CN110606702A - 基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法。该方法包括以下步骤：1)准备材料：分别称量水泥、粉煤灰、橡胶粉、石英砂、聚乙烯醇纤维、高效减水剂和水；其中，所述粉煤灰与水泥质量比为2‑2.5；所述橡胶粉的粒度范围为40目‑80目；2)试件制备；3)试件养护；4)预制水泥基复合材料构件；5)铺装：将缠绕所述预制水泥基复合材料构件的滚筒运输至桥梁施工现场，逐渐释放述预制水泥基复合材料构件，铺装在桥梁基层或面层上方，直至铺装完毕。该方法的施工效率高、便于施工且施工成本低。

Description

基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法

技术领域

本发明涉及复合材料施工方法。更具体地说，本发明涉及基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法。

背景技术

传统道路路面材料(沥青混凝土或水泥混凝土)在行车荷载与周围环境因素共同作用下容易开裂产生裂缝，而且在使用寿命内裂缝是不可避免的，因此在服务年限内路面材料都是处于带裂缝工作状态。钢桥面铺装层所处的周围环境与受力状态更为复杂严苛，即使使用环氧沥青混凝土作为钢桥面铺装层，裂缝破坏依然是其主要破坏形式。由于裂缝的出现，使得水、氯离子等有害物质通过裂缝渗入铺装层与钢板之间的连接层，从而破坏钢桥面铺装层。对于连续配筋混凝土路面材料，有害物质的滲入将会腐蚀钢筋，进而破坏混凝土材料。在雨天气候，桥面上有积水时，车辆快速通过会产生动水压力，在此种情形下，会对裂缝有一个水的冲击作用，加速裂缝周边铺装层材料的破坏。如果不做防护，过度的铺装裂缝将导致铺装层迅速恶化和减短寿命，并且使侵蚀性有害物质更快地渗透到下面的桥面结构，引起钢板耐久性下降，严重时可能会造成难以补救的重大灾害，危及人民的日常生活和生命安全。

ECC材料是一种高延性的纤维增强水泥基复合材料，是基于微观力学原理优化设计的具有伪应变硬化特性和多缝开裂特征的一种新型土木工程材料。其中聚乙烯醇纤维(PVA)体积掺量通常在2％左右，ECC的拉应变在2％～5％，是普通混凝土的几百倍，抗压强度在配合比合适的情况下可高达70～80MPa。ECC材料的高拉应变能力是基于它在受拉过程中能够形成“稳定状态开裂”。“稳定状态开裂”是指当拉应变超过1％时，ECC中的裂缝宽度会稳定在60μm左右，随着拉应变的提高，裂缝宽度不发生改变而微裂缝的数目不断增加，即使在产生微裂缝后，ECC材料依然具有良好的抗渗透性。由于裂缝宽度稳定在60μm左右，在干湿循环的状况下，在水的作用下，裂缝会自我修复重新愈合。因此，ECC材料同时还有很好的裂缝自愈合能力，由于其自愈合行为的发生，裂缝将会被自愈合产物所填充，重新关闭了水与有害离子的通道，从而可以起到延缓铺装层的破坏，延长其使用寿命的作用。因此，该材料具有高延性、高韧性、高承载力、耐久性、自修复和可持续性等典型特征，具有良好的耗能减震特性。ECC材料的使用可以大大提高道路的使用寿命，大大降低道路在服务年限内的总造价，产生可观的经济效益。近年来，ECC材料在世界范围内得到推广，尤其是在日本和美国等发达国家，ECC作为一种路面材料已被广泛应用。

但是在实际的修补工程中，特别是大面积维修，ECC材料修复的养护效果稳定性低，修复效率较低，修复施工复杂度高，施工成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种施工效率高、便于施工且施工成本低的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法。

一种基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，包括以下步骤：

1)准备材料：分别称量水泥、粉煤灰、橡胶粉、石英砂、聚乙烯醇纤维、高效减水剂和水；其中，所述粉煤灰与水泥质量比为2-2.5；所述橡胶粉的粒度范围为40目-80目；

2)试件制备：将所述粉煤灰、所述水泥、所述石英砂、所述橡胶粉分别混合并低速搅拌1min-5min，再加入加所述水和所述高效减水剂，并高速搅拌2min-6min，待获得均匀流动的水泥砂浆后边搅拌边加入聚乙烯醇纤维，待所述聚乙烯醇纤维全部加入后再高速搅拌5min-10min；在搅拌过程中对浆体进行跳桌流动度实验，直至浆体流动度达到200mm以上并且纤维分散均匀；

