摘 要:介紹水泥混凝土路面修補材料的選擇原則,并對各類修補材料進行了評述。
關鍵詞:水泥混凝土路面;修補材料;選擇原則
中圖分類號:U4161216 文獻標識碼: B 文章編號: 1008 - 3383 (2007) 02 - 0001 - 02
1 水泥混凝土路面修補材料的選定原則
1. 1 裂縫修補材料的選擇原則
(1)粘結強度高; (2)防水抗滲性好; (3)在自然溫度范圍內具有較好的穩定性; (4)優良的抗嵌入性; (5)優良的耐久性; (6)使用方便,施工快捷; (7)對環境無污染; (8)與基質混凝土具有良好的相容性。
1. 2 嵌縫料的選擇原則
理想的嵌縫料必須具備下述技術性能
(1)與水泥有較好的粘結力,當水泥混凝土伸縮時,填縫料與板縫壁粘結牢固,不致被拉脫; (2)具有較高的拉伸率,填縫料必須能隨水泥混凝土板伸縮,不致被拉斷; (3)耐熱及抗嵌入性好; (4)低溫塑性好; (5)耐磨及耐久性好; (6)防水抗滲性好; (7)施工方便,價格適中。
1. 3 路面及板塊修補材料的選擇原則
理想的路面及板塊修補材料必須滿足如下要求: (1)適宜的凝結時間; (2)較好的工作性能; (3)較快的硬化速度和較高的早期強度; (4)同舊混凝土有較好的結合強度; (5)與舊混凝土有較好的相容性; (6)后期強度不倒縮,耐久性好;(7)防水抗滲性好; (8)低收縮。
2 水泥混凝土路面修補材料
2. 1 裂縫修補材料
裂縫修補材料根據其功能可分為高模量補強材料和低模量密封材料。前者固化后具有較高的強度和剛度,后者則具有較大的柔性。當需補強時,可選用高模量補強材料,對“活縫”一類的裂縫,則宜采用低模量的材料。高模量的裂縫修補材料有環氧樹脂類、酚醛和改性酚醛樹脂類膠粘劑;低模量封閉材料有聚氨脂類、烯類、橡膠類、瀝青類膠粘劑等。
(1)環氧樹脂類
水泥混凝土路面修補中常用的環氧樹脂類材料大多屬縮水甘油基型,常用的有由多元酚和多元醇制備的雙酚環氧樹脂,這類環氧樹脂剛性大,延性小,質脆,與舊混凝土膠接時,界面易產生應力集中而開裂。而環氧樹脂改性后,既保持了強度高、粘附力強的優點,又通過改性降低了脆性,提高了韌性,最重要的一類用于水泥混凝土路面裂縫修補的是聚硫改性環氧灌漿材料。
(2)聚氨脂類灌漿材料
聚氨脂膠液具有柔性分子鏈,耐振動性及抗疲勞性能都很好,另外,其耐低溫性能好,適宜各種自然溫度下使用。較早使用的一類聚氨脂是多異氰酸酯,其粘結強度高,能與被膠結材料表面上吸附的水及表面含水氧化物等發生化學反應,或者在堿性的被粘結物表面上自行聚合,在界面上發生化學鍵合;另一類廣泛使用的聚氨脂材料是端異氰酸酯基聚氨酯預聚體型膠粘劑,屬于結構型聚氨酯預聚體膠粘劑,特點是起始膠結強度高,彈性好,耐低溫耐疲勞,但彈性模量較低,約為5～7MPa,補強作用小。
(3)烯類裂縫修補材料
烯類裂縫修補材料采用烯類聚合物配制而成,通常有兩大類:一類是以烯類單體或預聚體作膠粘劑,在固化過程中發生聚合;另一類是以高分子聚合物本身作膠粘劑。用于水泥混凝土路面裂縫修補的烯類材料主要有兩類:其一為氰基丙烯酸酯膠粘劑,主要成分是A—氰基丙烯酸酯,通過增稠劑和增塑劑等改善工作性和抗沖擊性能,其特點是粘度低,固化時間短,透明性好,膠結強度高,氣密性好,不足之處是價格較高,抗沖擊性能較差;另一類為(甲基)丙烯酸酯樹脂膠粘劑,甲基丙烯酸樹脂具有三向交聯結構,所以耐熱性、耐水性、耐介質以及耐大氣老化性能都較好,收縮率低,強度高,因(甲基)丙烯酸酯樹脂膠粘劑粘度較其它有機高分子材料低,常與水泥復合成樹脂改性混凝土對寬裂縫進行修補, (甲基)丙烯酸酯樹脂膠粘劑制備工藝復雜,為了調節固化產物的結構性能,需要摻入大量的外加劑。
