十、裝配式道路基層結(jié)構(gòu)填縫材料配比設(shè)計及性能分析

馬健生1，孫大偉1，余 地1，程永春1，郭 高2

(1吉林大學交通學院，2長春市 13002長春市市政工程設(shè)計研究院有限責任公司)

（2017-10-25??? 發(fā)表于《公路》）

【摘要】針對新型的裝配式道路基層結(jié)構(gòu),研制了其填縫所用的自流平水泥基砂漿材料，并對其力學、耐久和疲勞性能進行了試驗研究，根據(jù)試驗實測的抗折、抗壓、靜力受壓彈性模量、抗干縮性、抗?jié)B性、抗凍性、抗疲勞性能的試驗數(shù)據(jù)來分析填縫砂漿能否適用于裝配式道路基層結(jié)構(gòu)中。試驗結(jié)果表明:填縫砂漿的力學性能與耐久性能滿足實際工程使用要求，其彈性模量較低且抗凍性能高,適用于東北地區(qū)的裝配式道路基層結(jié)構(gòu)中。

【關(guān)鍵詞】裝配式道路基層;填縫砂漿;力學性能;耐久性能

? 裝配式道路基層是一種新型道路基層結(jié)構(gòu)[1-2]。此結(jié)構(gòu)由混凝土預(yù)制基塊按嵌擠方式裝配,并通過填縫材料對基塊側(cè)面接縫處灌漿填充連接,可取代傳統(tǒng)二灰碎石基層,如圖1、圖2所示。每一個基塊均為一個楔形體,在壓力作用下,通過填縫砂漿使其形成相互嵌擠作用的整體結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)通過接縫協(xié)調(diào)基塊間的變形,所用填縫材料的力學及耐久性能將直接影響到整體結(jié)構(gòu)的安全。

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?? 目前已有學者對于此結(jié)構(gòu)在車載作用下的受力情況進行分析[3],但對其填縫材料的選用以及性能要求的研究還未開始。為了充分發(fā)揮此道路基層結(jié)構(gòu)的作用,本文配制了摻入聚合物膠粉改性的具有自流平效果的水泥基砂漿填縫料[4-8],并對自制填縫材料進行力學及耐久性試驗研究,分析接縫結(jié)構(gòu)在受力時的變形協(xié)調(diào)性，保證其在高溫膨脹、低溫收縮過程中于各基塊填縫處可起到一個幾何調(diào)解和力的傳遞效果。通過測試填縫材料的力學及耐久性能,保證其能與基層填縫材料的受力特征相適應(yīng)，從而保障此結(jié)構(gòu)的安全與耐久。

1基層填縫材料制備及流動度試驗

1.1 試驗原材料

?? 水泥采用P.O425普通硅酸鹽水泥和SAC425硫鋁酸鹽水泥。粉煤灰采用吉林省某商用粉煤灰。摻加劑采用由高效減水劑、緩凝劑、早強劑、膠粉等組成的復(fù)合外加劑。其中減水劑為萘系減水劑。緩凝劑A為硼酸,緩凝劑B為D-葡萄糖酸鈉。早強劑為碳酸鋰?？稍俜稚⑷槟z粉采用某公司生產(chǎn)的 JH3350乳膠粉。砂采用普通河砂,細度模數(shù)為254,經(jīng)過篩選后最大粒徑為475mm,堆積密度為1360kg/m3。水采用自來水。

1.2配合比設(shè)計

?? 為了確保自制填縫材料能夠滿足填縫結(jié)構(gòu)的性能要求,本文對自制填縫材料進行了性能測試。填縫砂漿的配合比如表1所示，P.O和SAC水泥復(fù)摻可保證填縫砂漿具有一定的早期強度和28d強度;摻入粉煤灰可降低砂漿的水泥用量,改善砂漿的工作性能,提高砂漿的抗?jié)B性能;摻入減水劑可保證填縫材料在流動度要求和砂漿強度方面達到平衡;摻入兩種緩凝劑可以保障填縫材料的凝結(jié)時間，同時滿足實際工程的灌縫工序要求;摻入早強劑用于提高填縫材料的早期強度,使道路能夠盡早通車;摻入可再分散乳膠粉可以改善砂漿的力學、耐久及抗疲勞性能。

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1.3流動度試驗

?? 流動性能是保證填縫材料能夠充滿縫隙的前提，試件制作前需對填縫材料進行流動度測試。由于砂漿流動度太大，且考慮到實際施工中采用直接灌注的自流平方式進行，所以直接將試模放置于光滑的玻璃板上,將砂漿灌滿試模后,豎直提起試模，讓砂漿自由擴展,等待30s后用卡尺測量砂漿底面互相垂直的兩個方向直徑,求其平均值即為砂漿的流動度。

