水泥混凝土路面聚合物修补砂浆的制备与力学性能研究*

胡 青，张业茂

（1.陕西省建筑职工大学，陕西 西安 710068；2.南京工程学院，江苏 南京 211167）

引 言

混凝土路面一旦发生局部断裂或者破损需要快速修补, 常用水泥基材料的修复技术不仅施工过程中的工艺复杂，而且开放运输时间长,另外修复界面的粘结差,效果并不理想；而局部缺点如果采用全新的整板修补技术，不但修复时间长，也不经济。因此针对水泥混凝土路面板裂缝、接缝破损、脱空、断板、破碎、错台等局部病害,研发出经济实用的路面快速修补材料是最有效的方法。

本文在国内目前最佳修复材料的基础上，剖析了国内外同类产品，并加以改善，通过对多种材料的正交方法选用试验和对聚合物修补砂浆的配方进行调整，得到一种以富于柔性的聚合物高分子材料作为主要成分，包括胶粘剂、添加剂、集料等多种化学成分的聚合物修补砂浆，并对破损路面粘结后的抗折强度、抗压强度、收缩性能等进行了研究。

1 水泥混凝土路面损坏状况与修补要求

水泥混凝土路面板的破损主要包括接缝类、变形类、断裂类和表面类的损坏四种。损坏的原因涉及设计、施工、养护管理等多个方面。比如横断面设置不合理、路面结构层厚度不足，施工的工艺与原材料的质量影响、排水不畅、压实度不足等。

用于修补破损水泥混凝土路面的材料，应该满足硬化速度快、早期强度高、耐久性好，粘结力好、收缩率低、修补后界面粘结强度不低于原水泥混凝土等特点。从目前我国的水泥混凝土路面设计原理和技术分析可知，混凝土路面板在实际使用过程中基本都是处于弯曲受力的状态，所以在针对路面板破损部分进行养护修复时，应以其抗折性能作为首要评价指标[1]。综合国内外相关技术规范的要求，考虑修补后水泥混凝土路面的施工工艺与强度要求，将修补后的水泥混凝土4h 的抗折强度作为主要的控制指标，4h 的抗折强度应该保证达到3.5MPa 以上[1]；以4h 的抗压强度作为次要控制指标，4h 的抗压强度应保证达到20MPa 以上。

2 原材料与试验方法

聚合物修补砂浆是以高分子聚合物为主要的胶合材料，由无机填料为骨料进行配制而成。

2.1 原材料

胶粘剂是以聚合物树脂为主剂，固化剂、促进剂为添加剂配制而成。聚合物树脂的主要技术指标可以满足粘结强度高、收缩率小、稳定性良好、加工及操作过程简便、电绝缘性能好、吸水率低、磨耗性、耐久性强等要求。试验用聚合物树脂外观为无色透明黏稠液体，性能见表1。

表1 聚合物树脂的性能Table 1 The properties of polymer resins

固化剂是可以在常温下通过促进作用使树脂趋向硬化的一种材料，通过和聚合物树脂作用生成了三维的网状结构，从而使材料具备各类优良的性能。在研究中选择了三种性能良好的常温固化剂：聚酰胺类固化剂、脂肪族改性胺类固化剂和腰果酚改性胺类固化剂，分别采用C1、C2、C3 所示，性能指标见表2。

表2 固化剂性能指标Table 2 The performance index of curing agent

为有效解决聚合物树脂黏度过大及拌和困难等问题，需要在应用过程中加入少量的稀释剂，从而增强聚合物树脂对于集料的浸透能力，延长其可操作时间[2]。加入促进剂后，在不显著影响胶粘剂修补材料可操作时间的前提下，可以有效地加速固化反应，缩短聚合物树脂的固化时间。本文选择的促进剂牌号为DMP-30（2，4，6 三（二甲氨基甲基）苯酚）。稀释剂与促进剂性能见表3。

表3 稀释剂与促进剂的性能指标Table 3 The performance index of diluent and accelerator

本试验所用集料为石英砂，性能见表4。

表4 集料性能指标Table 4 The performance index of aggregate

微集料可以有效取代部分胶结料成分，填充骨料中的间隙。微集料的加入可以大幅度减少胶结材料的使用量，从而降低胶结材料的生产成本，并且降低固化产物的收缩率，提高了粘结材料的机械性能[2]。本试验选择32.5 号普通硅酸盐水泥作为微集料。

2.2 试件制备

在考虑施工和易性及力学性能的基础上，采用大密度曲线理论，取集料的级配类型为n=0.3，在胶粘主剂的基础上，分别以C1、C2、C3 为固化剂，固化剂的含量为主剂的65%，稀释剂的含量为主剂的40%，灰油比（水泥∶树脂）C=1.5，砂胶比S=6[2]。试验前各种原材料在23±2℃的温度下存放的时间不小于24h，集料与填料则需要在试验前用烘箱在60℃温度下干燥4h；然后依次将各种组成材料倒入砂浆搅拌器内，低速不间断地搅拌30s，再高速不间断地搅拌90s，然后将其倒入40mm×40mm×160mm 试件模具中，试件成型30min 后脱模，置于25±2℃的标准养护箱中，相对湿度大小控制范围为50%±5%，养护至规定龄期。

