超早強無收縮路面搶修材料力學性能影響因素的研究

許建國

（聊城市公路工程總公司，山東 聊城 252000）

隨著我國公路交通運輸量的增長，車量超載等帶來的道路超負荷使用，大大縮短了混凝土路面使用壽命。由于現(xiàn)在交通網(wǎng)的需求，對在使用的道路進行路面修補時，不允許長時間封閉交通，尤其是高速公路和城市道路[1]。因此，國內(nèi)外在路面快速修補技術(shù)及修補材料方面開展了系統(tǒng)研究。例如，美國開發(fā)的“派拉蒙特”（Pyrament）混合水泥拌制的混凝土[2]，4h 抗壓強度達到 13.4MPa。Whiting, D. 等用快硬的硫鋁酸鹽水泥配制24h 抗壓強度達 28MPa 的公路快速修補混凝土[3]。隨著水泥技術(shù)的發(fā)展，各種新型特種水泥也相繼在混凝土路面的快速修補中得到了應用，滿足開放交通的要求。

但現(xiàn)有的路面搶修材料還存在硬化速度慢、收縮大、與舊路面結(jié)合差、復修率高等問題，極易引起反復修補。針對上述問題，本文研發(fā)了一種基于硅酸鹽水泥/硫鋁酸鹽水泥復合膠凝體系的超早強路面搶修材料，輔以雙膨脹源高性能膨脹劑作為體積穩(wěn)定性抗裂增強關(guān)鍵材料，主要研究了膠凝材料體系、養(yǎng)護溫度對搶修材料工作性、力學性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

（1）硅酸鹽水泥（OPC），P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積 330m2/kg，其化學組成見表 1，物理性能見表 2。

（2）硫鋁酸鹽水泥（SAC），SAC52.5R 硫鋁酸鹽水泥，比表面積 474 m2/kg，其化學組成見表 1，物理性能見表 2。

表2 水泥物理性能

（3）膨脹劑，硫鋁酸鈣－氧化鈣雙膨脹源膨脹劑，性能符合 GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中的Ⅱ型產(chǎn)品要求，水中 7d 限制膨脹率 0.065%。

（4）碳酸鋰、硼酸，分析純化學試劑。

（5）減水劑，粉狀聚羧酸減水劑，減水率 38%。

（6）砂，石英砂，10～20 目、20～40 目、40～70目級配砂。

（7）石，5～15mm 碎石。

1.2 試驗方法

依據(jù) JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》，研究 OPC/SAC 比對超早強無收縮路面搶修材料流動度的影響。

依據(jù) GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》，研究 OPC/SAC 比、碳酸鋰/硼酸比及養(yǎng)護溫度對超早強無收縮路搶修材料早期抗折強度及抗壓強度的影響。

依據(jù) GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，研究骨料對超早強路面無收縮搶修材料抗壓強度的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 OPC/SAC 比對路面搶修材料流動度的影響

OPC/SAC 比對路面搶修材料流動度的影響見表3。由表 3 可以看出，超早強無收縮路面搶修材料流動度在 295～320mm，工作性能良好。隨著 OPC/SAC 比的降低，即硫鋁酸鹽水泥用量增加，路面搶修材料的流動度呈減小趨勢，但降幅不大。

表3 OPC/SAC 比對流動度的影響

2.2 OPC/SAC 比對路面搶修材料早期強度的影響

OPC/SAC 比對路面搶修材料早期強度的影響見表 4和圖 1、圖 2。

表4 OPC/SAC 比對抗折強度/抗壓強度的影響

圖1 OPC/SAC 比對抗折強度的影響

由表 4 和圖 1～2 可知，隨著 OPC/SAC 比的降低，硅酸鹽水泥減少、硫鋁酸鹽水泥增加，超早強無收縮路面搶修材料抗折強度、抗壓強度均是先增加后降低。強度增長趨勢由硅酸鹽水泥體系特征逐漸向硫鋁酸鹽水泥體系特征轉(zhuǎn)變，凝結(jié)硬化加快，尤其是 1h、2h 早期強度，由無法硬化到快速硬化從而實現(xiàn)超早強。OPC/SAC 為 4/6 是一個拐點，此時路面搶修材料的早期強度最佳。