??? 摻入緩凝劑可提高砂漿的流動性能。若不添加緩凝劑,則新拌和的自流平水泥砂漿隨加水后時間的推移,其流動度逐漸減小,直至失去自流平效果，這對于施工灌漿來說是不利的。因此,考慮到施工要求,需要保證在一定時間內(nèi)砂漿的流動度大小。

??? 流動度測試結(jié)果見表 2。在30 min 內(nèi),砂漿流動度并未降低，保持了較好的流動性能。這是由于摻入硼酸和D一葡萄糖酸鈉緩凝劑的效果:硼酸可使無水硫鋁酸鈣顆粒表面形成一個硼酸鈣保護層，從而使其與鈣離子、亞硫酸根離子和水的反應(yīng)速度減緩,最終實現(xiàn)緩凝的效果;葡萄糖酸鈉則可于硅酸三鈣(CS)表面生成不溶性鈣鹽的膜層，使CS水化減慢,因此產(chǎn)生緩凝作用。

??? 本文通過模擬現(xiàn)場縫隙條件,對基塊縫隙進行灌縫試驗,來驗證填縫材料的自流平效果。灌注的自制砂漿能夠自動充滿基塊縫隙。此結(jié)果表明，自制砂漿的流動度初始在270mm以上，流動度完全滿足施工所需。

1.4試件制備

?? 本試驗采用40mmx40mmx160mm的三聯(lián)試模成型試樣、在室溫的環(huán)境下靜置24h后，對硬化的試件進行編號、拆模。試件拆模后立即放入溫度為20℃士2℃，相對濕度為90%以上的標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至1d7d、28d等相應(yīng)的齡期后進行相關(guān)的試驗。試驗將對填縫砂漿的力學及耐久性能進行研究.從而檢驗此材料能否作為裝配式道路基層結(jié)構(gòu)的專用填縫料。

2 力學性能試驗

2.1試驗方法

?? 對于組合基層結(jié)構(gòu)而言,砂漿填縫材料由于基塊間的嵌擠作用,受到拉、壓應(yīng)力的作用,起到了連接基塊的重要作用[3],其抗壓、抗拉強度及彈性模量是力學性能的關(guān)注重點。因此本文的力學性能試驗研究包括抗折強度、抗壓強度及彈性模量測試。其中抗折及抗壓試驗采用全自動砂漿壓力試驗機。靜力受壓彈性模量測試通過MTS液壓伺服試驗機自動記錄位移和壓力大小。

2.2試驗結(jié)果

?? 填縫砂漿及對比組的抗折、抗壓強度及折壓比的測試結(jié)果見表3。隨齡期的增加,砂漿的抗折、抗壓強度逐漸增加,且增長速度逐漸減慢。1d時砂漿已初步成型,具有一定的抗折、抗壓強度;7d時，砂漿抗折、抗壓強度已達到28d強度的80%左右。砂漿逐漸硬化,折壓比也逐漸降低，韌性下降。對于裝配式道路基層結(jié)構(gòu)而言,此填縫材料的1d強度遠能夠滿足文獻[3]中在車載作用下填縫結(jié)構(gòu)材料的抗拉強度大于Q1MPa、抗壓的強度大于Q15MPa的要求,28d強度也超過 M10 砂漿等級要求,達到了 M25 砂漿等級,可以保證結(jié)構(gòu)后期的安全性能。因此,填縫砂漿可以用于灌注裝配式道路基層結(jié)構(gòu)的填縫中,養(yǎng)護24h后,即可達到車載作用下的通行要求,大大縮短裝配式道路基層的工期。

?? 砂漿填縫結(jié)構(gòu)起到了傳遞基塊間的相互作用力、分散變形的作用,且其也是約束基塊的邊界條件。當其彈性模量低時，可協(xié)調(diào)基塊自身的變形，有利于結(jié)構(gòu)的受力。28d時填縫砂漿彈性模量測試結(jié)果為5.48GPa，遠低于C20混凝土基塊的模量(25.5GPa),作為接縫材料具有合適的低彈性模量的特點,也即提高了變形協(xié)調(diào)能力。配合比中復(fù)摻的粉煤灰對于降低強度提高變形能力有著較大作用,同時摻入的乳膠粉分散在水泥砂漿的水化產(chǎn)物之間,提高了材料的變形能力。

