沥青路面半刚性基层快速修复材料研究.pdf

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1、第 10 卷第 5 期2007年 10 月建 筑 材 料 学 报JOURNAL OF BUILDING M AT ERIALS Vol.10,No.5Oct.,2007收稿日期:2006-09-18;修订日期:2007-04-09作者简介:马一平(1960-),男,回族,山东济宁人,同济大学教授,博士生导师,博士.文章编号:1007-9629(2007)05-0553-04沥青路面半刚性基层快速修复材料研究马一平1,谈至明2,陶宇奋3,郁忠斌3(1.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室,上海 200092;2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室,上海 200092;3.上海市浦东新

2、区公路管理署,上海 201200)摘要:采用快凝快硬硫铝酸盐水泥和特种添加剂研制出沥青路面半刚性基层混凝土修复材料.研究结果表明:该材料在 30 min 左右凝结硬化,4 5 h 左右抗折强度达 1.0 MPa以上、抗压强度达 10 MPa 以上;该材料与老的沥青路面半刚性基层材料粘结良好,并具有一定的微膨胀性能;该材料在试验路修复施工中可满足沥青路面半刚性基层快速修复的要求.关键词:快凝;快硬;快速修复材料;半刚性基层;沥青路面;硫铝酸盐水泥中图分类号:U414.1+8 文献标识码:AResearch on Rapid Repairing Material for Semirigid Bas

3、eof Asphalt RoadMA Yi-ping1,T A N Zhi-ming2,T AO Yu-f en3,YU Zhong-bin3(1.Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Key Laboratory of Road and T raffic Engineering of Ministry of Education,TongjiUniversity,Shanghai 20009

4、2,China;3.Shanghai Pudong New Area Road Administrative Department,Shanghai 201200,China)Abstract:Concrete repairing material for semirigid base of high-grade asphalt road with heavytraffic was prepared by use of rapid-setting and rapid-hardening surphoaluminate cement and spe-cial additives.The test

5、 results show that it can set and harden after about 30 min,and within4 5 h,its flexural and compressive strength can reach more than 1.0 MPa and 10 MPa respec-tively.T he bond between the material and the old semirigid base is quite high.The material canexpand a little during its hardening process.

6、The in-site rapid-repairing of semirigid base with thematerial achieves a success,which means the material can meet the needs of rapid-repairing ofsemirigid base.Key words:rapid-setting;rapid-hardening;rapid-repairing material;semirigid base;asphaltroad;surphoaluminate cement 我国高等级公路路面有近一半采用半刚性基层沥青路

7、面.目前(沥青路面)半刚性基层裂缝形成的机制及防治措施已有一些研究 1 6,而对半刚性基层损坏维修普遍采用经验型作业方式,需要较长的封闭养生时间,对交通干扰较大.随着交通量快速增长,交通需求与落后维修技术之间的矛盾正日益突出,因此,进行高等级、重交通半刚性基层快速维修技术的研究非常必要.1 实验1.1 实验原材料 水泥选用 42.5 快凝快硬硫铝酸盐水泥,细集料采用中砂和标准砂,粗集料采用 5 25 mm 和5 40 mm 碎石,减水剂采用普通高效减水剂 SN-,拌和水为自来水.添加剂有聚丙烯纤维、硼酸钠、石膏、甲基纤维素醚等,其中聚丙烯纤维起减少修复材料塑性收缩开裂作用,硼酸钠起调节修复材料

8、凝结时间作用,石膏起调节修复材料微膨胀作用,甲基纤维素醚起调节修复材料粘聚作用.1.2 实验方法 水泥凝结时间测定参照 GB 1346)2001 进行;胶砂抗折强度测定参照 GB 177)85 进行;混凝土坍落度测定参照 GB/T 50080)2002 进行;混凝土抗折、抗压强度测定参照 GB/T 50081)2002进行;水泥膨胀率测定参照 JC/T 313)1996 进行.快速修复材料与老的半刚性基层材料之间的粘结强度以抗折强度表征.半刚性基层材料取自实际沥青路面.由于该路面采用的是小三渣材料,骨料最大粒径为 31.5mm,并且现场难以取得大量大块半刚性基层材料,故作者采用相对量多的小块半

