CN103360009B - 一种用于城市道路检查井快修的黑色高强混凝土浇筑料 - Google Patents

Abstract

本发明属于路面新材料技术领域，具体公开了一种用于城市道路检查井快修的黑色高强混凝土浇筑料，该浇筑料由钢纤维、水泥、粗集料、细集料、着色剂、混凝土外加剂等原料按照一定配比混合而成。该浇筑料具有早期强度高、耐磨性好、与沥青混凝土色泽一致等特点，且取材方便、生产过程简便、对外界环境要求低、无需碾压，适用于城市道路沥青混凝土路面检查井井周小面积破损的快速修复，实现快速开放交通、修补美观、二次破损率低的功能要求。

Description

一种用于城市道路检查井快修的黑色高强混凝土浇筑料

技术领域

本发明涉及路面新材料技术领域，具体涉及一种用于城市道路检查井快修的黑色高强混凝土浇筑料。该浇筑料适用于城市道路沥青混凝土路面检查井井周破损的快速修复。

背景技术

随着城镇化的加快和城市交通车流量的迅猛增长，频繁的交通荷载作用导致城市道路检查井井周路面下陷、烂边和破损等病害问题凸出，严重影响了城市道路的使用功能，修复挤占正常交通时间长，加剧了城市道路的交通拥堵，而且井周路面修补再运营后病害易复发，频繁反复的修补造成了市政基础设施建设资金的浪费。

针对路面破损混凝土的维修，公路部门采用的传统方法是采用沥青质材料，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，或在已损坏的混凝土表面上加铺一层沥青混凝土。这是一种应急方法，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:①新旧混凝土结合强度低、相容性差；②材料强度不均匀，导致传荷不一致；③使用寿命短；④新旧混凝土色泽不一致，影响美观。传统方法之二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:①普通混凝土收缩大，易使混凝土开裂；②普通混凝土本身的粘度差，与老混凝土的粘结效果差；③养生时间长(14天及以上)，影响正常交通。为此我国加大了对混凝土路面快速修补技术及修补材料的研究力度。目前，已经开发的可用于混凝土路面病害快速修补的材料主要有三类：有机类修补料、无机类修补料及有机和无机复合修补料。

有机类修补料大多只适用于路面裂缝的灌浆修补，而无机类修补材料则适用于大面积路面板块的修补。当前用于混凝土路面板块快速修补的材料种类品种繁多，基本可分为三种：快硬水泥、快硬混凝土和水泥混凝土快速修补剂等。它们分别通过对水泥品种的选择、加入混凝土掺和料和添加混凝土外加剂达到混凝土快硬早强的目的。快硬水泥如：快硬硅酸盐水泥、高铝水泥、快硬硫铝酸盐、铁铝酸盐水泥、磷酸盐水泥和碱硅水泥等。快硬混凝土如：硅灰混凝土、偏高岭土混凝土、纤维增强混凝土和聚合物混凝土等。快速修补剂是在通用水泥中加入一定量快速修补剂使混凝土达到快硬早强快速通车的目的，如武汉理工大学研制的的R-24快速修补材料、江苏省建筑科学研究研制的JK系列快凝快速修补材料、江苏省交通工程公司研制的KS系列快速修补材料等。但这些材料主要针对的是机场跑道、高速公路、桥梁等混凝土路面的大面积破损而进行的快速修补，并不适用于城市道路检查井的快修工程，主要在于以下三个方面的原因。（1）城市道路检查井井周路面破损的产生与大面积道路路面破损的机理不同。尤其是当前许多城市的道路完成了黑色化改造，加铺了沥青混凝土面层，而在道路中间的检查井盖却多为球墨铸铁材质，二种材料刚度差异约百余倍，刚柔反差造成在材料交联处形成应力集中和差异变形，在交通荷载长期反复作用下使得原本结合良好的井盖周边沥青混凝土发生放射状环向裂缝或碎裂。因此，城市道路检查井的快修材料首要应该解决球墨铸铁井盖与沥青混凝土材料的刚度差异性问题。（2）受快速开放交通要求所限，快硬早强是修补材料的基本性能要求，同时还要与原有沥青混凝土材料有良好的相容性和匹配性，强度、热膨胀系数等指标基本一致，耐久、干缩率小，并具有很强的抗（酸、碱、盐、油等）腐蚀性和耐候性，而且施工简便、价格适度。采用普通沥青混凝土和普通混凝土掺快速修补剂的方法均无法满足这些要求。（3）现有的混凝土快修材料很少考虑道路修补后的色差问题，将其直接用于城市沥青混凝土路面检查井的快修时，会导致后浇筑混凝土与原沥青混凝土路面存在很大的黑白色差，留下“补丁”，严重影响原有道路的美观性。因此，城市道路检查井快修材料还必须解决后期路面运营无色差的美化问题。目前虽发展了不同的彩色混凝土，但多只用于装饰，并不用于承受复杂荷载作用的混凝土结构工程，且目前尚未见有彩色混凝土应用于道路检查井病害修复工程的报道。

