桥面与路面混凝土修补料性能和施工工艺研究

[作者简介]史丽远(1969-),女,江苏溧阳人,博士研究生,主要从事道路、桥梁结构分析与道路、桥梁结构状态评估技术等研究。

桥面与路面混凝土修补料性能和施工工艺研究

史丽远1

,张雪华

2

(1.苏州科技学院土木系,浙江苏州　215011;　2.南京航空航天大学土木系,江苏南京　210006)[摘　要]探讨了桥面混凝土铺装层和混凝土路面快速修补材料的配制,研究其工作性质,测定了修补混凝土

的抗压强度、抗折强度、弹性模量和界面粘结强度等力学性能。测定了修补混凝土的抗冻性、收缩性、耐磨蚀性等长期性能及其耐久性能,初步分析了快硬早强的机理,提出了合理的施工工艺,为实际修补工程提供参考。

[关键词]混凝土铺装层;快速修补材料;性能研究;施工工艺

[中图分类号]U418.6　　　[文献标识码]A 　　　[文章编号]1002-1205(2003)03-0040-04

Properties and Construction T echniques of Q uick R epair Materials for B ridge Surface and P avement Concrete

SHI Li 2yuan 1,ZH ANG Xue 2hua 2

(1.Department of Civil Engineering ,Suzhou Institute of Science and technology ,Suzhou ,Jiangsu 215011,China ;　2.Department of Civil Engineering ,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ,Nanjing ,Jiangsu 210016,China )

　　[Abstract ]This paper discusses the preparation ,properties ,determinations of com pressive strength ,flexural strength ,m odulus of elasticity and interfacial adhesion strength of quick repair materials for bridge concrete surfacing layer and concrete pavement.Als o discussed are the determinations of long 2term perfor 2mance and durability characteristics of these materials ,such as resistance to low tem perature ,contractibility and resistances to abrasion and erosion.Based on the discussions ,the mechanism of quick -stiffening and early -strengthening is explored with recommendations of construction techniques for practice.

[K ey w ords ]concrete surfacing layer ;quick repair materials ;property study ;construction techniques 　　混凝土构筑物通常由于设计、用材、施工及维护不当等诸多因素而造成局部开裂或损坏。特别是随着道路网中交通流量和轴载的增加易导致公路及城市道路路面和部分桥梁混凝土铺装层严重损坏。维修加固时,为减少对正常交通的影响,采用具有良好

使用性能的混凝土快速修补料[1]

就显得尤为重要。所以,研究混凝土铺装层、混凝土路面快速修补料的性能,探讨其合理施工工艺具有重大的工程实际意义。

1　试验概况

原材料采用425号早强硅酸盐水泥、连续级配中砂、5～20mm 连续级配石子。修补料分别为AA 型(试验号1)和BB 型(试验号2)混凝土快速修补

料,均为自配。其中AA 型超早强剂中含有钠离子和钾离子,根据四因素三水平正交分析方法,确定AA 型超早强剂最优的配比:Na 2S O 4含1.0%,NN 含1.0%,三乙醇胺含0.03%,K C 含1.2%,高效减水

剂含1.0%。BB 型超早强剂只含有钙离子,三乙醇胺含0.03%,其它两种钙盐成分分别含1.0%和1.5%,高效减水剂含1.0%。前者配比的碱离子含

量较大。

首先配制C40的对比组混凝土(试验号0),控制其坍落度为50～70mm ,采用砂率为34%,水灰比为0.448;再在同配比的混凝土中掺加适量AA 型和BB 型混凝土快速修补料,水泥∶砂子∶石子∶水为2.234∶2.951∶5.717∶1,并保证掺快速修补料的修补

第28卷,第3期2003年9月

中南公路工程Central S outh Highway Engineering

V ol.28,N o.3Sep .,2003

混凝土坍落度与对比组混凝土坍落度保持一致。试件尺寸和试验方法按标准要求进行。

2　试验结果分析

2.1　工作性能

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法》(G B J80-85)拌制混凝土,并对该新混凝土测定其坍落度和凝结时间及泌水率。具体试验结果,见表1。

表1　新拌混凝土工作性能试验结果

T able 1　T est results of properties of newly mixed concrete

试验号

坍落度Π

mm 凝结时间Π

(h :min )初凝时间

终凝时间

泌水率Π

%0656:2110:40 6.731591:126:120.002

62

1:16

6:31

0.00

　　由表1可见,修补混凝土的初凝时间大于1h ,

而其终凝时间大于6h ,完全能够满足实际快速修补工程中工作时间的需要;修补混凝土基本上不发生泌水现象,提高了浆体稳定性。2.2　力学性能

在本试验中按试验标准测定了不同龄期修补混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等,其抗压强度、抗折强度、弹性模量与龄期的关系见图1～3

