侯永生 單繼雄 劉雄偉 呂軍軍

(河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心 石家莊 500090)

我國(guó)水泥混凝土路面保有量巨大，而隨著居民車輛保有量的迅猛增長(zhǎng)、交通量的不斷攀升，混凝土路面在服役過程中受到環(huán)境的侵蝕作用而逐漸劣化，出現(xiàn)不同程度的病害，如裂紋、麻面、坑槽、斷板、錯(cuò)臺(tái)等，造成路面使用功能下降，形成安全隱患[1]。

針對(duì)路面修復(fù)的快速修補(bǔ)材料目前已有較多研究，種類也較多，但均存在一些顯著的缺點(diǎn)限制了其廣泛應(yīng)用。以硫鋁酸鹽水泥材料為例，其具有早強(qiáng)快凝的優(yōu)點(diǎn)，但存在后期強(qiáng)度倒縮、新舊混凝土黏結(jié)強(qiáng)度不足的問題[2]。磷酸鎂水泥具有早強(qiáng)快凝、黏結(jié)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但存在耐水性差，易強(qiáng)度倒縮的問題[3]。聚合物改性水泥基修補(bǔ)砂漿通過在水泥基材料中引入聚合物組分，可顯著改善與舊水泥路面的黏結(jié)強(qiáng)度，提高材料的變形能力，是目前修補(bǔ)材料研究的主流方向[4]。

本文提到的自流平修補(bǔ)砂漿是一種針對(duì)水泥路面修補(bǔ)的聚合物改性水泥基修補(bǔ)材料，其具有流動(dòng)性好施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，將其用于水泥混凝土路面罩面，可以起到恢復(fù)路面使用功能，快速開放交通的作用[5]。

目前對(duì)自流平修補(bǔ)砂漿的研究關(guān)于組成設(shè)計(jì)及提高界面黏結(jié)強(qiáng)度的較多，針對(duì)干縮方面的研究還相對(duì)不足，自流平修補(bǔ)砂漿應(yīng)用時(shí)面臨開放交通早的問題，使其難以得到充分的養(yǎng)護(hù)，面臨較大的干縮問題。而干縮的大小直接影響到修補(bǔ)砂漿與基底混凝土是否黏結(jié)牢固，是否容易開裂等一系列問題。目前的干縮研究多是在溫濕度較為恒定的條件下進(jìn)行的，難以反映實(shí)際服役狀態(tài)下的收縮行為。因此，本文研究在自然環(huán)境下，直接暴露或覆膜時(shí)，材料組成對(duì)自流平砂漿干縮行為的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為P·O 52.5水泥，28 d抗折強(qiáng)度8.2 MPa，抗壓強(qiáng)度55.2 MPa；硅灰為92級(jí)，平均粒徑13 μm；膨脹劑為UEA型膨脹劑。可再分散乳膠粉為德國(guó)瓦克生產(chǎn)的8034型乳膠粉；減水劑為粉體聚羧酸減水劑。河砂細(xì)度模數(shù)為2.4，含泥量1.1%。

為研究膨脹劑摻量對(duì)干收縮的影響，設(shè)置其摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為5%，10%；提高自流平修補(bǔ)砂漿的早期和后期強(qiáng)度，摻入5%的硅灰；研究可再分散乳膠粉摻量對(duì)修補(bǔ)砂漿干燥收縮的影響，其摻量設(shè)置為1%，2%。具體試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)見表1?？刂朴盟坎蛔儯ㄟ^適度調(diào)整減水劑用量使各砂漿流動(dòng)擴(kuò)展度在220～230 mm。

表1 自流平砂漿配合比 kg/m3

1.2 試驗(yàn)方法

砂漿制備過程參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》進(jìn)行，先將水加入，接著加入稱量好的粉料，開始攪拌。低速攪拌30 s后在第二個(gè)30 s內(nèi)將稱量好的河砂均勻加入攪拌鍋內(nèi)，再高速攪拌30 s，停拌90 s后再高速攪拌60 s后結(jié)束；成型及測(cè)試參照J(rèn)GJ/T 70-2009 《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。各編號(hào)分別成型2組試件，成型后置于(20±2)℃、相對(duì)濕度≥95%的環(huán)境中帶模養(yǎng)護(hù)，1 d后脫模。

