（材料学专业论文）水泥混凝土路面快速修补材料的研究与开发.pdf

摘要 水泥混凝土路面由于具有强度高、耐久性好等优点而在公路网中占据着重要的地 位，但早期破损问题十分严重，由此造成的社会影响和经济损失不可估量。传统修补材 料养生期长，严重地影响了道路的通行能力，已不能满足现代道路养护的需求。因此， 新型水泥混凝土路面快速修补材料的研究与开发意义重大。本论文设计了一种基于普通 硅酸盐水泥高铝水泥二水石膏三元复配胶凝体系的新型混凝土路面快速修补材料，并 对其胶凝材料配伍、配合比设计、改性材料种类及其添加量进行了系统的研究，研究内 容与结论如下： 1 通过试验并结合前人研究成果确定了适合本快速修补材料的水灰比、胶砂比、外 加剂种类及其添加量，在此基础上对胶凝材料配伍进行了深入研究。结果表明：普硅水泥、 高铝水泥及二水石膏以适当比例复配，砂浆体系凝结时间、工作性能均能较好地满足快 速修补的需求，胶凝体系水化后早期( 6 h ) 强度高、后期强度无倒缩，水化早期可产生 微膨胀。微观分析表明：合理配伍的胶凝材料在水化早期生成了大量矾石，能满足6 h 快硬的需求；水化体系中未出现介稳态的晶型，水热养护条件下钙矾石也未发生晶型转 变。 2 本文采用微硅粉对最优配伍胶凝体系进行了改性，系统研究了不同掺合量微硅粉 对体系性能的影响，通过试验确定了其最佳掺合比例。宏观性能和微观分析结果表明： 适量微硅粉改性复配胶凝体系，增加了体系密实度，降低了体系宏观缺陷，提高了胶凝 体系后期水化程度。 3 本文针对修补材料施工后新老界面粘结性能差等的问题，系统研究了不同p h 值、 不同添加量丁苯乳液对体系的改性作用，通过试验确定了丁苯乳液添的适宜添加量及相 应p h 值。试验结果表明：丁苯乳液的加入改善了新老混凝土界面的粘结性能，碱性乳 液改性效果依次优于中性和酸性乳液。丁苯乳液的加入降低体系早期的抗压强度。微观 检测分析表明：丁苯乳液的加入有利于消除微裂纹，填充微孔缺陷；丁苯乳液未与水化 体系发生化学作用。 4 本文对优选试样进行综合性能对比，试验结果表明：j 3 型水泥混凝土路面快速修 补材料综合性能最好，能够满足特重交通等级路面快速修补的要求。 关键词：水泥混凝土路面，钙矾石，快速修补材料，耐久性，膨胀 a b s t r a c t c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n th a so c c u p i e dv e r yi m p o r t a n tp o s i t o ni nh i g h r o a d w o r kb e c a u s eo fi t sh i g hs t r e n t ha n dg o o dd u r a b i l i t y ，b u tl o s so ns o c i e t ye f f e c t a n de c o n o m yd u et ob i ge a r l yd a m a g ei su n m e a s u r a b l ea l s o t r a d i t i o n a lr e p a i r m a t e r i a lt a k i n gl o n gc u r i n gp e r i o ds e v e r e l yd e l a y st h ea b i l i t yo fr o a dw o r k i n g ， h a sa l r e a d yn o ts a t i s f i e dt h em o d e r nr o a dc u r i n gr e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，s t u d y a n dd e v e l o po nn e wr a p i dr e p a i rm a t e r i a l so fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sh a v et h e i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i st h e s i st od e s i g nak i n do fn e wr e p a i rm a t e r i a lb a s e d o nt h ef o u n d a t i o np o r t l a n dc e m e n t a l u m i n a t ec e m e n t g y p s u mw o r ki nc o o r d i n a t i o n a n ds t u d ys y s t e m a t i c a l l yt h ec o m p a t i b i l i t yo fg e l a t i n i z a t i o nm a t e r i a l ，o p t i m u m m i xd e s i g n ，t h et y p ea n da m o u n to fm o d i f i e dm a t e r i a la r ea sf o l l o w s ： 1 