。

图1　抗压强度与龄期关系曲线

Figure 1　Relationship between compression strength and con 2

crete

age

图2　抗折强度与龄期的关系

Figure 2　Relationship between flexural strength and concrete

age

图3　弹性模量与龄期的关系

Figure 3　Relationship between elastic m odulus and concrete age

　　修补混凝土和旧混凝土之间的界面粘结强度采用间接的试验方法测定,旧混凝土强度等级为C40,修补混凝土厚为20～30mm ,在测定该试件抗折强度时,若破坏部位处在粘结界面,则界面粘结强度等于实测抗折强度,若破坏部位处在其它部位,则界面粘结强度大于实测抗折强度。试验装置,见图4;其具体实验结果,见图5

。

图4　界面粘结强度试验方法示意图(单位:mm )

Figure 4　Illustration of test method for interfacial adhesion

strength (mm

)

图5　界面粘结强度与龄期的关系

Figure 5　Relationship between interfacial adhesion strength and

concrete age

　　由图1可知,掺混凝土快速修补料的BB 型和AA 型修补混凝土的早期强度明显提高,其1d 抗压

强度就分别达到了设计强度的55%和62%,比对比

组混凝土分别提高了115%、157%,且1d 抗压强度均大于14MPa ,达到快速开放交通的抗压强度要求

1

4第3期史丽远等:桥面与路面混凝土修补料性能和施工工艺研究

值;修补混凝土的28d 抗压强度值比对比组混凝土分别提高了14%和36%,修补混凝土后期抗压强度仍稳定快速增长,这就能使被修补桥面或路面具有良好的耐久性能。

由图2可知,BB 型和AA 型修补混凝土的1d 抗折强度比对比组混凝土分别提高了67%和75%;3d 抗折强度则分别提高了37%和50%,AA 型和BB

型混凝土快速修补料都满足工程对抗折强度的实际需要,尤其对缩短桥面铺装和路面修补工程的工期具有重大的实际意义。

由图3可知,BB 型和AA 型修补混凝土的1d 龄期的弹性模量比对比组混凝土分别提高了36%和46%,而28d 弹性模量则基本持平,由此可见修补混凝土的早期刚度比对比组混凝土要大,这对要求快速开放的混凝土路面或桥面是非常有利的。

由图5可知,BB 型和AA 型修补混凝土与原结构混凝土的1d 粘结强度比对比组混凝土提高了235%和275%,28d 粘结强度则提高了75%和83%,新旧混凝土之间具有良好的粘结性能,两者可

成为一个共同协调工作的整体,该混凝土快速修补料在抢修工程中具有良好的可操作性和可行性。2.3　长期性能和耐久性能

本试验测定了修补混凝土的抗冻性和收缩性能,试验结果,见图6、图7。混凝土冻融实验采用的是慢冻法,试件的尺寸100mm ×100mm ×100mm ,试件在28d 龄期时进行冻融试验,冷冻箱采用ZS 240低温试验箱,装有试件后,箱内温度保持在-15～-20℃的范围以内,融解水槽在装有试件后,使水温

保持在15～20℃的范围以内,冻结时间为6h 。

由循环次数与强度损失的关系曲线(见图6)可知,该修补混凝土具有较高的抗冻性能。修补混凝土经过25

次冻融循环后强度基本上不发生任何变

图6　强度损失与循环次数的关系

Figure 6　Relationship between loss of strength and number of

load

cycles

图7　收缩值与混凝土龄期的关系

Figure 7　Relationship between contraction values and concrete

age

化,而经过50次冻融循环后强度损失仅为对比组混凝土的24%～27%,尤其是经过100次冻融循环后强度损失仅为对比组混凝土的17%～20%。良好的抗冻性使得其修补适用范围较广且不受季节变化的影响。

由图7可知,修补混凝土早期收缩值比对比组混凝土要大一些,随着龄期的增加,两者的收缩值逐渐接近并且保持恒定,满足混凝土路面的性能要求。另外,修补混凝土的耐磨性得到大大改善,满足道路混凝土和桥面混凝土耐磨性的要求,增强了路面的耐久性。

3　机理分析

自配的混凝土快速修补料中所含起促凝和早强作用的无机电解质[2]

能增加晶胚生成速度。表面活性剂能降低表面能和液相粘度、减小水灰比而增加成键比例,这有利于混凝土早期强度的形成。

在混凝土快速修补料中的高效外掺料硅灰,

能充分发挥其微集料填充效应

[3]

,大大改善混凝土

的内部结构,从而提高了混凝土的密实度,改善混凝土受力时的应力分布状况,有利于提高混凝土的强度及其耐久性能。另外,硅灰所含的活性二氧化硅在常温下就能与水泥水化所析出的氢氧化钙起化学作用,转化为水化硅酸钙凝胶,不但能使水泥石中水化胶凝物质的数量增加,而且也使其质量得到大幅度提高,对改善混凝土内部的物理结构及物理力学性能具有良好的效果。

