王稷良-聚合物改性水泥混凝土路面功能材料及施工工艺研究

聚合物改性水泥混凝土路面功能材料及施工工艺研究1王稷良交通运输部公路科学研究院2高等级沥青混凝土路面特点优点：行车舒适、噪音小；连续无缝、防水好；养护简单、通车快；缺点：高温车辙、低温开裂；水损害严重；施工层次过多，工艺复杂；一、研究背景3龟裂坑槽车辙松散沥青混凝土路面典型病害4高等级水泥混凝土路面特点优点：强度高；稳定性好；耐久性好；养护费用较少。缺点：开放交通迟；刚性大、行车舒适性差，噪音大；接缝多、接缝处易引起病害、处治困难；行车舒适性差、噪音大。5唧泥破碎错台碎裂板中开裂板角碎裂水泥混凝土路面典型病害6针对高等级公路路面出现的一些问题和路面抗滑性能好、噪音低、耐久性能好、铺筑工艺简单等要求，研究开发了一种“纤维与聚合物复合改性水泥混凝土（PMCC）路面及一次摊铺成型的施工技术”。PMCC路面是以碾压（贫）混凝土或普通（钢筋）混凝土作为主要承重层，采用骨架密实型纤维增强与聚合物复合改性水泥混凝土作为表面功能层，上下面层之间采用聚合物改性水泥胶浆（PIC）作为界面防水粘结层。并采用沥青摊铺机一次摊铺成型（无需碾压），摊铺完成后无须刻槽防滑等后续工艺而直接形成高平整度的粗糙表面，具有高韧性、抗冲击、抗裂、耐磨损、阻燃、抗滑、降噪等性能优势，可有效提高行车舒适性、改善行车环境，大幅度提高了公路路面的使用功能。典型RCC-PCC复合式路面结构示意图7悬浮密实型结构（1）塑性聚合物改性水泥混凝土，内部结构属于悬浮密实型结构。其结构特点为：骨料彼此之间互不搭接，悬浮在聚合物改性水泥胶浆中，混凝土的性能主要依靠聚合物改性水泥胶浆自身性能以及胶浆与集料之间的粘结能力，这在很大程度上弱化了集料自身高强度、高耐久的性能优势；在施工方面，采用塑性水泥混凝土常规的搅拌、振捣，聚合物引入的气泡难以消除，混凝土不易振捣密实，影响路用性能。PMCC路面材料设计思路8a)骨架空隙型结构点接触结构示意图2）干硬性聚合物改性多孔水泥混凝土，内部结构为骨架空隙型结构。该结构主要依靠骨料之间的堆积嵌锁以及少量聚合物水泥胶浆的点接触粘结作用，该结构没有充分发挥聚合物水泥胶浆优异的粘结性能，骨料彼此之间无法得到有效粘结，仅仅是靠“骨架节点”作用来进行强度支撑。正是由于内部骨料粘结作用差，混凝土抵抗疲劳破坏作用不良，易在重载作用下导致表面集料飞散、剥离。9c.骨架密实型结构面接触结构示意图3）纤维与聚合物复合改性干硬性混凝土(PMCC),属于“骨架密实型结构”。其内部结构特点为：粗集料在内部形成坚固嵌挤的骨架，细集料和聚合物改性水泥胶浆有效填充骨架中的孔隙，使PMCC混凝土既密实、空隙率小，使水不容易透入，又具有较高的承受荷载应力及温度应力的能力。充分发挥“骨架密实型”材料结构特性以及聚合物与纤维的复合改性的超叠加效应，提高了材料的韧性、抗冲击性、耐磨、粘结、抗裂等路用性能。并且由于混凝土中粗集料用量大，浆体总量适中，在施工完成后混凝土表面具有一定的表面构造深度，具备良好的抗滑及降噪效果。10力学性能弯曲韧性耐久性能抗裂性能表面功能性抗压强度抗折强度折压比劈拉强度弹性模量抗折小梁弯曲韧性测试板弯曲韧性抗冻性能抗冲击性耐磨性能飞散性渗水性能椭圆环约束抗裂；混凝土干燥收缩构造深度抗滑摆值PMCC路用性能111、优良的抗折强度和折压比PMCC不同龄期的抗压强度都有所降低，但其抗折强度均有显著的提高，而压折比也出现了较大程度的下降。PMCC的28d抗折强度有5.26MPa增加到7.23MPa，提高了37.5%；28d压折比由8.12减小为3.82，降低了52.9%。