b yt h ee x p e r i m e n ta n dt h er e s u l to fc o n c l u s i o no nt h i st o p i ct oa d j u s t t h ew c ，r a t eo fs a n d ，t h et y p e sa n da m o u n to fc o n c r e t ea d m i x t u r e s o nt h i sb a s i s ， t h et h e s i sh a sl u c u b r a t e do nt h ec o m p a t i b i l i t yo fg e l a t i n i z a t i o nm a t e r i a l t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：w h e np o r t l a n dc e m e n t a l u m i n a t e 、 c e m e n t - g y p s u mm a k ea n a p p r o p r i a t ep r o p o r t i o no fm i x e d ，t h em o r t a rs e t t i n gt i m ea n dc h a r a c t e ro fs e r v i c e c a ns a t i s f yt h ed e m a n do ft h ec o n s t r u c t i o no n t h e s p o tb e t t e r i nt h ee a r l y p e r i o d ( 6 h ) t h es t r e n g t ha f t e rr i s i n gh i g h l y ，i nt h el a t e rp e r i o dw h i c h s t r e n g t hd i dn o td r o pa n dt h ew a t e rt u r n e dt op r o d u c et i n yi n f l a t i o ni nt h e e a r l i e rp e r i o d m i c r o a n a l y s i ss h o wt h a t ：g e l a t i n i z a t i o nm a t e r i a lg e n e r a t ea l a r g en u m b e ro fe a r l yh y d r a t i o ne t t r i n g i t ew i t hr e a s o n a b l ec o m p a t i b i l i t y ：a l s o e t t r i n g i t ec r y s t a ld i dn o tc h a n g e d 2 i nd e t e r m i n i n gt h eb a s i so ft h eb e s tc o m p a t i b i l i t yg e n e r a t i o n ，t h i sp a p e r m a k eam o d i f i e df o rg e l a t i n i z a t i o nm a t e r i a lw i t h s i l i c a s u m e s t u d i n g s y s t e m a t i c a l l yt h ep e r f o r m a n c ew i t hd i f f e r e n ta m o u n to fs i li c as u m et om a k es u r e t h eb e s tm i x e sp r o p o r t i o n m a c r o a n a l y s i sa n dm i c r o a n a l y s i ss h o wt h a t ： g e l a t i n i z a t i o nm a t e r i a l w i t haa p p r o p r i a t es i l i c as u m ew i l lg e n e r a t ew e l l p e r f o r m a n c e ，w h i c hi n c r e a s i n gs y s t e md e n s i t ya n dr e d u c i n gm a c r o d e f e c t si nt h e g e ls t s t e mt oi n c r e a s et h ed e g r e eo fp o s t h y d r a t i o n 3 t h i sa r t i c l ea i m sa tt h ep r o b l e mo fn e wa n do l di n t e r f a c e p o o rb o n d i n g p r o p e r t i e s o fr e p a i r i n gm a t e r i a l sa f t e rc o n s t r u c