2.3 性能测试

（1）抗折、抗压强度检测。参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》测试聚合物修补砂浆3h、4h、6h、8h、1d、3d、7d 及28d 抗压、抗折强度，每组3 个聚合物修补试件，以实测平均值作为实验测试的结果[3]。考虑到自然环境中的降雨里包含的酸、碱等具有腐蚀性的物质，会对砂浆进行耐久性破坏，将养护7d 后的试件分别放置于15%H2SO4溶液和15%NaOH 溶液后再测试其抗压、抗折强度。

（2）粘结强度检测。对养护成型的水泥混凝土试件分别进行切割，切割后对试件断口处的材料进行凿毛，然后把两个经切割而断裂的试件拼接在一起，将已经拼接好的两个水泥混凝土断体在断口处的三个方向分别密封固定好，从另外一个方向灌入实验所选择的修补材料，粘结的厚度范围控制在0.5～0.7mm，利用刮刀进行插捣，抹平，再静置5min，观察填充材料在断口处是否出现凹陷缺失，若存在凹陷缺失，再重复进行填充[4]。测试聚合物修补砂浆4h、1d、3d、7d、14d、28d 粘结强度。采用抗折强度方法对其进行间接检验，以抗折强度来表示粘结性能，测试时每组各取3 个试件，以实测结果平均值表示。

（3）收缩性能检测。参考《混凝土外加剂应用技术规范》检验聚合物修补砂浆试件在不同的龄期：1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、1d 的收缩率，取3 个测试试件在长度方向的变化率平均值作为测试结果。

3 结果分析与讨论

3.1 抗压、抗折强度

3.1.1 砂浆小时强度

以C1、C2 和C3 为固化剂的聚合物修补砂浆的小时抗压、抗折强度如表5 所示。由表5 可知：选择C1 作为固化剂的聚合物修补砂浆在龄期为8h 的强度已经完全满足开放交通的需求，并且可操作时长也符合施工工艺要求。选择C2 和C3 作为固化剂的聚合物修补砂浆在龄期为3h 和4h 的强度也满足开放交通的需求，但其可操作时间相对较短，约为C1 固化剂聚合物修补砂浆的1/3，但是从实验结果可以看出C1 固化剂的聚合物修补砂浆需要提高固化速度，从而提高小时强度。

表5 聚合物修补砂浆小时强度的测定Table 5 The determination of hourly strength of polymer repair mortar

3.1.2 耐酸碱强度测定

考虑到水泥混凝土路面长期暴露于自然界中，胶粘剂的耐酸、耐碱性将直接影响到修补后的路面强度变化。试验将经过7d 养护后的聚合物修补砂浆试件分别存放在15%H2SO4溶液和15%NaOH 溶液里，放置7d 之后将其取出，高温烘干后测试其抗压、抗折强度，并与浸酸碱前的同试件的抗压、抗折强度做对比，对比结果如表6 所示。

由表6 可知，不同固化剂种类的聚合物修补砂浆试件经酸碱溶液腐蚀浸泡后呈现出不同的强度变化。C1 固化剂修补砂浆试件经酸、碱腐蚀浸泡后的抗压、抗折强度都高于原试件在7d 龄期时的强度，而C2、C3 固化剂修补砂浆的酸、碱浸泡后的抗压、抗折强度接近于7d 龄期时的强度，说明C1 固化剂修补砂浆的抗腐蚀能力优于以C2、C3 为固化剂的修补砂浆。

表6 胶粘剂酸碱浸泡强度损失Table 6 The strength loss of adhesive after the acid-base immersion

3.1.3 掺促进剂砂浆小时强度

通过加入促进剂提高C1 聚合物砂浆的固化时间[5]。促进剂的用量对C1 聚合物砂浆小时强度的影响规律见表7。

表7 促进剂的用量对C1 聚合物砂浆小时强度的影响Table 7 The influence of the accelerator amount on the hourly strength of C1 polymer mortar

对比表5、7 可知：掺促进剂可有效改善C1 聚合物砂浆固化时间。随着促进剂的加入量由主剂的1%逐渐增加到5%，抗折、抗压强度逐步提高约150%。掺至6%的促进剂时，C1 聚合物修补砂浆6h 的强度就能够满足实际工程中开放交通的需要。促进剂的作用主要是在于通过加速胶粘剂中主体聚合物与固化剂之间的反应，缩短了固化时间，随着促进剂剂量的增加，聚合物树脂的固化速度加快，8h 的抗折强度和抗压强度都得到了提高。当促进剂的添加量继续增长至8%时，4h 的抗压强度达到26.2MPa，此时可以将开放交通的时间缩短至4h。并且促进剂的剂量的增加并未减少砂浆的操作时间，但是到达9%后，固化反应加快的同时可操作时间发生缩短。