3)试件养护：将所述倒入相应的模具内成型，并置于室温条件下养护，至少24h后拆模，再将试件放入饱和氢氧化钙溶液养护至少20天；

4)预制水泥基复合材料构件：长度为200～300m，宽度为5m-6m，厚度为1cm-5cm；

5)铺装：将缠绕所述预制水泥基复合材料构件的滚筒运输至桥梁施工现场，逐渐释放述预制水泥基复合材料构件，铺装在桥梁基层或面层上方，直至铺装完毕。

在其中一个实施例中，按重量份计，所述水泥为1-3份，所述粉煤灰为2.2-6.6份，所述橡胶粉为0.5-1.5份，所述石英砂为0.2-0.5份，所述水为0.2-0.5份，所述高效减水剂为0.01-0.05份。

在其中一个实施例中，所述水泥为1份，所述粉煤灰为2.2份，所述橡胶粉为1份，所述石英砂为0.36份，所述水为0.25份，所述高效减水剂为0.03份，所述聚乙烯醇纤维为0.02份。

在其中一个实施例中，所述石英砂的粒度范围为80目-150目。

在其中一个实施例中，所述高效减水剂为聚羧酸型高效减水剂。

在其中一个实施例中，步骤1)中还包括对聚乙烯醇纤维进行改性的步骤:以聚乙烯醇纤维为原料，首先在其表面涂覆一层环氧树脂，接着在环氧树脂涂层的表面涂覆一层疏水气相二氧化硅粉体。

在其中一个实施例中，聚乙烯醇纤维进行改性的步骤具体包括：

(1)选用有机溶剂配制环氧树脂的预处理液，其中环氧树脂质量分数为11％-15％；

(2)将原料聚乙烯醇纤维浸泡在环氧树脂的预处理液中，浸泡温度为60℃-65℃，浸泡时间为2h-3h；

(3)步骤2)中处理后的聚乙烯醇纤维取出，用真空干燥箱抽真空烘干至恒重，烘干温度为60℃-65℃，烘干时间为12h-24h；

(4)步骤3)中处理后的聚乙烯醇纤维与气相二氧化硅进行机械搅拌混合，搅拌速率为800-950转/分，搅拌时间为2h-3h。

在其中一个实施例中，所述环氧树脂的涂覆量为聚乙烯醇纤维质量的10％-25％。

在其中一个实施例中，所述步骤1)中还包括早强添加剂，所述早强添加剂的质量为水泥和粉煤灰总质量的4％-5％。

在其中一个实施例中，特征在于，所述橡胶粉由废旧橡胶轮胎研磨而成。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明的水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法中，通过控制所述粉煤灰与水泥质量比为2-2.5。由于未水化水泥的继续水化，加之粉煤灰后期的二次水化反应生成新的水化产物填充在裂缝空间内，通过控制粉煤灰与水泥的质量比，有效激发粉煤灰的火山灰效应，使其尽早发生二次水化反应生成新的水化产物，进而其自愈合的可能性越大，愈合的效率也较高。并且ECC水泥－粉煤灰胶凝材料基质的抗压强度随着龄期的増长而继续增大，在饱和氢氧化钙溶液的养护条件下，试件强度进一步加强，养护效果较好，而且通过在饱和氢氧化钙溶液，10天的强度能达到最终强度的86％。并且氢氧化钙能够加速了未水化水泥的水化反应，进一步激发了粉煤灰的活性，使其发生二次水化反应生成水化产物，进一步有利于ECC材料的自愈合行为。此外，本发明通过预制水泥基复合材料构件，可以直接使用，便于施工，提高了施工效率。

本发明的水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法中，通过使用早强添加剂，并控制早强添加剂与水泥和粉煤灰总质量的质量比为4％-5％，其结合了传统高延性的纤维增强水泥基复合材料和高早强水泥基复合材料的优点，在原料中添加了大量廉价的粉煤灰一方面能够减弱基质材料的强度，优化基质材料与聚乙烯醇纤维的接触面，保证了材料的高延性能，该ECC材料具有更高的抗压强度和弯曲强度，另一方面粉煤灰的价格较低，降低了施工成本。而且通过添加适量的早强添加剂，7天的强度能达到最终强度的85％，相比传统的高延性的纤维增强水泥基复合材料，在修补工程应用中可以减少养护时间尽快恢复使用，且时间上符合一般工程的需求。

本发明环氧树脂-疏水气相二氧化硅为涂层的聚乙烯醇纤维表面改性可以有效的减弱聚乙烯醇纤维与水泥基体的界面强度，经过改性的聚乙烯醇纤维表面疏水，降低了纤维与水泥基体的化学粘接力，聚乙烯醇纤维表面疏水性能和耐磨滑移性能更加稳定，涂层更加耐磨，有利于高延性水泥基复合材料延性性能的发挥。

