摘 要:介绍水泥混凝土路面修补材料的选择原则,并对各类修补材料进行了评述。
关键词:水泥混凝土路面;修补材料;选择原则
中图分类号:U4161216 文献标识码: B 文章编号: 1008 - 3383 (2007) 02 - 0001 - 02
1 水泥混凝土路面修补材料的选定原则
1. 1 裂缝修补材料的选择原则
(1)粘结强度高; (2)防水抗渗性好; (3)在自然温度范围内具有较好的稳定性; (4)优良的抗嵌入性; (5)优良的耐久性; (6)使用方便,施工快捷; (7)对环境无污染; (8)与基质混凝土具有良好的相容性。
1. 2 嵌缝料的选择原则
理想的嵌缝料必须具备下述技术性能
(1)与水泥有较好的粘结力,当水泥混凝土伸缩时,填缝料与板缝壁粘结牢固,不致被拉脱; (2)具有较高的拉伸率,填缝料必须能随水泥混凝土板伸缩,不致被拉断; (3)耐热及抗嵌入性好; (4)低温塑性好; (5)耐磨及耐久性好; (6)防水抗渗性好; (7)施工方便,价格适中。
1. 3 路面及板块修补材料的选择原则
理想的路面及板块修补材料必须满足如下要求: (1)适宜的凝结时间; (2)较好的工作性能; (3)较快的硬化速度和较高的早期强度; (4)同旧混凝土有较好的结合强度; (5)与旧混凝土有较好的相容性; (6)后期强度不倒缩,耐久性好;(7)防水抗渗性好; (8)低收缩。
2 水泥混凝土路面修补材料
2. 1 裂缝修补材料
裂缝修补材料根据其功能可分为高模量补强材料和低模量密封材料。前者固化后具有较高的强度和刚度,后者则具有较大的柔性。当需补强时,可选用高模量补强材料,对“活缝”一类的裂缝,则宜采用低模量的材料。高模量的裂缝修补材料有环氧树脂类、酚醛和改性酚醛树脂类胶粘剂;低模量封闭材料有聚氨脂类、烯类、橡胶类、沥青类胶粘剂等。
(1)环氧树脂类
水泥混凝土路面修补中常用的环氧树脂类材料大多属缩水甘油基型,常用的有由多元酚和多元醇制备的双酚环氧树脂,这类环氧树脂刚性大,延性小,质脆,与旧混凝土胶接时,界面易产生应力集中而开裂。而环氧树脂改性后,既保持了强度高、粘附力强的优点,又通过改性降低了脆性,提高了韧性,最重要的一类用于水泥混凝土路面裂缝修补的是聚硫改性环氧灌浆材料。
(2)聚氨脂类灌浆材料
聚氨脂胶液具有柔性分子链,耐振动性及抗疲劳性能都很好,另外,其耐低温性能好,适宜各种自然温度下使用。较早使用的一类聚氨脂是多异氰酸酯,其粘结强度高,能与被胶结材料表面上吸附的水及表面含水氧化物等发生化学反应,或者在碱性的被粘结物表面上自行聚合,在界面上发生化学键合;另一类广泛使用的聚氨脂材料是端异氰酸酯基聚氨酯预聚体型胶粘剂,属于结构型聚氨酯预聚体胶粘剂,特点是起始胶结强度高,弹性好,耐低温耐疲劳,但弹性模量较低,约为5～7MPa,补强作用小。
(3)烯类裂缝修补材料
烯类裂缝修补材料采用烯类聚合物配制而成,通常有两大类:一类是以烯类单体或预聚体作胶粘剂,在固化过程中发生聚合;另一类是以高分子聚合物本身作胶粘剂。用于水泥混凝土路面裂缝修补的烯类材料主要有两类:其一为氰基丙烯酸酯胶粘剂,主要成分是A—氰基丙烯酸酯,通过增稠剂和增塑剂等改善工作性和抗冲击性能,其特点是粘度低,固化时间短,透明性好,胶结强度高,气密性好,不足之处是价格较高,抗冲击性能较差;另一类为(甲基)丙烯酸酯树脂胶粘剂,甲基丙烯酸树脂具有三向交联结构,所以耐热性、耐水性、耐介质以及耐大气老化性能都较好,收缩率低,强度高,因(甲基)丙烯酸酯树脂胶粘剂粘度较其它有机高分子材料低,常与水泥复合成树脂改性混凝土对宽裂缝进行修补, (甲基)丙烯酸酯树脂胶粘剂制备工艺复杂,为了调节固化产物的结构性能,需要掺入大量的外加剂。