t i o n ，a n ds y s t e m a t i c a l l y s t u d i e dd i f f e r e n tp ha n da m o u n to fs t y r e n e - b u t a d i e n el a t e xm o d i f i e dt h er o l e o ft h es y s t e m ，h a dd e t e r m i n e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt h eb u t y l b e n z e n ee m u l s i o n a d d ss u i t a b l er e c r u i t m e n ta n dc o r r e s p o n d i n gp hv a l u e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a t ：p o l y m e rc o u l di m p r o v et h ep a t c h i n gc o n t a c ts u r f a c eb o n d i n gp r o p e r t i e s ， m e a n w h i l e ，t h ep e r f o r m a n c eo fa l k a l i n ee m u l s i o nw a ss u p e r i o rt on e u t r a la n d a c i d i ce m u l s i o n ，a tt h es a m et i m e ，s t y r e n e b u t a d i e n e l a t e xr e d u c e dt h e c o m p r e s s i v es t r e n g t hi nt h ei n i t i a ls y s t e m d e t e c t i o no fm i c r o a n a l y s i ss h o w e d t h a t ：t h es t y r e n e b u t a d i e n el a t e xi sb e n e f i c i a l i n e li m i n a t i n gh y d r a t i o n m i c r o c r a c ko ft h es y s t e m ，f i l l i n gm i c r o p o r o u sd e f e c t i o n s ，f t i rs h o w e dt h a t s t y r e n e b u t a d i e n ee m u l s i o nh a sn o tc h e m i c a la c t i o nw i t ht h eg e ls y s t e m 4 t oc o m p a r et h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e so ft h es e l e c t e ds a m p l e ，t h e r e s u lt ss h o wt h a t ：t y p ej 3c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n th a st h eb e s tc o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c e s ，c o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s o fr e p a i r i n gm a t e r i a lo nt h e s p e c i a lt r a f f i cl e v e l sr o a d k e yw o r d s ：c e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n t s ，e t t r i n g i t e ，r a p i dr e p a i rm a t e r i a l s ， d u r a b i l i t y ，e x p a n s i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。论文独创声明 论文作者签名：张砧k 劲尸年乡月巧日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 锄吗年s 只2 占日 溯尹年j 月编 k 安人学硕上学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论帚一早硒y 匕 混凝土路面具有强度高、稳定性耐久性好、施工工艺简单、养护费用少、经济效益 高等优点，2 0 世纪8 0 年代末开始得到了迅猛发展，据2 0 0 7 年统计，我国拥有各个等级的 水泥混凝土路面公路里程已达8 4 8 8 万千米，占全部有铺装路面的6 8 ，这些水泥混凝土 路面为我国经济的发展发挥了巨大的作用。