水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料研究

李燕清，向阳开，熊潮波

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074;2.重庆市南岸区交通局，重庆400060)

目前，我国已投入使用的水泥混凝土路面进入了大规模的路况严重恶化期和大规模的投资改造期。水泥混凝土路面板底脱空引起的错台、唧泥、早期断板等病害日益严重，这给公路管理养护部门带来了巨大的经济损失和技术困难。而板底灌浆治理技术是预防和治理脱空最有效的方法［1］。

1 灌浆材料的性能要求

灌浆治理脱空是利用压力泵的压力将灌浆材料压入板底脱空部位，硬化后形成结构致密、强度高、水稳性良好的支撑层，牢固地与板底及基层黏结，从而改善路面板的受力状态，防止其破坏［2］。

从灌浆工艺和使用要求上讲［3］，理想的灌浆材料应满足以下要求:①流动性好，能够进入细小空隙;②浆体结硬后强度高，并有一定的早期强度;③离析、泌水性小;④浆液固化收缩率小;⑤浆液原材料来源丰富，配置方便，经济性好，能大规模应用于工程。

2 灌浆材料配合比设计

针对灌浆治理路面板底脱空对灌浆材料的性能要求，通过准确选材、精确配比等方法，配制出具有高强、早强、流动性好、离析、泌水性小，干缩率小的灌浆材料。

2.1 试验原材料选用

目前工程上灌浆治理水泥混凝土路面板底脱空大多是采用水泥砂浆，由水泥、砂、粉煤灰、外加剂和水按一定比例拌和搅拌而成。具体性能要求及选用情况如下［3］。

1)水泥:要求选择保水性好、泌水性小且有一定早期强度的水泥作为灌浆材料的胶凝材料，故宜选用普通硅酸盐水泥。笔者采用重庆小南海水泥厂生产的P.O 42.5R普通硅酸盐水泥。

2)砂:砂的掺入可以提高浆液的强度，减小水泥用量，同时减小浆液固化后的收缩。但是大粒径的砂容易产生离析泌水现象，因此，宜选用特细砂。笔者在试验时采用标准砂，根据GB 178—1997《水泥强度试验用标准砂》要求［4］，在拌制前用0.5 mm的方孔筛进行筛选，保证砂粒径不大于0.5 mm。

3)粉煤灰:粉煤灰的加入可以增加浆液和易性并能取代部分水泥，使砂浆的可泵性和经济型达到优化。笔者采用重庆珞璜电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。

4)减水早强剂:减水早强剂可促进浆体早期强度迅速形成、增加浆体的流动性和和易性，笔者采用重庆市博锐达建材有限公司生产配置的BDN-Ⅱ型高效早强减水剂，它是由早强、减水等组分有机复合而成的，能迅速提高水泥砂浆的早期强度、改善流动性能、提高和易性。

5)膨胀剂:膨胀剂的掺入可减少浆体的硬化收缩，甚至使浆体中产生微膨胀性，提高硬化浆体与水泥混凝土板和基层之间的黏结。笔者采用重庆博锐达建材有限公司生产的BD-UEA高效型膨胀剂。

6)水:选用清洁自来水。

用于灌浆治理水泥混凝土路面板底脱空的水泥砂浆对其流动性能、分层度、干缩率、早期强度等都有特定的要求，为了设计出一种比较理想的灌浆材料，通过选用不同配合比的材料做室内稠度试验、分层度试验、干缩率试验和早期强度试验，研究每种原材料的掺量对以上性能的影响，确定各种材料掺量的合理范围，从而得出几种满足灌浆材料特殊性能要求的材料配合比。

2.2 砂浆稠度和分层度试验

通过砂浆稠度试验测定砂浆流动性能，流动性能指标参照使用ASTM-C-939(美国材料与试验协会认定的预制集料混凝土流浆试验方法)中的锥形漏斗(体积1 725 mL±5 mL)制定，以流出时间(s)为标准(在室温条件下纯水的流出时间为8 s)。将搅拌均匀的砂浆倾入漏斗中，直至表面触及点测规下端，砂浆自由流完的时间即为其稠度值。砂浆分层度试验用于测定砂浆的保水性，保水性不好的砂浆在运输、停放、使用过程中易产生离析、泌水现象。将砂浆拌合物按砂浆稠度试验方法测定稠度后，装入砂浆分层度测定仪内，静置30 min后，去掉上节200 mm砂浆，剩余的100 mm砂浆倒出放在拌和锅内拌2 min，再按稠度试验方法测定其稠度。前后测得的稠度之差即为该砂浆的分层度值(s)。