总之，现有可用于路面板块快修的混凝土材料不能满足城市道路沥青路面检查井快修的功能要求，必须研制专用浇筑料，才能解决上述问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供了一种用于城市道路检查井快修的黑色高强混凝土浇筑料及其制备方法，通过在混凝土中掺入钢纤维，满足高强度要求，且高强钢纤维混凝土的刚度适中、抗弯抗折强度高，可成为球墨铸铁井盖与沥青混凝土间差异变形的良好过渡料，从根本上解决因刚度反差引起的井周沥青混凝土反射性裂缝问题；同时，在混凝土中掺入高效减水剂和铁黑，提高了混凝土的早期强度、缩短了混凝土凝结时间，满足快硬早强快速通车功能，且成型后与原有沥青混凝土路面无色差，美观适用。可应用于城市沥青混凝土路面检查井的病害快修工程。

本发明技术方案通过在高强钢纤维混凝土中掺入高效减水剂和铁黑，使其能大幅度提高混凝土的早期强度，大幅度提高了在20℃、90%RH条件下养护6-8小时的混凝土强度，抗压强度可达到30MPa以上，且混凝土颜色与沥青混凝土一致，满足快速开放城市道路交通条件的同时还满足修补后无色差的美化功能。

为了实现上述发明目的，本发明采取了如下技术措施。

一种用于城市道路检查井快修的黑色高强混凝土浇筑料，其特征在于，每立方米所述黑色高强混凝土浇筑料中各原料含量配比如下：

每立方米所述黑色高强混凝土浇筑料中以上各个原料的含量的表述方式中，水泥、粗集料、细集料和水采用的是绝对用量，减水剂、铁黑粉和硅灰采用的是以水泥含量为基准的相对用量，钢纤维采用的是体积百分数，其含义是钢纤维占黑色高强混凝土浇筑料的体积百分数。

所述钢纤维的长度为20～50mm，截面直径或等效直径为0.3～0.8mm，长径比为（60～80）：1；

所述钢纤维的抗拉强度不低于380MPa，表面不得粘有油污和/或其他妨碍钢纤维与水泥浆粘结的杂质，表面含有的杂质总量不超过钢纤维重量的1%。

所述水泥选用硫铝酸盐水泥或铝酸盐水泥等早强型水泥，由于高标号水泥水化热大，需水量大，为避免发生温度裂缝，每立方米用量最好不超过550kg。水泥各项指标应符合国家规范。

所述粗集料采用级配良好，针片状含量≤5%，压碎值≤15%，含泥量≤1%，粒径5～16mm，粒径控制在钢纤维长度的1/2～2/3范围内的碎石，其他指标应符合JGJ52-2006中对集料的要求。岩石种类以石灰岩、花岗岩或其他火成岩为最优，严禁使用具有碱活性的骨料。