随着交通量急剧增长和车载重量的剧增，我 国水泥混凝土路面的破损日益严重，不仅早期修建的水泥混凝土路面己接近其使用寿 命，而且近年来新建的水泥混凝土路面在远未达到设计年限时就出现不同程度的破坏【1 1 。 常见的病害有：断板、脱皮麻面、啃边等，目前普遍采用整板拆除法和罩面法进行修复。 当混凝土病害发展到严重破损程度时，修补难度很大，采用普通水泥混凝土修补路面， 尤其是城市道路，养生时间长，早期强度低，需要5 7 天才能开放交通并造成交通中断， 会造成巨大的经济损失，带来诸多不便。 如何解决传统修补方法费时费力、养生期长、影响交通、经济损失大等问题，已成 为当今水泥混凝土路面修补的首要目标，而修补材料的性能又是左右修补效果的关键， 由此提出了水泥混凝土快速修补材料研究课题。混凝土路面快速修补材料在早强耐久、 耐磨抗裂、施工性能和新老混凝土粘结性能等方面都有很高的要求。目前国内外研究和 应用的成果大多是沿用传统的普通混凝土修补技术，或者在原有的基础上进行优化改 进，没有质的飞跃和突破。特别是国内在混凝土路面快速修补材料方面的研究尚处于初 级阶段，对于修补材料系统的开发和研究较少。 综上所述，展开对混凝土路面快速修补材料的开发与研究? 具有良好的社会意义和 广泛的应用前景，是很有必要的。 1 2 国内外水泥混凝土路面快速修补材料的研究现状及应用 1 2 1 国内水泥混凝土路面快速修补材料的研究现状及应用 水泥混凝土路面快速修补材料的研究是一项以水泥混凝土( 砂浆) 改性研究为基础 的新兴课题，随着工程界对混凝土路面修补的迫切需要，国内各单位在原有相沥青混基 础上又相继研制出各种掺快速修补剂类混凝土、特种水泥类修补砂浆、聚合物改性混凝 土、纤维改性混凝土等等。 第一章绪论 ( 1 ) 沥青混凝土革面 长期以来，公路部门常采用沥青混凝土对破损的水泥混凝土路面进行修补，尽管其 方法简单、中断交通时间短，但也存在很多缺陷：刚度相差太大，传荷不一致：若在维修 时板与层面的联结方式及对反射裂缝处理不当，会很快导致破坏，故使用寿命很短；路面 平整度差，表面使用功能低；颜色不一致。但目前对于大面积水泥混凝土损坏路面，还是 比较多的采用沥青混凝土进行罩面或翻修【2 j 。 ( 2 ) 掺快速修补剂类混凝土( 砂浆) 路面快速修补材料 利用具有特殊功能的# l - ；b n n 和矿物掺合料，采用复配技术，充分发挥多种成分的叠 加效应，配制快速修补剂，并在普通混凝土( 砂浆) 基础上优化配合比，也是配制快速 修补混凝土( 或砂浆) 最为简洁实用的途径之一。 长安大学陈栓发教授研制的h w 型超早强修补剂以硫铝酸盐、铝酸盐、硅酸盐、表 面活性剂等五类外加剂按一定比例配成，其修补的混凝土能满足6 h 通车要求，并且该 修补混凝土强度增长稳定、无后期衰减现象：干缩性能及温缩性能均优于普通混凝土修 补结果：新旧断面粘结强度高；并且试验路经过四年成功使用验证了室内测试结果，具 有较好的使用价值【3 】。 西南交通大学的何建杰等研制的t f 水泥混凝土道面快速修补剂具有早期强度高、 后期强度稳定增长、微膨胀、磨损小、新旧混凝土粘接良好、施工工艺简单、材料费用 低。采用水泥混凝土道面快速修补剂夜间进行路面或桥面快速修补，取消了混凝土的后 期养护工作，不影响道路的正常行车，基本解决了道路维修与行车的矛盾，社会效益和 经济效益非常显著。另外，该种修补剂适用的温度范围宽( o - 3 5 。c ) ，在全年都可以使用， 施工操作时间充裕，技术难度不大，因此具备大面积推广应用的条件【4 】。 江苏省水利科学研究院朱炳喜等成功研制了高性能修补m e 4 砂浆高性能修补刹5 】 由硅粉、粉煤灰、矿渣粉、塑化剂、膨胀剂和p p f 纤维等材料复合而成。具有和易性好、 保水性好、不泌水、粘聚性好、易于施工，硬化速度比普通砂浆快等优点，砂浆减少用 水量2 0 左右。抗压强度、抗折强度、抗拉强度良好，与旧混凝土粘结抗拉、抗折、劈 裂抗拉强度良好，且粘结拉拔试验皆优于旧混凝土。m e 4 砂浆吸水率低于m 4 0 普通砂 浆、密实性高于普通砂浆，抗渗抗冻、耐久性良好。m e 4 砂浆具有较好的适应温度变 形、抗冻融及抗干湿变形能力。 谢勇成等配制的水泥混凝土路面露骨超薄层及其它破损处理修补材料，除加入_ 般 配合比之外还掺入复合添加料【6 1 ，f 减水剂、s 膨胀剂和u 膨胀剂。这种复合添加料是 2 长安人学硕1 ：学位论文 采用含有硫酸铝、硫酸钙、氧化铝及高效表面活性物质等成分复合而成的粉红色材料。 加入该复合添加料使砂浆或水泥混凝土具有施工方便、不收缩、粘结力大、高强、抗裂 耐磨和抗渗的优点。该j 决速修补材料早期强度发展很快，其l d 抗压强度为2 3 m p a ， 抗折强度为3 8 m p a ，3 d 抗压强度为3 6 m p a ，抗折强度为5 5 m p a ，经1 2 d 养护后，即 可开放交通。经3 年通车运行后检验后不脱皮，不磨损，具有早强、高强、耐磨、不收 缩的特点，粘结力性能好。 