混凝土路面裂缝修补聚合物改性灌浆料制备研究

摘 要：混凝土质量不确定性及地基不均匀会导致混凝土路面使用初期产生裂缝，文章为研究适合路面应用裂缝修补的聚合物改性水泥基灌浆料，做了配合比优化试验研究。试验结果表明：（1）石英砂取代率提高，初始和30 min流动度均逐渐减小，三个龄期抗压强度先增大后减小，确定试验取代率100%。（2）PVA纤维掺量增加，初始和30 min流动度均逐渐减小，各龄期抗压强度先增大后减小，掺量0.015%时28 d抗压强度达到最大值68.91 MPa；拉伸黏结强度先增大后减小，确定最佳掺量0.015%。（3）乳胶粉掺量由0.6%增加到1.4%，初始和30 min流动度均逐渐减小，拉伸黏结强度先增大后减小，掺量1.4%达到最大5.0 MPa，增大1.36 MPa，确定最佳掺量1.2%。（4）最佳配合比复配灌浆料初始流动度达到320 mm，拉伸黏结确定达到5.0 MPa。

关键词：混凝土路面;裂缝修补;水泥基灌浆料;流动度;抗压强度;拉伸黏结强度;

作者简介：纪海涛（1982—）,男,本科,工程师,研究方向：路桥工程。;

随着建设施工的发展，道路建设中混凝土路面占比逐渐增大。相比沥青路面，混凝土路面由于整体性较高，存在易开裂的特性。在实际混凝土路面施工中，路基的夯实不够、混凝土质量等级把控不严格等均是造成混凝土路面开裂的重要因素。在出现混凝土路面开裂后多采用聚合物修补砂浆和细石混凝土两种方式进行修缮，但是会存在聚合物修补砂浆成本过高、细石混凝土流动性低、拌和物粒径粗等缺陷，已经不太符合高施工效率和绿色施工等趋势。因此该文针对混凝土路面修补，研究一种应用于混凝土路面裂缝修补的聚合物改性灌浆料。

近年来，路面修补工程已经成为一项重要的施工工程，路面修补材料的研究也取得了相关成果。王娜[1]做了水泥基路面修补材料的试验研究，以快硬铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥为基础，加入适量膨胀剂和减水剂，配制出凝结时间为187 min、24 h抗折强度7.0 MPa和抗压强度24 MPa的路面水泥基修补材料。孙长江[2]研究了超细水泥灌浆料在混凝土路面裂缝修补中的应用，研究得出超细灌浆料在路面裂缝修补中的应用优势。刘兰[3]对水泥混凝土路面修补材料做了综述研究。该文试验研究以普通水泥基灌浆料为基础，通过石英砂取代河砂试验研究对灌浆料性能影响，通过PVA纤维单掺试验研究对性能的影响，通过乳胶粉单掺试验研究对灌浆料性能改善，通过纤维素单掺试验研究对性能的影响。试验研究为灌浆料在混凝土路面裂缝修补中的应用提供了理论参考。

(1）胶凝材料：水泥——P.Ⅰ52.5硅酸盐水泥；粉煤灰——Ⅰ级灰；硅灰——活性二氧化硅；石膏——天然无水石膏。

(2）骨料：石英砂Ⅰ——20～40目；石英砂Ⅱ——40～70目；石英砂Ⅲ——70～120目；人工砂——连续粒级石灰岩破碎人工砂。

(3）减水剂——聚羧酸减水剂粉末；乳胶粉——可再分散乳胶粉粉末；消泡剂——聚醚消泡剂粉末；膨胀剂——塑性膨胀剂。

(4）纤维：聚乙烯醇纤维（简称PVA），长度15 mm。

(5）水：自来水。

该试验所用设备：行星式水泥胶砂搅拌机、数显万能试验机、数显电子抗折试验机、红外双通道竖向膨胀率测试仪、数显电子天平、流动度测试截锥、500 mm×500 mm光滑玻璃板和500 mm钢尺。

混凝土路面裂缝修补聚合物改性灌浆料制备研究按照标准：《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T50048—2015）、《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）。

(1）灌浆料搅拌：在标准试验室中将胶凝材料、骨料和外加剂混合均匀，投入水泥胶砂搅拌机，加入拌和用水开启自动搅拌制得灌浆料拌合物。

(2）抗压强度试件制备：将拌合灌浆料均匀倒入尺寸40 mm×40 mm×160 mm三联钢试模中制得试件。

(3）拉伸黏结强度试件制备：试验成型水泥砂浆试块表面浇注厚度为10 mm的灌浆料，24 h脱模，置于标准试验条件下养护，之后将拉拔夹具头通过环氧树脂黏结到灌浆料表面，得到测定试件。

