超薄混凝土罩面层间粘结技术研究.pdf

公路交通技术 2 0 1 0年 6月 第 3期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t J u n 2 0 1 0 N o 3 超薄混凝土罩面层间粘结技术研究 张东长，袁登琼，刘茂光 ( 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆4 0 0 0 6 7 ) 摘要 ：通过对普通 水泥基界 面剂 、特种水泥基界面剂、聚合物乳液改性水泥基界 面剂的研 究，开发 出优 良的 A聚 合物乳液界面荆，形成 了A聚合物乳液+A聚合物乳液改性水泥砂浆的施工工艺，解决了超薄混凝土罩面的核心技 术 问题 。 关键词：超薄混凝土；层间粘结；界面剂；聚合物乳液 文章编号 ：1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 O ) 0 3 0 0 0 1 0 5 中图分类号 ：U 4 1 6 2 1 6 文献标识码 ：A Re s e a r c h o n I n t e r - l a y er Bo n d i n g T e c h n i q u e s f o r UIt r a t h i n Co n c r e t e Ov e r l a y s ZHANG Do n g c h a n g ，YUAN De n g q i o n g ，LI U Ma o g ua n g Ab s t r a c t ：Ba s e d o n t h e r e s e a r c h o n c o mmo n c e me n t - b a s e d i n t e r f a c e a g e n t ，s p e c i a l c e me n t b a s e d i n t e r f a c e a g e n t a n d p o l y me r e mu l s i o n mo d i fi e d c e me n t b a s e d i n t e r f a c e a g e n t ，t h i s p a p e r d e v e l o p s a n e xc e l l e n t A po l y m e r e m u l s i o n i n t e rfa c e a g e n t S O a s t o f o r m a c o n s t r uc t i o n t e c h n ol o g y of A p ol yme r e mul s i o n +A p ol yme r e mu l s i o n m o d i fie d c e me nt mo aa r a nd s o l v e t h e c o r e t e c h ni c a l pr o b l e ms i n ul t r a t hi n c o nc r e t e o v e r l a y Ke y wo r d s ： u l t r a t h i n c o n c r e t e ； i n t e r - l a y e r b o n d i n g ； i n t e r f a c e a g e n t ； p o l yme r e mu l s i o n 超薄水泥混凝土( U l t r a t h i n Wh i t e t o p p i n g ，简称 u T w) 是指厚度为 5 01 0 0 m l r l 之间的混凝土【 ” ，主 要用于路面维修罩面工程。超薄水泥混凝土罩面是 指对旧水泥混凝土路面板进行必要 的处理后加铺超 薄混凝土结构层 ，以达到恢复路面功能并实现快速 通车的 目的。本文介绍其核心技术之一 ，即新旧混 凝土板之间的粘结技术 。 1 混凝土板层间粘结技术综述 国外在上世纪末和本世纪初 ，对新旧混凝土界 面粘结进行了许多研究 。马索l 2 J提出界 面过渡区形 成机理的假说 ，他认为在混凝土拌和过程 中，在骨 料表面形成 1 层几个微米厚 的水膜 ，在这层水膜 内，最先形成水化物 晶核的是先扩散进入水膜的离 子 ，水膜内水化产物晶体所形成的网状结构较为疏 松 。活动性较差 的铝离子 、硅离子陆续进入第 1 批 晶体所遗留的空隙中，逐渐形成 C S H，尺寸较 小 的次生钙矾石和氢氧化钙晶体填充其间。