9、刚性基层材料并将之切割成一定数量的尺寸分别为 40 mm 40 mm 160 mm,40 mm 40 mm 80 mm 和 100mm 100 mm 200 mm 的试件.对 40 mm 40 mm 160 mm 半刚性基层材料进行抗折强度实验.将抗折强度实验后断裂成的半块试件及原切割出的 40 mm 40 mm 80 mm 试块装入 40 mm 40 mm 160 mm 模具中.按照一定配比配制水泥砂浆修复材料,浇入模具中制成尺寸为 40 mm 40 mm 160 mm 的水泥砂浆粘结试件,然后对之进行不同龄期粘结性能的研究.以上述相同方法制成粗集料为5 25 mm 碎石、尺寸为 100 m

10、m 100 mm 400 mm 的混凝土粘结试件,然后进行不同龄期粘结性能的研究.成型水泥砂浆和混凝土修复材料试件,尺寸分别为 40 mm 40 mm 160 mm 和 100 mm 100 mm 400 mm,然后进行抗折强度测试.2 实验结果及分析讨论2.1 快速修复材料选择 高等级、重交通公路半刚性基层进行快速修复时,实际封路修复操作时间约为 6 8 h,并且修复后要求能够立即通车,故半刚性基层修复材料必须具备快速凝结硬化且早期强度发展快等特点,即其 1 2 h 抗折强度达到 0.5 MPa 左右、抗压强度达到 5.0 MPa 左右,4 5 h 抗折强度达到 1.0MPa 左右、抗压强度

11、达到 10.0 MPa 左右,同时还应具备一定的微膨胀性能,从而能与老的半刚性基层材料粘结牢固,避免出现沥青路面反射裂缝.普通硅酸盐水泥凝结时间慢,早期强度低,达不到本研究强度发展要求,所以选择了具有快凝快硬性能的硫铝酸盐水泥.快凝快硬硫铝酸盐水泥的凝结时间、强度发展测试结果见表 1.由表 1 可见,所选用的快凝快硬硫铝酸盐水泥可满足半刚性基层的快速修复要求.表 1 快凝快硬硫铝酸盐水泥的凝结时间与强度Table 1 Setting time and strength of rapid-setting and rapid-hardening sulphoaluminate cementInit

12、ial settingtime/minFinal settingtime/minFlexural strength/MPa30 min1 h2 h24 hCompressive strength/MPa30 min1 h2 h24 h4 5100.622.433.515.133.19.215.226.4 进一步采用该快凝快硬硫铝酸盐水泥、普通砂石及特种添加材料进行了混凝土修复材料的研究,最终按 m(水泥)Bm(砂)Bm(石)Bm(水)Bm(特种添加剂)=1B2B3B0.5 B0.0575 配制出554建 筑 材 料 学 报第 10 卷 混凝土修复材料,其物理性能测试结果见 2.表 2 混凝土修

13、复材料的物理性能Table 2 Physical properties of concrete repairing materialSlump/mmFlex ural strength/MPa2 h4 h8 h1 d7 d28 dCompressive strength/MPa2 h4 h8 h1 d7 d28 d400.92.23.85.37.89.06.210.325.334.341.245.9 由表 2 可见,所配制混凝土修复材料的早期抗折、抗压强度可以满足半刚性基层快速修复要求,而且其后期强度继续发展,不会出现强度倒缩.混凝土修复材料的后期抗压强度达到 C40 以上,弹性模量较大,有可

14、能造成条状修复半刚性基层的横向裂断,因此,在实际应用时需验算混凝土修复材料的抗弯拉强度是否大于车辆荷载和温度等环境条件变化所产生的温度应力.条状修复半刚性基层荷载与温度应力计算在另文论述.鉴于半刚性基层材料之上要热铺沥青面层的实际情况,将平行成型的标养 2 h 的混凝土试件放入温度约 160 e 的烘箱内,2 h 后取出并测得其抗压强度为 36.0 MPa,高于标养 4 h 试件的抗压强度,说明该材料不会出现遇热强度倒缩现象,可满足其上部热铺沥青面层的要求.2.2 粘结试件抗折强度测定 粘结试件抗折强度测定结果见表 3.表 3 粘结试件的抗折强度Table 3 Flexural strengt

15、h of bonding specimensMPaAge/hCement mortarbonding specimen(40 mm 40 mm160 mm)Cement mortarrepairing material(40 mm 40 mm160 mm)Concrete bondingspecimen(100 mm 100 mm400 mm)Concrete repairing material(100 mm 100 mm 400 mm)42.602.36)484.104.135.455.25图 1 混凝土粘结试件断裂情况Fig.1 Crack on concrete bonding spe

