国道322线聚合物改性水泥路面薄层快速修补材料研究

唐克隆

（广西壮族自治区兴安公路管理局，广西 兴安 541300）

0 引言

高等级水泥路面结构的优势在于抗压强度大且寿命较长，具有较好的路用性能，其劣势也较为明显，如脆性大、干缩和温缩明显不足等，在日益增加的交通荷载作用下，许多水泥路面达到了设计使用年限，路面性能降低，出现了较大的病害问题，裂缝、错台等病害的反复出现给路面养护工作增加了很大难度。而水泥路面的薄层修补技术逐步得到发展，能够取得较好的修补效果和经济性。

聚合物改性水泥修补材料相比于其他修补剂材料或普通水泥而言，其成本适中、养护便捷等优点更加突出，经过修补的病害路面具有良好的强度性能和耐久性能。另外因为聚合物改性材料的相关性质，使得修补材料的凝结速度更快、硬化后强度更高以及耐久性能更好。综合来看，采用聚合物快速修补材料能够使养护施工的和易性提升，提高修补质量，另外还能改善修补材料的抗折强度和耐疲劳性能，同时聚合物修补后的面层与基层的粘结力增大，降低了各种病害发生的可能性。

1 水泥路面病害及成因分析

水泥路面的病害和破坏受多种因素的影响，不仅取决于水泥路面自身性能，还受施工工艺和质量、行车荷载及路面使用情况、路面结构层沉降以及自然气候原因等的影响。水泥路面病害的主要形式有表面破损、断板、错台和接缝破坏等。水泥路面的结构性破坏机理复杂，较难修补，而聚合物改性水泥修补主要针对水泥路面表面的各类破损病害。较为常见的水泥路面表面破损病害形式及成因如表1所示。

表1 水泥路面表面破损病害形式及成因表

2 工程项目应用

为了研究聚合物改性水泥路面薄层修补的效果，本文结合广西国道322线兴安至桂林段水泥混凝土路面修复工程项目标段进行研究。

2.1 工程概况

本工程项目位于国道322线兴安县四季田至兴田路段。采用聚合物改性水泥修补路段桩号为K272＋000～K274＋000。原路设计等级为一级公路，项目路段路基宽23m，路面宽16.5m，两侧土路肩宽2×3.25m。该项目区域气候温和，日照充分，雨量充沛，夏长而多雨。每年的4月至9月为雨季，雨季时间较长。随着经济的发展，该路段交通量逐年增大，在降雨等环境因素和车辆荷载的综合作用下，项目路段路面产生了裂缝、坑槽等病害，为了降低对交通的影响，同时保证修补工程质量，经专家勘察论证，决定采用聚合物改性水泥修补工艺进行路面薄层快速修补。

2.2 原材料

为了抵抗高速公路行车荷载和温湿环境的不利影响，水泥路面修补材料在保证设计强度和施工和易性等基本要求的同时，仍需要重点确保具有良好的抗折强度和较高的粘结性能，另外为了提高修补质量，降低修补成本，还应当有良好的耐久性和耐老化性能，因此综合考虑各方面的要求并结合相关的修补施工技术，项目施工修补材料采用聚合物改性快硬硫铝酸盐水泥所制备的胶凝材料作为项目修补施工作业的主要原材料，骨料采用级配良好的石英砂。为了保证施工时修补材料具有较好的和易性，在修补剂中掺入硅灰和乳胶粉，选取聚梭酸高效减水剂以降低材料用量并提高强度，选取E型膨胀剂和硅烷消泡剂作为辅助外加剂；为了提升修补料强度和韧性，还加入了少量的聚丙烯纤维以提高修补料的综合性能。快硬铝酸盐水泥原材料性能指标如表2所示，硅灰参数如表3所示，石英砂骨料级配如图1所示，采用的聚合物改性材料基础参数如表4所示。