马索上 述假设 中离子浓度分布曲线凹陷处可能形成大晶核 及高孔隙率，是界面中的薄弱区。Wa l l 等【3提出新 基金项 目：重庆市科委科研 项 目( C S T C，2 0 0 9 Ac 6 0 8 2 ) 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 2 0 8 作者简介 ：张东长 ( 1 9 6 9 一 ) ，男 ，河南省唐河县人 ，硕士 ，副研 究员 旧混凝土的粘结界面状况与水泥一集料的界面状况 类似 ，也就是说可以把旧水泥混凝土看作大的集 料 。B i j i e n t4 提出新 旧混凝土粘合是以范德华力 、机 械咬合力 、表面张力等各种各样物理力的共同作用 来实现 的。F i e b r i c h M H 5 1 认 为界面粘结是一种热 力学作用 ，不但有物理作用力 的作用 ，还有化学作 用力的作用 。 国内对新 旧水 泥混凝土粘合 的界面性 能也进 行了一些试验研究6 1 ，综合起来 ，有 2 种观点最具 代表性 。一种观点是汕头大学提 出的将新 旧水泥 混凝土 的粘结界面分成 3个过渡层 的理论 ：从新 旧混凝土结合界面出发依次为扩散层 、强效应层 和弱效应层 ，这 3个效应层 中的强效应层 的性 能 又 由界面剂的性 能 、修补材料类型 和表 面状况决 定。另一种观点是哈尔滨建筑大学 的高剑平等人 提 出的 ，认为界面 区中主要存在有 C S H凝胶 、 C H晶体 、A ft和未水化 的熟 料颗粒 及孔 洞 、裂 缝 ，界 面 区 中 C H 晶体数量 多且 尺寸 较大 ，同 时 ，如果界 面区中孔洞较 多时 ，对界面粘结将产 生不利影 响。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 公路交通技术 2 0 1 0生 2 界面粘结技术研究 综合 国内外 的研究成果 ，目前解决新 旧水 泥 混凝土 的粘结问题 主要有 2种方法 ：1 )用水泥基 粘结剂进行粘结 ；2 )采用非水泥基粘结剂 ，主要 采用溶剂型环氧树脂 。由于溶剂 型环 氧树脂毒性 很大 ，对环境影 响较大 ，施工掺 配麻烦 、施工不 便 ，因此笔者把研 究的重点放在 水泥基粘结 界 面剂的配合和使用 上。试验研究 内容包括普通水 泥基界面剂、特种水泥基界面剂和聚合物乳液改 性水泥基界面剂 。 2 1 普通水泥基界面剂 2 1 1 试验设计 对于影响新旧水泥混凝土粘结的普通水泥基 界面粘结剂的粘结效果 ，影 响因素很多 ，例如水 泥 的品种 、用 量 ，外加剂 的 品种 、组合 、用 量 ， 用水量 ，特殊添加剂用量等 。笔者借助于正交试 验进行研究 ，通过分析 ，采用 4因素 3水平 的正 交表 厶( 4 ) ( 表 1 ) ，4因素 3 水平见表 2 。 2 1 2 试件制备及试验结果 用选定 的配合 比( C 3 5混凝土 ) 制作 1 5 0 m m X 1 5 0 mmX 1 5 0 mm混凝土试件 ，标准养护 2 8 d后 ， 用锯片将试件锯成 2片 ，然后用钢钎凿毛，模拟旧 表 1 正交表 厶( 4 ) 水泥混凝土路面的表面处理情况和实际粘结面 。按 相同条件准备 2 7 组试件，然后清晰编号 ，分别装 入 1 5 0 mm1 5 0 mm1 5 0 mm 的混 凝土试 模 中 ， 调制界面粘结剂涂刷于 旧混凝土试件 的凿毛 面上 ， 并浇筑新水泥混凝土。脱模后，将试件在标准条件 下养生 2 8 d 。然后按照 T 0 5 6 0 - - 2 0 0 5 水泥混凝土 立方体劈裂抗拉强度试验方法 ，测定试件的劈裂 抗拉强度 ，正交试验结果见图 1 4 。 通过效应计算和 比较分析 图 1 4 ，除去试 验 误差的影响，可以看 出，用 8 6份水泥、9份微渣 、 罨 魁 嘿 盘 R 2 2 2 1 5 2 1 205 2 1 9 5 1 9 水泥用量， 份 图 1 劈裂强度与水泥用量 的关系 微渣用量， 份 图2 劈裂强度与微渣用量的关系 外加剂用量， 份 图3 劈裂强度与水泥外加剂用量的关系 2 2 2 1 5 2 1 2 O 5 2 1 9 5 1 9 特殊添加剂用量， 份 图 4 劈裂强度与特殊添加剂用量的关系 罨 跫 毒 旨 善 暖碟躲 B d 越嘎 排 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年 第3 期 张东长，等：超薄混凝土罩面层间粘结技术研究 3 表 3 特种水泥基和普通硅酸盐水泥基界 面剂试件劈裂抗拉 强度试验结果 4份水泥外加剂 、1 份特殊添加剂 配制成的最佳新 旧水泥混凝土界面粘结剂效果最好 。