综上所述，掺入了促进剂后的聚合物修补砂浆，可以在完全不影响C1 固化剂砂浆的操作时长和优良性能的前提下，将修补破损路面的开放交通时间由8h 减少到4h。

3.1.4 聚合物修补砂浆的强度发展

制作以C1 为固化剂、促进剂含量为8%时的聚合物修补砂浆试件，测定其不同龄期时的抗折强度与抗压强度之间的变化[6～7]，变化规律可参见图1。

图1 聚合物修补砂浆强度发展Fig. 1 The strength development of polymer repair mortar

由图1 可知:（1）聚合物修补砂浆试件在成型后的1d 内，抗压强度和抗折强度持续增长速度都很快，4h 抗折、抗压强度可分别达到13MPa、26MPa 以上，8h 抗折、抗压强度即可增加90%。1d 龄期时的强度可以达到最终强度的95%以上，3d 龄期时的强度基本可以达到强度最大值，后期强度无明显增长，也未出现明显的衰减现象，趋于稳定。（2）聚合物修补砂浆试件的抗折强度与抗压强度之间的比值仅为1∶3～1∶4，大于普通水泥混凝土的抗折强度与抗压强度之间的比值1∶6～1∶9，这个结果表明了聚合物修补砂浆的抗折性能更为优异，有利于改善水泥混凝土路面修补工程的应用效果。

3.2 聚合物修补砂浆的粘结强度

测定以C1、C2 和C3 为固化剂的聚合物修补砂浆试件在不同龄期（4h、1d、3d、7d、14d、28d）时的抗折强度[8]。结果表明：以C1 和C3 为固化剂的聚合物修补砂浆的破坏全部发生在本体，未发生在破裂粘合界面处，抗折试验时破坏的断裂处粘结依然完好无损，说明粘结强度已经超过了原来混凝土本体的粘结抗折强度。而以C2 为固化剂的聚合物修补砂浆的抗折试验破坏均发生在破裂的粘结面上，说明受力破坏时粘结强度低，与原混凝土相比粘结性能差。修补材料与原混凝土之间的粘结性能好，修补效果才可以达标，修补材料具备优良的粘结性能是提高水泥混凝土路面抗压、抗折强度的首要条件。故C1和C3 固化剂材料比C2 更适合制作优良性能的聚合物修补材料。

3.3 聚合物修补砂浆的收缩性能

对C1 和C3 作为固化剂的聚合物修补砂浆进行收缩性能测试[9]，试验结果见图2。从图2 中可以看出，随着龄期的增加，收缩率的变化曲线在1～4h大幅度增长，在5h～1d 的范围内变化逐渐趋于平缓，主要原因为收缩变形是个持续变化过程，早期收缩较大，随后逐渐减慢，最终趋于稳定。与以C3 为固化剂的聚合物修补砂浆相比，C1 固化剂的修补砂浆收缩率较小，约为同龄期C3 聚合物修补砂浆的50%。鉴于水泥混凝土路面在维修过程中局部病害修补所占据的面积较小，不会在使用过程产生较大的收缩应力，而且当4～5h 开放交通时，收缩变形已经基本平衡稳定，同时聚合物修补砂浆的弹性模量相对较低，极限拉伸率比较大，修补韧性也较好，可以很好地满足破损修补后水泥混凝土路面的使用要求，不会由于与原混凝土之间的收缩或者变形不一致而造成损坏。

图2 聚合物修补砂浆收缩性能Fig.2 The shrinkage properties of polymer repair mortar

5 结 论

（1）聚合物修补砂浆的最优方案为聚酰胺类固化剂组成的聚合物修补砂浆，聚酰胺类固化剂含量为聚合物树脂的65%，稀释剂为聚合物树脂的40%，促进剂为聚合物树脂的8%。

（2）寿命周期成本优势明显。聚合物修补砂浆主要用于水泥混凝土道面进行快速修补，施工操作时间为45min，聚合物修补砂浆4h 的抗压强度达到了26.2MPa，抗折强度达到了13.1MPa，满足4h 可实现开放交通的要求。相较于传统的道面修补3～4d 的通行时间，节约了时间成本。

（3）具备良好的力学性能。与普通水泥混凝土或者水泥砂浆相比，聚合物修补砂浆在抗折强度、抗压强度与延伸能力等方面均得到了显著改善；聚合物修补砂浆的收缩性小，韧性也比较好，可以完全满足水泥混凝土路面修补后的性能要求，不会在粘结修补后出现因粘结材料和原混凝土之间的收缩变形不一致而造成的损坏。