(4)聚合物改性水泥砂浆类裂缝修补材料
普通水泥砂浆因收缩大,粘结强度低等原因较少用于裂缝的修补,而通过聚合物乳液改性水泥砂浆能提高其工作性能,减少浆体收缩,提高粘结强度以及砂浆的综合力学性能,改善防水抗渗能力及抗冻融能力,降低纯聚合物材料的费用等。常用于裂缝修补的聚合物改性水泥砂浆有聚醋酸乙烯乳液改性水泥砂浆,聚丙烯酸酯乳液改性水泥砂浆,环氧树脂改性水泥砂浆,不饱和聚酯树脂改性水泥砂浆及丁苯胶乳改性水泥砂浆等。
2. 2 嵌缝料
水泥混凝土路面的嵌缝料对路面的性能及耐久性起着关键的作用,嵌缝料的失败可能导致板角断裂、脱空、板块活动、唧泥、错台等严重的路面损坏。我国在水泥混凝土路面的建设过程中,长期对嵌缝料的重视不够,大多使用性能较差的沥青混合物,少量的使用聚氯乙烯焦泥等。
传统的沥青混合物嵌缝料与水泥混凝土板缝壁粘结力差,易与水泥混凝土脱开,温度稳定性差。夏季易被挤出路面,冬季易被拉断裂开。耐久性差,老化快,夏季被挤出路面的部分在冬季自然硬化,无法回至原接缝部位,导致嵌缝失效。聚氯乙烯焦泥以煤焦泥为主,加入聚氯乙烯树脂、增塑剂、填充料和稳定剂等配制而成,灌入温度130～140 ℃,较沥青混合物性能有所改善,但仍不足以满足嵌缝料的基本要求。
ZJ型嵌缝料以煤焦油为基料,以此与橡胶组成橡胶沥青,再加入聚氯乙烯树脂、增塑剂、稳定剂、表面活性剂、沉降抑制剂、硫磺及填充料等配制而成,施工时加热至130 ℃,但不得超过160 ℃,在工程实践应用中效果尚好。
橡胶沥青嵌缝料是由石油沥青掺加废橡胶组成,或采用优质丁苯橡胶胶乳掺配石油沥青的新工艺制成丁苯橡胶沥青,后者耐磨,耐油,耐老化,弹性较好,使用温度170～180 ℃。
聚氨酯焦油类嵌缝料为双组分材料,甲组份以多异氰酸酯和多羟基化合物反应制得聚氨基甲酸酯,乙组份主要由煤焦油及填充料组成,能常温施工,固化后形成橡胶弹性体,耐磨,耐油,耐腐蚀及耐热。聚氨酯类嵌缝料也是双组份材料,主要由甲组份(多异氰酸酯)和乙组份(多羟基化合物)组成,不含煤焦油成分,能在常温下施工,工程中应用的有LPC- 89接缝密封胶,聚氨酯整皮微孔泡沫填料及聚氨酯密封胶。
其它嵌缝料如弹性橡胶制品在工程中也有应用,其特点是施工方便快捷,但问题在于橡胶和水泥混凝土板的粘结不良,易导致封缝不严而渗水。
2. 3 路面及板块修补材料
普通水泥混凝土用于路面及板块的修补主要缺陷在于新旧水泥混凝土结合强度低,强度发展缓慢,阻碍交通时间长。因此,一般交通要道路面及板块的修复不采用普通水泥混凝土。国内外研制开发了大量的路面及板块快速修补材料,主要介绍如下。
(1)快硬硅酸盐水泥混凝土
在配制快硬硅酸盐水泥时,生料中掺入一定量的CaF2、CaSO4、TiO2、BaO、P2O5、MnO和Cr2O3 ,其熟料矿物组成和普通水泥有较大差异, C3 S含量较高,还有对早期强度有利的11CaO·7Al2O3 ·CaF2 , 3CaO·3Al2O3 ·CaSO4 ,而C2 S含量则相对较小。在环境温度5～20 ℃时,约需3 d才可投入使用, 20～30 ℃时, 1～2 d即可,但和普通水泥一样,其干缩大,新旧水泥混凝土粘结差,因初期水化快,水泥混凝土内部温度较高,因而要注意养护,且避免高温期施工。
(2)硫铝酸盐超早强水泥及氟铝酸盐快凝快硬水泥