故，本发明的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法施工效率高、便于施工且施工成本低。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法的施工流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示：一种基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，包括以下步骤：

S11准备材料：分别称量水泥、粉煤灰、橡胶粉、石英砂、聚乙烯醇纤维、高效减水剂和水；其中，所述粉煤灰与水泥质量比为2-2.5；所述橡胶粉的粒度范围为40目-80目。

在其中一个实施例中，按重量份计，所述水泥为1-3份，所述粉煤灰为2.2-6.6份，所述橡胶粉为0.5-1.5份，所述石英砂为0.2-0.5份，所述水为0.2-0.5份，所述高效减水剂为0.01-0.05份。

在其中一个实施例中，所述水泥为1份，所述粉煤灰为2.2份，所述石英砂为0.36份，所述水为0.25份，所述高效减水剂为0.03份，所述聚乙烯醇纤维为0.02份。

在其中一个实施例中，所述石英砂的粒度范围为80目-150目。

在其中一个实施例中，所述高效减水剂为聚羧酸型高效减水剂。

在其中一个实施例中，所述步骤1)中还包括早强添加剂，所述早强添加剂的质量为水泥和粉煤灰总质量的4％-5％。

在其中一个实施例中，特征在于，所述橡胶粉由废旧橡胶轮胎研磨而成。

具体地，制备水泥基复合材料的主要原材料包括水泥、粉煤灰、橡胶粉、石英砂、聚乙烯醇纤维、高效减水剂和水。在本文中所采用水泥为中国水泥厂生产的海螺牌P42.5R硅酸盐水泥；粉煤灰为南京热电厂一级粉煤灰；石英砂为南京宁六石英滤料公司所提供，粒度大小为80目-150目；橡胶粉粒度大小为40目-80目；高效减水剂为羧酸系减水剂。

1)水泥

目前在我国基础设施建设实际工程应用中，根据所用混凝土材料强度的需要，常用的水泥等级强度有42.5级和52.5级。在本文制备水泥基复合材料选用的是中国水泥厂生产的海螺牌P42.5R硅酸盐水泥。

2)粉煤灰

粉煤灰是火电厂发电过程中煤燃烧产生的副产品，通常被认为是一种工业废料。在世界范围内，一年大约会产生6亿吨粉煤灰，其中80％的粉煤灰被以垃圾填埋的方式处理，在土地资源紧张的今天，此种处理方式会占用大量的±地，造成土地资源的浪费。然而粉煤灰自身具有的火山灰效应使得其被应用在水泥混凝土材料中，部分替代水泥。对传统的水泥混凝土材料，粉煤灰对水泥的替代量只是占胶凝材料的10％-25％。粉煤灰影响着PVA纤维与基质之间的界面性能，其控制着基质的断裂初性，从而影响水泥基复合材料的延展性能。粉煤灰颗粒多为光滑的球状玻璃微珠，其“滚珠润滑”作用可以有效的改善浆体的工作性能，大大降低了水胶比，提高了浆体的密实度，加上其自身的火山灰效应，对水泥基复合材料的后期强度有着积极的作用。

3)石英砂

基于微观力学与断裂力学设计理论，水泥基复合材料中不能像普通混凝土一样渗入粒径较大的集料，一般选用粒径比较细的石英砂，本文采用的石英砂的粒度大小范围在70目-140目之间。

4)橡胶粉

着汽车产业的发展，越来越多的废旧轮胎及相关橡胶产品堆积给环境带来了很大的负担。本文所采用的橡胶粉由废旧橡胶轮胎研磨而成，所述橡胶粉的粒度范围为40目-80目。

橡胶粉的掺入导致水泥基复合材料的密度降低，造成这种变化主要有两个原因可以解释：第一个个原因，橡胶本身的密度比石英砂低，大概是石英砂密度的45％；第二个原因，橡胶颗粒表面疏水，在加水揽拌的过程中，橡胶颗粒的表面会附着一些空气气泡，从而增大了水泥基复合材料的含气量。水泥基复合材料掺入橡胶粉后，其密度为1600kg/m3至1710kg/m3之间，有利于减轻铺装层的自重。橡胶粉的渗入引起抗压强度的降低一方面是由于在搅拌过程中橡胶粉的渗入引进了空气导致ECC的孔隙率增大；另一方面是由于橡胶颗粒的模量很低变形能力强，与周围基质变形不一致，而且与水化产物直接有一定的间隙。橡胶粉换入到水泥基复合材料中降低了碳排放量，与传统未加橡胶粉的水泥基复合材料材料相比，当橡胶粉等体积替代石英砂的量为石英砂的15％与25％时，水泥基复合材料本身的碳排放量分别降低了18％与25％。这是由于把橡胶粉渗入到水泥基复合材料中等体积替代部分石英砂一方面将会消耗废旧橡胶，避免了在处理废旧橡胶过程中对环境产生的污染同时也提供了一种废旧橡胶处理的方式；另一方面将会减少水泥基复合材料中石英砂的用量，进而减少了对石英矿的开采。