因此 ，笔者把 优化后得到的最佳试验配方制成普通水泥基界面剂 进行了试验 。 2 2 常用水泥基界面剂的对 比试验 硫铝酸盐水泥属于特种水泥。为了研究特种水 泥对新 旧水泥混凝土的粘结效果 ，选择硫铝酸盐水 泥与普通硅酸盐水泥掺配微渣、水泥外加剂及特殊 外加剂形成的界面剂进行了对 比试验 。 用确定的 2 种界面剂的最佳配合 比作为对 比配 方， 试验方法和成型、养生条件一样 ，试验结果见 表 3 。 从表 3的试验数据可以看出，对于普通硅酸盐 水泥基新旧混凝土的粘结，用最佳配方普通水泥基 界面剂比用硫铝酸盐这种特种水泥基界面剂粘结效 果明显好些。纯水泥浆液用作新 旧水泥混凝土的界 面粘结剂 ，粘结效果也好于硫铝酸盐特种水泥基界 面剂 ，但 比最佳配方普通水泥基界面剂要差。 即使最佳配方普通水泥基界面剂的效果最好 ， 其劈裂抗拉强度也仅有 2 4 3 M P a ，远小于 C 3 5 混凝 土整体试块 的劈裂抗拉强度 ，在车辆荷载的反复作 用下 ，粘结面仍是最薄弱的环节 ，因此采用常规水 泥基界面剂不能解决超薄混凝土的界面粘结 问题 。 2 3 聚合物改性乳液界面剂的研究 2 3 1 聚合物对粘结的影响 高活性聚合物容易与水泥水化产物及其新 旧水 泥混凝土界面产生化学键 ，化学键的键能 比一般极 性力 、范德华力大得多 ，可大大提高界面的粘结强 度。因此 ，对于新旧水泥混凝土界面粘结技术的研 究 ，主要是研究分析聚合物使新 旧水泥混凝 土粘结 强度发生的变化 。 聚合物乳液对水泥基界面剂的改性作用是通过 聚合物在水泥浆与骨料 间形成具有较 高粘结力 的 膜， 并堵塞砂浆内的空隙来实现。水泥水化与聚合 物成膜 同时进行 ，最后形成水泥浆与聚合物膜相互 交织在一起的互穿网络结构。含有化学反应活性基 团的聚合物可能会与水泥水化生成的氢氧化钙表面 或集料表 面的硅酸盐发生化学反应 ，这种化学反应 可望改进水泥水化产物与骨料之间的粘结 ，从 而改 善新 旧水泥混凝土的粘结性能 。 2 3 2 聚合物乳液界面剂的开发 可用来对水泥进行改性的聚合物乳液有多种， 例如：橡胶乳液( 包括天然橡胶乳液、合成橡胶乳 液等) 、丙烯酸酯乳液、丙烯酸乳液、改性合成橡 胶乳液 、聚醋酸 乙烯酯乳液等 。通过分析 和试 验 研究 ，开发 出改 良的 A聚合 物乳液 ，用 于界面粘 结。 用 A聚合 物乳液改性 的水泥砂浆属于聚合物 乳液改性水泥砂浆范畴。聚合物改性水泥砂浆配合 比的设计不能完全类 同于普通 的水泥砂浆 。然而 ， 到 目前为止 ，我国对聚合物改性水泥砂浆的配合比 设计还没有一个统一的设计标准和设计方法。笔者 认为 ，聚合物改性水泥砂浆配合 比的设计 ，不仅要 考虑抗压强度和抗折强度作为基本性能控制指标， 还应考虑特定或特殊改性方面( 例如对粘结性 能的 改善等 ) 和成本价格等方面的要求 ，所 以聚灰比是 一 个十分关键的设计参数 。聚合物改性砂浆的配合 比设计主要是确定 3个参数 ，即：聚灰 比、灰砂 比 和水灰 比【 “ 】 。 聚合物乳液改陛水泥砂浆的配合 比设计步骤如 下 ： 1 )初定聚灰 比。根据聚合物乳液生产厂家提 供的最佳配合 比和对聚合物乳液改性水泥砂浆性能 的基本 和特殊要求来初步确定聚灰比。 2 )确定砂浆 中中砂用量 。计算方法参考 J G J 9 8 -2 0 0 0 砌筑砂浆配合比设计规程 。砂子组成砂 浆的骨架 ，每 m 砂浆 中中砂 的最大用量就是 中砂 本身的堆积密度 。 3 )初定灰砂比。砂浆中中砂的用量确定以后 ， 灰砂比就是确定每 m 。 砂浆中水泥用量的唯一参数。 4 )根据聚合物乳液改性水泥砂浆的稠度要求 和实际使用需要控制用水量。聚合物乳液改性水泥 砂浆的稠度控制在( 7 05 ) mm。 由以上设计 方法和设计步骤 ，通 过计 算和试 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 公路交通技术 2 0 1 0点 表 4 聚合物砂浆及 力学性能测试结果 注 ：编号为 O的砂浆无聚合 物乳液 ，是 比对砂浆 。 配 ，初步得出试验中所要配制的聚合物改性水泥砂 浆 A、B 、c 、D 4 种配合比，性能及力学性能测试 结果见表 4 。 由表 4可以看出，聚合物乳液 A、B、C、D对 砂浆均具有一定 的减水效果。在保持相同稠度情况 下，随着聚合物掺量的增加需水量则要相应减少。 