所述细集料为中粗砂，含泥量≤2%，细度模数≥2.6，其他指标应符合JGJ52-2006中对集料的要求。严禁使用具有碱活性的骨料。优选的，采用细度模数为3.0的天然河砂作为细集料。

所述水的氯离子含量控制在1000mg/L以下，一般采用无有害物质的洁净水。

所述减水剂选用高效减水剂，其减水率≥25%、含气性≤4.5%、1d强度比≥160%且氯含量≤0.4%；优先采用聚羧酸高效减水剂。减水剂掺量一般为水泥质量的1%。

所述铁黑粉，其Fe₃O₄含量≥95%，筛余物（45μm筛孔）≤0.4%，相对着色力≥100%。

铁黑的主要化学成分为Fe₃O₄，在潮湿的环境下在空气中会反应生成Fe₂O₃，导致颜色发生变化，其掺量不宜过大，以免影响后期强度，且掺量超过水泥质量的8%时对混凝土强度有较大影响。根据实验室试验情况，当其他原材料用量不变的情况下，掺量提高到水泥质量的8%，其强度相对基准混凝土（未掺铁黑）的强度下降15%左右。

在对铁黑及碳黑两种染色材料的对比试验中，碳黑染色效果远小于铁黑，其掺量高达15%的情况下，混凝土拌合物颜色才可达到掺3%铁黑的染色效果。且碳黑掺入后对混凝土强度影响较大，由于碳黑自身层状分子结构，易造成混凝土内生成物结合不紧密，从而造成强度破坏。

铁黑粉最优掺量为水泥质量的5%，现场可根据路面颜色进行适当调整，建议最大掺量不超过8%。

所述硅灰在水泥体系中的主要作用机理有填充效应、火山灰效应及孔隙溶液化学效应。硅灰颗粒直径约为水泥颗粒直径的1/100，其掺入可以很大程度上提高混凝土的密实性，减少混凝土中的空隙，提高混凝土抗冻性，而硅灰的火山灰效应可以提高混凝土早期及长期强度。

上述黑色高强混凝土浇筑料的制备方法，其步骤如下：

（1）先将钢纤维、粗细集料干拌2min，再加入水泥、硅灰及铁黑粉搅拌2min，然后加水与减水剂溶液，湿拌2～4min，至拌和物具有良好的流动性。

（2）将拌制好的混凝土混合料装模，振捣成型，收光抹面。

（3）在湿度为90%以上、20℃的环境下养护8h脱模。

注意事项：

1）需根据粗细集料的含水率对用水量进行调整，实际用水量应减去砂石中含水量，在实验室可采用烘干法测得砂石含水量，现场最好取不同部位集料进行含水率的复测，并相应地调整用水量。

2）拌和设备需用与该钢纤维混凝土同等胶砂比和水灰比的砂浆润湿。

一次拌合量不宜过大，且应随拌随用。在规定连续浇注的区域内，施工不得间断，应尽量缩短间歇时间(从出料到浇注完毕所经历的时间段最好不超过15min)。施工应注意避免在当天温度最高温期施工，采用一些有效的降温措施，保证混凝土入模温度不超过30℃。如必须在冬季低温条件下施工（平均气温≤5℃），应采取冬季混凝土施工措施。

3）成型注意事项

实验室成型必须采用振动台振实，现场可采用振动棒进行振捣。实验室在20℃、90%RH条件下养护，养护6h左右拆模，脱模后标准养护至相应龄期再进行强度试验。现场施工完毕应及时洒水养护，至少养护7d。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1.钢纤维水泥混凝土材料刚度介于球墨铸铁和沥青混凝土之间，将其应用于沥青路面检查井修复，可实现检查井刚性支座与柔性沥青路面间的刚柔过渡，使检查井盖与沥青混凝土路面在交通荷载长期作用下保持协调变形，减少和杜绝井周出现放射状环向裂缝或碎裂；

