公路施工：高寒地区MPC胶凝材料修补水泥混凝土路面裂缝施工工法

- I - 甘肃路桥建设集团有限公司 工 法 文 本 工法名称工法名称高寒地区 MPC 胶凝材料修复水泥混 凝土路面裂缝施工工法 工法负责人工法负责人王生辉 类类别别路面 专专 业业 分类分类水泥混凝土路面 申申 报报 单位单位甘肃路桥建设集团有限公司 申申 报报 时间时间2021 年 4 月 20 日 第 1 页 共 22 页 2 高寒地区高寒地区 MPC 胶凝材料胶凝材料修复修复水泥混凝土水泥混凝土 路面裂缝施工工法路面裂缝施工工法 工法编号工法编号GGGGGG（甘）（甘）B2B200002 2-202-2021 1 甘肃路桥建设集团有限公司甘肃路桥建设集团有限公司 甘肃路桥建设集团甘肃路桥建设集团养护科技养护科技有限有限责任责任公司公司 王生辉王娟霞魏永锋王兆力徐华鑫 1 前言 水泥混凝土路面是最主要的道路结构形式之一。水泥混凝土路面面层刚度大、强 度高，具有施工简单、稳定性好等优点。无论国内还是国外，水泥混凝土路面均占有 相当大的比例。水泥混凝土路面服役一段时间后，普遍存在破损现象，其中路面裂缝 是比较典型的破损形式。不同裂缝类型成因不同，对道路影响也不同，但随时间延长， 这些裂缝会引起路面整体破坏。现通常采用与原路面相同的材料和工艺进行局部修补 或整板修补，但从路面裂缝的清理、修补、养生到所需开放交通的强度，可能需要数 天甚至十数天，冬季施工将更长。此外，甘肃地区地貌复杂，多为高山、河谷和戈壁， 自然灾害频繁，道路应急抢修的总量也比较大。因此，针对因自然灾害导致的严重路 面裂缝的应急抢修材料及技术的研究意义重大。目前虽有许多针对水泥混凝土路面裂 缝修复材料和技术的研究，也进行了一定程度的实际应用，但针对水泥混凝土路面裂 缝的快速修复材料，还缺乏专门针对性的材料和技术。主要存在以下问题1）现有修 复材料所采用的胶凝材料性能仍难以满足快速而有效的修补要求，主要表现在早期强 度发展仍偏低；2）没有围绕材料特性、裂缝类型研究相适宜的施工工艺，限制了修复 的速度，甚至影响修复的质量；3）目前在进行路面裂缝等病害快速修补时，往往不考 虑修复材料的长期耐久性和修补界面的长期效果，致使重复修补的可能性增加。 针对该问题，甘肃路桥、养护科技公司联合重庆大学开展了技术攻关活动， 研发 第 2 页 共 22 页 3 了 MPC 胶凝材料，授权发明专利一种界面增强剂的制备方法及其应用，发布行业 标准磷酸镁修补砂浆（JC/T 2537-2019）。该项目通过中国建筑业联合会鉴定，认 为该项目的研究丰富了建筑材料品种，研究成果达到国内先进水平。在第二长大隧道 天水麦积山隧道改造工程和临夏双城隧道进行了工程实践，应用该材料拌制的混凝土 3h 抗压强度和抗折强度大于同类标号水泥混凝土的 7d 抗压强度和抗折强度，浇筑 3h 后即可进行后续工序的施工，可缩短施工工期 7d，从而降低了安全隐患。同时，也在 白明高速公路和金阿高速公路桥梁伸缩缝得到应用。MPC 胶凝材料技术新颖成熟，技 术经济效益显著，经总结提炼，形成了本工法。 2 工法特点 2.1 MPC 胶凝材料又称为化学结合陶瓷，兼具水泥和陶瓷的性能。 2.2 MPC 胶凝材料超快凝结，并且凝结时间可控，根据施工条件、施工环境，可 以调节凝结时间在 10-90 分钟，为开放交通缩短了时间。 2.3 MPC 胶凝材料与基材的粘附性好，粘结强度高。用作修复材料，与旧水泥混 凝土和钢筋具有优异的粘结性能，有效提高混凝土抗冲击性和抗裂性， 使浇注材料与 基材形成良好的整体性，延长路面的使用寿命。 