由力学性能试验和计算结果可以看出 ，每种聚 合物乳液的掺入对其砂浆力学性能都产生了较大影 响，但表现结果不同。A聚合物乳液的力学性能最 优 ，在保持抗压强度不降低的情况下 ，A1试件 2 8 d试件的抗折强度 比普通砂浆提高了 1 2倍。 2 3 3 A聚合物乳液改性水泥砂浆使用效果研究 为了研究 A聚合物乳液改性水泥砂浆在混凝 土界面的粘结作用 ，试验设计了用纯水泥浆 、水泥 浆 +水泥砂浆 、A聚合物乳液 的水稀释液 、A聚合 物乳液的水稀释液 +A聚合物改性水泥砂浆与普通 的整体 C 3 5混凝土试块进行对 比，试 件制备 同 2 1 节的方法 ，试验结果见图 5 。 图 5的试验结果表明： 1 )纯水泥浆用作界面剂 ，试件的劈裂抗拉 强 度最差 ，水泥浆 +水泥砂浆用作 界面剂 的效果 要 好于纯水泥浆 。 2 )A聚合物乳液可以显著改善层 间粘结强度 ， 试块 的劈裂强度是纯砂浆的 1 2 6倍。 3 )A聚合物乳液的水稀释液 + A聚合物改性 3吾 。告 界面剂类型 界 面剂 1 一纯水 泥浆 ；界 面剂 2 一 水泥 浆 +水 泥砂 浆 ；界 面剂 3 一A聚合 物乳 液的水 稀释 液 ；界 面剂 4 一A聚合物乳 液的水稀 释液 + A聚合物 改性水泥砂 浆 ；界面剂 5 c 3 5混凝土整体试块 。 图 5 界面剂使用效果对比 水泥砂浆用作界面剂其粘结性能得到大幅提高，是 仅用 A聚合 物乳 液作 为界面剂的试 件 的 1 2 8倍 ， 是纯水泥浆 的 1 7 5倍。 4 )A聚合物乳液的水稀释液 +A聚合物改性 水泥砂浆用作界面剂试件的劈裂强度不低于完整的 C 3 5新水泥混凝土整体试件 ，粘结性能优 良。 3结论 1 )对于 C 3 5普通硅酸盐水泥混凝土 ，采用特 种水泥基界面剂其试件劈裂抗拉强度为 1 8 2 MP a ， 采用最佳配方普通水泥基界面剂其最大劈裂强度为 2 4 3 M P a ，远小于整体 C 3 5 试件的劈裂强度 ，不能 满足超薄混凝土罩面对层间粘结强度要求。研究开 ( 下转 第 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 公路交通技术 2 0 1 0丘 采用集中跨越 ，以利于减少远期 高速公路扩容方 案的瓶颈路段 ，便于工程实施 。 3 4 桥梁布孔 桥梁 布孔需按远期 高速公路 扩容断 面预 留 ， 尽量采用 1 跨跨越既有高速公路 ，以减少施工对 交通的干扰 。当既有高速公路预扩容断面较宽 ，1 跨跨越困难 时 ，可按高速公路分离加宽的方式布 孔 ，此时主孔跨越高速公路既有断面 ，边孔预 留 扩容断面加宽宽度 。当既有高速公 路预扩容断面 不宽时 ，可按高速公路两侧加宽的方式布孔 ，此 时主孔 1 跨跨越高速公路远期扩容断面。 4 结束 语 随着 既有高速公路 预扩 容项 目的 日益增多 ， 对 与之交叉的互通立交设 计也提 出 了更高要求 。 本文结合实际工程经验 ，对高速公路扩容方案及 既有高速公路指标控制进行 了总体分析 ，并研究 了变速车道 、端部设计 、匝道布置 、桥梁布孔等 细部设计 ，总结 了互通式立交结合高速公路预扩 容 的设计思路 ，笔者提 出的互通式立交方案既能 满足远期高速公路扩容要求 ，也不会过度加大近 期互通式 立交 的设置规模 ，是一种互通式立交近 远期结合较好的方法。 参 考 文 献 【 1 】 中交第一公路勘察设计研究院 J T G D 2 0 - -2 0 0 6 公路 路线设计规范f J 1 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 【 2 贾建华， 易共才 互通设计中考虑既有路加宽规划的设 计方法【 J J _中外公路 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 1 7 1 8 3 】 柏松平， 周剑萍 公路升级改造中的若干关键问题【 J 中 外公路， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 1 - 4 陈修林高速公路改扩建工程中互通立交的方案设计 J 1 安徽建筑 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 3 1 3 6 ， 1 3 8 5 】 李华伟互通式立交加宽方案的比较 J 1 交通标准化， 2 0 0 5 ( 8 ) ： 