2.2.1 水灰比对砂浆稠度和分层度的影响

灌浆材料最基本性能是流动性好，水泥砂浆的流动性主要取决于单位体积含水量，但水灰比过大会使砂浆保水性降低。因此，先考虑水灰比对浆体稠度和分层度的影响。在砂浆其他材料配合比不变的情况下，通过改变水灰比来研究水灰比对砂浆稠度和分层度的影响。其中砂灰比采用经验值0.2，减水早强剂掺量取1%。其试验结果如图1、图2。

图1 水灰比对砂浆稠度影响Fig.1 Effect of water cement ratio on mortar consistency

图2 水灰比对砂浆分层度影响Fig.2 Effect of water cement ratio on mortar stratification

已有研究资料表明:现场灌浆过程中灌浆材料的稠度值大于26 s时会造成灌浆不畅;而稠度过小时浆液会出现泌水现象，不掺减水剂的砂浆稠度值最小不应小于16 s，对于掺减水剂的砂浆稠度值不应小于12 s。由图1可知:当水灰比在0.375～0.475之间变化时，砂浆的稠度值变化范围为13.39 ～25.86 s。但水灰比为 0.375 时，其稠度值很接近极限值(26 s)，考虑到工程上现场制浆过程中水分损失较大，所以水灰比不应小于0.4。当水灰比大于0.475后水灰比的增加对砂浆流动性能的改善并不明显，水灰比增大反而降低砂浆的早期强度，增大干缩率。保水性良好的砂浆，其分层度值不大于3 s，分层度大于3 s的砂浆容易离析泌水，影响灌浆效果。从图2可得:当水灰比在0.375～0.475之间变化时其分层度均小于3 s。所以，用于灌浆治理路面板脱空的水泥砂浆水灰比应控制在0.4～0.475之间。［5］

2.2.2 减水早强剂掺量对砂浆稠度和分层度的影响

BDN-Ⅱ型高效减水早强剂具有改善浆液流动性的作用，减水率为16% ～23%，厂家推荐掺量为0.8% ～1.2%。为了研究减水早强剂掺量对砂浆流动性能的影响，试验固定砂浆其它材料配合比，只改变减水早强剂的掺量，测定砂浆的稠度值。试验结果如图3。

图3 减水早强剂剂掺量对砂浆稠度影响Fig.3 Effect of water-reducing early strength agent on mortar consistency

由图3可知:砂浆稠度值随早强减水剂的掺量在0～1%之间变化时砂浆的稠度递减，流动性增强。减水早强剂掺量为1%时稠度值最小，对砂浆流动性能的改善达到最佳效果。当掺量达到1.25%时，砂浆的稠度值略有增加，说明已经超过饱和值。图4表明:随着减水早强剂掺量的增加砂浆的分层度增大，但分层度值均小于3 s，砂浆的保水性均满足要求。所以减水早强剂的最佳掺量为1%。

图4 减水早强剂剂掺量对砂浆分层度影响Fig.4 Effect of water-reducing early strength agent on mortar stratification

2.2.3 砂灰比对砂浆稠度和分层度的影响

砂的加入有利于减小水泥用量和浆体的干缩率。但砂的加入会增大浆液中颗粒摩擦力，从而降低砂浆的流动性能［6］。同时，由于砂的密度大，当掺入过量的砂后，砂浆静置后会有大量砂沉积于浆液底层，发生离析泌水现象，影响灌浆效果。试验采用固定砂浆其它配合比，只改变砂浆的砂灰比，测定砂浆的稠度和分层度值，分析砂灰比对稠度和分层度的影响。试验结果如图5、图6。

图5 砂灰比对砂浆稠度影响Fig.5 Effect of sand cement ratio on mortar consistency

图6 砂灰比对砂浆分层度影响Fig.6 Effect of sand cement ratio on mortar stratification

砂浆稠度值和分层度值都随砂灰比的增大而增大(图5、图6)，说明砂的掺入降低了水泥砂浆的流动性能和保水性能。砂灰比的增加对砂浆分层度影响逐渐明显，砂浆的保水性能降低得很厉害。当砂灰比为0.4时分层度值已达到3.42 s，所以砂灰比应控制在0.4以下。

2.2.4 粉煤灰掺量对砂浆稠度和分层度的影响

粉煤灰的加入可替代部分水泥，降低成本，还能改善浆体的和易性和收缩性能［7］。通过不同粉煤灰掺量的砂浆稠度试验、分层度试验来确定粉煤灰的掺量。试验采用固定水灰比0.45、砂灰比0.2、减水剂掺加量0.01，砂浆稠度、分层度值随粉煤灰掺量不同其测定结果如图7、图8。