山西平阳路桥有限公司的崔克文研究了分别适用于冬天和夏天施工的w 型和s 型 混凝土路面快速修补材料的性能，该材料由硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、复合减水剂、 促凝剂与缓凝剂等组成，6 h 胶砂抗折强度达6 5 m p a 、抗压强度达4 0 m p a 以上；至1 8 0 d 时抗压强度可继续增长到8 0 m p a 以上，同时具备微膨胀性、抗盐类侵蚀、抗渗、抗冻 等优良特性【7 1 。 哈尔滨工业大学的史丽萍等研制了j j 型和g g 型混凝土快速修补材料【8 】，采用此种 混凝土快速修补料拌制的修补混凝土早期强度发展迅速，能h 很z 好地满足道路混凝土抢修 抢建的工程需要。修补混凝土的长期性能和耐久性能优良，具有长期收缩值稳定、轴心 抗压强度高等优点；与旧混凝土牯结力强、耐磨蚀性能良好，该路面修补料具有较高的 安全可靠性、使用寿命长，且施工简单、经济合理。 ( 3 ) 特种水泥路面快速修补材料 目前国内报道的开发出来的可以进行水泥混凝土路面修补的特种水泥主要有以下 几种： 快硬硅酸盐水泥 快硬硅酸盐水泥是在配制水泥生料时通过对生料组成的控制与调整，水泥中早强矿 物硅酸三钙( 简写为c 3 s ) 和铝酸三钙( 简写为c 3 a ) 的含量高，s 0 3 的含量可容许到 4 o 。因此，在水化初期，形成了大量的钙矾石，不仅凝结快，而且强度发展也快，其 在5m i n - 2 0m i n 可以硬化，1 h 的抗压强度可达1 0m p a - 3 0m p a ，l d 强度可以达到2 8d 强度7 5 9 0 。但和普通水泥一样，其干缩大，新老混凝土粘结差、水化热高，要注 意养护。 高铝水泥 高铝水泥是以石灰岩和矾土为主要原料，配制成适当成分的生料，烧至全部或部分 熔融所得以铝酸钙为主要矿物的熟料，经磨细而成的水硬性胶凝材料，代号ca 。铝酸 盐水泥的主要矿物成分：铝酸一钙( 简写为c a ) 凝结正常，硬化迅速，1 天强度可达3 第一章绪论 天的8 0 以上。铝酸盐水泥由于早期强度很高，故适用于工期紧急的工程，如国防、道 路和紧急抢修工程。铝酸盐水泥抗渗性、抗冻性好，铝酸盐水泥拌合需水量少，而水化 需水量大，故硬化后水泥石的孔隙率很小。铝酸盐水泥抗硫酸盐腐蚀性好，因水化产物 中不含有氢氧化钙，并且氢氧化铝凝胶包裹其它水化产物起到保护作用以及水泥石的孔 隙率很小，故适合抗硫酸盐腐蚀工程。铝酸盐水泥耐热性好，高温下产生烧结作用，具 有良好的耐高温性能，较高的强度，故亦适合耐热工程。 高铝水泥由于水化产物晶型转化，存在长期强度倒缩问题。这是由于c a 和c a 矿物初始水化物为亚稳相的c 2 a h 8 ( 密度为1 9 5 ) 和c a h l o ( 密度为1 7 5 ) 等六方晶型 产物，在定体积和湿度条件下逐渐转化为稳定的c a h 6 ( 密度为2 5 ) 立方晶型产物， 见图1 1 后者密度较高，体积分别减少3 5 和5 0 。晶型转化后硬化体内空隙率明显提高， 导致强度下降【9 】。 在改善高铝水泥耐久性方面，国内外进行过较多的研究，如通过掺入减水剂改善孔 结构以增加晶型转变的动力学阻力【l o 】，控制养护的温湿度条件以延缓水化产物的晶型转 变【1 1 】；以石膏改性制成石膏矾土膨胀水泥【1 2 】，以及采用聚台物n 3 1 与磷酸盐对高铝水泥 改性1 1 4 1 ；但改性措施或者存在改性效果不明显，或者改性工艺较复杂，成本较高而难 以推广，或存在水泥强度特别是早期强度损失较多的缺陷。 a h3 + h2 0 a h3 + h2 0 图1 1 铝酸一钙不同温度下的水化产物 高铝水泥和普硅水泥复合材料 人们往往认为，高铝水泥和普硅水泥不可混用，高铝水泥与普通硅酸盐水泥混用， 凝结时间缩短，甚至有瞬凝现象，导致水泥强度降低。 袁润章在胶凝材料学中【1 5 】解释快凝的原因为：硅酸盐水泥中的石膏和硅酸三钙水化 所析出的c a ( o h ) 2 均能加速铝酸钙水泥的凝结，而且铝酸钙水泥的水化产物c a h l o 和 c 2 a h 8 以及a h 3 凝胶遇c a ( o h ) 2 立即转变成c 3 a h 6 。另一方面，硅酸盐水泥中石膏被铝 4 长安人学硕l j 学位论文 酸钙水泥消耗后，就不足以起应有的缓凝作用；同时，硅酸三钙的水化又由于c a ( o h ) 2 被用掉而得到加速。因此这两种水泥的水化产物会剧烈的相互作用，反应非常迅速【9 1 ( 奥) 切尔宁( c z e m i n w ) 的观点为，由于c a o 与a 1 2 0 3 能立即起反应。因为硅酸盐 水泥一旦与水接触就会产生过饱和的c a o 溶液，所以铝酸钙水泥与硅酸盐水泥的混合 物就会快凝【16 1 。 r o b s o n 认为似乎有各种不同的因素结合在一起而导致快凝【1 7 】：石膏和氢氧化钙都 加速了铝酸钙水泥的凝结。由于硅酸盐水泥中的石膏与铝酸钙水泥水化后生成的水化铝 酸钙化合而移走，可能是硅酸盐水泥中加入铝酸钙水泥而引起快凝的原因。这些因素加 在一起可能就足以解释加入硅酸盐水泥能使铝酸钙水泥的凝结加速。 其实只要比例适当，再添加适当化学成分，高铝水泥和普硅水泥复合可以收到较好 的效果。 快硬硫铝酸盐、铁铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥 硫铝酸盐和铁铝酸盐水泥熟料主要矿物为硫铝酸钙( 简写为c a 3 s ) ，硅酸钙( 简写为 c s ) 和铁铝酸四钙( 简写为c 4 a f ) ，硫铝酸盐和铁铝酸盐水泥在成分上的主要差别是熟 料中a 1 2 0 3 f e 2 0 3 比和c a 3 s 和c a f 两个矿物的含量不同。