本发明通过控制粉煤灰惨量与渗入橡胶粉的质量比值为1.5-2.5，以来提高水泥基复合材料材料的环境友好性，使得水泥基复合材料材料更加绿色。在搅拌过程中，由于橡胶表面的疏水特性使得橡胶粉的渗入会引起气泡附着在橡胶颗粒表面，提高水泥基复合材料材料的孔隙率，从而降低水泥基复合材料材料的密度。橡胶粉的渗入使得水泥基复合材料基质断裂初性与纤维/基质界面的化学粘结力降低，导致应变硬化系数增大，有利于水泥基复合材料在荷载作用下的应变硬化现象。由于石英砂渗量的减少及橡胶较低的模量，橡胶粉的渗入增加了水泥基复合材料材料的自由干燥收缩，但是由于橡胶一ECC材料延性的增大，橡胶一ECC在受约束条件下的抗收缩开裂能力反而增强。此外，通过LCA分析计算了水泥基复合材料的碳排放量，粉煤灰渗量的增大与橡胶粉的渗入都有助于降低水泥基复合材料的碳排放量，使得水泥基复合材料更加绿色，对环境更加友好。

可选地，通过加入大量工业废料粉煤灰与废旧轮胎橡胶粉制备绿色水泥基复合材料，一方面，降低了ECC内的渗量，减少了原材料生产过程中所产生的碳排放量；另一方面，避免了工业废料粉煤灰和废旧轮胎处理过程中产生的碳排放量，提高了绿色水泥基复合材料材料的环境友好性。

可选地，控制粉煤灰惨量与渗入橡胶粉的质量比值为2.2。煤灰惨量的增加与橡胶粉的惨入降低了水泥基复合材料的断裂初性原，使得水泥基复合材料更加容易开裂，有利于其多缝开裂现象的开展，从而增大了水泥基复合材料的弯曲变形能力，同时提高水泥基复合材料的裂缝控制能力(即裂缝开裂宽度降低)。综合不同粉煤灰渗量的水泥基复合材料的抗压/弯曲强度与变形能力，推荐粉煤灰与水泥渗量比值为2.2的配合比可作为钢桥面水泥基复合材料铺装层用配合比，此时性能较佳。

5)聚乙烯醇纤维

纤维的惨入是水泥基复合材料实现多缝开裂、高延性与伪应变硬化现象的一个决定性因素。根据微观力学与断裂力学理论，水泥基复合材料对纤维的种类、物理性能等有着很高的要求。本文采用纤维是日本可乐丽公司生产的聚乙烯醇纤维，其主要特点是高强度高模量，在水泥内碱性条件下耐久性好，同时具有亲水性。由于亲水特性，聚乙烯醇纤维与水泥基质之间的粘结强度比较大，使得水泥基复合材料在开裂过程中，纤维容易拔断而不是拔出。通过对聚乙烯醇纤维表面进行了等离子处理并在纤维表面涂油以降低聚乙烯醇纤维与水泥基质之间的粘结力，更加有利于纤维的拔出行为，从而更有利于水泥基复合材料的多缝开裂行为。

