高速公路服务区路面养护中高性能水泥基修补砂浆的应用

摘要 为探索高性能水泥基修补砂浆在高速公路服务区水泥混凝土路面养护改造中应用的技术要点，文章以某公路服务区路面为例，首先在调查既有病害并结合交通运行实际的基础上提出了高性能水泥基修补砂浆的快速修补方案；其次对水泥基修补砂浆的选材及砂浆性能进行了分析及检测；最后从高性能水泥基修补砂浆的制备、垫层准备及养护改造的施工要点展开了分析研究。结果表明，所使用的水泥基修补砂浆因添加了矿粉、聚丙烯纤维、丁苯乳液、RT1缓凝剂和EH5早强剂，具有快硬、早强、缓凝及优异的工作性能、力学性能，可在类似交通规模的高等级公路服务区、收费站等混凝土路面改造中推广应用。

关键词 高速公路；服务区；路面养护；高性能水泥基修补砂浆

中图分类号 U418 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）24-0052-03

0 引言

当前我国高速公路服务区、收费站仍主要采用水泥混凝土路面，此类场所车辆行驶速度缓慢、频繁启停，导致混凝土路面的病害数量和病害程度持续上升。一般性修补材料耐久性不足、养护周期长，无法保证服务区、收费站等场所交通的快速开放。为此，必须探索此类场所适用的快硬、早强、缓凝、工作性能和力学性能均优异的修补材料的制备及施工工艺。基于此，该文依托公路服务区水泥混凝土路面病害的实际，对由矿粉、普通水泥、聚丙烯纤维、丁苯乳液及RT1缓凝剂和EH5早强剂等材料掺配而成的高性能水泥基修补砂浆（以下简称水泥基砂浆）的工程性能展开分析，并对其在公路服务区病害路面处治中的应用进行分析研究，以期为此类养护材料的推广应用提供借鉴参考。

1 工程概况

某高速公路全线长96.8 km，包括2个服务区，但公路建设年代较早，再加上建设等级、施工技术等方面的原因，服务区内全部采用水泥混凝土路面。随着近些年交通运输规模的持续扩大，公路及服务区的交通量持续攀升，重型重载车辆持续增多。服务区混凝土路面先后出现裂缝、缺角、断板、脱空、错台等病害，降低了公路站点的服务水平。为此，由养护管理站负责对2个服务区水泥混凝土路面进行养护改造。因交通量等原因，完全封闭服务区、拆除重铺混凝土路面显然不切实际，最终决定使用高性能水泥基砂浆对病害区域进行快速修补。

2 高性能水泥基砂浆的工程性能

2.1 原材料

（1）水泥。选用当地供应的P.O42.5普通硅酸盐水泥，其熟料中主要包括C2S、C3S、C3A、C4AF等矿物组分，分别占比44.1%、33.6%、10.7%和11.6%，其性能指标取值情况见表1所示。同时，选用42.5级快硬水泥，其性能检测结果见表2所示。据此可知，普通硅酸盐水泥和快硬水泥性能均符合技术要求。

（2）集料。选用粒径在2.36 mm以下，细度模数2.76，表观密度2.701 g/cm³，孔隙率44.1%，松散堆积密度

1.499 g/cm³，含泥量为1.4%的机制砂。

（3）矿粉。使用密度为2.91 g/cm³，比表面积410 m2/kg，

含水量0.14%，烧失量0.12%，三氧化硫含量为0.10%的矿粉。该矿粉在受到激发剂作用后活性增大，能快速生成胶凝材料，进而改善水泥基砂浆的后期强度和泌水离析[1]，提升水泥基砂浆的耐久性和抗渗性。

（4）减水剂和调凝剂。为增强拌和物结构的密实性，减少用水量，提升高性能水泥基砂浆强度，改善其工作性能，按比例掺加高效减水剂。具体而言，选用稳定性及与水泥基相容性均较好的萘系高效减水剂，其在常温下为棕黄色粉剂，固含量为96.7%，硫酸钠含量为6.8%，氯离子含量为0.4%，净浆流动度为238 mm。

此外，为加速胶凝材料的水化进程，促进凝结，还应在水泥基砂浆内掺加硫酸盐、氯盐、铬酸盐等早强剂。考虑该高速公路服务区交通量大，不能长时间中断交通，所使用的修补材料必须具备优异的早强性能[2]。具体而言，高性能水泥基砂浆终凝时间应不超出60 min，120 min抗折强度应达到3.5 MPa，故最终选用EH5早强剂。为延缓裂缝出现，还使用以烃基羧酸盐、烃基化合物为主成分的RT1缓凝剂。