(4）试件养护：试模经过24 h拆模，将拆模后的试件放置到标准养护室中水箱内养护至试验测定龄期。

结合混凝土路面裂缝用灌浆料特性，需要求修补灌浆料具有黏结力强、流动度高、光滑度高等特点。根据修补特性，应保证修补的灌浆料的抗压强度等级不低于混凝土路面的抗压强度等级。该研究针对C40～C60混凝土路面裂缝修补，研究C60型聚合物改性灌浆料。

探索性试验得出一普通型修补加固抗压强度等级为C60的水泥基灌浆料基础配合比[4]，配合比见表1。

该文试验研究以C60普通水泥基灌浆料基础配合比为基础，做相关配合比及应用试验研究。结合修补用灌浆料对细度的要求，通过石英砂取代河砂试验，单掺复掺纤维素、乳胶粉和纤维等研究适应混凝土路面裂缝修补的高细度和高流动度聚合物改性灌浆料。

表1 C60水泥基灌浆料配合比/% 下载原图

注：水泥、矿物掺合料、砂占比均为占这些材料总质量百分比；水、外加剂占比为占水泥、矿物掺合料、砂总质量的百分比；石英砂为三种石英砂质量比，即石英砂Ⅰ∶石英砂Ⅱ∶石英砂Ⅲ=1∶1∶1。

该文研究的灌浆料为混凝土路面修补用灌浆料。普通的灌浆料由于含有河砂、机制砂等，拌和物较粗，对于细微裂缝的灌浆能力较差。因此该文考虑采用石英砂替代部分或全部河砂，以改善灌浆料拌和物细度，使其更有利于裂缝修补灌浆料。石英砂取代河砂试验配合比见表2，相关性能测定试验图见图1，试验结果见图2。

表2 石英砂取代河砂试验配合比/% 下载原图

注：表格中未列出外加剂和水，同表1。

图1 性能测定试验图 下载原图

根据图2可得：随着石英砂取代率提高，灌浆料初始流动度、30 min流动度均逐渐减小。取代率100%时，灌浆料初始及30 min流动度分别为310 mm、282 mm，较0%取代率分别降低20 mm、18 mm。说明石英砂取代率增加，灌浆料流动度降低，是由于石英砂含水率为0%，河砂含水，石英砂取代河砂会使体系中水分减少，降低了体系的流动度。同时，随着石英砂取代率提高，灌浆料三个龄期的抗压强度大致呈现先增大后减小的趋势，当取代率75%时，各强度达到最高值，同时取代率100%时，灌浆料1 d、3 d和28 d抗压强度均较0%取代率分别提高1.6 MPa、1.2 MPa和2.8 MPa。这说明，石英砂取代河砂会使灌浆料的强度提高，分析原因可能是石英砂粒径均匀，密实填充效果好，加上河砂为天然水冲洗得到，质量级别无法保证，在体系中其硬度较低[5]。

图2 石英砂取代河砂试验结果 下载原图

结合石英砂取代率试验研究，得出石英砂取代率100%时，灌浆料流动度有所降低，但是抗压强度有提高。因此考虑采用100%石英砂取代率作为试验用取代率，同时在100%取代率基础上提高减水剂掺量至0.11%做后续试验。

2.1研究了石英砂取代河砂对灌浆料流动度及抗压强度的影响，并确定出取代比例。上述研究基础上，该部分研究修补灌浆料复配的另一种材料PVA纤维掺加到灌浆料体系中对灌浆料性能的影响。PVA纤维掺量试验配合比见表3，试验结果见图3。

表3 PVA纤维掺量试验配合比/% 下载原图

注：PVA纤维掺量为占水泥、矿物掺合料、砂总质量百分比。

根据图3可得：PVA纤维对灌浆料性能产生较大影响。随着PVA纤维掺量增加，灌浆料初始流动度、30 min流动度均逐渐减小。这是由于纤维掺加到灌浆料中会增强水泥浆体与骨料（石英砂）的结合程度，提高黏结力，降低灌浆料流动度。随着PVA纤维掺量增加，灌浆料各龄期抗压强度呈现先增大后减小的趋势，在掺量0.015%时28 d抗压强度达到最大值68.91 MPa。随着PVA纤维掺量增加，灌浆料拉伸黏结强度先增大后减小，但是增加幅度很小，掺量0.015%时达到最大值3.64 MPa，提高幅度0.14 MPa。

PVA纤维掺加到体系中会使浆体与骨料的联结更加致密，形成致密的网状结构，促进灌浆料强度提高[6]。同时，掺加PVA纤维会使灌浆料的整体性更好，拉伸黏结强度会有小幅度提高。考虑到PVA纤维对灌浆料流动度、抗压强度、拉伸黏结强度的影响，确定最佳掺量为0.015%。