2.该材料基于成熟的水泥混凝土拌和工艺，具有制备方法简便、成本低，不需采用压实设备，直接浇筑成型，尤其适用于道路检查井修补等混凝土用量较少的场合；

3.具有良好的路面应用效果，可有效地控制检查井框盖与路面间高差，且材料有良好的抗磨、抗拉裂性能，长期耐久性好，可有效杜绝现有路面检查井下陷的质量通病。

4.相比传统混凝土，本材料具有黑色光泽，能有效实现与沥青路面的外观统一，不留修补痕迹；

5.材料早期强度高，可实现10h开放交通，有效节省工期。

附图说明

图1为实施例1制备出的黑色高强混凝土浇筑料试块、沥青试块、普通混凝土试块的对比图；

图2为普通混凝土浇筑效果图；

图3为实施例2制备的黑色高强混凝土浇筑料浇筑效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的产品及其制备方法和应用过程进行详细说明。

实施例1（实验室制备）：

一种用于城市道路检查井快修的黑色高强混凝土浇筑料，其实验室制备步骤如下：

A、原材料准备：磊安特CA-50铝酸盐水泥；细度模数为3.0的天然河砂（产地为湖北巴河）；粒径范围为5～10mm连续级配的石灰岩碎石（产地为湖北红安）；武汉汉森钢纤维有限责任公司出产的型号为SFB-20～60的钢板剪切型钢纤维；sika的ViscoCrete20HE型聚羧酸高效减水剂；水为自来水；铁黑粉和硅灰无特殊要求，本实施例采用的是曙光牌氧化铁黑和武汉新必达硅灰。

B、测定砂石含水率，采用烘干方式进行，测得石料含水率为0，砂子含水率为1.2%。

C、根据下表1中配比及所需的混凝土浇筑料量称取相应重量的原材料。以成型三组抗压试块为例，考虑质量损失，以1.2体积富裕系数进行各原材料用量的计算，计算所需混凝土浇筑料体积约为0.036m³。所需原材料质量分别为：水5.08kg、水泥18kg、硅灰1.8kg、砂25.92kg、石37.38kg、钢纤维1.40kg（约180cm³）、减水剂0.349kg、铁黑1.19kg，考虑砂子含水量后，实际砂用量为26.23kg，水用量为4.77kg，因减水剂需与水拌合成水溶液后方能使用，考虑其含固量为20%，调整后最终用水量为4.77-0.349×0.8=4.49kg。根据上述计算结果，将所需原材料分别称量备用。每立方米黑色高强混凝土浇筑料配比如表1所示，不同体积的浇筑料根据此表换算。

表1每立方米黑色高强混凝土浇筑料配比

D、用与混凝土相同的水灰比及胶砂比的砂浆浸润搅拌机，先用人工将砂浆拌合均匀，而后倒入搅拌机内，开机搅拌1min，将剩余浆料倒出；

E、将砂、石、钢纤维原材料加入搅拌机中干拌2min；

F、加入水泥、硅灰、铁黑继续干拌2min；

G、将水和减水剂充分混合成为溶液，加入搅拌机内湿拌3min；

H、参考《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2002）和《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）制作和装模成型（成型同时进行坍落度试验），加水时间至装模完成时间不超过10min，置于振动台上开机振动1min，收浆抹面，置于标准环境下养护6h后脱模。

I、脱模后将试件继续置于标准环境下养护至相应龄期。

试验测试结果如下：

坍落度2cm，10h抗压强度33.1MPa，10h抗折强度4.7MPa，12h抗折强度5.9MPa，12h抗压强度49.5MPa，3d抗压强度67.1MPa，3d抗折强度8.4MPa。