(4)聚合物改性水泥砂漿類裂縫修補材料
普通水泥砂漿因收縮大,粘結強度低等原因較少用于裂縫的修補,而通過聚合物乳液改性水泥砂漿能提高其工作性能,減少漿體收縮,提高粘結強度以及砂漿的綜合力學性能,改善防水抗滲能力及抗凍融能力,降低純聚合物材料的費用等。常用于裂縫修補的聚合物改性水泥砂漿有聚醋酸乙烯乳液改性水泥砂漿,聚丙烯酸酯乳液改性水泥砂漿,環氧樹脂改性水泥砂漿,不飽和聚酯樹脂改性水泥砂漿及丁苯膠乳改性水泥砂漿等。
2. 2 嵌縫料
水泥混凝土路面的嵌縫料對路面的性能及耐久性起著關鍵的作用,嵌縫料的失敗可能導致板角斷裂、脫空、板塊活動、唧泥、錯臺等嚴重的路面損壞。我國在水泥混凝土路面的建設過程中,長期對嵌縫料的重視不夠,大多使用性能較差的瀝青混合物,少量的使用聚氯乙烯焦泥等。
傳統的瀝青混合物嵌縫料與水泥混凝土板縫壁粘結力差,易與水泥混凝土脫開,溫度穩定性差。夏季易被擠出路面,冬季易被拉斷裂開。耐久性差,老化快,夏季被擠出路面的部分在冬季自然硬化,無法回至原接縫部位,導致嵌縫失效。聚氯乙烯焦泥以煤焦泥為主,加入聚氯乙烯樹脂、增塑劑、填充料和穩定劑等配制而成,灌入溫度130～140 ℃,較瀝青混合物性能有所改善,但仍不足以滿足嵌縫料的基本要求。
ZJ型嵌縫料以煤焦油為基料,以此與橡膠組成橡膠瀝青,再加入聚氯乙烯樹脂、增塑劑、穩定劑、表面活性劑、沉降抑制劑、硫磺及填充料等配制而成,施工時加熱至130 ℃,但不得超過160 ℃,在工程實踐應用中效果尚好。
橡膠瀝青嵌縫料是由石油瀝青摻加廢橡膠組成,或采用優質丁苯橡膠膠乳摻配石油瀝青的新工藝制成丁苯橡膠瀝青,后者耐磨,耐油,耐老化,彈性較好,使用溫度170～180 ℃。
聚氨酯焦油類嵌縫料為雙組分材料,甲組份以多異氰酸酯和多羥基化合物反應制得聚氨基甲酸酯,乙組份主要由煤焦油及填充料組成,能常溫施工,固化后形成橡膠彈性體,耐磨,耐油,耐腐蝕及耐熱。聚氨酯類嵌縫料也是雙組份材料,主要由甲組份(多異氰酸酯)和乙組份(多羥基化合物)組成,不含煤焦油成分,能在常溫下施工,工程中應用的有LPC- 89接縫密封膠,聚氨酯整皮微孔泡沫填料及聚氨酯密封膠。
其它嵌縫料如彈性橡膠制品在工程中也有應用,其特點是施工方便快捷,但問題在于橡膠和水泥混凝土板的粘結不良,易導致封縫不嚴而滲水。
2. 3 路面及板塊修補材料
普通水泥混凝土用于路面及板塊的修補主要缺陷在于新舊水泥混凝土結合強度低,強度發展緩慢,阻礙交通時間長。因此,一般交通要道路面及板塊的修復不采用普通水泥混凝土。國內外研制開發了大量的路面及板塊快速修補材料,主要介紹如下。
(1)快硬硅酸鹽水泥混凝土
在配制快硬硅酸鹽水泥時,生料中摻入一定量的CaF2、CaSO4、TiO2、BaO、P2O5、MnO和Cr2O3 ,其熟料礦物組成和普通水泥有較大差異, C3 S含量較高,還有對早期強度有利的11CaO·7Al2O3 ·CaF2 , 3CaO·3Al2O3 ·CaSO4 ,而C2 S含量則相對較小。在環境溫度5～20 ℃時,約需3 d才可投入使用, 20～30 ℃時, 1～2 d即可,但和普通水泥一樣,其干縮大,新舊水泥混凝土粘結差,因初期水化快,水泥混凝土內部溫度較高,因而要注意養護,且避免高溫期施工。
(2)硫鋁酸鹽超早強水泥及氟鋁酸鹽快凝快硬水泥
硫鋁酸鹽水泥熟料礦物的主要成分是3CaO·3Al2O3 ·CaSO4 和C2 S,除具有早強和快硬特性外,尚有微膨脹、耐硫酸鹽侵蝕等性能,其4 h強度可達10～25MPa, 1 d強度可達30～60MPa。氟鋁酸鹽快凝快硬水泥的熟料礦物主要成分是: 11CaO·7Al2O3 ·CaF2 ,B—C2 S或C3 S等,其具備快凝快硬的性能,凝結很快,初凝一般僅幾分鐘,初凝和終凝間隔很短,一般不超過0. 5 h, 2 ～3 h的抗壓強度即可達20 MPa。