图7 粉煤灰掺量对砂浆稠度影响Fig.7 Effect of Fly Ash on mortar consistency

图8 粉煤灰掺量对砂浆分层度影响Fig.8 Effect of Fly Ash on mortar stratification

粉煤灰的加入会使浆液的稠度和分层度值增加(图7、图8)，其流动性能下降，这是因为粉煤灰单位体积的需水量大于水泥。另一方面，随着粉煤灰掺量的加大，浆液分层度值呈增大趋势，这是由于粉煤灰的密度较小，试验中发现当粉煤灰掺量达到0.4时，其分层度值大于3，且静置后表面漂浮着薄层碳粉，砂浆离析泌水现象明显。所以粉煤灰的掺量应控制在0.4以下。

2.3 砂浆试块干缩试验

砂浆硬化的过程中会产生干缩现象，这种干缩会引起路面板的再次脱空。本试验通过对砂浆试块硬化后的体积与试模容积进行比较，以获得砂浆的干缩率。试验采用自行设计的简易装置(图9)，测定过程如下:在桶中装水至软管处，将砂浆试件放入桶后，水平面上升导致水从软管中流入量杯中，量杯中水的体积即是砂浆试件的体积。此装置操作简单快速，经100 mm×100 mm×100 mm的标准试块校核，其测量误差在±0.1%以内，满足此实验的要求。

将灌浆材料做成 70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm试块，测定其7 d龄期后的干缩率。试验结果如表1，膨胀剂掺量为10%与掺量为8%的试件相比干缩率相差很小，继续增加膨胀剂掺量，对砂浆膨胀性能影响并不大。因此，膨胀剂的理想掺量应为8%～10%。

图9 干缩率测定装置Fig.9 Apparatus for determination of dry shrinkage

表1 干缩率随膨胀剂掺量变化Table 1 Dry shrinkage rate changes with expansive agent

2.4 灌浆材料配合比的选用

通过以上各种试验，得出各种材料掺量的合理范围:水灰比应控制在0.4～0.475;砂灰比不宜超过0.3;粉煤灰的用量对砂浆的早期强度影响很大，掺量不宜超过0.3;减水早强剂的最优掺量为10%;膨胀剂的理想掺量为0.08～0.1。考虑到施工因素，选取以下7种不同配合比灌浆材料做现场灌浆试验，根据灌浆效果得出灌浆材料最优配合比。在灌浆之前测得各种配合比灌浆材料的性能如表2。

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3 现场灌浆试验及效果检验

将所选用的7种配合比用于西部交通科技项目——《水泥混凝土路面工作状态评价及预养护技术研究》重庆依托工程板底灌浆试验，选取重庆市南岸区黄明路脱空板做现场灌浆试验。从现场灌浆效果来看，材料Ⅰ、Ⅶ(水灰比为 0.4，0.425)入浆量少，说明浆体的流动性能没达到要求，用水量过小。28 d后利用FWD［8］和探地雷达对灌浆治理过的脱空板进行脱空检测。根据FWD的实测弯沉值的统计分析，对比灌浆治理前后的各测点的弯沉差，采用同板弯沉差法进行脱空判定，结果显示Ⅱ、Ⅳ灌浆材料对路面脱空的治理效果最好，脱空的治理率分别达到86.6%，88.8%。同时探地雷达检测也显示出Ⅱ、Ⅳ灌浆材料对脱空治理的效果较好。

4 结语

笔者通过灌浆材料配合比性能试验，并借鉴国内对灌浆材料的已有研究成果，分析各种成分的掺量对浆体性能的影响，得出各种材料掺量的合理范围:水灰比应控制在0.4～0.475;砂灰比不宜超过0.3;粉煤灰的用量对砂浆的早期强度影响很大，掺量不宜超过0.3，在交通繁忙地段，为了尽早开放交通，建议不要掺加粉煤灰;减水早强剂的最优掺量为0.1;膨胀剂的理想掺量为0.08～0.1。设计7种不同配合比的灌浆材料对试验路段的脱空板做现场灌浆试验，利用落锤式弯沉仪(FWD)和探地雷达检测各种材料的灌浆治理效果，试验结果表明:材料Ⅱ(水泥∶水∶砂∶减水早强剂∶膨胀剂 =1∶0.45∶0.3∶0.01∶0.1)和Ⅳ(水泥∶水∶砂∶减水早强剂∶膨胀剂 =1∶0.45∶0.2∶0.01∶0.08)对治理板底脱空效果很好。研究成果可供水泥混凝土路面养护维修工程参考。

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