这两种水泥除早强快硬特征 以外，还有一定的膨胀性、抗硫酸盐腐蚀的性能，其4 h 抗压强度可以达到2 0m p a 2 5 m p a ，一天强度可以达到3 0m p a - 6 0m p a 氟铝酸盐水泥的主要矿物组成为1 1 c a o 7 a 1 2 0 3 c a f 2 和硅酸二钙( c 2 s ) 或硅酸三钙( c 3 s ) 等，具备快硬性能，凝结时间短， 初凝时间通常只有几分钟，终凝时间不超过o 5h ，2 h - 3 h 的抗压强度达到2 0m p a 。 由于这两种水泥修补的路面后期强度会有倒缩，所以使用受到一定的限制。此外， 目前由于受到资源分布的影响，我国的快硬硫铝酸盐、铁铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥厂 分布不广泛，长途运输会增加成本，且不易保存。 磷酸镁水泥 磷酸镁水泥混凝土是一种较好的快速修补材料，有足够的凝结时间，较快的硬化速 度和早期强度，与旧混凝土结合力强，相容性好，是一种很有发展前途的路面修补材料。 磷酸盐水泥混凝土的干缩率只有0 0 5 4 ) 0 9 ，体积稳定性很好。 河北大地土木工程有限公司许贤敏对国外非常快硬水泥研究成果进行了介绍【1 8 】，其 中磷酸镁水泥基修补材料早期强度最高，1 小时内即可达到数十兆帕的抗压强度。但国 内由于研究还不是很深人，生产和应用均不是很广泛。 碱硅水泥 第一章绪论 碱硅水泥也称土聚水泥，是较好的快速修补水泥，目前有些快速修补材料就是碱 硅水泥。在我国有两种典型的碱硅水泥快速修补材料：上海市政工程研究所研制的s c 型 快凝修补材料，南京水利科学研究院研制的a s 型快速修补材料。 偏高岭水泥混凝土 偏高岭土亦是一种火山灰活性极强的材料。研究表明，适当处理的偏高岭土火山灰活 性甚至超过硅灰，在对硅灰水泥混凝土的研究中发现，硅灰的引入导致混凝土自收缩的增 加，而偏高岭水泥混凝土则有补偿收缩的微膨胀性能，偏高岭水泥混凝土较硅灰水泥混凝 土有较好的工作性。偏高岭土能改善水泥混凝土的可塑性，增强粘结性能，减少泌水，并能 加速水泥的早期水化，获得较高的早期强度，后期强度也不断增加，可提高水泥混凝土的综 合性能。偏高岭水泥混凝土已被用于桥面和机场跑道等的修补，是一种理想的修补材料， 其应用有待迸一步开发与推广。但成本较高，国内尚未见相关研究和商业应用。 ( 4 ) 聚合物混凝土( 或砂浆) 路面快速修补材料。 聚合物混凝土( 或砂浆) 以其良好的抗冲击性、耐磨性、抗渗透性，粘结强度和抵抗 混凝土塑性收缩应变等性能成为快速修补混凝土( 砂浆) 的主力军，国内学者在此方面进 行了大量的研究，成果颇丰。 国际把聚合物在混凝土中的应用上通常分以下三种：聚合物混凝土( p c ) ：聚合 物做唯一凝胶材料的混凝土。如环氧混凝土、甲基丙烯酸甲酯混凝土等。主要应用于混 凝土裂缝修补和混凝土表面防护等。我国对此研究仅限于环氧砂浆，主要用来修补混凝 土裂缝。聚合物浸渍混凝土( p i c ) ：将低粘度单体、预聚体、聚合物等浸渍到以水 化硬化的混凝土空隙中，再经过聚合等步骤使水泥混凝土与聚合物胶联成为一个整体。 如苯乙烯、环氧、，不饱和聚酯树脂浸渍混凝土等。p i c 具有密实、高强、防腐耐磨等特 点，但生产工艺复杂，成本很高，至今仍大规模无商业化应用。聚合物改性混凝土 ( p m c ) ：以水泥和聚合物共同作为胶结与骨料结合而成的水泥混凝土。p m c 具有很高的 弯曲强度，极好的粘结强度、防水、耐磨、耐化学介质腐蚀，作为主要用于地面等铺面 材料、防腐蚀涂层和防水材料等 1 9 1 。 苏州科技学院姜正平等研究了混凝土地坪“起砂露石”病害的修补【2 0 1 。其采用p a 型 修补剂( 多种水溶性聚合物复配而成的产品，具有增强砂浆的粘结强度及韧性，施工性 能较好的特点) ，p 3 型修补剂( 具有塑化功能的复配树脂粉末产品，能增强砂浆的粘结强 度，使砂浆具有自流平，施工性能良好的特点) ，z x 型界面剂，分别配制了七组配合比 对“起砂露石”病害的混凝土地坪进行了修补。研究表明掺加1 2 一2 的塑化树脂粉末的 6 长安人学硕士学位论文 修补砂浆，及混合掺入5 的水溶性聚合物和1 塑化树脂粉末的修补砂浆是最适合对 “起砂露石”的路面进行薄层修补的修补砂浆。这种砂浆的特点是：耐磨性高，干缩变形性 能和弹性模量与被修补的混凝土地面比较接近。 潘家口水库和岳城水库分别采用了丙乳砂浆和s p c 聚合物砂浆修补材料对溢流坝 面剥蚀进行修补【2 1 1 。丙乳砂浆是将少量有机聚合物拌到水泥砂浆中形成的复合胶凝材 料，由于聚合物的掺入，填充了砂浆中的孔隙，切断了与外界的通道，改善了砂浆的物 理结构，与普通水泥相比，具有抗冻、抗渗，耐冲磨性能好，抗裂性能好等特点，尤其 适用于混凝土表面薄层修补( 不自裂) ，与旧混凝土薪结强度高。与环氧砂浆相比还有施 工工艺简单、操作方便、无毒、成本低( 4 0 - 9 0 元m 2 ) 等优点。