第一章 绪论
1.1 研究课题的背景及意义
水泥混凝土路面具有强度高、稳定性耐久性好、施工工艺简单、养护费用少、经济效益高等优点，但是在使用过程中，由于行车荷载的反复作用以及周围环境的周期性影响，不可避免地产生破坏。若不能及时进行修复，将严重影响路用性能。在公路路面的修补期间,交通拥挤是一个普遍的大问题。许多大城市的公路交通本来已经不堪重负了,路面的修补就会造成局部甚至全部关闭交通。
早在20世纪80年代初期，一些发达国家就开始进行水泥混凝土路面快速开放交通( Quick Traffic) 方面的研究, 主要通过采用在混凝土中掺加早强型外加剂的办法, 以加快混凝土早期强度的发展。一些国家还研制出适用于水泥混凝土道面修补的快硬高早强水泥, 如: 日本的“一日水泥”; 英国的“Swiftcrete”水泥; 德国的“Draifach”水泥; 意大利的“Supercement”水泥。对破损面的罩面修补, 常用材料是沥青混凝土, 也有些国家采用钢纤维混凝土或薄层连续钢筋混凝土加铺层。这些材料各有优缺点, 适用范围不同, 通用性不强, 大多造价昂贵。
虽然目前有很多由上述这些混凝土路面的修补材料演变出来的材料，但大多存在质量欠稳定、养生时间长、开放交通迟等缺点，出现了一些不同形式和程度的损坏，严重影响了正常的交通运输，路面的正常使用，甚至危及行车安全。据2007年统计，我国拥有各个等级的水泥混凝土路面公路里程己达84.88万千米，占全部有铺装路面的68%，这些水泥混凝土路面为我国经济的发展发挥了巨大的作用。随着交通量急剧增长和车载重量的剧增，我国水泥混凝土路面的破损日益严重，不仅早期修建的水泥混凝土路面已接近其使用寿命，而且近年来新建的水泥混凝土路面在远未达到设计年限时就出现不同程度的破坏。常见的病害有断板、脱皮麻面、啃边等，目前普遍采用整板拆除法和罩面法进行修复。当混凝土病害发展到严重破损程度时，修补难度很大，采用普通水泥混凝土修补路面，尤其是城市道路，养生时间长，早期强度低，需要5～7天才能开放交通并造成交通中断，会造成巨大的经济损失，带来诸多不便。
因此，如何改变传统修补方法费时费力、养生期长、影响交通、经济损失大等问题，已成为当今水泥混凝土路面修补的首要目的，而修补材料的性能又是影响修补效果的关键，由此提出了水泥混凝土快速修补材料研究课题。混凝土路面快速修补材料在早强耐久、耐磨抗裂、施工性能和新老混凝土粘结性能等方面都有很高的要求。目前国内外研究和应用的成果大多是沿用传统的普通混凝土修补技术，或者在原有的基础上进行优化改进，没有质的飞跃和突破。特别是国内在混凝土路面快速修补材料方面的研究尚处于初级阶段，对于修补材料系统的开发和研究较少。为了尽可能减少因修补而中断的交通以及经济损失, 试验研究一种工艺简单可行、修补效果理想、快速开放交通的水泥混凝土路面快速修补材料十分必要。
综上所述，展开对混凝土路面快速修补材料的开发与研究，具有良好的社会意义和广泛的应用前景，是很有必要的。
1.2 国内外研究现状
1.2.1国内水泥混凝土路面快速修补材料的研究概况
早期，我们公路部门对破损的水泥混凝土路面进行修补时，传统方法之一是采用沥青质材料，即在水泥混凝土路面的裂缝处灌注沥青，以达到封闭裂缝的目的，或是在己损坏的混凝土表面上加铺一层沥青混凝土。这种方法只是一种应急措施，不能从根本上解决水泥混凝土路面修复的问题。主要表现为:⑴路面材料强度的不均匀，导致传荷不一致，⑵使用寿命短，⑶混凝土的颜色不一致，影响美观。若采用改性沥青材料进行修补，其修补后效果好，⑷路面平整度差，影响行车的舒适和安全并降低表面使用功能，但单价高。另一种传统方法是采用与原混凝土强度等级相当或稍高的普通混凝土来进行修补，但也存在一些问题，主要表现为:⑴普通混凝土收缩大，易使混凝土开裂，⑵新老混凝土间的粘结性能差，易使混凝土开裂，⑶普通混凝土本身的粘度差，与老混凝土的粘结效果差，⑷养生的时间长(14天及以上)，影响交通。为此国家加大了对水泥混凝土路面快速修补技术及修补材料的研究力度，各大专业院校和科研院所针对不同的水泥混凝土路面破坏特点，研制了一些典型的新型快速修补材料(或修补剂)。此外利用具有特殊功能的外加剂和矿物掺合料，采用复配技术，充分发挥多种成分的叠加效应，配制快速修补剂，并在普通混凝土砂浆基础上优化配合比，也是配制快速修补混凝土或砂浆最为简洁实用的途径之一。