可选地，还包括对聚乙烯醇纤维进行改性的步骤：以聚乙烯醇纤维为原料，首先在其表面涂覆一层环氧树脂，接着在环氧树脂涂层的表面涂覆一层疏水气相二氧化硅粉体。

在其中一个实施例中，聚乙烯醇纤维进行改性的步骤具体包括：

(1)选用有机溶剂配制环氧树脂的预处理液，其中环氧树脂质量分数为11％-15％；

(2)将原料聚乙烯醇纤维浸泡在环氧树脂的预处理液中，浸泡温度为60℃-65℃，浸泡时间为2h-3h；

(3)步骤2)中处理后的聚乙烯醇纤维取出，用真空干燥箱抽真空烘干至恒重，烘干温度为60℃-65℃，烘干时间为12h-24h；

(4)步骤3)中处理后的聚乙烯醇纤维与气相二氧化硅进行机械搅拌混合，搅拌速率为800-950转/分，搅拌时间为2h-3h。

在其中一个实施例中，所述环氧树脂的涂覆量为聚乙烯醇纤维质量的10％-25％。

在一个实施例中，所述的步骤1)的操作过程中，有机溶剂选用丙酮、甲苯、苯、酒精中的一种或者几种的混合物。

在一个实施例中，所述的气相二氧化硅粉体为疏水型纳米气相二氧化硅粉体，其粒径为50nm-70nm。

具体地，(1)配制环氧树脂预处理液；配制稀释环氧树脂预处理液，环氧树脂稀释剂选择用酒精，其中环氧树脂质量分数为12％。

(2)聚乙烯醇纤维浸泡环氧树脂预处理液；将未处理的聚乙烯醇纤维浸泡在环氧树脂预处理液中，浸泡温度为62℃，浸泡时间为3h。

(3)预处理后聚乙烯醇纤维烘干；将浸泡环氧树脂预处理液的聚乙烯醇纤维取出，用真空干燥箱抽真空烘干至恒重，烘干温度为63℃。

(4)聚乙烯醇纤维表面涂覆疏水气相二氧化硅；将烘干后的聚乙烯醇纤维与疏水纳米气相二氧化硅进行机械搅拌混合，其粒径在50-70nm，采用电动搅拌器进行搅拌混合，搅拌速率为950转/分，机械搅拌混合时间3h。

产品：改性后的聚乙烯醇纤维接触角可以达到148°，环氧涂层涂覆量为15％，疏水型纳米气相二氧化硅涂层涂覆量达到56％。改性后的聚乙烯醇纤维表面均匀涂覆一层环氧树脂-纳米气相二氧化硅涂层，可以有效的改善纤维与水泥基体的界面性能。

6)高效减水剂

水泥基复合材料有着比较低的水胶比，本文采用的水胶比为0.25。为了保持水泥基复合浆体具有良好的工作性，同时也是使得纤维均匀分散在浆体中的需要，本文采用聚羧酸系高效减水剂高效改善浆体的流动性。

7)早强添加剂，该早强添加剂是复合型早强剂，用于提高混凝土早期强度，并对后期强度无显著影响的外加剂。

S12试件制备：将所述粉煤灰、所述水泥、所述石英砂、所述橡胶粉分别混合并低速搅拌1min-5min，再加入加所述水和所述高效减水剂，并高速搅拌2min-6min，待获得均匀流动的水泥砂浆后边搅拌边加入聚乙烯醇纤维，待所述聚乙烯醇纤维全部加入后再高速搅拌5min-10min；在搅拌过程中对浆体进行跳桌流动度实验，直至浆体流动度达到200mm以上并且纤维分散均匀。

具体地，浆体成型过程中首先将粉煤灰、水泥、石英砂、橡胶粉称好后，倒入砂浆揽拌机中低速揽拌1min，使原料充分揽拌均匀，然后加水和高效减水剂。再高速搅拌2min后，再加入聚乙烯醇纤维，继续高速搅拌8min，搅拌时间终止以纤维浆体不成团、不结团为判断依据，保证纤维的分散均匀，这是水泥基复合材料制备的关键。而且搅拌的时间要适中，时间太短则纤维不分散，时间太长则水泥基复合材料工作性能不好。

具体地，1)在大型搅拌站/楼/机中，首先加入水泥、粉煤灰、石英砂和粉状高效减水剂，并将其在低速档搅拌5分钟，然后加入聚乙烯醇纤维并在高速档搅拌3分钟，使得各组分混合均匀，制成高延性的纤维增强水泥基复合材料ECC干料混合料；

2)将预拌ECC干料混合料装入现场的小型搅拌机中，最后加入适量水搅拌均匀；搅拌运输车搅拌桶以转速18r/min进行搅拌；或将加水后基本搅拌均匀的ECC水泥材料从搅拌运输车中倒入施工现场的搅拌机里，最后进行二次强化搅拌直至纤维分散均匀；

