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水泥混凝土路面快速修补材料研制与应用

     摘要:研制了一种由有机和无机材料复合而成的水泥混凝土路面快速修补材料,该材料只需一个小时即可开放交通,且其后期性能发展稳定,具有较高的硬度和强度、耐磨性能优良、与水泥混凝土路面板粘接牢固,可用于水泥混凝土路面局部破损的快速抢修。. 
关键词:水泥混凝土路面;快速修补;不饱和聚酯树脂砂浆;局部缺陷 
     引言 
     大多数水泥混凝土路面的严重病害最初都表现为裂缝、坑槽、缺愣掉角等局部病害,这些小范围的局部病害若得不到及时、有效的修复,将导致破损范围进一步扩大、病害进一步加剧,甚至导致整板破损,造成更大的经济损失。对于路面局部缺陷的快速修复,国内还没有很好的对策,常用的水泥基材料局部修复技术不仅工艺较复杂、开放交通时间长、而且修补界面粘结性差,修补效果很不理想,而这些局部缺陷若采用整板修复技术,不仅修复工期长而且很不经济。因此为了给高等级公路交通枢纽地段减少经济损失,研制修补工艺简单可行、修补效果理想、几个小时即可开放交通的快速修补材料是目前急待解决的问题。 
      1.配方设计及原理 
      本研究是以高分子聚合物作为胶粘剂,无机粗细石英砂为骨料,配制水泥混凝土路面局部破损快速快速修补材料。此材料需要满足如下技术和施工要求: 
      ⑴ 快硬、高早强,以满足公路修补后快速开放交通的要求; 
      ⑵ 粘结力强、韧性好,修补界面粘结强度不低于旧混凝土,以保证局部修补效果; 
      ⑶ 施工快速、简单、方便,不需使用大型机具; 
      ⑷ 耐磨性高、耐久性好; 
      ⑸ 收缩小,后期性能稳定; 
      根据上述要求及修补材料使用的环境条件,在选择胶粘剂种类时应遵循如下原则: 
      ⑴ 粘度低,便于同集料均匀混合; 
      ⑵ 固化时间短,可根据使用温度的差异适当调节,固化过程中不会产生低分子物质及有害的物质,固化收缩小; 
      ⑶ 与集料粘结性好,有良好的耐水性和化学稳定性,耐老化性能好; 
      ⑷ 固化过程受现场环境条件如温度、湿度的影响要尽可能小; 
      ⑸ 在满足使用要求的前提下,尽可能采用价格低的胶粘剂。 
      根据上述要求,本研究选用UP树脂胶粘剂,UP树脂的固化机理[1]为UP树脂长链型大分子中含有的不饱和双键,在引发-促进剂作用下与苯乙烯单体产生加聚反应,发生交联,使树脂固化,此游离基加聚反应不是逐步进行的,而是在引发剂提供的游离基作用下的连锁反应,在反应过程中,各个单体依次加成到分子链的活性中心上去,使分子量迅速增加到定值,形成高聚物,因此UP凝胶速度很快,同时UP树脂还具有工艺性能优良、粘度低、粘结性好、价格低廉等一系列优点。 
      2.实验及结果 
      2.1胶粘剂的合成 
      2.1.1原材料 A型通用UP(主剂),过氧化苯甲酰BPO(引发剂)、二甲基苯胺DMA(促进剂)。 
      2.1.2 仪器 电子天平、温度计(0-300℃)、烧杯(500ml)、搅拌器、旋转粘度计、超级恒温箱。 
      2.2骨料的掺配 
      由5-10目,10-20目,20-40目,40-60目,60-100目,100-200目,325目的干燥石英砂和石英粉按级配要求掺配而成[2],含水率低于0.1%。 
      2.3 UP砂浆的配制和性能测试 
      2.3.1 UP砂浆的配制 
      首先将按级配要求掺配而成的石英骨料放进砂浆搅拌锅里搅拌均匀,然后在恒温水浴箱里配制UP胶结料,先将装有精确称量好的UP主剂的烧杯放入恒温水浴箱,等UP主剂的温度达到规定的温度时取出,加入需要用量的促进剂DMA,搅拌均匀后,倒入砂浆搅拌锅,然后边自由转动搅拌锅边将引发剂BPO加入,之至搅拌完全均匀,全过程时间一般需要控制在10min以内。 
      2.3.2 UP砂浆的性能测试和分析 
      因为UP砂浆相对于普通砂浆粘度较大,在参照普通砂浆试件的制备规范的基础上,附以人工插捣成型,采取室温下自然养护,养护至规定龄期按标准对其性能进行测试。 
      1. 早期性能测试 
      本文选取最优配方对龄期为1小时的UP砂浆的性能进行了测试,研究其是否能满足1小时即可开放交通的要求,测试结果见表1。 
      UP砂浆的早期性能 表1 
      项目 UP砂浆 通车时性能要求[3] 
      凝结时间(1)( min) 25-40 -- 
      抗折强度(Mpa) >10 >3.5 
      抗压强度(Mpa) >35 >20 
      粘结强度(Mpa)(2) >4.5 >3.5 
      收缩率(%) <0.405 -- 
      注: (1) 表示室温下的凝结时间;(2)表示UP砂浆与养护龄期为56天以上的普通砂浆试  件的粘结抗折强度; 
      从上表1可以看知: 
      ⑴ UP砂浆1小时的抗折强度、抗压强度及与老普通砂浆的粘结强度均达到了通车时最小强度标准,能满足1小时即可开放交通的要求,开放交通的时间大为缩短; 
      ⑵ 聚合物砂浆对于凝结时间的要求,我国还没有颁布相应规范,参照我国抢修水泥(超早强水泥,双快水泥)的初凝时间要求在5分钟到20分钟,并根据胶粘剂的粘度比水泥大;操作时间较水泥长, UP砂浆的初凝时间为25到40分钟,是满足实际要求的; 
      ⑶修补砂浆的收缩性能将决定修补界面处是否发生开裂,从上表1可知,UP砂浆相对与水泥混凝土材料收缩较大,但由于路面局部缺陷修补面积比较小,不会产生较大的收缩应力,且根据UP快速固化的特点,1小时开放交通时收缩变形已基本趋于稳定,同时,UP砂浆较普通砂浆极限拉伸率大,能够抵抗较大的收缩变形,因此UP砂浆的收缩性能能满足路面修补要求,不会因为和老水泥混凝土的收缩变形不一致而引起破坏。 
      2.UP砂浆各龄期性能发展规律 
      从龄期为1小时的UP砂浆的早期性能知,其1小时性能满足开放交通的要求,但其后期性能发展是否稳定,是否会发生衰减现象,且其耐磨性能能否满足路用性能,对上述疑问,本文进行了进一步的试验研究,测试结果见表2~4和图2~3。 
      UP砂浆各龄期强度 表2 
      项目 龄期 
      1h 1d 3d 7d 14d 28d 56d 
      抗压强度(Mpa) 42.3 67.4 79.8 91.2 91.6 91.4 91.5  
      抗折强度(Mpa) 12.0 17.4 17.6 23.7 24.0 24.1 24.1 
      粘结强度(1)(Mpa) 4.5 6.0 6.8 7.3 7.5 7.6 7.5 

      UP砂浆各龄期收缩性能 表3 
      项目 龄期 
      20min 40min 1h 2h 3h 1d 3d 
      收缩率(%) 0.091 0.203 0.315 0.320 0.320 0.320 0.320
 
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