1 4 6 1 4 8 6 16 张荣利厚街互通式立交改造方案的修改与设计 J 1 广 东公路交通 ， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 1 6 1 8 7 张浩平新老高速公路交叉时互通立交设计的几个问 题 J 1 公路 工程 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 8 0 8 3 【 8 】8 盛萍 ， 闵泉互通式 立交改扩建方案设计 的探讨 J 】 - 中外公路 ， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 1 3 9 1 4 3 9 刘健权 立交改建工程设计叨 市政与陆桥， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 1 8 8 【 1 0 姚琳 ， 白新平郑州机场高速与西南绕城高速互通式 立交改建方案探讨f J 科技信息， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 1 4 0 1 4 1 ( 上 接 第 4页) 发的 A聚合物乳液水泥基界面剂，性能优 良。 2 )通过工艺对 比试验研究 ，得出 A聚合物乳 液的水稀释液 +A聚合物改性水泥砂浆用作界面剂 的施 工 工艺 ，可使 试件 劈 裂抗 拉 强度 达 到 3 8 3 MP a ，不低于同强度等级的完整混凝土试件。 3 )A聚合 物乳 液水泥基界面剂 的成功开发 ， 解决了混凝土超薄罩面的核心技术 ，为超薄混凝土 罩面技术 的推广铺平了道路 。 参 考 文 献 1 】 柯杰平， 朱英朝 超薄水泥混凝土路面的几点构思 J 1 西 部探矿工程 ， 2 0 0 4 ( 9 ) ： 2 0 0 2 0 1 2 高丹莹 ， 刘建秀钢纤维混凝 土基本理论【 J J 北京 ： 科 学 技术文献出版社， 1 9 9 3 3 WAL L J S S h r i v e N G F a c t o r s a ff e c t i n g b o n d b e t we e n n e w a n d o l d c o n c r e t e J AC I Ma t e r ，1 9 9 8 ( 1 ) ： 9 5 4 B ij i e n ，S a l t T Ad h e r e n c e o f Yo u n g C o n c r e t e t o O l d Co nc r e t e De ve l op me n t o f Tool s f o r Adh e r e n c e of Yo u n g o n o l d C o n c r e t e M i s 1 ：Ae d i fi c a t i o U n t e r e n g s l r i n g e n， 1 9 9 4 5 F r e b fi c h M H S c i e n t i fi c As p e c t s o f P h e n o m e n a i n t h e I n t e r f a c e M i n e r a l S u b s t r a t e Adh e r e n c e o f Yo u n g o n o l d C o n c r e t e M _ S 1 】 ：A e d i fi c a t i o U n t e r e n g s t r i n g e n ， 1 9 9 4 6 】 刘健新老混凝土粘结的力学性能研究【 D 大连： 大 连理 工大 学 ， 2 0 0 0 【 7 】 农金龙 新老混凝土界面粘结 材料及强度的研究 D 】 长 沙 ： 湖南大学 ， 2 0 0 3 8 8 秦明强 新旧混凝土界面结合状态研究 D 武汉： 武汉 理工大学 ， 2 0 0 6 9 】 王建伟高温后新老混凝土粘结劈拉强度试验研究【 D 】 郑州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 2 【 l O 】吴敬龙聚合物改性砂浆性能研究【 D 】 哈尔滨： 哈尔滨 工业大学 ， 2 0 0 6 1 1 】王建伟高温后新老混凝土粘结劈拉强度试验研究【 D 郑州： 郑州大学， 2 0 0 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m