2.4 MPC 胶凝材料超高早强，在控制凝结时间的同时，早期强度可达到普通水泥 混凝土 7d 甚至 28 天的强度，浇筑 3h 后即可通车，缩短了施工工期， 降低了安全隐 患。 2.5 MPC 胶凝材料流动性好，在低水胶比而且无减水剂的情况下，依然能保持高 流动性而无泌水的现象，可实现自流平。在合适的配比下，具有填充作用。由于其优 异的流动性，可以用在普通的灌浆和裂缝的注浆，作为裂缝的修补材料。 2.6 MPC 胶凝材料体积稳定性好。理论上，MPC 胶凝材料的化学收缩高于普通水 泥的，但在试验过程中发现比普通水泥的低；干燥收缩相比 OPC 小得多，是 OPC 的 十分之一或者更小，甚至早期具有微膨胀。 2.7 优异的护筋性能，常规认为低碱度的胶凝材料的护筋性能是较差的，MPC 胶 第 3 页 共 22 页 4 凝材料体系呈现弱酸性，一定程度上抑制锈蚀的发展，对钢材等金属的化学保护效果 突出。通过钢纤维与 MPC 胶凝材料的拉拔试验，结合非常紧密，即使用在海洋环境， 也能保护钢筋不受海水的冲刷和腐蚀。 2.8 优异的耐久性。耐磨度可达普通普硅混凝土的 2 倍，适合路桥面、机场跑道等 高磨耗混凝土破损部位的修补；在模拟海水环境试验中，MPC 胶凝材料具有很高的耐 盐蚀性，能抵抗硫酸盐、氯盐的侵蚀，适合盐渍土、海洋环境下的混凝土缺陷修复； 通过配合参数的优化，也表现出较好的耐水性。 2.9 相比较于其他修复材料，MPC 胶凝材料可以在高寒地区低温环境负温条件下 进行施工，其路用性能受环境和气候影响较小，普适性强。 2.10 MPC 胶凝材料相比于其他无机修复材料，在浇筑振捣完成后，只需抹平，无 需养护，节约了成本，简化了工艺，缩短了开放交通的时间。 3 适用范围 本工法适用于水泥混凝土基材的快速修复。 4 工艺原理 MPC 通常由重烧氧化镁粉料、磷酸盐钠、钾、铵等磷酸盐、适量缓凝剂组成， 在有水的条件下能同时发生酸碱反应和水化反应，形成以磷酸镁为主要粘结相的水泥 质陶瓷材料。 作为 MPC 用量最大、 最主要的组分之一， 氧化镁的性质是成功制备 MPC 的关键，氧化镁活性的关键因素有两个一是氧化镁的煅烧温度和或时间，二是氧化 镁的粉磨细度。另一种重要组分磷酸盐，但磷酸盐种类繁多，根据不同的磷酸盐可以 制备出不同的 MPC 体系，但许多体系由于反应速度快、水化产物不稳定及强度低的原 因，缺乏实用价值，本工法中采用磷酸二氢铵制备 MPC。缓凝剂常用的有硼砂、硼酸 及复合缓凝剂，本工法中采用硼砂制备 MPC。与普通硅酸盐水泥相比，MPC 具有截 然不同的凝结硬化机理、物相组成和微观结构，因而表现出众多独特的性能，如有优 良的早强性能、、抗渗性能，并与旧水泥混凝土、钢筋具有优异的粘结性，能够提高 第 4 页 共 22 页 5 水泥混凝土路面使用寿命。 MPC 为何具有如此优异的性能，探索其凝结硬化机理和水化产物的形成机制非常 有必要，大量的研究人员做了大量的研究，至今未形成统一认识。但大部分学者认为 MPC 的凝结硬化过程是通过溶液扩散机理进行的，该机理包括磷酸二氢铵和部分氧化 镁的溶解、溶液中离子反应生成水化产物并聚集于成核点等要点，即著名的“三步反 应机理”，即1 磷酸盐和氧化镁溶解，Mg2形成带正电荷的水溶胶；2溶胶随后 与磷酸盐水溶液缩合反应形成凝胶；3氧化镁凝胶逐渐饱和，围绕颗粒结晶长大，最 终凝结硬化并产生强度。晶体长大的速度快，早期强度高，后期强度不会退缩。 MPC 与 OPC 基体粘结强度高，关于粘结的机理通过利用 SEM 和