為研究自然養(yǎng)護(hù)時(shí)覆膜條件下修補(bǔ)砂漿的體積變形行為，脫模后一組不做處理，另一組表面覆蓋塑料薄膜以延緩水分散失，將2組試件置于 (25 ± 5) ℃、相對(duì)濕度(50 ± 15)%的自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，每天固定時(shí)間記錄1次數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 自然養(yǎng)護(hù)條件下試件體積變化

空白樣(第1組)、摻5%膨脹劑(第2組)、摻5%硅灰(第4組)、摻5%膨脹劑+1%可再分散乳膠粉(第6組)自流平砂漿在自然養(yǎng)護(hù)條件下的體積變化見圖1。

圖1 自然養(yǎng)護(hù)條件下自流平砂漿干縮測(cè)試(一)

由圖1可見，自流平砂漿的干縮在前2 d增長(zhǎng)迅速，之后收縮速率逐漸下降，14 d時(shí)接近穩(wěn)定。摻入硅灰后，1 d干縮值有所增大，14 d干縮值略小于空白樣。分析造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)閾饺牍杌液蟠龠M(jìn)了水泥漿體的早期水化，使得試件的早期自干燥收縮增大[6]。同時(shí)摻入硅灰可以細(xì)化孔徑，有助于減少試件因環(huán)境失水產(chǎn)生的收縮。而從試驗(yàn)結(jié)果來看，摻入5%膨脹劑，砂漿的干縮率與空白樣比較接近，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)榕蛎泟┑难a(bǔ)償收縮效果與膨脹劑水化消耗水分產(chǎn)生的收縮近似抵消所致。

通過比較圖1中第2組與第6組試件可知，復(fù)摻可再分散乳膠粉后干縮值略有增大。分析認(rèn)為摻入可再分散乳膠粉后試件受三方面綜合作用：①試件的抗壓彈性模量減小，抵御變形的能力下降，失水時(shí)產(chǎn)生更大的收縮；②可再分散乳膠粉具有減水作用，在水膠比不變的情況下使得自由水增多，導(dǎo)致干縮增大；③可再分散乳膠粉具有成膜保水作用，可抑制部分水分散失，使干縮減少。在這三者的共同作用下，最終表現(xiàn)為收縮增大。

空白樣、摻入10%膨脹劑(第3組)、10%膨脹劑+5%硅灰(第5組)、10%膨脹劑+5%硅灰+2%可再分散乳膠粉(第7組)在自然條件下養(yǎng)護(hù)下試件的體積變化情況見圖2。

圖2 自然養(yǎng)護(hù)條件下自流平砂漿干縮測(cè)試(二)

由圖2可見，摻入10%的膨脹劑后，砂漿1 d發(fā)生明顯的膨脹，之后又迅速回落，早期干縮速率明顯增大，14 d的干燥收縮明顯大于空白樣。分析造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)?，①膨脹劑摻入后增大的砂漿的孔隙率，使收縮應(yīng)力增大；②膨脹劑的水化造成砂漿內(nèi)部自收縮加劇。

通過比較可以看出，當(dāng)硅灰與10%膨脹劑同復(fù)摻時(shí)，砂漿1 d時(shí)膨脹量明顯減小，顯示摻入硅灰對(duì)膨脹劑的膨脹存在明顯的抑制作用。后期干縮值較單獨(dú)摻入膨脹劑小，顯示摻入硅灰有助于提高砂漿的體積穩(wěn)定性。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)?，?duì)于摻膨脹劑的砂漿試件，硅灰水化消耗大量的Ca(OH)2，而UEA膨脹劑水化生成鈣礬石亦需要與Ca(OH)2反應(yīng)才能進(jìn)行，同時(shí)硅灰還提高試件的強(qiáng)度，因此對(duì)膨脹劑的膨脹效果起到了抑制作用。