混凝土28d抗压弹模Gpa抗压强度MPa抗折强度MPa7d压折比28d压折比7d28d7d28d普通34.626.842.73.585.267.498.12PMCC23.814.527.64.657.233.123.82122、突出的弯曲韧性0.00.20.40.60.81.0-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0荷载（KN）挠度（mm）CCPCC相比普通水泥混凝土，PMCC的抗弯曲极限强度提高了42.1%，而弯曲韧性提高了205%。这说明PMCC吸收破坏能、抵抗变形的能力大幅增强，柔韧性相比普通混凝土有了很大程度的提高。133、良好的抗裂性能-50501502503504505506501d3d7d14d28d60d90d120d150d180d龄期(d)干缩率(*10-6)普通混凝土聚合物混凝土PMCC不同的干缩率均明显小于普通混凝土，其中60d的干缩率为336.4×10-6，比普通混凝土降低了20.3%。可见加入聚合物及纤维后明显降低了混凝土的干缩率，提高了混凝土的抗干缩性能。混凝土初裂时冲击次数N1破坏时冲击次数N2△N=N2-N1抗冲击韧性（KN·m）普通混凝土495498310.04聚合物混凝土1326162229632.69144、优异的抗冲击性能加入聚酯纤维与聚合物乳液的混凝土试样的抗冲击性能明显优于普通混凝土，PMCC的抗冲击韧性达到32.69KN·m，其相比空白样提高了226%，试件出现第一条裂缝至完全破坏的冲击次数△N达到296次，明显高于普通混凝土的3次。15冲击试验后试样形貌普通混凝土PCC混凝土普通混凝土试件冲击试验完成后，仅有一条主裂缝存在，且裂缝处断面相对平整；而PCC试件在冲击试验完成后，内部有多条裂缝存在，且断面很不平整。混凝土初始质量（Kg）磨损后质量（Kg）单位磨损量（Kg/m2）普通混凝土2.682.625.20聚合物混凝土2.732.702.40165、较好的耐磨性能和飞散性能混凝土飞散损失率（%）规范要求普通混凝土14.6＜20%沥青混凝土（SMA）16.0聚合物混凝土9.2PMCC的耐磨性能和飞散性能都有了较大幅度的提高，其28d单位面积磨损量相比普通混凝土降低了53.8%；相比普通混凝土和沥青混凝土，PMCC的肯塔堡飞散损失率分别降低了37.0%和42.5%。176.良好的抗冻性PCC空白样冻融实验机测试编号试样类型抗冻融循环次数1PCC改性水泥混凝土2753不掺聚合物、纤维空白样水泥混凝土150编号试样类型渗透系数（ml/min)规范规定（ml/min)1PCC改性水泥混凝土72≤803普通路面沥青混凝土（SMA）75186.良好的抗水渗透性编号试样类型渗透系数（ml/min)规范规定（ml/min)1PCC改性水泥混凝土72≤803普通路面沥青混凝土（SMA）75197、优异的表面功能性优良的表面功能性是PMCC表面功能层的突出性能优势之一，其表面功能性主要体现在采用沥青摊铺机摊铺施工后，PMCC表面功能层可以自然形成平整、抗滑及降噪功能的表面。混凝土第一次第二次第三次平均值普通混凝土0.15mm0.11mm0.17mm0.14mm聚合物混凝土0.71mm0.76mm0.77mm0.75mm混凝土干燥湿润规范要求（湿润）普通混凝土25BPN18BPN＞40BPN聚合物混凝土54BPN45BPN相比普通混凝土，PMCC表面构造深度明显得以提高。PMCC试样的表面构造深度达到0.75mm，比普通混凝土提高了436%；各混凝土湿润试样表面的抗滑值均明显小于干燥状态下的抗滑值，下降幅度普通混凝土为28.0%，PMCC为14.8%；不同混凝土抗滑值的变化规律与其表面构造深度的变化规律基本相同。20（1）防滑耐磨性能好：PMCC表面功能层构造深度大于0.7mm，抗滑摆值大于40BPN，抗滑性能好。