江苏省建筑科学研究院成功研制了JK-4型、JK-10型、JK-24型系列混凝土快速修补剂，克服了传统修补材料的一些弊端，不仅具有快硬早强的特点，而且收缩小，新老混凝土粘结强，耐磨，耐久等特点。JK-4型、JK-10型修补材料主要的矿物成分:氟铝酸钙、硅酸钙、硫铝酸钙和少量的单晶体。JK-24型是由硫铝酸盐、优质的含硅材料和高效表面活性剂复合而成。JK-4型混凝土快速修补剂的内掺量确定为30~45%，采用525号普通硅酸盐水泥配制的JK-4型快速修补混凝土6h龄期的抗折强度可达3.89Mpa，抗压强度可达34.3Mpa；采用425号普通硅酸盐水泥配制的JK-4型快速修补混凝土6h龄期的抗折强度只有3.09Mpa，抗压强度可达29.4Mpa;推荐配合比中水泥用量为278kg/m3，JK-4型修补剂为228kg/m3，配制的JK-4型快速修补混凝土12h龄期的混凝土抗折强度可达3.23Mpa，抗压强度可达25.0Mpa。JK-10型混凝土快速修补剂的外掺量确定为13~16%，建议的配合比中采用525号普通硅酸盐水泥为425kg/m3，JK-10型修补剂为55~68kg/m3.JK-24型混凝土快速修补剂的适宜掺量确定为14~18%，建议的配合比中525号普通硅酸盐水泥为437kg/m3，JK-24型修补剂为70kg/m3。配制的JK-24型快速修补混凝土24h龄期的混凝土抗折强度可达3.1Mpa，抗压强度可达18.9Mpa。该系列修补材料为2500~3000元/吨。
武汉理工大学研制的MPB混凝土修补材料是由过烧的MgO粉料、磷酸二氢氨粉料及调凝材料按一定的比例配制而成。该材料具有超快凝快硬性能，凝结时间可控制在5~6min以内，与老混凝土的粘结性能、耐磨性、抗冻性、体积稳定性好，3h的强度可达39.4Mpa，ld的强度达到55.5Mpa。
长安大学研制的水泥混凝土路面修补材料主要由硫铝酸盐、硅酸盐、铝酸盐和高效活性剂按一定的比例组成，分HW1、HW2、HW3三种，6h后即可开放交通。建议的配合比中采用525号硅酸盐水泥为475kg/m3，HW1型修补剂为77kg/m3。配制的快速修补混凝土6h龄期的混凝土抗折强度可达3.57Mpa，抗压强度可达23.1MPa。该系列修补材料的单价为2489~3087元/吨。
同济大学研制的MPB快速修补材料是由磷酸盐、过烧的MgO和缓凝剂按一定的比例复合而成。用该材料配制的混凝土lh的抗压强度可达36.1Mpa。
目前国内报道的开发出来的可以进行水泥混凝土路面修补的特种水泥主要有以下几种:
(1)快硬硅酸盐水泥
快硬硅酸盐水泥是在配制水泥生料时通过对生料组成的控制与调整，水泥中早强矿物硅酸三钙(简写为C3S)和铝酸三钙(简写C3A)为的含量高，SO3的含量可容许到4.0%。因此，在水化初期，形成了大量的钙矾石，不仅凝结快，而且强度发展也快，其在5min~20min可以硬化，1h的抗压强度可达10Mpa~30Mpa，1d强度可以达到28d强度75%~90%。但和普通水泥一样，其干缩大，新老混凝土粘结差、水化热高，要注意养护。
(2)快硬硫铝酸盐、铁铝酸盐水泥
硫铝酸盐和铁铝酸盐水泥熟料主要矿物为硫铝酸钙(简写为CA3S)，硅酸钙(简写为CS)和铁铝酸四钙(简写为C4AF)，硫铝酸盐和铁铝酸盐水泥在成分上的主要差别是熟料中Al2O3·Fe2O3比和CA3S和CaF两个矿物的含量不同。这两种水泥除早强快硬特征以外，还有一定的膨胀性、抗硫酸盐腐蚀的性能，其4h抗压强度可以达到20Mpa~25Mpa，1h强度可以达到30Mpa~60Mpa。