表2 快硬硫铝酸盐水泥基础性能指标表

表3 硅灰主要参数表

表4 聚合物性能参数表

图1 石英砂骨料级配示意图

2.3 聚合物改性修补材料性能试验

该聚合物改性水泥修补材料应用到国道322线项目中，需要分析研究其强度性能、凝结性能、材料流动性以及干缩性能，确保修补施工时聚合物掺量具有足够的性能保障和成本效益。因此针对聚合物改性修补料进行了相关试验，对试验结果进行分析处理，结果表明聚合物改性修补料具有较好的性能，能够满足项目施工作业和施工质量的要求。

2.3.1 聚合物改性修补材料的凝结性能

对聚合物改性水泥修补材料进行凝结试验分析，得到初凝时间与终凝时间数据，如图2所示。可以看出，随着聚合物材料的加入，修补料凝结时间随之增加，初凝时间与终凝时间的增长规律和幅度一致，聚合物掺量为4%时，初凝时间比不掺聚合物改性的水泥材料增大了12%以上，终凝时间增大20%左右。而随着聚合物掺量的继续增大，凝结时间的增长速度和幅度都有所降低，说明掺量过大后，聚合物改性效果会有所下降，其掺量达到8%时，初凝时间比不掺聚合物改性的水泥增长约18%，终凝时间增长约24%。从聚合物乳胶粉改性的机理上分析，其改性过程本质上是聚合物颗粒逐步分散到铝酸盐水泥浆之中，最初其溶解度较大，产生的缓凝效果明显，随着水泥浆中聚合物含量增大，其溶解度降低，因此缓凝作用反而减弱；另一方面聚合物改性的水泥浆内凝胶物质增大，降低了水泥的水化效能且降低了流动性，有效离子含量生成速率随掺量增加而下降，因此体现在凝结速度上就是凝结时间的增长先快后慢。综合考虑经济性和性能要求，符合凝结时间指标要求的最佳聚合物掺量为2%～4%。

图2 聚合物掺量对凝结时间的影响示意图

2.3.2 聚合物改性修补材料的流动度

水泥修补材料施工性能的另一决定性指标是修补材料的流动度指标，这需要对该项目聚合物改性水泥修补材料的胶砂流动性进行试验分析，试验结果如图3所示。

图3 聚合物掺量对胶砂流动度的影响示意图

由图3可知，聚合物改性对修补材料的流动度有较大的影响，掺入聚合物可以有效提升材料的流动性能。材料拓展度随着聚合物掺量增大呈现先增大而后降低的趋势，聚合物掺量在2%时材料流动度（拓展度）最大。相比于不掺聚合物改性的水泥修补料，其流动度增大了约5%以上；当聚合物达到8%掺量时，流动度比不掺聚合物改性的水泥修补材料仍增大约2%。这是因为聚合物颗粒在分散溶解过程中，随着浓度的增大，其流动作用效果会有所下降，所以过大的掺量反而会降低其流动度指标。根据流动度指标分析，聚合物最佳掺量为2%～4%为宜。

2.3.3 聚合物改性修补材料的强度

聚合物改性水泥修补材料的强度指标主要包括材料的抗压和抗折强度等，在行车荷载和自然因素的反复作用下，修补材料的各方面强度指标必须达到较高的标准才能延长修补的效果，提高旧路面的使用寿命。本文通过制备聚合物掺入量不同的修补材料试件，通过标准养护手段后，测定各试件的7d和28d强度指标，以分析聚合物掺量对改性水泥修补材料强度性能的影响。试验结果如图4所示。