（5）纤维。使用长度为6 mm，密度0.94 g/cm³，当量直径33.9 μm，断裂强度598 MPa，熔点167℃，断裂伸长率为24.9%的聚丙烯纤维，以较好控制结构内部裂缝的产生，增强水泥基砂浆的柔韧性。

（6）丁苯胶乳。聚合物乳液固含量位于50%～70%之间，以聚合物颗粒、稳定剂、乳化剂等为主成分，通过聚合物乳液的使用，以提升水泥基砂浆的黏结性、流动性。丁苯乳胶属于高分子聚合物，除具备聚合物常规性能外，还具有减水效果，能提高砂浆的耐久性。

2.2 高性能水泥基砂浆基本性能

2.2.1 工作性能

高性能水泥基砂浆工作性能主要体现在流动性、保水性、黏结性、泌水性等方面。对于该高速公路服务区混凝土路面养护处治而言，为取得较好的处治效果，首先应具备较好的流动性，这就对其凝结时间提出了较高要求。根据《水工混凝土试验规程》（SL/T 352—2020）展开测试，结果显示，RT1缓凝剂对水泥基砂浆长期强度无明显影响；而EH5早强剂用量增大后，水泥基砂浆强度先增后降，最后完全丧失流动性。因此，最终按照0.3%和0.03%的比例分别掺加RT1缓凝剂和EH5早强剂，对应的水泥基砂浆性能见表3所示。由表3可见，在此设计用量下，水泥基砂浆60 min强度即满足技术要求，后期强度亦无显著衰减，扩展度取值也较为合理[3]。

2.2.2 抗渗性能

按照《水工混凝土试验规程》制备上下口直径分别为7.0 cm和8.0 cm，高3.0 cm的锥形试件，标准养护

28 d后在其侧面均匀涂刷一层有机硅橡胶，压入磨具后静置24 h。此后，通过砂浆渗透仪进行水泥基砂浆的渗透试验，试验水压从0.2 MPa增加至0.3 MPa，此后每间隔120 min增大0.1 MPa，直至试件完全渗水。根据测试结果，高性能水泥基砂浆抗渗性明显优于普通砂浆；当矿粉、普通水泥、聚丙烯纤维、丁苯乳液掺量依次为20%、5.0%、0.3%和4.0%时，试件渗水高度最小，仅为

0.3 cm。试验所用的全部试件在制备时均使用了普通水泥、快硬水泥和矿粉，故抗渗性能较好；在试验开始后2 h左右，因快硬水泥的作用，骨架结构已经基本形成；8 h左右普通水泥即发生水化反应，填充骨架空隙，结构密实度进一步提升。与此同时，水泥材料和聚合物共同构建起空间网格结构；纤维的密布作用使空隙分布得到进一步改善。

2.2.3 抗硫酸盐侵蚀性能

按照不同的矿粉、普通水泥、聚丙烯纤维、丁苯乳液掺量制备试件，养护至设计龄期后置入5%浓度的硫酸钠溶液，以模拟硫酸盐环境。此后进行试件的抗压强度和抗折强度检测。

根据结果，普通砂浆抗硫酸盐侵蚀性能较弱，试验后抗压强度和抗折强度仅为60.2 MPa和6.9 MPa；高性能水泥基砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能随着矿粉掺量的增大而增强，主要原因在于矿粉和普通水泥间的协同作用，使砂浆致密度得到显著提升。其中，矿粉、普通水泥、聚丙烯纤维、丁苯乳液掺量依次为20%、5.0%、0.3%和6.0%的试件，在试验后的抗压强度和抗折强度分别达到74.2 MPa和11.4 MPa，抗硫酸盐侵蚀性能最优。

2.2.4 干缩性能

因该公路服务区混凝土路面养护中的高性能水泥基砂浆使用快硬水泥，其硬度大、失水速率高，从理论上看，发生干缩并引发裂缝的可能性较大。针对此情况，对不同材料组合砂浆的干缩率进行测试，结果见表4所示。由此看出，高性能水泥基砂浆的收缩过程主要出现在1 d以内，而普通砂浆的干缩过程则出现在1 d以后。矿粉、普通水泥、聚丙烯纤维、丁苯乳液掺量依次为20%、5.0%、0.3%和6.0%时的水泥基砂浆干缩率最小，变动趋势也最为缓和，故推荐使用。通过分析原因可以看出，该掺配比例下，聚合物掺量最大，纤维拉伸性能对干缩应力变形有抵消作用，聚合物引气效果使砂浆孔封闭较好，而纤维和聚合物融合形成网状结构[4]。