图1为制备出的黑色高强混凝土浇筑料试块（左一）、沥青试块（中）、普通混凝土试块（右）的对比图，可以明显看出黑色高强混凝土浇筑料试块与沥青试块有较好的颜色一致性。

实施例2（现场制备）：

A、施工准备：将需要浇筑的路面检查井井圈周围清扫干净。

B、材料准备：选用与实施例1实验室制备方法相同的配比及原材料进行施工，各原材料经检测合格后方可应用。取不同部位集料进行含水率的复测，复测石子含水量为0，砂子含水量为1.4%，并相应地调整用水量。根据配比采用电子台秤进行原材料计量，根据井周尺寸计算混凝土用量，计算每个井周需混凝土量约为0.251m³，1组抗折试件混凝土量为0.037m³，考虑一定的富裕系数，增加混凝土浇筑料配备量增加至0.3m³。考虑砂石含水量及减水剂含水量后，各原材料用量分别为：水泥150kg、硅灰15kg、砂219.1kg、石311.52kg、钢纤维11.7kg（1500cm³）、铁黑9.9kg、减水剂2.91kg、水36.9kg。

C、拌合：拌合前用与该配比相同水胶比和胶砂比的砂浆对搅拌设备浸润。（先将设备用水浸润一遍，另取水泥10kg，水和砂根据配比计算，称量完毕后，将各材料倒入搅拌机内，开机搅拌2min，拌合均匀后，将剩余砂浆倒出。）

D、将砂、石、钢纤维原材料加入搅拌机中干拌2min；

E、加入水泥、硅灰、铁黑继续干拌2min；

F、将水和减水剂充分混合成为溶液，加入搅拌机中湿拌2min；

G、浇筑：将搅拌均匀的混合料浇筑于井周，从加水到浇筑完毕所经历的时间段，控制在10min。浇筑同时进行坍落度测量及试块制作。

H、振捣：根据现场施工条件，采用插入式振捣器对混凝土进行振捣。振捣至表面有浆体泛出为止，注意快插慢拔，不宜过振或漏振。

I、收光：振捣完成以后，使用铁抹板进行收浆抹面，抹面时注意与沥青路面保持平整，首次收浆抹面要及时，完成整个的收浆抹面的遍数为4遍。确保收浆过程中钢纤维嵌入混凝土内部而不留在表面。

J、养护：由于混凝土早期强度较高，应重视早期养护，采用养护棉覆盖并湿水的方式养护7d。试块采用同条件养护方式进行养护。

K、开放交通：要求试块抗折强度达到4.5MPa以上开放交通。

测试结果如下：

坍落度：2cm；10h抗压强度：31.2MPa；10h抗折强度：4.6MPa；12h抗压强度：48.3MPa；12h抗折强度：5.6MPa；3d抗压强度：66.3MPa；3d抗折强度：8.2MPa，井框与路面高差3mm左右，颜色与路面基本保持一致，经过高交通量行驶1年完好无损。

图2是普通混凝土浇筑后效果图，图3为实施例2的黑色钢纤维高强混凝土浇筑后效果图，经对比可以看出，采用本发明的黑色钢纤维高强混凝土浇筑后的井周与沥青路面有较好的颜色一致性，色差控制效果良好。

Claims (1)

1.一种用于城市道路检查井快修的黑色高强混凝土浇筑料，其特征在于，每立方米所述黑色高强混凝土浇筑料中各原料含量配比如下：

所述钢纤维的长度为20～50mm，截面直径或等效直径为0.3～0.8mm，长径比为(60～80)：1，所述钢纤维的抗拉强度不低于380MPa；

所述水泥选用铝酸盐水泥；

所述粗集料采用级配良好，针片状含量≤5％，压碎值≤15％，含泥量≤1％，粒径5～16mm，粒径控制在钢纤维长度的1/2～2/3范围内的碎石，其他指标符合JGJ52-2006中对集料的要求；

所述细集料采用细度模数为3.0的天然河砂；

所述减水剂选用sika的ViscoCrete 20HE型聚羧酸高效减水剂；

所述铁黑粉含量为水泥质量的5％；

所述硅灰颗粒直径为水泥颗粒直径的1/100。