s p c i 2 2 】聚合物砂浆以丙烯 酸酯及v e a 乳液为主要改性材料，掺入特殊的表面活性剂、增塑剂、消泡剂等组分， 具有强度较高，抗老化性能好，施工工艺简便，材料成本低( 8 0 - 1 2 0 元m 2 ) 等特点，适 用于抗冲刷的溢流面薄层的修补。经实践检测，修补效果良好，粘结牢固，修补平整， 无龟裂、不易脱落。 国家电力公司华东勘测设计研究院包银鸿等针对水下工程快速和薄层处理的特点 2 3 j ，采用p b m 混凝土进行修补，p b m 聚合物混凝土不是以水泥为胶凝材料的混凝土， 它是以p b m 树脂为粘结剂，将其和骨料( 石子、砂) 水泥固结成的混凝土，其固化时间由 硬化剂的用量来控制。由于p b m 树脂不溶解于水，又具有很高的粘性，硬化时间可在 十多分钟至数小时内控制，流动性可以由树脂用量来调节，在水中浇筑后不需震捣，可 形成自流平、自密实。强度方面：p b m 3 的1 d 抗压强度可达3 5 - 4 0 m p a ，抗折强度 1 3 1 4 m p a ，抗拉强度5 - 6 m p a ，粘结强度2 0 2 s m p a 。p b m - 3 和p b m - 7 都可用于水 下混凝土的修补。以p b m 7 为例，其浇筑后m 即可固化，l d 后拆模可观察到粘接良好、 平整致密的修补层。该修补材料已经成功应用于浙江海宁钱塘江海塘丁坝混凝土快速修 补工程和宁波姚江大闸下游护坦冲刷坑水下修补工程。 北京市市政工程管理处张继红采用s h o b o n d # 3 0 1 粘结剂研制出“s b r f x ”砂浆 薄层路面补修材料【2 4 1 。7 d 抗弯强度 5 m p a ，7 d 抗压强度 1 0 m p a ，挠度 1 0 0 m m ，压缩 模量为( o 。5 2 0 ) * 1 0 3 m p a 。修补工艺简便易行，而且造价不高，每平方米约3 5 0 元。1 9 9 7 年6 月和1 9 9 8 年5 月分别在北京试验试修补了6m 2 和1 2 0m 2 ，经一年多的使用，修补 路面层没有发生损坏、脱落、掉边现象。此后该处刘彼得又引进了3 0 1 号胶，调整配方 开发出“s b r b h ”树脂砂浆用于水泥混凝土路面超薄层快速修补。该材料用环氧树脂砂 浆作为修补材料，是一种柔性砂浆，强度高、粘结力强、柔韧性极好：抗干缩与冷缩的能 7 第一章绪论 力好；操作方法简便，养生时间短，追随性好。造价在4 0 0 元m 2 左右，尤为适用于5 m m 左右的麻面薄层路面修补。 武汉理工大学杨学忠等入网用m g 聚合物乳液、r - 2 4 外加剂以及钢纤维等对混凝 土进行综合改性，配制用于混凝土路面薄层修补的砂浆，3 d 极限抗弯强度达到5 3 m p a ， 即该混凝土用于路面修补工程养生3 d 就可通车。m g 聚合物乳液在混凝土中的最佳掺 量为2 0 ，对于小于i c m 的薄层罩面应适当加大m g 的用量，最高用量可达水泥的5 0 。 ( 5 ) 纤维混凝土路面快速修补材料。 近年来纤维混凝土以其良好的抗弯、拉强度，抗裂性能以及抗冲击强度和很高的韧 性逐渐进入薄层混凝土修补材料研究者的视线，并且还可以在纤维混凝土的基础上改进 配方，复配其它快速修补剂或聚合物，使得快速修补材料从性能上不断得到优化、数量 和种类上成倍增长。 水利部天津水利水电勘测设计院陆宗罄等在大黑汀水库大坝溢流面修补中后期工 程中【2 6 j ，在修补混凝土中掺加聚丙烯纤维网，对有效减少裂缝有明显的作用。聚丙烯纤 维是一种新型的混凝土增强材料，有“混凝土次要加强筋”之称。该纤维能直接加入混凝 土中搅拌，在砂石骨料的冲击下会自动张开成为一根根单独的纤维，以三维方式均匀分 布在混凝土中，能有效地抑制混凝土早期塑性收缩裂缝，增加混凝土的韧性和抗冲击能 力提高混凝土的耐久性等。近年来被推广应用于公路路面、飞机跑道等工程。 理论研究方面，由于修补材料施工可能很薄，各种力学性能要求相对严格，尤以干 缩对其影响问题最为突出，修补结构层厚度的减小，一方面干缩应变增加，另一方面结 构层用以抵抗干缩应变能力随之减弱。据此长安大学公路学院张擎【2 7 】等针对该问题进行 了初步的理论研究，结果证明粗骨料对抑制混凝土收缩具有很大作用；钢纤维能有效抑制 混凝土的后期收缩增长；随着混凝土板当量高度的减小，混凝土板收缩应变逐渐增大，但 收缩系数增大的趋势变缓，且混凝土板停止收缩的时间与其当量高度有关。另外，除了 对修补材料的研发外，研究人员还对施工工艺等进行了总结和研究。 1 2 2 国外水泥混凝土路面快速修补材料的研究现状及应用 国外对于混凝土路面快速修补材料研究相对较多。美国、英国、日本等对于修补混 凝土的研究主要集中在适用于薄层修补材料的修补剂、聚合混凝土和纤维混凝土。美国 作为对薄层修补材料研究应用较早的国家。早在1 9 7 4 年，德克萨斯就第一次大规模非 试验性浇注了s f r c 罩面，修补中使用了半径0 3 m m ，长1 2 7 m m 的圆直钢纤维，体积 长安人学颀 ：学位论文 掺量为1 5 ，罩面厚度为1 0 0 - - - 1 3 0 m m 。 s t r a n d d 等人研制了聚烯烃纤维增强混凝_ - i z ( n m f r c ) t 2 8 1 ，首先应用于达科地的桥面 修补和路面罩面。n m f r c 还增强了混凝土抗疲劳性能、抗冲击能、劈裂模量、延性和 韧性，因此适用于薄层混凝土桥面、路面的修补工程。 