3 高性能水泥基砂浆修补施工工艺

对该公路服务区混凝土路面展开调查发现，既有病害以横向裂缝、接缝破损及碎裂、断角、错台、坑洞为主。根据《公路水泥混凝土路面养护技术规范》（JTJ 073.1—2018）进行评定，该服务区路面损坏状况指数位于70～80之间，等级为良；断板率离散程度大，亟待养护处治。

3.1 修复方案确定

养护修复方案应根据病害类型及范围综合确定。对于露石、麻面及脱皮等病害，应按照一定厚度凿除。对于小范围坑槽，应将周边底面凿毛后修补；而对于整板范围的坑槽，则应将整板凿除一定厚度后修补。对于原路面错台病害，应将底板凿毛后罩面，同时设置坡度，按接坡进行处理。对于小范围缺角、掉边及板裂等病害，应局部凿除后修补；而对于整板范围的碎裂，应整板翻修处治。

3.2 高性能水泥基砂浆制备

为保证高性能水泥基砂浆性能质量，必须加强原材料性能及制备过程控制。根据前述原材料用量分析、工程性能研究，并结合服务区水泥混凝土面板病害的实际，在高性能水泥基砂浆制备时，普通硅酸盐水泥、块硬水泥、河砂、水、矿粉、聚丙烯纤维、丁苯乳胶、RT1缓凝剂和EH5早强剂用量依次为0.4 kg、7.8 kg、16.1 kg、2.69 kg、

0.12 kg、0.023 kg、0.321 kg、0.0001 kg和0.0001 kg。

在拌和场取样后送至工地试验室，测得的高性能水泥基砂浆工作时间为30 min，黏结强度为3.4 MPa；120 min

抗压及抗折强度分别为24.5 MPa和5.3 MPa；1 d抗压及抗折强度分别为36.8 MPa和6.6 MPa，材料性能满足要求。

3.3 垫层准备及打底

在进行混凝土面板翻修改造时，应通过风镐拖走面板破碎物，检测垫层含水量，并通过喷水或晾晒进行调整。此后，将级配集料垫层分层摊铺、压实至95%及以上的密实度，层厚按照5 cm进行控制。对于垫层排水不畅的情形，应加铺C10混凝土基层打底，其上铺筑高性能水泥基砂浆。

3.4 砂浆摊铺及整平

通过强制式搅拌机制备完成高性能水泥基砂浆后，在30 min内泵送至修补区进行摊铺。摊铺期间应配备2台平板式及插入式振捣器进行同步振捣，以保证填充密实。

使用木质模板刮平面层后再通过镘刀抹平，整平后修补层表面的纵向平整度达到3 mm；修补区表面纹理也与原路基本吻合。考虑高性能水泥基砂浆具有较大的黏结性和较短的终凝时间，必须使摊铺和整平环节紧密衔接[5]。

3.5 养生及开放交通

待将修补区水泥基砂浆进行压纹处理后，及时喷洒养护剂并覆盖湿麻袋养生，因所采用的高性能水泥基砂浆具有早强、缓凝、快硬的特性，故养生2 h后即可开放交通，但应采取40 km/h以下的限速管制及重型重载车辆的限行控制。

4 结论

综上所述，高性能水泥基砂浆与普通水泥砂浆相比，具有较好的工程力学性能，其早期强度高、耐久性好、快硬、缓凝，对于交通量大且运行繁忙的高速公路服务区水泥混凝土路面的病害修补十分适用。按照矿粉、普通水泥、聚丙烯纤维、丁苯乳液掺量依次为20%、5.0%、0.3%和6.0%的比例制备出高性能水泥基砂浆，并严格按照流程养护处治后，该公路2处服务区的水泥混凝土路面均取得了较好的改造效果，路面抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性、干缩性、抗冲击性能均得到明显提高，结构疲劳寿命延长。

参考文献

[1]成卫平.高性能快速修补混凝土在公路养护工程中的应用[J].科技资讯， 2024（3）：110-112.

[2]张丽萍.硫铝酸盐水泥混凝土路面快速修补材料试验研究[J].石材， 2023（8）：116-118+124.

[3]韩鹏志.高速公路混凝土表面坑槽快速修补技术研究[J].交通建设与管理， 2023（2）：171-174.

[4]郭唯一，郑秀华，侯毓栋，等.水泥混凝土路面快速修补材料研究[J].交通科技， 2022（4）：79-83.

[5]闫兆柏，刘攀，周家强，等.高性能弹性混凝土在桥面反射裂缝快速修补工程中的应用[J].公路， 2022（8）：23-28.