3)待纤维水泥浆体在跳桌流动度实验条件下扩展半径达到200mm以上的时候即可停止搅拌，进行施工。

S13试件养护：将所述倒入相应的模具内成型，并置于室温条件下养护，至少24h后拆模，再将试件放入饱和氢氧化钙溶液养护至少20天。

具体地，将搅拌均匀的拌和物装入试模成型，并置于室温条件下养护，24h后拆模，再放在饱和氢氧化钙溶液养养护至28天。

S14预制水泥基复合材料构件：长度为200～300m，宽度为5m-6m，厚度为1cm-5cm。

S15铺装：将缠绕所述预制水泥基复合材料构件的滚筒运输至桥梁施工现场，逐渐释放述预制水泥基复合材料构件，铺装在桥梁基层或面层上方，直至铺装完毕。

具体地，该高延性水泥基复合材料预制板铺面结构，自下而上依次为土基层、基层和面层；所述面层由下部的坐浆层和上部的高延性水泥基复合材料预制板组成，所述基层通过坐浆层与所述高延性水泥基复合材料预制板相连接，高延性水泥基复合材料预制板采用湿铺法铺设，相邻高延性水泥基复合材料预制板之间预留缝隙，缝隙内填充填缝剂。

具体实施例：

一、制备方法

1、材料准备：

制备水泥基复合材料的主要原材料包括水泥、粉煤灰、橡胶粉、石英砂、聚乙烯醇纤维、高效减水剂和水。在本文中所采用水泥为中国水泥厂生产的海螺牌P42.5R硅酸盐水泥；粉煤灰为南京热电厂一级粉煤灰；石英砂为南京宁六石英滤料公司所提供，粒度大小为80目-150目；橡胶粉粒度大小为40目-80目；高效减水剂为羧酸系减水剂。

2、试件制备

材料配比为水泥:粉煤灰:橡胶粉:石英砂:聚乙烯醇纤维:高效减水剂:水＝1：2：1：0.36：0.02：0.03：0.25。浆体成型过程中首先将粉煤灰、水泥、石英砂、橡胶粉称好后，倒入砂浆揽拌机中低速揽拌1min，使原料充分揽拌均匀，然后加水和高效减水剂。再高速搅拌2min后，再加入聚乙烯醇纤维，继续告诉搅拌8min，搅拌截止时间以纤维浆体不成团、不结为依据。

具体地，1)在大型搅拌站中，首先加入水泥、粉煤灰、橡胶粉、石英砂和粉状高效减水剂，并将其在低速档搅拌5分钟，然后加入聚乙烯醇纤维并在高速搅拌3分钟，使得各组分混合均匀，制成高延性的纤维增强水泥基复合材料ECC干料混合料；

2)将预拌ECC干料混合料装入现场的小型搅拌机中，最后加入适量水搅拌均匀；搅拌运输车搅拌桶以转速18r/min进行搅拌；或将加水后基本搅拌均匀的ECC水泥材料从搅拌运输车中倒入施工现场的搅拌机里，最后进行二次强化搅拌直至纤维分散均匀；

3)待纤维水泥浆体在跳桌流动度实验条件下扩展半径达到200mm以上的时候即可停止搅拌，进行施工。

3、试件养护

将搅拌均匀的拌和物装入试模成型，并置于室温条件下养护，24h后拆模，再放在饱和氢氧化钙溶液养养护至28天。

4、预制水泥基复合材料构件：长度为200～300m，宽度为5m-6m，厚度为1cm-5cm。

5、铺装：将缠绕所述预制水泥基复合材料构件的滚筒运输至道路施工现场，将滚轮两侧边缘对准行车道方向，反方向推动滚轮，逐渐释放述预制水泥基复合材料构件，铺装在基层或面层上方，直至铺装完毕。

1)滚筒的轴心应当于两侧突出，突出部位的长度可控制在0.2m，突出部位的直径可控制在0.15～0.2m，以便在卷曲ECC构件之前将滚筒架设在支架上。

2)支架的悬臂应预留直径与滚筒轴心突出部位一致的圆孔，确保滚筒架设。

3)卷曲ECC构件的第一圈时，电机速度要慢，保证ECC卷曲与受拉协调，且务必需要人工从旁协助，以防ECC构件从滚筒掉落、打滑。第一圈绕完后，电机的转速可适当增快，但亦须防止打滑。

4)现场铺装时，尽可能在滚筒两侧设置防止滚筒偏离行车方向的设施(如钢轨)，如果没有合适的设施，亦可用石灰在其前进方向画线，确保滚筒沿直线前进。

5)对应于厚度为1～5cm的ECC构件：

厚度d＝1cm时，滚筒的最小半径R＝17.9～179.9cm，故直径D可取0.4～3.6m；厚度d＝2cm时，滚筒的最小半径R＝35.8～359.8cm，故直径D可取0.8～7.2m；厚度d＝3cm时，滚筒的最小半径R＝53.7～539.7cm，故直径D可取1.1～10.8m；厚度d＝4cm时，滚筒的最小半径R＝71.6～719.6cm，故直径D可取1.5～14.4m；厚度d＝5cm时，滚筒的最小半径R＝89.5～899.5cm，故直径D可取1.8～18.0m。