4　施工工艺

4.1　施工前准备工作

桥面混凝土铺装、道路路面、机场跑道在进行修补前,首先要综合评定原结构混凝土基层信息和现

24中南公路工程第28卷

4.2　施工中注意事项

①该快速修补材料初期水化反应速度快,硬化凝结也快,每批拌料数量不宜太多,应尽量缩短原材料及拌合物的运输距离。

②混凝土快速修补料必须预先与水泥拌合均匀,否则易造成不均匀硬化,大大影响混凝土质量和早期强度。

③大面积修补时必须采用搅拌机搅拌,搅拌时间应控制在1～2min左右,并立即出料浇筑。如板块较厚应采用插入式振动棒捣实,再用平板震动器捣至翻浆,然后抹平、压纹,不得有蜂窝麻面。

④不同的界面处理方法对新旧混凝土粘对性能有较大的影响,所以在施工过程中应采用良好的表面处理方法。

先用钢丝刷将旧混凝土表面进行刷糙处理,磨去约2mm厚的表面,消除表面碱性物质,使其表面平整度约为3mm左右,用高压水冲洗干净后浇筑新混凝土。

在旧混凝土表面预先涂抹上一层高标号的水泥砂浆粘结剂,适当掺入膨胀剂(一般掺量为8～12%),水泥砂浆粘结层厚度约为0.5～1.5mm。使其包裹混凝土中的骨料,且凝结硬化成坚硬的水泥石。

4.3　施工后养护工作

该混凝土快速修补料配制的修补混凝土是一种快硬早强混凝土,其水化速度快,放热快而集中,所以浇筑后1h左右水化热就会使混凝土温度骤升。当新拌混凝土表面水分蒸发大于泌水速度时,混凝土就会产生塑性收缩裂缝[4,5]。浇筑完毕后应立即覆盖草袋、薄膜等,防止表面水分失水太快,避免出现裂缝扩大、起砂现象及影响到快速修补混凝土的强度和耐磨性。在浇筑完毕半小时后,应连续不断浇水直至开放交通。

5　结论

采用该混凝土快速修补料拌制的修补混凝土早期强度和刚度发展迅速,凝结时间适中,在抢修抢建工程中,能很好地满足桥面混凝土铺装和道路混凝土的各项强度和变形指标的要求。

修补混凝土具有优良的长期性能和耐久性能,长期收缩值稳定,抗压强度及弹性模量高;与旧混凝土粘结力强且热性能匹配,具有良好的耐磨蚀性能,可应用于一些特殊的建筑结构物,如机场跑道、水工泄水混凝土大坝等土木工程中。该混凝土修补料具有较高的安全可靠性和较长的使用寿命,且施工简单、经济合理。由于修补混凝土的特殊性,施工时要严格按照本文提出的施工工艺执行,以保证施工质量。

[参考文献]

[1]　Seehra,S.S.,Cupta,S..Rapid Setting M agnesium Phosphate Cement

for Quick Repair of C oncrete Pavement[J].Cement and C oncrete Re2

search,1993,23(2):254-2662.

[2]　王　元,郭佩玲,陈翠红,王春波.混凝土超早强剂的应用研究

[J].混凝土,1995,(6):34-38.

[3]　潘钢华,孙　伟,张亚梅.活性混合材微集料效应的理论和实验

研究[J].混凝土与水泥制品,1996,(6):23-25.

[4]　Fiskaa O M.Chemical Attack of Low Cement Ratio C oncretes C ontain2

ing Later or S ilica Fume As Admixtures[A].Proceeding in ACIΠ

RI LE M Sym posium on T echnology of C oncrete When P ozz olans,S lags

and Chemical Admixtures Are Used[C].M onterrey,1995.325-340. [5]　石人俊.混凝土外加剂的性能与应用[M].北京:中国铁道出版

社,1998.

(上接第36页)

表1　路面使用性能各分指标的权重建议值

　T able1　Recommended weight values of various sub-indices for pavement serviceability

公路等级

权　　重

p1p2p3

高速、一级0.350.450.20

二级及以下0.40.250.35

构强度和路面损坏状况,而用户则主要关注路面的行驶质量,本文中的效益模型并没有考虑用户费用,因此,所建立的优化模型是面向公路管理部门的。如果需要在优化模型中适当考虑用户费用(社会效益),则可以适当地把RQI的权重调大一些。3　结语

路面管理系统中效益的定义很重要,如果定义不当,则会造成决策的重大偏差。以用户费用的节省部分来定义效益是不恰当的,而路面使用则能较好地反映养护机构的养护意图。而在PQI的计算方面,加权几何平均值比加权算术平均值更为合理。

[参考文献]

[1]　潘玉利.路面管理系统[M].北京:人民交通出版社,1998.

[2]　刘伯莹.网级路面管理系统研究[D].上海:同济大学,1992.

[3]　胡永宏,贺思辉.综合评价方法[M].北京:科学出版社,2000.

[4]　JT J072-2001.公路沥青路面养护技术规范[S].

34

第3期史丽远等:桥面与路面混凝土修补料性能和施工工艺研究