復合改性水泥修復砂漿力學及粘結性能研究

厚榮斌，楊大永，劉 穎，馬向楠

(1.齊齊哈爾高速公路管理處,齊齊哈爾市 161002；2.黑龍江省高速公路管理局,哈爾濱市 150040；3.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；4.中咨公路養護檢測技術有限公司，北京 100089)

1 引 言

水泥混凝土路面作為我國主要路面形式之一，隨著我國經濟和交通的快速發展，極端氣候頻發已經重型交通物流的發展需求，水泥混凝土路面病害發生的比例逐年增加，這對我國的水泥混凝土養護和修補工作提出了更高的要求。

針對水泥混凝土路面的淺表破壞以及非結構性破壞，國內外道路工作者在施工工藝以及修補材料的研究方面取得了一定的成果，研究表明其中影響水泥混凝上路面修復層的重要關鍵在于其修補材料的選擇，目前常用的水泥路面修補材料類型有以如環氧樹脂類、聚氨酯類等代表的有機類、無機類，如快硬水泥混凝土等和聚合物復合改性類。其中聚合物復合改性類水泥修復材料有著優異的路面性能，例如良好的行車性能和施工和易性，因此其在水泥混凝土路面修復及養護工程有著廣泛的應用前景和發展空間。

2 原材料及配比方案

2.1 水膠比

選用42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥，其物理性能指標見表1，為更好地發揮快硬硫鋁酸鹽水泥的早期強度，將水膠比定為0.14，膠砂比為1∶1.2，細集料各種指標如表2所示。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥物理性能指標表

表2 細集料技術指標表

2.2 纖維

纖維可以改善修復材料的柔韌性，提高抗裂能力，本研究選用的纖維種類為聚丙烯纖維，其性能如表3所示，考慮到纖維的加入對修復材料的抗壓和抗折強度產生的負面作用，摻入量不易過大，通過文獻調研和工程實踐確定纖維摻入量為水泥質量的0.1%。

表3 纖維主要技術指標表

2.3 聚合物

為了提高修復材料自身的粘結性以及修復層與舊路面的界面粘附性性，需要摻入少量的聚合物來增加此性能，本研究選用可再分散乳膠粉，屬于醋酸乙烯酯/乙烯共聚型，其摻量為水泥質量的0.4%。主要技術數據如表4所示。

表4 聚合物乳膠粉主要技術指標

2.4 摻和料

為了提高修補材料的密實度和抗滲能力，加入硅灰作為修補材料的摻合料，其摻量為水泥質量的6%，在此摻量條件下，可以在一定程度提高修復材料的后期強度，其各項指標如表5所示。

表5 硅灰的質量指標表

2.5 減水劑和消泡劑

減水劑是一種在維持復合改性修復砂漿工作性能不變的情況下，能大量減少拌合水用量的外加劑，本文選用FDN-C萘系高效減水劑，摻量為水泥質量的0.8%，具體技術指標見表6所示。

表6 減水劑參數指標

在消泡劑的選擇方面，本文選用廣州市騰唐化工有限公司生產的粉狀固體消泡劑，主要成分是聚硅氧烷，摻量為水泥質量的0.1%。

3 力學性能試驗及結果分析

3.1 力學強度研究

圖1 各齡期砂漿力學強度變化曲線

抗折強度和抗壓強度是反應砂漿力學強度的兩個指標。本節在復合改性修復砂漿配比設計的基礎上，以1 d、7 d以及28 d齡期下，以普通水泥砂漿、快硬水泥砂漿為參比，對復合改性修復砂漿進行抗壓與抗折強度測試。測試結果見圖1所示。

由圖1可以看出：復合改性修復砂漿同普通水泥砂漿一樣，其抗壓與抗折強度隨著齡期的增長而逐漸增大。與快硬水泥砂漿相比較，復合改性修復砂漿的1 d與7 d的抗壓和抗折強度均有所降低，這是因為聚合物和硅粉的加入推遲了凝結時間，強度形成速度有所放緩，同時纖維的加入在一定范圍內同樣會降低材料的強度；但與普通水泥砂漿相比，復合改性砂漿和早強水泥砂漿的1 d與7 d的早期強度都遠高于普通水泥砂漿，28 d下的三種水泥砂漿的抗壓和抗折強度相差不大，說明復合改性材料既滿足快速修復的強度要求，又比普通早期水泥具有更好的施工和易性。

3.2 柔韌性能研究

(1)壓折比

壓折比是材料的抗壓強度與抗折強度的比值，能夠從力學強度角度直接地反應出材料的柔韌性。材料壓折比愈小，說明材料的柔韌性愈好；反之，說明材料愈脆。復合改性修復材料的與其他兩種水泥材料壓折比對比圖，如圖2所示。

圖2 各齡期砂漿壓折比對比圖

由圖2可以看出：三種材料的壓折比對隨著齡期的增加而增大，由于早強水泥材料在1 d就形成了較高的強度，其壓折比值在早期就處于較高的范圍，說明其柔韌性相對更差；復合改性修復砂漿在保證早期強度的基礎上，聚合物和纖維的加入，有效降低了早期壓折比，提高了施工和易性和材料的柔韌性。

(2)抗沖擊韌性

抗沖擊韌性是指材料在瞬時荷載的作用下抵抗破化和抗變形的能力。本文采用落球法進行水泥砂漿抗的沖擊韌性測試，對比研究養護28 d后的復合改性砂漿與其他兩種水泥材料的抗沖擊韌性，具體測試結果見圖3。