3、耐久性試驗

3.1 試驗方法

?? 耐久性能試驗研究包括干縮率、抗?jié)B性、抗凍性測試。其中干縮率試驗采用砂漿收縮儀進行測試?？?jié)B性試驗采用砂漿滲透儀進行試驗,抗凍性試驗采用凍融循環(huán)機進行凍融循環(huán),再采

用動彈性模量測試儀來進行縱向動彈性模量測試。

3.2 試驗結(jié)果

?? 干縮率隨時間的變化如圖3所示。由圖3分析可知，0~7d內(nèi)砂漿干縮變化較大,此時試件處于自然干燥階段,變化較快;7~28d收縮速度逐漸放緩;28d后收縮速度較慢,并逐漸停止收縮。由于室溫變化較小，而混凝土的線膨脹系數(shù)約為

0.00001/℃,即每10℃的變化對試件長度的影響為萬分之一,此量級等于收縮率的精度。本試驗溫度對試件長度的影響小于精度誤差的影響。由測定結(jié)果可得砂漿試件干縮率為009%，小于《聚合物水泥防水砂漿》(JC/T984-2005)中的收縮率小于0.15%的要求。因此,采用自制填縫材料對基層進行灌縫,將有效控制干縮裂縫出現(xiàn)，可以很好地防止雨水滲入填縫結(jié)構(gòu)中。

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?? 本文通過逐級加壓法對其抗?jié)B性能進行研究，得到砂漿抗?jié)B強度為1.3MPa。此強度已經(jīng)大于防水混凝土P12的設(shè)計要求，即大于1.2MPa，可以保證雨水不由接縫砂漿處滲入基層。砂漿抗?jié)B性能較高是由于配比中摻入的粉煤灰和高效減水劑實現(xiàn)的。高效減水劑減小了砂漿的用水量，從而減小了砂漿的空隙率,而粉煤灰中的活性成分與水泥組分在外加劑的作用下發(fā)生二次水化,生成了C-S-H膠凝體,可以堵塞和削減滲水通道,從而提高抗?jié)B性能。

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??? 砂漿抗凍性能試驗中,質(zhì)量損失率及相對動彈性模量隨凍融次數(shù)的變化如圖4.圖5所示。當相對動彈性模量達到初始值的60%以下或質(zhì)量損失5%時停止試驗。由圖4、圖5可知,水泥砂漿的動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。試驗過程中，試件20次凍融循環(huán)前,試件表面未出現(xiàn)明顯剝落情況;20次后,試件的邊角處先出現(xiàn)剝落,隨凍融次數(shù)的增加再逐漸向表面擴展;50次后,砂漿表面剝落嚴重;在55次凍融循環(huán)后,砂漿已凍融破壞,試驗停止，砂漿的抗凍等級為F50。此砂漿的抗凍等級達到了《砌筑砂漿配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T98-2010)中對嚴寒地區(qū)砌筑砂漿的要求,砂漿具有優(yōu)異的抗凍性能,能滿足東北嚴寒地區(qū)的道路要求。配合比中摻入的聚合物膠粉對于抗凍性能的提高有著較大作用,其分散在水化物中間,形成柔性的三維空間網(wǎng)格,在砂漿凍融破壞的過程中,可起到緩沖的效果,從而提高了砂漿的抗凍融性能。

4疲勞性能試驗研究

4.1試驗方法

?? 疲勞試驗考慮到填縫砂漿在實際服役中的情況,進行抗壓疲勞破壞試驗,加載頻率選為10Hz試驗儀器采用MTS伺服壓力機，通過測定等幅重復(fù)荷載作用下疲勞累計變形與加載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系,來反映水泥砂漿抗壓疲勞變形性能?？紤]到道路基層接縫中的受壓破壞情況，將制作的40mmx40mmx160mm的棱柱體試件通過切割機切割成邊長為40mm的立方體小塊，放在抗壓試驗所用的夾具中進行抗壓疲勞試驗。全部試件應(yīng)在齡期到達時從存放地點取出,測定其抗壓強度,然后再進行疲勞性能試驗。試驗荷載的上限應(yīng)力宜取抗壓極限的Q7,下限應(yīng)力則取為Q1,進行正弦波加載。MTS試驗的實測荷載一時間曲線如圖6所示，加載試驗如圖7所示。

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?? 抗壓疲勞變形試驗中,每1x105次重復(fù)加載后,停機記錄由MTS試驗機測得的砂漿立方體試件的累積變形。試驗加載至試件破壞為止,若加載至2x106次，試件仍未破壞,可停止試驗。

