侯永生 单继雄 刘雄伟 吕军军

(河北省道路结构与材料工程技术研究中心 石家庄 500090)

我国水泥混凝土路面保有量巨大，而随着居民车辆保有量的迅猛增长、交通量的不断攀升，混凝土路面在服役过程中受到环境的侵蚀作用而逐渐劣化，出现不同程度的病害，如裂纹、麻面、坑槽、断板、错台等，造成路面使用功能下降，形成安全隐患[1]。

针对路面修复的快速修补材料目前已有较多研究，种类也较多，但均存在一些显著的缺点限制了其广泛应用。以硫铝酸盐水泥材料为例，其具有早强快凝的优点，但存在后期强度倒缩、新旧混凝土黏结强度不足的问题[2]。磷酸镁水泥具有早强快凝、黏结强度高的优点，但存在耐水性差，易强度倒缩的问题[3]。聚合物改性水泥基修补砂浆通过在水泥基材料中引入聚合物组分，可显著改善与旧水泥路面的黏结强度，提高材料的变形能力，是目前修补材料研究的主流方向[4]。

本文提到的自流平修补砂浆是一种针对水泥路面修补的聚合物改性水泥基修补材料，其具有流动性好施工便捷等优点，将其用于水泥混凝土路面罩面，可以起到恢复路面使用功能，快速开放交通的作用[5]。

目前对自流平修补砂浆的研究关于组成设计及提高界面黏结强度的较多，针对干缩方面的研究还相对不足，自流平修补砂浆应用时面临开放交通早的问题，使其难以得到充分的养护，面临较大的干缩问题。而干缩的大小直接影响到修补砂浆与基底混凝土是否黏结牢固，是否容易开裂等一系列问题。目前的干缩研究多是在温湿度较为恒定的条件下进行的，难以反映实际服役状态下的收缩行为。因此，本文研究在自然环境下，直接暴露或覆膜时，材料组成对自流平砂浆干缩行为的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验所用水泥为P·O 52.5水泥，28 d抗折强度8.2 MPa，抗压强度55.2 MPa；硅灰为92级，平均粒径13 μm；膨胀剂为UEA型膨胀剂。可再分散乳胶粉为德国瓦克生产的8034型乳胶粉；减水剂为粉体聚羧酸减水剂。河砂细度模数为2.4，含泥量1.1%。

为研究膨胀剂掺量对干收缩的影响，设置其掺量(质量分数，下同)为5%，10%；提高自流平修补砂浆的早期和后期强度，掺入5%的硅灰；研究可再分散乳胶粉掺量对修补砂浆干燥收缩的影响，其掺量设置为1%，2%。具体试验配合比设计见表1。控制用水量不变，通过适度调整减水剂用量使各砂浆流动扩展度在220～230 mm。

表1 自流平砂浆配合比 kg/m3

1.2 试验方法

砂浆制备过程参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》进行，先将水加入，接着加入称量好的粉料，开始搅拌。低速搅拌30 s后在第二个30 s内将称量好的河砂均匀加入搅拌锅内，再高速搅拌30 s，停拌90 s后再高速搅拌60 s后结束；成型及测试参照JGJ/T 70-2009 《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行。各编号分别成型2组试件，成型后置于(20±2)℃、相对湿度≥95%的环境中带模养护，1 d后脱模。

为研究自然养护时覆膜条件下修补砂浆的体积变形行为，脱模后一组不做处理，另一组表面覆盖塑料薄膜以延缓水分散失，将2组试件置于 (25 ± 5) ℃、相对湿度(50 ± 15)%的自然环境下养护，每天固定时间记录1次数据。

2 结果与讨论

2.1 自然养护条件下试件体积变化

空白样(第1组)、掺5%膨胀剂(第2组)、掺5%硅灰(第4组)、掺5%膨胀剂+1%可再分散乳胶粉(第6组)自流平砂浆在自然养护条件下的体积变化见图1。

图1 自然养护条件下自流平砂浆干缩测试(一)

由图1可见，自流平砂浆的干缩在前2 d增长迅速，之后收缩速率逐渐下降，14 d时接近稳定。掺入硅灰后，1 d干缩值有所增大，14 d干缩值略小于空白样。分析造成这种现象的原因为掺入硅灰后促进了水泥浆体的早期水化，使得试件的早期自干燥收缩增大[6]。同时掺入硅灰可以细化孔径，有助于减少试件因环境失水产生的收缩。而从试验结果来看，掺入5%膨胀剂，砂浆的干缩率与空白样比较接近，分析产生这种现象的原因为膨胀剂的补偿收缩效果与膨胀剂水化消耗水分产生的收缩近似抵消所致。