上述研究了PVA纤维对灌浆料性能影响。在上述研究基础上，该部分研究应用于灌浆料中改善黏结性的外加剂乳胶粉掺加对灌浆料性能影响。乳胶粉掺量试验配合比见表4，试验结果见图4。

根据图4可得：乳胶粉掺加到灌浆料体系中，对灌浆料流动度、拉伸黏结强度产生重要影响。掺量由0.6%增加到1.4%，初始、30 min流动度均逐渐减小，且根据拌合物状态得到灌浆料黏度逐渐增大。掺量由0.6%增加至1.4%，拉伸黏结强度先增大后减小，掺量1.4%时拉伸黏结强度值达到最大5.0 MPa，增大1.36 MPa。分析原因：乳胶粉是一种水溶性粉体黏合剂，遇水能够再分散成悬浊乳液，能够提高灌浆料柔性，极大改善灌浆料的黏合性，提高黏接强度、抗折强度和密实胶结度[7]。裂缝修补要求灌浆料黏结力较高，结合流动度和拉伸黏结强度确定最佳乳胶粉最佳掺量为1.2%。

图3 PVA纤维试验结果 下载原图

表4 乳胶粉掺量试验配合比/% 下载原图

注：乳胶粉掺量为占水泥、矿物掺合料、砂总质量百分比。

综合以上所有试验研究得到混凝土路面裂缝修补聚合物改性灌浆料最佳配合比见表5。经性能测定得出该灌浆料初始流动度达到320 mm,30 min流动度达到300 mm,28 d抗压强度超过68.5 MPa，拉伸黏结强度达到5 MPa。

该文针对混凝土路面裂缝的工况，研究混凝土路面裂缝修补聚合物改性灌浆料，通过试验研究得出结论：

(1）石英砂取代率提高，灌浆料初始流动度、30 min流动度均逐渐减小。灌浆料三个龄期的抗压强度大致呈现先增大后减小的趋势，当取代率75%时，各强度达到最高值，同时取代率100%时，灌浆料1 d、3 d、28 d抗压强度均较0%取代率分别提高1.6 MPa、1.2 MPa、2.8 MPa。试验确定100%石英砂取代率作为试验用取代率，同时在100%取代率基础上提高减水剂掺量至0.11%。

(2)PVA纤维掺量增加，灌浆料初始流动度和30 min流动度均逐渐减小；灌浆料各龄期抗压强度呈现先增大后减小的趋势，在掺量0.015%时28 d抗压强度达到最大值68.91 MPa；灌浆料拉伸黏结强度先增大后减小，但是增加幅度很小，掺量0.015%时达到最大值3.64 MPa，提高幅度0.14 MPa。试验确定最佳掺量为0.015%。

(3）乳胶粉掺量由0.6%增加到1.4%，初始、30 min流动度均逐渐减小；掺量由0.6%增加至1.4%，拉伸黏结强度先增大后减小，掺量1.4%时拉伸黏结强度值达到最大5.0 MPa，增大1.36 MPa。试验确定最佳乳胶粉掺量为1.2%。

图4 乳胶粉试验结果 下载原图

(4）混凝土路面裂缝修补聚合物改性灌浆料最佳配合比性能测定，灌浆料初始流动度达到320 mm,30 min流动度达到300 mm,28 d抗压强度超过68.5 MPa，拉伸黏结强度达到5 MPa。

表5 混凝土路面裂缝修补聚合物改性灌浆料配合比/% 下载原图

[1] 王娜.水泥基路面修补材料的试验研究[J].铁道建筑技术, 2022(6):82-86.

[2] 孙长江.超细水泥灌浆料在混凝土路面裂缝修补中的应用[J].石河子科技, 2009(3):41-42.

[3] 刘兰.水泥混凝土路面修补材料研究综述[J].江西建材, 2019(8):4-5.

[4] 蒋涛,廖开星,潘从玲,等.高性能水泥基灌浆料的制备及研究[J].混凝土与水泥制品, 2021(12):6-11.

[5] 孙小巍,何苗,礼航,等.钢渣砂、石英砂混合骨料级配对水泥灌浆料性能影响的研究[J].混凝土, 2019(3):82-85.

[6] 朱方之,施云,高立.聚乙烯醇纤维对水泥基灌浆料性能的影响[J].江苏建筑, 2020(1):106-109.

[7] 杨辉,吴文选,叶显,等.高流态超早强聚合物修补砂浆的性能研究[J].新型建筑材料, 2020(5):42-45.

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