对于各厚度一定的ECC构件，之所以滚筒直径D的取值是一个范围，是因为考虑了ECC材料从0.5～5％的控制弯拉应变范围，以期能满足不同用户的需求。滚筒直径的精度均为保留至小数点后一位。

二、试验方法

1、吸水性试验

ECC试件吸水性测试试验步骤参照于美国ASIM标准规范ASTMC642-2006《硬化混凝土的比重、吸水性和孔隙率的测试方法》，此标准原本是用来测定硬化水泥的孔隙率。在这个测试中，ECC材料的吸水性是用吸收的水量与ECC材料的干重的百分比来表示的。在每次测试前，将ECC棱柱型试件(试件尺寸为160mm*40mm*40mm,在烘箱中(50°±5°)干燥三天，使得ECC试件孔隙中的水分蒸发掉。随后试件浸入在20°常温水中，并每24小时称重一次来测定增加的重量，直到每次增加的重量与试件当前的重量的比值小于0.5％时停止称重，这时表明ECC试件己经到了饱水状态。在实验过程中，水进入处于干燥状态下的孔隙中并在浸水过程中充满孔隙。这些孔隙被认为是可被渗入的小孔，随着水化反应的继续，这竖孔隙会慢慢被水化产物所填充，逐渐减小。因此，这些孔的孔体积的变化(可渗透水的体积量＝吸收水的质量/水的密度))可以反应出ECC材料的自愈合潜能。

2、快速氯离子渗透试验

快速氯离子渗透方法采用直流电量法，试验步骤参照美国美国ASIM标准规范ASTMC1201-91AASHTO和AASHTO-T277-83。法是目前国际上最为流行的测试混凝土渗透性的评价方法。直流电量法是利用在直流电压作用下，氯离子可通过混凝土试件向正极方向移动的原理，依据在规定时间内通过混凝±电量的高低来快速评价混凝±渗透的能力。对于带裂缝的ECC试件，通过试件的电量包括两部分：通过ECC基质的电量和通过裂缝的电量。如果由于ECC材料的裂缝愈合，即可关闭电离子快速通过的通道，使得通过试件的电量减小，因此可以通过此方法来研究ECC材料的自愈合行为。

3、毛细水吸附性试验

在做毛细水吸附性试验之前需要对ECC试件进行预裂使其产生微裂缝，初始预试件尺寸为355mm*75mm*50mm的小梁。在试件养护28天后，通过四点弯曲试验给小梁试件荷载直至梁破坏，在加载过程中梁的底部处于受拉区将产生多条微裂缝并向受压区扩展。然后将带裂缝试件切成毛细水吸附性试验所需的尺寸：75mm*75mm*50mm，同时记录每个试件的裂缝数量和裂缝宽度。除了带裂缝试件外，每一个配比都有三个未开裂的试件作为实验对照试件以研究ECC基质的毛细水吸附性。

三、试验结果

经测试，该基于水泥基复合材料的公路施工和维修方法材料相对于传统方法制备的材料自愈和较好，且修复效率加高，使用寿命较长，也便于后期维护。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明的水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法中，通过控制所述粉煤灰与水泥质量比为2-2.5。由于未水化水泥的继续水化，加之粉煤灰后期的二次水化反应生成新的水化产物填充在裂缝空间内，通过控制粉煤灰与水泥的质量比，有效激发粉煤灰的火山灰效应，使其尽早发生二次水化反应生成新的水化产物，进而其自愈合的可能性越大，愈合的效率也较高。并且ECC水泥-粉煤灰胶凝材料基质的抗压强度随着龄期的增长而继续增大，在饱和氢氧化钙溶液的养护条件下，试件强度进一步加强，养护效果较好，而且通过在饱和氢氧化钙溶液，10天的强度能达到最终强度的86％。并且氢氧化钙能够加速了未水化水泥的水化反应，进一步激发了粉煤灰的活性，使其发生二次水化反应生成水化产物，进一步有利于ECC材料的自愈合行为。此外，本发明通过预制水泥基复合材料构件，可以直接使用，便于施工，提高了施工效率。