图4 聚合物掺量对材料强度的影响示意图

由图4可知，2%～4%掺量的聚合物修补材料具有较好的强度性能指标，掺量超过这一范围后，修补材料的强度下降较多，不利于其使用性能的提升。这是因为聚合物改性水泥在其水化成膜的凝结过程中，形成的水化膜会覆盖在水泥浆和骨料表面上，其结构类似三维网状结构，因此在凝结早期，其结构强度提升比较明显；而随着掺量的继续增大，聚合物成膜量不断增加，逐渐堆积，阻碍集料间的粘结，因此其强度又会下降，而且龄期越长，其强度降低越明显。从图4抗压强度与抗折强度的规律可知，对抗压强度指标来说，聚合物的掺入对于材料的强度有降低的作用，且随着聚合物掺量提升，其抗压强度逐步减小，28d养护龄期后其抗压强度的降低幅度更大。造成这一现象的原因是聚合物改性剂自身会起到引气剂的效果，使试件内部的孔隙数量增加，并且随掺量增大其试件的孔隙率就越大，相比于更加密实的快硬硫铝酸盐水泥原件，其抗压强度必然下降。由此可知，聚合物改性材料对修补料的早期强度和凝结性能有较好的提升效果，但对修补材料的后期抗压强度具有不利的影响。而由图4可见，修补材料的抗折强度随聚合物掺量的增加变化不大。综合来看，聚合物改性水泥修补料早期强度高，养护使用后期的强度稳定，能够很好地满足高等级水泥路面快速修补施工作业质量的要求。

2.3.4 聚合物改性修补材料的干缩性能

通过上述分析，可知聚合物掺量为4%时修补料的流动性指标和强度指标都比较好，因此本文在验证其干缩性能时，选择聚合物掺量为4%，并与不掺聚合物的普通水泥进行对比分析，采用单因素分析方法控制其他变量指标在同一水平，制备水泥试件，测定其初始长度和各养护龄期时的试件长度，计算其干缩量，分析其干缩率变化规律，试验结果如图5所示。

图5 聚合物改性修补材料的干缩性能变化规律示意图

由图5聚合物改性修补材料的干缩数据显示，掺入聚合物改性能够使其干缩率明显降低，不管是聚合物改性水泥还是普通水泥，其干缩率都会随着养护龄期的延长而逐渐提高，随着养护龄期超过28d，其干缩率增长幅度会明显降低，且呈现趋于稳定值的趋势，这说明水泥修补材料随着时间的推移，其干缩量的累积逐步减少变缓。通过数据计算，可得出掺入聚合物改性的水泥修补材料的干缩率比普通水泥低15%以上。这主要是由于采用聚合物改性修补材料时，使用的水胶比小，因此在硬化凝结的过程中水分更难挥发，加上生成的硫铝酸盐水化成分体积增大，抵消了一部分试件的干缩影响。此外，聚合物改性生成的三维网状薄膜覆盖在水泥浆集料表面，增加了界面的粘结力，使得试件内部密实度变大，因此阻碍了其缩小的趋势，其作用在一定程度上类似于膨胀剂的效果。总体来看，4%聚合物掺量能有效地改善其改性水泥修补材料的干缩性能指标，具有较好的工程应用价值。

3 结语

通过对聚合物改性水泥快速修补材料的试验研究和国道322线路面修补施工的实际效果研究，可以发现聚合物改性水泥修补材料具有较好的应用效果。通过具体分析，本文主要得到了以下结论：（1）聚合物乳胶粉具有良好的改性效果，能有效提高快硬硫铝酸盐水泥的流动性能，因此能够保证施工作业的质量和效率。数据表明，聚合物的最佳掺量范围是2%～4%，过大的掺量会造成修补材料流动性能降低，不利于快速修补时的施工作业。（2）聚合物改性修补材料的强度指标低于普通水泥材料，其抗压强度和抗折强度会随着掺量的增大而降低，随着养护龄期的增长而增大。2%～4%掺量的聚合物修补料具有较好的强度性能指标。（3）聚合物改性水泥修补材料具有明显的提升水泥干缩性能的作用，有效降低了材料的干缩率。4%掺量的聚合物改性水泥修补材料能够保证修补材料随着龄期增长的干缩要求。（4）通过施工现场的勘察试验发现，采用聚合物改性水泥快速修补工艺能够取得较好的施工和易性，有效地提升修补施工质量，降低施工养护成本。