(3)高铝水泥
高铝水泥是一种快硬早强水泥。其强度主要集中在早期,后期几乎无发展, 高铝水泥水化物高温下不稳定, 易发生晶型转变, 后期往往降低，高铝水泥1d的抗折强度达到3~5Mpa, 抗压强度达到25~45Mpa。
(4)磷酸镁水泥
磷酸镁水泥混凝土是一种较好的快速修补材料, 在国内外应用较多。磷酸镁水泥的制备的基本工艺为：在1500℃左右灼烧MgO粉,磨制比表面积为1260~3500cm2/g。将NH4H2PO4粉与之混和均匀, 由Na2B4O4.10H2O调节凝结时间即可制成磷酸镁系水泥BPM。磷酸镁系水泥有足够的凝结时间, 较快的硬化速度和早期强度, 与旧混凝土结合力强, 相容性好, 是一种很有发展前途的路面修补材料。磷酸盐水泥混凝土的干缩率只有0.05%~0.09%, 体积稳定性很好。1h内抗压强度可达到10Mpa。但国内由于研究还不是很深人，生产和应用均不是很广泛。
(5)碱硅水泥
碱硅水泥也称土聚水泥, 是较好的快速修补水泥, 目前有一些快速修补材料就是碱硅水泥。在我国有两种典型的碱硅水泥快速修补材料。上海市政工程研究所研制的SC型快凝修补材料, 南京水利科学研究院研制的AS型快速修补材料。
1.2.2国外水泥混凝土路面快速修补材料的研究概况
国外对于混凝土路面快速修补材料研究相对较多。对于修补混凝土的研究国外主要集中在适用于薄层修补材料的修补剂、聚合混凝土和纤维混凝土。
1999年德克萨大学针对薄层快速修补聚合物混凝土总结出如下特点：聚合物混凝土具有快凝性，良好的强度和耐久性，与水的粘结性良好，刚度高，它以修补小于10mm厚的混凝土薄层见长:在改性聚合物凝土(PMC)中掺入部分纤维制品可以使用喷涂技术在垂直表面进行薄层修补经济实用:聚合物浸润混凝土(PMC)抗压强度较普通混凝土提高3~4倍，且抗渗性能良好，从而提高了混凝土体系的耐久性，抗冻融性能和抗酸性，性模量极高，可比普通混凝土高50~100%。
美国ChemRex公司生产的Emaco S88Cl、ThoRoc SP20喷射砂浆、无聚合sonoerete sonoPath-100、ThoRoc All-Crete20，其中Emaoco S88Cl纤维砂浆工作时间45min，28d抗压强度可达77.9Mpa，修补厚度为6mm、13mm、19mm时的粘结强度分别达到0.93Mpa、1.81Mpa、1.32Mpa，平均值达到1.36Mpa。美国俄勒冈州交通部规范要求修补材料28d抗压强度大于20.7Mpa，结强度大于0.689Mpa，且施工后14d、35d均未出现裂缝，表明其具有很好的抗折干缩性能。ThoRoc SP20喷射砂浆强度在符合规范要求的基础上比Emaoco5Cl稍有下降，但是具有很好的电阻抗性能，工作时间在45min之内。ThoRoc All-Crete20在体积稳定性上表现出了良好的性能，从粘结强度方面出发更适合厚度在13mm以上的薄层修补工程中，但是其工作时间较短，仅10min左右，在一定程度上限制了在工程中的推广应用。
日本广泛应用调凝水泥(或称喷射水泥)，这种喷射水泥的终凝时间为15min，而普通硅酸盐水泥为190min。由喷射水泥拌制的砾石混凝土掺入0.3%的缓凝剂后，初凝时间约为40min，而普通混凝土可达5h甚至更长。一天龄期的喷射水泥混凝土的抗弯强度可达到4.1Mpa，抗拉强度可达到2.5Mpa，采用喷射水泥进行路面维修可在12h以内完成并恢复交通。1989年日本曾在建设省主持下研究并开发了快硬早强外掺剂用于水泥混凝土路面的修补中。
1.3 主要研究内容以及技术线路
1.3.1主要研究内容
关于混凝土路面快速修补(土木工程道路桥梁)毕业论文