這兩種水泥常用于路面的搶修工程,因其后期強度及性能呈現下降的趨勢,所以使用范圍受到限制。
(3)高鋁水泥
高鋁水泥是一種快硬早強型的水硬性膠凝材料。它的主要原料是礬土和石灰石,其熟料礦物的主要成分是鋁酸一鈣,其水化速度極快,強度發展主要集中在早期,后期幾乎無多大的發展。高鋁水泥水化產物不穩定,容易發生晶型轉變, 后期強度往往下降。高鋁水泥1 d 抗折強度可達3～5MPa,抗壓強度達25～45MPa。
(4) 磷酸鎂水泥混凝土
磷酸鎂水泥混凝土是一種新型的道路修補材料,磷酸鎂水泥的基本制備工藝為:在1 500 ℃左右灼燒MgO粉,磨至比表面為1 260～3 500 cm2 /g,將NH4H2 PO4 粉與之混合均勻,由Na2B4O4 ·10H2O調節凝結時間即可制成磷酸鎂系水泥。磷酸鎂系水泥有足夠的凝結時間,較快的硬化速度和較高的早期強度,與舊水泥混凝土結合力強,相容性好,是很有發展前途的一類路面修補材料。
(5)硅灰水泥混凝土
硅灰是一種火山灰活性極強的摻合料,硅灰水泥混凝土具備較高的早期強度,后期強度發展良好,在水泥漿體及集料的界面上Ca (OH) 2 不富集,代之以水化硅酸鈣凝膠,所以有較好的界面結合強度。硅灰水泥混凝土與舊混凝土有優良的結合性能,含10% ～15%甚至更高含量的硅灰水泥混凝土非常適合水泥混凝土路面的修補,但在我國成本較高。
(6)偏高嶺水泥混凝土
偏高嶺土亦是一種火山灰活性極強的材料。研究表明,適當處理的偏高嶺土火山灰活性甚至超過硅灰, ;在對硅灰水泥混凝土的研究中發現,硅灰的引入導致混凝土自收縮的增加,而偏高嶺水泥混凝土則有補償收縮的微膨脹性能,偏高嶺水泥混凝土較硅灰水泥混凝土有較好的工作性。偏高嶺土能改善水泥混凝土的可塑性,增強粘結性能,減少泌水,并能加速水泥的早期水化,獲得較高的早期強度,后期強度也不斷增加,可提高水泥混凝土的綜合性能。偏高嶺水泥混凝土已被用于橋面和機場跑道等的修補,是一種理想的修補材料,其應用有待進一步開發與推廣。
(7)聚合物改性砂漿及混凝土
聚合物改性砂漿及混凝土是另一大類性能優良的路面修補材料,在全世界范圍內都有廣泛的應用,已有大量成功的工程實踐。所用的聚合物有天然橡膠、合成橡膠、熱塑性樹脂、熱固性樹脂、瀝青與石蠟等,乳液的濃度通常按重量計為40% ～60%。典型的聚合物改性砂漿及水泥混凝土修補材料有不飽和聚酯樹脂砂漿及混凝土、丁苯膠乳改性砂漿及混凝土、聚丙烯酸酯樹脂砂漿及混凝土、天然橡膠膠乳改性砂漿及混凝土、聚乙烯乙酸酯改性砂漿及混凝土等。聚合物改性砂漿及混凝土具備較高的粘結性能,抗沖擊性能,并能改善混凝土的耐磨性能,其防水抗滲性能好,工作性能優良,但因聚合物價格昂貴,并有一定的毒性,耐高溫性能較差,因而在使用上受到限制。
3 小 結
修補材料最主要的功能是應滿足新舊水泥混凝土的相容性,另外還要考慮能否節約施工時間,縮短交通封閉期限,以及能否獲得最高的性能價格比。因為路面損壞情況及損壞原因的復雜性,不可能有某種通用的材料適合于所有路面的修補,因此,選擇修補材料要做到“量體裁衣”,“對癥下藥”。但是由于目前缺乏對修補材料進行評價的可靠的標準檢測方法,也沒有為大家所普遍接受的性能標準,因此,修補材料的測試方法及性能標準只有在研究和實踐中進一步去完善。另外,從修補材料的修補效率出發,必須選擇耐久性好的修補材料;修補材料和水泥混凝土工業一樣也要實現可持續發展,必須進一步實現“綠色高性能”。從目前的各類修補材料的綜合情況看來,硅灰水泥混凝土系列和偏高嶺水泥混凝土系列被認為是最有推廣價值的路面修補材料。