4.2 試驗結(jié)果

??? 圖8為疲勞試驗應(yīng)力-應(yīng)變增量滯回曲線，從左到右依次為0次、10萬次、100萬次、200萬次重復(fù)加載的滯回曲線。為消除試件表面不平整空隙對試驗帶來的誤差影響，以預(yù)加載后、初始時的第一次應(yīng)力、應(yīng)變作為原點坐標，坐標軸以應(yīng)力、應(yīng)變的增量來表示。由圖8可知,隨疲勞加載的進行,滯回曲線逐漸右移。這證明了隨著疲勞試驗加載的進行，應(yīng)變逐漸增大，累計位移逐漸產(chǎn)生。100萬次與200萬次曲線相比,試件的滯回曲線較為相似,曲線右移逐漸減緩。這說明試件依舊處于彈性變形階段，且基本穩(wěn)定，200 萬次加載未能使試件發(fā)生破壞。

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?? 瞬時彈性模量計算結(jié)果如表4所示。隨疲勞循環(huán)加載次數(shù)的增加,自制砂漿的瞬時彈性模量增大。這說明在疲勞循環(huán)作用下，砂漿的硬度增強,彈性模量變大,自制砂漿仍處于抗壓疲勞變形的前中期階段。在抗壓疲勞破壞的前期,砂漿試件由于反復(fù)荷載作用,內(nèi)部空隙減小,砂漿的累積變形增大,砂漿硬度增大,彈性模量提高;在砂漿疲勞破壞的中期,砂漿的累計變形逐漸減緩,砂漿的硬度及彈性模量提高趨勢減緩，砂漿進入穩(wěn)定工作階段;在砂漿疲勞破壞的后期,砂漿材料內(nèi)部逐漸產(chǎn)生裂縫,裂縫隨加載次數(shù)的增大而逐漸擴展,砂漿材料劣化,抗壓強度降低,彈性模量下降,最終發(fā)生疲勞破壞。

??? 由表4及圖8可以看出，200萬次疲勞變形對砂漿材料而言依然處于材料的抗壓疲勞破壞前中期，砂漿材料滿足疲勞工作要求。200萬次疲勞荷載為中等交通量車載的要求。因此，當砂漿在應(yīng)力比07條件下200萬次疲勞荷載不發(fā)生破壞時，可以保證15年內(nèi)中等交通條件下,組合基層結(jié)構(gòu)的填縫材料處不發(fā)生抗壓疲勞破壞。

??? 自制砂漿的累計變形如圖9所示，累計變形逐漸隨疲勞加載次數(shù)的增加而增大，200萬次加載后，自制砂漿試件的累計變形值為009mm，試件完好，未有明顯變形破壞現(xiàn)象產(chǎn)生，試件未出現(xiàn)裂縫，試件滿足抗壓疲勞性能的要求。試件前10萬次加載變形較快，后期變形較慢,在200萬次標準車載作用下不發(fā)生破壞.這可以保證在中等交通荷載作用下15年內(nèi),不由填縫結(jié)構(gòu)受壓疲勞引起基層整體的破壞。配合比中摻入的可再分散聚合物膠粉對于砂漿抗疲勞性能的提升有著較大效果,膠粉分散在水化物中間,形成柔性的三維空間網(wǎng)格，在砂漿抗壓疲勞破壞的過程中，可起到緩沖的效果，從而提高了砂漿的抗疲勞能力。

5 結(jié)語

(1)填縫砂漿具有一定的早期強度和較高的后期強度，1d力學性能滿足車載作用下填縫結(jié)構(gòu)的強度要求,可保證裝配式道路基層結(jié)構(gòu)工期短的特點。28d強度達到了M25砂漿等級，進一步提高了結(jié)構(gòu)的安全性能。

(2)填縫砂漿彈性模量較低,在基層結(jié)構(gòu)中可起到分散變形的作用，有利于裝配式道路基層結(jié)構(gòu)的受力。

(3)填縫砂漿的耐久性能滿足要求,具有較高的抗干縮、抗?jié)B、抗凍性能，干縮率為0.09%，抗?jié)B等級超過P12級，抗凍性能達到F50級，此填縫砂漿適用于東北地區(qū)的裝配式道路基層結(jié)構(gòu)中。

(4)填縫砂漿的抗疲勞性能滿足要求,在200萬次加載后,其彈性模量處于上升階段,試件未發(fā)生疲勞破壞，可保證裝配式道路基層結(jié)構(gòu)具有較高的抗疲勞能力。

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