圖3 砂漿材料抗沖擊韌性和斷裂吸收能對比圖

由圖3可以看出：相較于早強水泥砂漿，28 d的復合改性修復砂漿的沖擊韌性和斷裂吸收能得到了明顯的提高。這說明了聚合物和纖維的加入能明顯改善砂漿的抗沖擊性能；復合改性修復材料的沖擊韌性與斷裂吸收能均高于普通水泥砂漿，說明其作為路面的修復層，有著更較好的抗沖擊能力，在一定程度上提高了修復路面的耐久性。

3.3 耐久性能研究

(1)抗收縮性能

復合改性修復砂漿作為一種流態砂漿拌合物，在澆筑成型過程中伴隨著失水凝固其體積會減小發生干縮。由于修補砂漿的收縮性，水泥路面薄層修補時，修補砂漿在已完成收縮變形的舊水泥路面上成型會在修補界面處會產生較大拉應力，如果修補材料與原路面之間的粘結力不能抵抗該拉應力，那么修補路面會再次產生開裂，因此良好的收縮性是其必須具備的耐久性能之一。本文分別對普通水泥砂漿和復合改性修復砂漿進行干縮率測試，具體測試結果見圖4。

圖4 復合改性修復材料與普通水泥干縮率對比圖

由圖4復合改性水泥修復砂漿和普通水泥試件干縮率對比可知，隨著齡期的增長，兩種材料的干縮率同步增加，水泥材料的干縮現象是一個逐步累積的過程，且兩種材料的干縮增長率最大的齡期區間在7 d之內，7～28 d中干縮率增長變緩，28 d之后干縮率增長逐漸變緩并趨于穩定。復合改性修復砂漿在各齡期的干縮率一直低于普通水泥砂漿，這是因為聚合物的加入，增加了水泥材料自身的密實性，使得聚合物改性水泥砂漿抗收縮的性能有所改善。

(2)抗滲性能

復合改性修復砂漿作為多孔材料，其內部孔隙的數量、大小、分布及連通情況直接關系到其抵抗有害物質侵蝕內部的能力，其作為路面修補材料長期遭受雨水的侵蝕，因此必須具備良好的抗滲性能，這是提高路面的耐久性的關鍵。本文分別對普通水泥砂漿和復合改性修復砂漿進行抗滲性測試，具體測試結果見表7。

由表7可知，與普通水泥砂漿相比，復合改性修復砂漿具有更加優良的抗滲性，聚合物和纖維的摻入提高了修復砂漿的抗滲性。

表7 砂漿抗滲性測試結果

3.4 粘結直剪試驗研究

為模擬修補路面的層間受剪狀態，本文采用直剪試驗對復合改性修復砂漿的層間粘性性能進行測試，并選擇普通水泥砂漿做為參比，具體試驗步驟如下：

(1)采用300 mm×300 mm×50 mm車轍板成型C30標準混凝土試塊，并在標準條件下養護28 d。

(2)利用鋼絲刷去除混凝土試塊表面浮漿，用粗砂紙打毛打磨出粗糙面，并用水清洗干凈；

(3)將試塊放置于底部墊置35 mm鋼板的300 mm×300 mm×100 mm的車轍板模具中，澆筑15 mm厚的待測砂漿，并進行28 d標準養生。

(4)利用鉆孔取芯機在養護后的試塊上取3個芯樣，芯樣尺寸為101.6 mm×65 mm。

(5)將芯樣試塊放入自制模具中，采用HS-SSI型直剪儀對芯樣進行軸向壓應力測試，并記錄芯樣斷裂時的最大壓應力和剪切強度，具體測試結果如圖5所示。

圖5 砂漿層間剪切粘結強度變化圖

由上圖可以看出：與普通水泥砂漿相比，復合改性修復砂漿的層間剪切粘結強度明顯得到了提高，層間剪切粘結比同樣提高，說明通過復合改性作用大幅提高了水泥砂漿的層間粘結性能。已有研究表明，纖維的摻入可以提高砂漿的層間粘結性能，進一步強化了砂漿的自身強度減小了自身破裂的可能，從而對層間粘結性能的提高起到了積極作用。

4 結 論

(1)復合改性修復砂漿中由于聚合物和硅粉的加入推遲了凝結時間，強度形成速度與早強水泥相比有所放緩，同時纖維的加入在一定范圍內同樣會降低材料的強度，但推遲了凝結時間，因此具有更好的施工和易性和耐久性；與普通水泥砂漿相比，復合改性砂漿的早期強度都遠高于普通水泥砂漿，說明與普通水泥材料相比，復合改性材料既可以足快速修復的強度要求。

(2)從材料的柔韌性角度來看，復合改性修復砂漿在保證早期強度的基礎上，與早強水泥相比具有更好的柔韌性，不僅有效降低了早期的壓折比，其抗沖擊韌性和斷裂吸收能與普通水泥砂漿材料相比，均得到了明顯的提高，說明其作為路面的修復層，有著更較好的抗沖擊能力，在一定程度上提高了修復路面的耐久性。

(3)聚合物可以優化復合改性水泥砂漿的孔隙結構，與普通水泥砂漿相比，其密實性明顯增加，材料的干縮率明顯降低，有著更優異的后期強度，纖維的加入更有效增強了這一改性效果，使材料具有更好的抗滲性，作為路面修復層材料，使路面結構獲得更好的使用性能和耐久性。

(4)與普通水泥砂漿相比，纖維的摻入明顯提高的復合改性水泥砂漿的粘結性，降低了自身破裂可能的同時，明顯提高了修復層與舊水泥路面的層間粘結性。