2.3 碳酸鋰/硼酸比對路面搶修材料早期強度的影響

碳酸鋰/硼酸比對路面搶修材料早期強度的影響見表 5 和圖 3、圖 4。

圖2 OPC/SAC 比對抗壓強度的影響

表5 碳酸鋰/硼酸比對抗折強度/抗壓強度的影響

圖3 碳酸鋰/硼酸比對抗折強度的影響

圖4 碳酸鋰/硼酸比對抗壓強度的影響

碳酸鋰是硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復合膠凝體系的早強劑，硼酸則是充當緩凝劑的角色。通過調(diào)整二者比例，可以控制 OPC/SAC 復合膠凝體系的凝結(jié)硬化。由表 5 和圖 3～4 可知，隨著碳酸鋰/硼酸比的增加，碳酸鋰摻量增加，1h 抗折強度有減小的趨勢，2h 與 1d 抗折強度均相差不多。1h抗壓強度有減小的趨勢，2h 與1d 抗壓強度均有所提高。因此，碳酸鋰/硼酸比也存在一個拐點，當碳酸鋰摻量超過拐點時，早期 OPC/SAC復合膠凝體系的凝結(jié)硬化反而減緩。

2.4 養(yǎng)護溫度對路面搶修材料早期強度的影響

養(yǎng)護溫度對超早強無收縮路面搶修材料早期強度性能的影響見表 6 和圖 5、圖 6。

表6 養(yǎng)護溫度對抗折強度/抗壓強度的影響

圖5 養(yǎng)護溫度對抗折強度的影響

圖6 養(yǎng)護溫度對抗壓強度的影響

由表 6 和圖 5～6 可以看出，標準養(yǎng)護和低溫養(yǎng)護試件強度發(fā)展大致相同，20℃ 試塊強度稍微高一些。原因在于二者入模溫度差不多，對于 40mm×40mm×160mm 的試塊，隨著反應的發(fā)生，由于水泥基材料導熱不良，產(chǎn)生的熱量能被積聚在內(nèi)部，從而基本不影響早期強度的發(fā)展。在低溫季節(jié)施工時，需要采取熱水攪拌，以保證混凝土入模溫度。高溫養(yǎng)護試塊強度則顯著增加，這是因為高溫能大大促進材料的水化反應速度，3h 基本快達到試塊的最終強度了。高溫養(yǎng)護對早期強度，尤其是 3h 強度的發(fā)展是非常有利的，冬季施工的時候一定要做好電熱毯養(yǎng)護工作。

2.5 骨料對路面搶修材料早期強度的影響

骨料對超早強無收縮路面搶修材料早期強度的影響見表 7。

表7 骨料對抗壓強度的影響 MPa

由表 7 可知，加入粗骨料以后路面搶修材料的 1h強度和 2h 強度都有所降低，原因在于混凝土強度到了C60 以上后，混凝土抗壓破壞已經(jīng)從界面破壞轉(zhuǎn)變成石子本身破壞，與石英砂相比，石灰?guī)r碎石的強度已經(jīng)滿足不了要求。因此，路面搶修材料應根據(jù)實際工程需要選擇所需骨料。

3 結(jié)論

（1）隨著 OPC/SAC 比的降低，路面搶修材料的流動度呈減小趨勢，但降幅不大。早期強度隨著OPC/SAC 比的減小先增加再降低，OPC/SAC 為 4/6 是一個拐點，此時該種路面搶修材料的早期強度最佳。

（2）隨著碳酸鋰/硼酸比的增加，碳酸鋰摻量增加，1h 抗折強度減小，2h 與 1d 抗折強度均相差不多；1h 抗壓強度減小，2h 與 1d 抗壓強度均有所提高。

（3）高溫養(yǎng)護對早期強度，尤其是 3h 強度的發(fā)展是非常有利的，冬季施工的時候一定要做好電熱毯養(yǎng)護工作。

（4）骨料品質(zhì)直接影響路面搶修材料的強度等級。