通过比较图1中第2组与第6组试件可知，复掺可再分散乳胶粉后干缩值略有增大。分析认为掺入可再分散乳胶粉后试件受三方面综合作用：①试件的抗压弹性模量减小，抵御变形的能力下降，失水时产生更大的收缩；②可再分散乳胶粉具有减水作用，在水胶比不变的情况下使得自由水增多，导致干缩增大；③可再分散乳胶粉具有成膜保水作用，可抑制部分水分散失，使干缩减少。在这三者的共同作用下，最终表现为收缩增大。

空白样、掺入10%膨胀剂(第3组)、10%膨胀剂+5%硅灰(第5组)、10%膨胀剂+5%硅灰+2%可再分散乳胶粉(第7组)在自然条件下养护下试件的体积变化情况见图2。

图2 自然养护条件下自流平砂浆干缩测试(二)

由图2可见，掺入10%的膨胀剂后，砂浆1 d发生明显的膨胀，之后又迅速回落，早期干缩速率明显增大，14 d的干燥收缩明显大于空白样。分析造成这种现象的原因为，①膨胀剂掺入后增大的砂浆的孔隙率，使收缩应力增大；②膨胀剂的水化造成砂浆内部自收缩加剧。

通过比较可以看出，当硅灰与10%膨胀剂同复掺时，砂浆1 d时膨胀量明显减小，显示掺入硅灰对膨胀剂的膨胀存在明显的抑制作用。后期干缩值较单独掺入膨胀剂小，显示掺入硅灰有助于提高砂浆的体积稳定性。分析产生这种现象的原因为，对于掺膨胀剂的砂浆试件，硅灰水化消耗大量的Ca(OH)2，而UEA膨胀剂水化生成钙矾石亦需要与Ca(OH)2反应才能进行，同时硅灰还提高试件的强度，因此对膨胀剂的膨胀效果起到了抑制作用。

而通过比较图2中第5组与第7组测试结果发现，掺入2%乳胶粉后，砂浆早期发生明显的膨胀，膨胀量略小于单掺10%膨胀剂而明显大于同时掺入膨胀剂和硅灰。分析认为产生这种现象的原因为，①可再分散乳胶粉具有一定的缓凝作用，有助于延长膨胀剂的有效窗口期[7]；②可再分散乳胶粉的减水和成膜保水作用，为膨胀剂的水化提供更多水分并可减少水分散失，使膨胀剂的效果更有效地发挥。

2.2 覆膜条件下的试件体积变化

覆膜条件下，空白样、掺5%膨胀剂、掺5%硅灰、掺5%膨胀剂+1%可再分散乳胶粉自流平砂浆的体积变化见图3。

图3 覆膜条件下自流平砂浆干缩测试(一)

由图3可见，单掺5%的膨胀剂和单掺5%的硅灰在覆膜条件下，干缩值明显小于空白样，同时复掺膨胀剂和乳胶粉后，干缩值较单掺膨胀剂有所增大。分析认为覆膜后降低了试件的干燥失水速率，使得试件早期强度发展时，收缩较小。当失水逐渐增加时，试件的强度已有明显发展，抵御变形的能力增强，使收缩减小。

在覆膜养护下，空白样、掺入10%膨胀剂、掺10%膨胀剂+5%硅灰、掺10%膨胀剂+5%硅灰+2%可再分散乳胶粉试件的体积变化情况见图4。

图4 覆膜条件下自流平砂浆干缩测试(二)

由图4可见，在覆膜养护下，掺有10%膨胀剂的第3，5，7组试件的早期膨胀值均比自然养护有所增大。分析原因应是早期水分散失的减少，使得早期有更多的水分保障膨胀剂的水化，使得膨胀增大；水分散失减少亦使得毛细孔的收缩应力减少，综合作用下表现为早期膨胀增大。与自然养护有明显不同的是，上述3组试件的14 d干缩值明显小于同条件养护的空白试件，显示在覆膜条件下，掺入膨胀剂可以起到较好的补偿收缩作用。

与自然养护相类似的是，复掺膨胀剂和硅灰与单掺膨胀剂相比，早期膨胀和14 d的干燥收缩均有所减少，显示掺入硅灰对膨胀剂的膨胀存在抑制作用。

该研究结果显示，覆膜养护对自流平修补砂浆的干燥收缩有显著影响，在京张高速服务区铺筑试验段后，经观察未发现明显开裂现象，为该材料的后续工程推广奠定了基础。

3 结论

1) 自然养护条件下，试件的早期干缩迅速增大，7 d后趋于稳定。掺入10% UEA膨胀剂早期膨胀后，干缩迅速增大，14 d干缩值明显大于空白样，起不到补偿收缩效果。

2) 硅灰对UEA膨胀剂的膨胀效果有明显的抑制作用。

3) 在掺入可再分散乳胶粉后，试件的干缩有所增大，有助于膨胀剂膨胀效果的发挥。

4) 在覆膜条件下，掺入膨胀剂可以起到较好的补偿收缩作用。