聚合物薄层快速修补材料在美国工程应用更是十分广泛。1 9 9 9 年德克萨大学 d w f o w l e r 有针对性地总结了薄层快速修补聚合物混凝土的研究和发展【2 9 】。结论是：聚 合物混凝土( p c ) 具有快凝性，良好的强度和耐久性，与水的粘结性良好，刚度高，它以 修补小于1 0 m m 厚的混凝土薄层见长：在改性聚合物凝土( p m c ) q b 掺入部分纤维制品可 以使用喷涂技术在垂直表面进行薄层修补经济实用；聚合物浸润混凝土( p m c ) 抗压强度 较普通混凝土提高3 4 倍，且抗渗性能良好，从而提高了混凝土体系的耐久性，抗冻融 性能和抗酸性，性模量极高，可比普通混凝土高5 0 - - 1 0 0 。 虽然过去的3 0 - - 4 0 年间，聚合物混凝土研究有了长足的进步，但仍然存着许多问题。 ( 1 ) 聚合物混凝土价格昂贵，可达到波特兰水泥的1 0 - - - 1 0 0 倍。 ( 2 ) 抗高温能力弱，尤其不耐火，因此不能用于民用建筑。 ( 3 ) 聚合物大部分具有刺激性气味，部分成分还有毒性，易燃烧。 由于修补材料的巨大市场潜力，美国各大建材公司还专门研制生产诸多品种的修补 ( 剂) 材料【3 0 】。 c h e m r e x 公司生产的e m a c o $ 8 8 c 1 、t h o r o cs p 2 0 喷射砂浆、无聚合s o n o e r e t e s o n o p a t h 1 0 0 、t h o r o ea l l c r e t e2 0 ，其中e m a c o $ 8 8 c 1 纤维砂浆工作间( 凝结时i n ) 4 5 m i n ， 2 8 d 抗压强度可达7 7 9 m p a ，修补厚度为6 m m 、1 3 m m 、1 9 m m 时的粘结强度分别达到 0 9 2 m p a 、1 8 1 m p a 、1 3 2 m p a ，平均值达到1 3 6 m p a ( 美国俄勒冈州交通部规范要求修补 材料2 8 d 抗压强度大于加2 0 7 m p a ，结强度大于0 6 8 9 m p a ，且施工后1 4 d 、3 5 d 均未出 现裂缝，表明其具有很好抗干缩性能。t h o r o cs p 2 0 喷射砂浆强度在符合规范要求的基 础上比e m a c 0 5 c i 稍有下降，但是具有很好的电阻抗性能，工作时间在4 5 m i n 之内。 t h o r o ca 1 1 c r e t e2 0 在体积稳定性上表现出了良好的性能，从粘结强度方面出发更适合 厚度在1 3 m m 以上的薄层修补工程中，但是其工作时间较短，仅1 0 m i n 左右，在一定程 度上限制了在工程中的推广应用。 d a y t o n ss u p e r i o r 生产了r e c r e t e r2 0 和p o l y f a s tl p l 。其中p o l y f a s tl p l 。工作时间 2 0 m i n ，2 8 d 抗压强度可达5 7 3 m p a ，修补厚度为6 m m 、1 3 m m 、1 9 m m 的粘结强度分别 达到2 2 9 m p a 、1 4 6 m p a 、1 1 2 m p a ，平均值达到1 3 0 m p a ，且在抗干缩，抗表面分层剥 9 第一章绪论 落和电阻抗等方面都表现出优异的性能。r e - c r e t e r2 0 工作时间在1 0 r a i n 左右，2 8 d 抗压 强度也达到了4 6 o m p a ，1 3 r a m 、1 9 r a m 的粘结强度分别达到1 3 2 m p a 、1 1 2 m p a 。适宜 1 3 r a m 厚度以上的薄层修补工程。 c t sc e m n e tm a n u f a c t u r i n g 生产的r a p i ds e tn o n s h r i n kg r o u t 材料，适用于6 m m 左 右厚度的薄层修补工程。 s i k a 公司生产的s i k at o p1 2 3p l u s 的工作时间在1 5 m i n 左右，2 8 d 抗压强度和平均 粘结强也分别达到了4 8 1 m p a 、1 2 6 m p a 。另外t e c t o n i c si n t e r n a t i o n a l 还生产了t e c t o n i t e ， e u c l i dc h e m i c a l 生产了e u c o p a t c h ，他们的工作时间相对较短，都在1 0 r a i n 之内，其它 性能也有待于深入研发。 英国早在2 0 世纪七十年代即开始使用s f r c 进行薄层修补。但是钢纤维混凝土也 存在着许多不足之处。如和易性不好，用于公路修补的耐磨性问题难以解决等，为混凝 土薄层修补带来了一定的难度。因此英国工程界也纷纷针对该点进行了大量的科技攻 关，提出了研制微型钢纤维混凝土和混合钢纤维混凝土的课题，为钢纤维混凝土用于薄 层快速修补作出了巨大贡献。 哥伦比亚大学b a t h i a n e r n k u m a r 等人研制了掺微纤维混凝土( 3 1 1 。确定了微纤维混凝 土增强复合混凝土的掺入比例，研究了混凝土