硫铝酸盐水泥熟料矿物的主要成分是3CaO·3Al2O3 ·CaSO4 和C2 S,除具有早强和快硬特性外,尚有微膨胀、耐硫酸盐侵蚀等性能,其4 h强度可达10～25MPa, 1 d强度可达30～60MPa。氟铝酸盐快凝快硬水泥的熟料矿物主要成分是: 11CaO·7Al2O3 ·CaF2 ,B—C2 S或C3 S等,其具备快凝快硬的性能,凝结很快,初凝一般仅几分钟,初凝和终凝间隔很短,一般不超过0. 5 h, 2 ～3 h的抗压强度即可达20 MPa。
这两种水泥常用于路面的抢修工程,因其后期强度及性能呈现下降的趋势,所以使用范围受到限制。
(3)高铝水泥
高铝水泥是一种快硬早强型的水硬性胶凝材料。它的主要原料是矾土和石灰石,其熟料矿物的主要成分是铝酸一钙,其水化速度极快,强度发展主要集中在早期,后期几乎无多大的发展。高铝水泥水化产物不稳定,容易发生晶型转变, 后期强度往往下降。高铝水泥1 d 抗折强度可达3～5MPa,抗压强度达25～45MPa。
(4) 磷酸镁水泥混凝土
磷酸镁水泥混凝土是一种新型的道路修补材料,磷酸镁水泥的基本制备工艺为:在1 500 ℃左右灼烧MgO粉,磨至比表面为1 260～3 500 cm2 /g,将NH4H2 PO4 粉与之混合均匀,由Na2B4O4 ·10H2O调节凝结时间即可制成磷酸镁系水泥。磷酸镁系水泥有足够的凝结时间,较快的硬化速度和较高的早期强度,与旧水泥混凝土结合力强,相容性好,是很有发展前途的一类路面修补材料。
(5)硅灰水泥混凝土
硅灰是一种火山灰活性极强的掺合料,硅灰水泥混凝土具备较高的早期强度,后期强度发展良好,在水泥浆体及集料的界面上Ca (OH) 2 不富集,代之以水化硅酸钙凝胶,所以有较好的界面结合强度。硅灰水泥混凝土与旧混凝土有优良的结合性能,含10% ～15%甚至更高含量的硅灰水泥混凝土非常适合水泥混凝土路面的修补,但在我国成本较高。
(6)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,其应用有待进一步开发与推广。
(7)聚合物改性砂浆及混凝土
聚合物改性砂浆及混凝土是另一大类性能优良的路面修补材料,在全世界范围内都有广泛的应用,已有大量成功的工程实践。所用的聚合物有天然橡胶、合成橡胶、热塑性树脂、热固性树脂、沥青与石蜡等,乳液的浓度通常按重量计为40% ～60%。典型的聚合物改性砂浆及水泥混凝土修补材料有不饱和聚酯树脂砂浆及混凝土、丁苯胶乳改性砂浆及混凝土、聚丙烯酸酯树脂砂浆及混凝土、天然橡胶胶乳改性砂浆及混凝土、聚乙烯乙酸酯改性砂浆及混凝土等。聚合物改性砂浆及混凝土具备较高的粘结性能,抗冲击性能,并能改善混凝土的耐磨性能,其防水抗渗性能好,工作性能优良,但因聚合物价格昂贵,并有一定的毒性,耐高温性能较差,因而在使用上受到限制。
3 小 结
修补材料最主要的功能是应满足新旧水泥混凝土的相容性,另外还要考虑能否节约施工时间,缩短交通封闭期限,以及能否获得最高的性能价格比。因为路面损坏情况及损坏原因的复杂性,不可能有某种通用的材料适合于所有路面的修补,因此,选择修补材料要做到“量体裁衣”,“对症下药”。但是由于目前缺乏对修补材料进行评价的可靠的标准检测方法,也没有为大家所普遍接受的性能标准,因此,修补材料的测试方法及性能标准只有在研究和实践中进一步去完善。另外,从修补材料的修补效率出发,必须选择耐久性好的修补材料;修补材料和水泥混凝土工业一样也要实现可持续发展,必须进一步实现“绿色高性能”。从目前的各类修补材料的综合情况看来,硅灰水泥混凝土系列和偏高岭水泥混凝土系列被认为是最有推广价值的路面修补材料。