本发明的水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法中，通过使用早强添加剂，并控制早强添加剂与水泥和粉煤灰总质量的质量比为4％-5％，其结合了传统高延性的纤维增强水泥基复合材料和高早强水泥基复合材料的优点，在原料中添加了大量廉价的粉煤灰一方面能够减弱基质材料的强度，优化基质材料与聚乙烯醇纤维的接触面，保证了材料的高延性能，该ECC材料具有更高的抗压强度和弯曲强度，另一方面粉煤灰的价格较低，降低了施工成本。而且通过添加适量的早强添加剂，7天的强度能达到最终强度的85％，相比传统的高延性的纤维增强水泥基复合材料，在修补工程应用中可以减少养护时间尽快恢复使用，且时间上符合一般工程的需求。

本发明环氧树脂-疏水气相二氧化硅为涂层的聚乙烯醇纤维表面改性可以有效的减弱聚乙烯醇纤维与水泥基体的界面强度，经过改性的聚乙烯醇纤维表面疏水，降低了纤维与水泥基体的化学粘接力，聚乙烯醇纤维表面疏水性能和耐磨滑移性能更加稳定，涂层更加耐磨，有利于高延性水泥基复合材料延性性能的发挥。

故，本发明的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法施工效率高、便于施工且施工成本低。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)准备材料：分别称量水泥、粉煤灰、橡胶粉、石英砂、聚乙烯醇纤维、高效减水剂和水；其中，所述粉煤灰与水泥质量比为2-2.5；所述橡胶粉的粒度范围为40目-80目；

2)试件制备：将所述粉煤灰、所述水泥、所述石英砂、所述橡胶粉分别混合并低速搅拌1min-5min，再加入加所述水和所述高效减水剂，并高速搅拌2min-6min，待获得均匀流动的水泥砂浆后边搅拌边加入聚乙烯醇纤维，待所述聚乙烯醇纤维全部加入后再高速搅拌5min-10min；在搅拌过程中对浆体进行跳桌流动度实验，直至浆体流动度达到200mm以上并且纤维分散均匀；

3)试件养护：将所述倒入相应的模具内成型，并置于室温条件下养护，至少24h后拆模，再将试件放入饱和氢氧化钙溶液养护至少20天；

4)预制水泥基复合材料构件：长度为200～300m，宽度为5m-6m，厚度为1cm-5cm；

5)铺装：将缠绕所述预制水泥基复合材料构件的滚筒运输至桥梁施工现场，逐渐释放述预制水泥基复合材料构件，铺装在桥梁基层或面层上方，直至铺装完毕。

2.根据权利要求1所述的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，其特征在于，按重量份计，所述水泥为1-3份，所述粉煤灰为2.2-6.6份，所述橡胶粉为0.5-1.5份，所述石英砂为0.2-0.5份，所述水为0.2-0.5份，所述高效减水剂为0.01-0.05份。

3.如权利要求2所述的基于水泥基复合材料的公路施工和维修方法，其特征在于，所述水泥为1份，所述粉煤灰为2.2份，所述橡胶粉为1份，所述石英砂为0.36份，所述水为0.25份，所述高效减水剂为0.03份，所述聚乙烯醇纤维为0.02份。

4.如权利要求1所述的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，其特征在于，所述石英砂的粒度范围为80目-150目。

5.如权利要求1所述的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，其特征在于，所述高效减水剂为聚羧酸型高效减水剂。

6.如权利要求1所述的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，其特征在于，步骤1)中还包括对聚乙烯醇纤维进行改性的步骤:以聚乙烯醇纤维为原料，首先在其表面涂覆一层环氧树脂，接着在环氧树脂涂层的表面涂覆一层疏水气相二氧化硅粉体。

7.如权利要求6所述的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，其特征在于，聚乙烯醇纤维进行改性的步骤具体包括：

(1)选用有机溶剂配制环氧树脂的预处理液，其中环氧树脂质量分数为11％-15％；

(2)将原料聚乙烯醇纤维浸泡在环氧树脂的预处理液中，浸泡温度为60℃-65℃，浸泡时间为2h-3h；

(3)步骤2)中处理后的聚乙烯醇纤维取出，用真空干燥箱抽真空烘干至恒重，烘干温度为60℃-65℃，烘干时间为12h-24h；

(4)步骤3)中处理后的聚乙烯醇纤维与气相二氧化硅进行机械搅拌混合，搅拌速率为800-950转/分，搅拌时间为2h-3h。

8.如权利要求5所述的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，其特征在于，所述环氧树脂的涂覆量为聚乙烯醇纤维质量的10％-25％。

9.如权利要求1所述的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，其特征在于，所述步骤1)中还包括早强添加剂，所述早强添加剂的质量为水泥和粉煤灰总质量的4％-5％。

10.如权利要求1-9任一项所述的基于水泥基复合材料的桥梁自修复铺装方法，其特征在于，所述橡胶粉由废旧橡胶轮胎研磨而成。