16、cimen 由表 3 结果和对试件表面的观察可知:(1)4 h 水泥砂浆粘结试件抗折强度为 2.60 MPa,而同龄期水泥砂浆修复材料抗折强度的平均值为 2.36 MPa,且所有水泥砂浆粘结试件断裂面均位于修复材料一侧.考虑到 40 mm 40 mm 160 mm 半刚性基层自身抗折强度为 4.32MPa,这一结果说明水泥砂浆修复材料与半刚性基层粘结良好;(2)48 h 水泥砂浆粘结试件抗折强度为 4.10MPa,而同龄期水泥砂浆修复材料抗折强度的平均值为4.13 MPa,且部分水泥砂浆粘结试件断裂面位于粘结面处,部分试件断裂面位于修复材料一侧,同样可以说明水泥砂浆修复材料与半刚性基层材料粘结

17、良好;(3)100mm 100 mm 400mm 混凝土粘结试件 48 h 抗折强度同样大于混凝土修复材料,且断裂面位于修复材料一侧(见图 1),即说明混凝土修复材料与半刚性基层粘结良好.2.3 修复材料膨胀率测定 按照水泥膨胀胀率实验方法进行修复材料膨胀率实验,结果见表 4,其中 1#为快凝快硬硫铝酸盐纯水泥试件;2#为快凝快硬硫铝酸盐水泥外掺一定数量的特种添加剂试件;3#为快凝快硬硫铝酸盐水泥与中砂以 1 B3 质量配比,外加一定数量的特种添加剂试件.由表 4 可见:纯水泥试件(1#)膨胀率约为 0.15%;在纯水泥中掺加一定数量的特种添加剂,则水泥试件(2#)的膨胀率可提高一倍以上;砂浆

18、试件(3#)膨胀率约为 0.24%,预计对于灰集比为 1 B5(质量比)的快速修复材料555 第 5 期马一平,等:沥青路面半刚性基层快速修复材料研究 而言,膨胀率可在 0.15%左右,即该材料在长期使用中不仅不产生自身收缩,还可产生约 1 50010-6的微膨胀.由于该微膨胀足以抵消试件自身在一定温度范围内的温缩变形(快速修复材料的热膨胀系数约为 15 10-6 16 10-6e-1),保证修复材料与老的半刚性基层材料良好粘结并保持共同受力状态,从而不会因修复材料后期强度比半刚性基层材料高而出现沥青路面反射裂缝.表 4 快速修复材料膨胀率实验结果Table 4 Test results of

19、 expansion ratio of rapid repairing material%No.2 h4 h24 h7 d28 d90 d1#00.120.120.140.150.152#00.360.400.410.420.423#00.200.220.230.240.242.4 半刚性基层快速修复现场实验 2006 年 4 月 14 日 9 时在上海市浦东新区 A1 公路进行了半刚性基层现场修复实验,实验中采用自行配制的砂浆干粉料.按 m(砂浆干粉料)Bm(5 40 mm 碎石)Bm(水)=1 B1 B0.5 配比配制混凝土修复材料,然后用自落式搅拌机搅拌 1 2 min.自混凝土修复材料

20、加水开始至被填充至开挖部位,时间控制在 5 10 min,其间混凝土修复材料流动正常,可用普通振捣棒振捣密实,而其它施工工序则与普通混凝土一样.大约 2 h 后在半刚性基层修复材料上热铺沥青混凝土面层材料,至下午近 3 时道路恢复通行.整个修复过程用时近 6 h,且修补至今 8 个多月,路况完好.3 结论 采用快凝快硬硫铝酸盐水泥和特种添加剂配制的半刚性基层混凝土修复材料可在 30 min 左右凝结硬化,在 4 5 h 时抗折强度达 1.0 MPa 以上、抗压强度达 10 MPa 以上.该材料与老的半刚性基层材料粘结良好,并具有一定的微膨胀性能,可满足现场半刚性基层快速修复的要求.参考文献:1

21、 母文彦.浅谈半刚性基层沥青路面开裂原因及防治措施 J.科技情报开发与经济,2005,15(20):248,249.2 李 艳.公路半刚性基层裂缝及其防治办法的研究 J.粉煤灰,2005,(5):25-27.3 李小重.少洛高速公路半刚性基层裂缝处理及防治 J.中外公路,2005,25(3):47-49.4 李思水,汪为奇.沥青混凝土路面半刚性基层层底裂缝断裂力学分析 J.公路,2005,(6):70-75.5 光同文.半刚性基层温缩裂缝控制措施的研究 J.合肥工业大学学报(自然科学版),2003,26(1):127-132.6 武玉华,贾月坤,仲华惟.半刚性基层裂缝分析 J.山东交通科技,2002,(4):40,79.556建 筑 材 料 学 报第 10 卷