而通過比較圖2中第5組與第7組測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻入2%乳膠粉后，砂漿早期發(fā)生明顯的膨脹，膨脹量略小于單摻10%膨脹劑而明顯大于同時(shí)摻入膨脹劑和硅灰。分析認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)?，①可再分散乳膠粉具有一定的緩凝作用，有助于延長(zhǎng)膨脹劑的有效窗口期[7]；②可再分散乳膠粉的減水和成膜保水作用，為膨脹劑的水化提供更多水分并可減少水分散失，使膨脹劑的效果更有效地發(fā)揮。

2.2 覆膜條件下的試件體積變化

覆膜條件下，空白樣、摻5%膨脹劑、摻5%硅灰、摻5%膨脹劑+1%可再分散乳膠粉自流平砂漿的體積變化見圖3。

圖3 覆膜條件下自流平砂漿干縮測(cè)試(一)

由圖3可見，單摻5%的膨脹劑和單摻5%的硅灰在覆膜條件下，干縮值明顯小于空白樣，同時(shí)復(fù)摻膨脹劑和乳膠粉后，干縮值較單摻膨脹劑有所增大。分析認(rèn)為覆膜后降低了試件的干燥失水速率，使得試件早期強(qiáng)度發(fā)展時(shí)，收縮較小。當(dāng)失水逐漸增加時(shí)，試件的強(qiáng)度已有明顯發(fā)展，抵御變形的能力增強(qiáng)，使收縮減小。

在覆膜養(yǎng)護(hù)下，空白樣、摻入10%膨脹劑、摻10%膨脹劑+5%硅灰、摻10%膨脹劑+5%硅灰+2%可再分散乳膠粉試件的體積變化情況見圖4。

圖4 覆膜條件下自流平砂漿干縮測(cè)試(二)

由圖4可見，在覆膜養(yǎng)護(hù)下，摻有10%膨脹劑的第3，5，7組試件的早期膨脹值均比自然養(yǎng)護(hù)有所增大。分析原因應(yīng)是早期水分散失的減少，使得早期有更多的水分保障膨脹劑的水化，使得膨脹增大；水分散失減少亦使得毛細(xì)孔的收縮應(yīng)力減少，綜合作用下表現(xiàn)為早期膨脹增大。與自然養(yǎng)護(hù)有明顯不同的是，上述3組試件的14 d干縮值明顯小于同條件養(yǎng)護(hù)的空白試件，顯示在覆膜條件下，摻入膨脹劑可以起到較好的補(bǔ)償收縮作用。

與自然養(yǎng)護(hù)相類似的是，復(fù)摻膨脹劑和硅灰與單摻膨脹劑相比，早期膨脹和14 d的干燥收縮均有所減少，顯示摻入硅灰對(duì)膨脹劑的膨脹存在抑制作用。

該研究結(jié)果顯示，覆膜養(yǎng)護(hù)對(duì)自流平修補(bǔ)砂漿的干燥收縮有顯著影響，在京張高速服務(wù)區(qū)鋪筑試驗(yàn)段后，經(jīng)觀察未發(fā)現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象，為該材料的后續(xù)工程推廣奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1) 自然養(yǎng)護(hù)條件下，試件的早期干縮迅速增大，7 d后趨于穩(wěn)定。摻入10% UEA膨脹劑早期膨脹后，干縮迅速增大，14 d干縮值明顯大于空白樣，起不到補(bǔ)償收縮效果。

2) 硅灰對(duì)UEA膨脹劑的膨脹效果有明顯的抑制作用。

3) 在摻入可再分散乳膠粉后，試件的干縮有所增大，有助于膨脹劑膨脹效果的發(fā)揮。

4) 在覆膜條件下，摻入膨脹劑可以起到較好的補(bǔ)償收縮作用。