同时，聚合物胶浆对集料颗粒粘结强度高，材料的耐磨性好，故表面不起灰，防滑构造保持时间长。（2）平整度高、行车舒适、噪音低：采用沥青混凝土摊铺机摊铺，且不需碾压，平整度易于控制，一般在2mm左右。正是由于高的平整度，且不会出现车辙，使得行车舒适，噪音低。（3）阻燃、耐化学腐蚀：PMCC表面功能层阻燃性能好，且耐油、耐各种化学介质侵蚀，特别是耐除冰盐的侵蚀，不脱皮。21三、施工工艺特点1、一次摊铺成型工艺沥青摊铺机熨平-振实装置不适宜利用塑性水泥混凝土施工机具优选沥青摊铺机摊铺施工对PMCC工作性能的具体要求干硬性混凝土不离析、泌水率低胶浆粘聚性好开动强夯功能一次摊铺成型平整度好压实度高自然形成粗糙表面222、施工工艺流程碾压混土层凿毛、冲浆处理聚合物改性水泥混凝土拌和聚合物液料的配制聚合物改性水泥混凝土运输聚合物改性水泥混凝土路面摊铺界面粘结层PIC的施工聚合物改性水泥混凝土路面养护聚合物改性水泥混凝土路面锯缝23RCC下面层凿毛处理PIC界面防水粘结层施工PCC搅拌与运输工艺流程24PCC养生锯缝、灌缝PCC摊铺25四、应用领域1、PMCC桥面铺装具有如下的特点1.无需碾压，可有效避免振动碾压对桥梁的损伤；2.无需切缝，可直接利用桥梁的伸缩缝作为PMCC功能层的伸缩缝；3.防水效果好，PMCC以及PIC均有良好的防水性能；4.造价低，比二层沥青混凝土桥面铺装层单价低10%左右。262、PMCC隧道路面铺装具有如下的特点1.无毒、无味、常温下施工，施工环境好；2.平整度高，行车舒适，噪音低；3.阻燃耐腐蚀，安全性、耐久性好；4.造价低，4~5cm厚PMCC比二层沥青混凝土（4cm+6cm）节约造价5~10%左右；273、PCC-RCC复合式路面典型结构形式0.1cmPIC防水粘结层3～5cmPMCC聚合物改性水泥混凝土表面功能层25cmRCC碾压水泥混凝土上基层（30MPa）20cmRCC碾压水泥混凝土底基层（10～15MPa）20cm级配碎石垫层具有如下的特点1.充分发挥RCC的优势：RCC作承重结构层，单位水泥用量少，抗收缩能力强，早强高，可较早开发交通；2.同时采用路面基层材料与施工设备进行RCC施工，原材料易得，施工设备无需添置（但要求基层拌和楼计量精度高，搅拌缸长度大于4米）；3.施工速度快，易于质量控制：面层RCC仅一层4cm厚左右的聚合物改性水泥混凝土，且采用沥青摊铺机一次成型，施工工艺简便，施工层次少，易于质量控制。4.PMCC解决RCC平整、抗滑、耐磨的三大难题，路用性能好、行车舒适性好、综合造价低。28原设计现设计麻武高速公路侧路塘隧道原设计为沥青混凝土路面，其路面结构型式如图1所示，变更后路面结构为4cm聚合物水泥混凝土表面功能层+20cmC30碾压水泥混凝土下面层+12cmC30碾压混凝土调平层。20cm12cm0.1cm粘结层五工程应用实例29试验路性能检测强度压实度平整度构造深度抗滑摆值渗水系数30PCC路面功能层施工实际效果图31路面结构种类各结构层名称预算价格(元/m2)总计(元/m2)沥青混凝土隧道路面结构AC13上面层（4cm）45.0178.97AC20中面层（6cm）55.58贫水泥混凝土基层（26cm）62.4透层4.51粘层4.48封层7水泥混凝土隧道路面结构水泥混凝土面层（28cm）120168.0贫水泥混凝土基层（20cm）48RCC-PCC复合式隧道路面结构PCC表面功能层（4cm）77.42169.57PIC界面粘结层（0.12cm）10RCC碾压水泥混凝土下面层（24cm）50.87碾压贫水泥混凝土基层（20cm）31.2832六、经济性分析谢谢大家，敬请指正！33