袁 野

(西藏自治区交通工程质量安全监督局，西藏 拉萨 850000)

截至2018年年末，我国公路建设里程已达到484.65万 km[1]，路面铺装里程大幅提升。虽然我国高速公路里程与水泥混凝土路面里程均达到世界第一，但我国高速公路中水泥混凝土铺装所占比例越来越少，比例不足10%。

水泥混凝土路面存在其独特的优势，主要体现为：1)资源优势，我国年产水泥20亿t[2]，与进口沥青形成鲜明对比；2)投资优势，路面面层水泥路面造价仅为沥青路面的1/2～2/3[3,4]；3)长寿命优势，水泥路面使用寿命较沥青路面长一倍；4)低碳环保优势，水泥路面施工常温拌和和常温铺筑，无碳排放。但在实际使用过程中，水泥路面通常在使用2年～3年后就会出现不同程度的开裂[5]，常规的修复成本高，养生时间长[6]，修复期间对正常交通干扰严重，极大的限制了水泥混凝土路面的应用。

本文在水泥混凝土中添加了两种聚合物改性剂，通过正交试验确定了两种聚合物改性剂A和B的最佳掺量，达到了提高混凝土初期强度的目的，同时也能满足工作性要求，从而达到快速修复开放交通的目的。

1 试验材料

本文所研究快速修复混凝土所用原材料为水泥、外加改性剂(聚合物改性剂A和B)、粗集料、细集料、水。假定混凝土的密度为2 450 kg/m3，依据JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程计算得到混凝土基准配合比C(胶结材料)∶W(水)∶S(细集料)∶G(粗集料)=400∶160∶857.5∶1 247.4。

在上述基准配合比计算基础上，采用正交试验对快速修复混凝土外加改性剂掺量进行试验分析，以混凝土的抗压强度为评价指标，抗压试验参照GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准和GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准进行。

2 试验方法

混凝土的制备与养护。

将按照设计配合比计算得到的各种原材料进行称量，并按照规范试验方法进行混合料拌和及混凝土试件制作养护。

达到养护要求的试件宜在20 min内完成试验，避免试件受外界环境的影响。试验前应清除受压面与加压板间的砂粒或者杂物，以2 400 N/s±200 N/s 的速率均匀加载直至试件破坏，记下破坏荷载。试件抗压强度计算公式见式(1)：

(1)

其中，fc为抗压强度，MPa;P为破坏荷载，N；S为受压面积,mm2。

三个试样的测试结果取平均值作为试验结果，试验结果精确到0.1 MPa。测试结果有一个与平均值之差超过平均值的±10%，则取另外两个试样测试结果取平均值；若测试结果中有两个试验结果与平均值之差超过平均值的±10%，则重做试验。

3 正交试验

3.1 正交试验设计

正交试验设计是一种常用的设计方法，主要研究的是多因素多水平方面，它是在全面试验中利用正交性的特点，筛选出一些具有代表性的点进行试验分析，使其具有高效率、快速、经济等特点[7]。

本试验方案中的影响因子为3个：聚合物改性剂A、聚合物改性剂B、缓凝剂，每个因素选用三水平(外加剂掺量为所选外加剂占快速修复胶凝材料的质量百分比，缓凝剂掺量为缓凝剂占快速修复混凝土的质量百分比)，建立三因素三水平的L3(33)正交表(见表1，表2)。本正交试验共需进行9组无侧限抗压强度试验，每组试验分别测试不同养护龄期(3 d,7 d,28 d)试件抗压强度，每个龄期试验试件个数3个，则所需试件总数为9×3×3=81块。

表1 正交试验方案的因素水平表

表2 正交试验的实验配比方案明细表

3.2 正交试验结果分析

对标准养护条件下不同养护龄期的试件进行抗压强度试验，其试验结果如表3所示。通过对试验结果进行分析可得：方案5条件下随着试件养护龄期的增长，其抗压强度的增长较快，抗压强度值相比其他方案也较大。

表3 抗压强度试验结果表

3.3 因素水平权重验证分析

从3.2试验结果可得，方案5的抗压强度最大，则认为其对应的水平组合A2B2C3最优。但该方案在全部方案中是否最优仍需利用正交表的综合可比性来进一步分析验证。

表4 权重分析计算表

Ti(i=1，2，3)为其中某一个影响因素在第i个水平下的抗压强度总和;ti为在第i个水平下的抗压强度平均值，即ti=Ti/4；R为某一因素影响下抗压强度最大值与最小值之差，R越大，表明该因素对混凝土抗压强度的影响越大。从表4可以看出，RA大于RB，RB远大于RC，说明聚合物改性剂A对混凝土抗压强度的影响最大，聚合物改性剂B次之，缓凝剂C影响最小。

3.4 配合比优化组

分析各影响因素不同水平对水泥混凝土抗压强度的影响，其分析结果如图1所示，从图1中可以看出，A,B,C三种因素分别对应的最佳水平为A2，B2，C2。

由图1可见，聚合物A为5%～10%之间，水泥土强度迅速增加，聚合物A掺量为10%～15%，对水泥土强度的影响减弱；聚合物B掺加在4%左右时，提高水泥土强度，增加聚合物B掺量反而降低对水泥土的抗压强度；缓凝剂对水泥混凝土抗压强度的影响随着掺量的增加先增加再减少，但对抗压强度影响极小。在本例中最好的水平组合是A2B2C2，它与9个试验中最好的水平组合A2B2C3(第5组试验)有所不同。通过对试验数据分析可以知道，缓凝剂的掺量对水泥土抗压强度影响极小。故最优配合比如表5所示。

表5 复合水泥混凝土抗压强度最优配合比 %

取最优配比做抗压强度试验，得到1 d,7 d,28 d抗压强度如表6所示。

表6 不同龄期最优配合比的抗压强度值

通过试验验证最优配比抗压强度值比方案5中的28 d抗压强度大，为58.3 MPa，此方案组合的外加改性剂掺量为最佳。

4 试验结果分析

试验测得快速修复混凝土的初凝时间为110 min，可以满足现场施工需要。快速修复混凝土抗折强度测试结果如表7所示。

表7 快速修复混凝土抗折强度测试结果

从表7可以看出，快速修复混凝土在成型4 h后其抗折强度已经大于4.5 MPa，满足规范中所规定的重型交通的通车条件；成型6 h后其抗折强度大于5.0 MPa，满足规范中特重交通的通车条件。

5 结语

本文通过正交试验对快速修补水泥混凝土聚合物改性剂最佳掺量进行了分析，通过试验得出聚合物改性剂A和聚合物改性剂B的掺量分别为10%和4%，此时快速修复混凝土在成型4 h后其抗折强度已经大于4.5 MPa，满足规范中所规定的重型交通的通车条件；成型6 h后其抗折强度大于5.0 MPa，满足规范中特重交通的通车条件，且混凝土的初凝时间为110 min，可以满足现场施工需要。