fù)方案確定

養(yǎng)護(hù)修復(fù)方案應(yīng)根據(jù)病害類(lèi)型及范圍綜合確定。對(duì)于露石、麻面及脫皮等病害，應(yīng)按照一定厚度鑿除。對(duì)于小范圍坑槽，應(yīng)將周邊底面鑿毛后修補(bǔ)；而對(duì)于整板范圍的坑槽，則應(yīng)將整板鑿除一定厚度后修補(bǔ)。對(duì)于原路面錯(cuò)臺(tái)病害，應(yīng)將底板鑿毛后罩面，同時(shí)設(shè)置坡度，按接坡進(jìn)行處理。對(duì)于小范圍缺角、掉邊及板裂等病害，應(yīng)局部鑿除后修補(bǔ)；而對(duì)于整板范圍的碎裂，應(yīng)整板翻修處治。

3.2 高性能水泥基砂漿制備

為保證高性能水泥基砂漿性能質(zhì)量，必須加強(qiáng)原材料性能及制備過(guò)程控制。根據(jù)前述原材料用量分析、工程性能研究，并結(jié)合服務(wù)區(qū)水泥混凝土面板病害的實(shí)際，在高性能水泥基砂漿制備時(shí)，普通硅酸鹽水泥、塊硬水泥、河砂、水、礦粉、聚丙烯纖維、丁苯乳膠、RT1緩凝劑和EH5早強(qiáng)劑用量依次為0.4 kg、7.8 kg、16.1 kg、2.69 kg、

0.12 kg、0.023 kg、0.321 kg、0.0001 kg和0.0001 kg。

在拌和場(chǎng)取樣后送至工地試驗(yàn)室，測(cè)得的高性能水泥基砂漿工作時(shí)間為30 min，黏結(jié)強(qiáng)度為3.4 MPa；120 min

抗壓及抗折強(qiáng)度分別為24.5 MPa和5.3 MPa；1 d抗壓及抗折強(qiáng)度分別為36.8 MPa和6.6 MPa，材料性能滿(mǎn)足要求。

3.3 墊層準(zhǔn)備及打底

在進(jìn)行混凝土面板翻修改造時(shí)，應(yīng)通過(guò)風(fēng)鎬拖走面板破碎物，檢測(cè)墊層含水量，并通過(guò)噴水或晾曬進(jìn)行調(diào)整。此后，將級(jí)配集料墊層分層攤鋪、壓實(shí)至95%及以上的密實(shí)度，層厚按照5 cm進(jìn)行控制。對(duì)于墊層排水不暢的情形，應(yīng)加鋪C10混凝土基層打底，其上鋪筑高性能水泥基砂漿。

3.4 砂漿攤鋪及整平

通過(guò)強(qiáng)制式攪拌機(jī)制備完成高性能水泥基砂漿后，在30 min內(nèi)泵送至修補(bǔ)區(qū)進(jìn)行攤鋪。攤鋪期間應(yīng)配備2臺(tái)平板式及插入式振搗器進(jìn)行同步振搗，以保證填充密實(shí)。

使用木質(zhì)模板刮平面層后再通過(guò)鏝刀抹平，整平后修補(bǔ)層表面的縱向平整度達(dá)到3 mm；修補(bǔ)區(qū)表面紋理也與原路基本吻合?？紤]高性能水泥基砂漿具有較大的黏結(jié)性和較短的終凝時(shí)間，必須使攤鋪和整平環(huán)節(jié)緊密銜接[5]。

3.5 養(yǎng)生及開(kāi)放交通

待將修補(bǔ)區(qū)水泥基砂漿進(jìn)行壓紋處理后，及時(shí)噴灑養(yǎng)護(hù)劑并覆蓋濕麻袋養(yǎng)生，因所采用的高性能水泥基砂漿具有早強(qiáng)、緩凝、快硬的特性，故養(yǎng)生2 h后即可開(kāi)放交通，但應(yīng)采取40 km/h以下的限速管制及重型重載車(chē)輛的限行控制。

4 結(jié)論

綜上所述，高性能水泥基砂漿與普通水泥砂漿相比，具有較好的工程力學(xué)性能，其早期強(qiáng)度高、耐久性好、快硬、緩凝，對(duì)于交通量大且運(yùn)行繁忙的高速公路服務(wù)區(qū)水泥混凝土路面的病害修補(bǔ)十分適用。按照礦粉、普通水泥、聚丙烯纖維、丁苯乳液摻量依次為20%、5.0%、0.3%和6.0%的比例制備出高性能水泥基砂漿，并嚴(yán)格按照流程養(yǎng)護(hù)處治后，該公路2處服務(wù)區(qū)的水泥混凝土路面均取得了較好的改造效果，路面抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕性、干縮性、抗沖擊性能均得到明顯提高，結(jié)構(gòu)疲勞壽命延長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

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