水泥混凝土路面具有刚度大、强度高、使用耐久和日常养护工作量小等优点, 因而一些城市道路、工矿道路、机场跑道和部分高等级公路已大量采用了水泥混凝土路面。截至2012年底, 全国有铺装路面229.51万千米, 其中水泥混凝土路面165.32万千米, 占有铺装路面总数的72.0%^[1]。随交通量不断增加, 车行量、载重量、行车速度等都出现较大变化, 加之环境作用对路面建筑材料的不利影响, 修筑已久的原混凝土路面出现不同程度的损坏^[2]。对于破损老旧的混凝土路面, 除因地基强度严重不足或路面破坏特别严重需特殊处理外, 通常可在原有混凝土路面上作钢纤维混凝土叠层 (罩面) 修复, 这种修复技术近年来在国内外许多路面工程中得到了成功的应用^[3,4]。但对于需要快速抢修尽快通车的道 (路) 面, 普通钢纤维混凝土已经不能满足需求, 而磷酸镁水泥是一种新型特种水泥, 由重烧氧化镁和磷酸盐配制而成, 具有凝结硬化快、早期强度高、在低温下 (零下20℃) 仍可水化, 保持快硬高强、耐高温性好、与既有混凝土粘结性能好等优点, 非常适用于修复、抢险工程^[5,6];微细钢纤维相较于普通钢纤维, 单位体积掺量下纤维根数更多, 且不易结团, 尺寸更小, 更适用于修复工程^[7,8]。

　　 本文采用磷酸镁水泥、普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥和微细钢纤维为叠层修复材料, 通过叠层修复板的受弯试验, 分析其受弯破坏特征和荷载-跨中挠度曲线, 探索叠层厚度、纤维掺量和叠层材料水泥类别等对叠层修复板受弯性能的影响, 进而评价叠层修复的效果。

　　 叠层修复板示意如图1所示, 分为上下两部分, 下部为既有普通混凝土, 尺寸为400mm×100mm×40mm, 跨中间设置宽度4mm的人工裂缝模拟路 (道) 面的初始裂缝, 上部为不同厚度和不同材料的后浇叠层。叠层修复板的参数见表1, 叠层厚度分别采用15, 25, 35mm, 上部浇筑材料包括普通混凝土和微细钢纤维增强水泥砂浆, 微细钢纤维水泥砂浆分别采用三种水泥:磷酸镁水泥、普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥, 本文分别用MPC, OPC, SAC表示上述三种水泥;其中微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆中钢纤维体积掺量分别为0.8%, 1.2%, 1.6%;其叠层修复板的叠层厚度分别采用15, 25, 35mm;微细钢纤维普通硅酸盐水泥砂浆、微细钢纤维快硬硫铝酸盐水泥中钢纤维体积掺量均为1.2%, 其叠层修复板的叠层厚度均采用25mm。

　　 叠层材料配比见表1, 纤维采用微细钢纤维, 参数如表2所示。普通硅酸盐水泥采用P.O 42.5, 快硬硫铝酸盐水泥采用R.SAC 42.5R。磷酸镁水泥由重烧氧化镁、磷酸二氢钾和复合缓凝剂组成, 其中氧化镁和磷酸二氢钾的摩尔比为4;复合缓凝剂与氧化镁的质量百分比为9%, 复合缓凝剂由硼砂、氯化钙和十二水磷酸氢二钠组成, 其质量比为1∶3∶1。氧化镁纯度92.5%, 比表面积620m²/kg; 磷酸二氢钾为化学分析纯, 纯度98%, 80目;硼砂采用工业级硼砂, 纯度95%;氯化钙和十二水磷酸氢二钠皆为化学分析纯。砂子为中细天然河砂, 细度模数为2.06。水采用自来水。

　　 在400mm×100mm×40mm木模中浇筑普通混凝土, 拆模后在标准养护室养护28d, 得到下部混凝土板。切割形成宽4mm的人工裂缝, 用砂纸将混凝土上表面打磨平整、去除表面浮浆, 放置到400mm×100mm×55mm, 400mm×100mm×65mm和400mm×100mm×75mm木模中, 分别用于浇筑叠层厚度15, 25, 35mm的叠层修复板, 涂刷水泥净浆界面剂后浇筑叠层修复材料, 采用振动台振动密实、刮刀磨平表面, 拆模后 (水泥类别采用MPC, OPC, SAC的叠层材料分别于1, 24, 3h后拆模) 放置到标准养护室养护 (相对湿度95%、温度25℃) 。普通混凝土叠层修复板 (试件组Concrete-0-25) 养护28d, 其他微细钢纤维水泥砂浆修复板养护7d。浇筑所用木模如图2所示, 浇筑成型的叠层修复板如图3所示。每组制作3个试件 (表1) , 制作完成的叠层修复板见图4。

　　 在开展受弯试验时, 对底层素混凝土和叠层材料对应龄期的伴随立方体试块测试抗压强度, 测得下部混凝土抗压强度为33.0MPa, 叠层材料的抗压强度测试结果如表3所示。

　　 对叠层修复板进行三分点受弯加载试验, 加载示意图与加载装置实景分别如图5、图6所示。采用10t万能液压伺服压力试验机加载, 加载速率为

　　 0.1mm/min。分别在试件初始裂缝两侧跨中位置各安置1个YHD-100型位移传感器, 每隔2s同步采集压力荷载和跨中挠度位移, 当压力荷载降至峰值荷载的20%时, 停止试验。

　　 普通混凝土作为叠层材料的叠层修复板 (试件组Concrete-0-25) , 随着荷载的增加, 裂缝首先出现在新旧混凝土的界面处, 但没有显著发展, 紧接着在上部叠层的跨中底面出现一条竖向裂缝并迅速开展、贯通, 叠层断裂, 试件发生脆性破坏, 破坏时板的挠度非常小, 如图7所示, 其破坏形式为跨中折断的脆性破坏。

　　 微细钢纤维传统水泥砂浆叠层修复板指叠层材料为微细钢纤维普通硅酸盐水泥砂浆 (用MSFRM-OPC表示) 和微细钢纤维快硬硫铝酸盐水泥砂浆 (用MSFRM-SAC表示) 。采用这两种叠层材料的叠层修复板 (试件组OPC-1.2-25, SAC-1.2-25) 的受弯破坏形式类似。随着荷载的增加, 跨中挠度小幅增加, 裂缝首先出现在新旧混凝土的交界面处, 并沿着两者的粘结面向两侧略有发展, 之后, 上部叠层的跨中底面出现竖向裂缝。不同于普通混凝土叠层修复板, 由于叠层中钢纤维的阻裂作用, 裂缝并没有迅速扩展、贯通, 而是缓慢扩展, 并且出现了多条细裂缝, 随荷载进一步增大, 裂缝增多、宽度增大, 跨中挠度显著增加, 直到加载结束整个过程没有发生突然断裂, MSFRM-OPC叠层修复板和MSFRM-SAC叠层修复板受弯破坏局部情况见图8, 其破坏形式为跨中多裂缝的韧性破坏。

　　 微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆 (用MSFRM-MPC表示) 作为加铺层的叠层修复板 (试件组MPC-0.8-25, MPC-1.2-25, MPC-1.6-25, MPC-1.2-15, MPC-1.2-35) , 随着荷载的增加, 上下层的粘结面处首先开裂, 并且裂缝向两侧发展、延伸, 粘结面处的裂缝扩展到一定程度被上部叠层材料捕捉并分叉, 随后分叉裂缝逐渐增多并延伸扩展, 最后造成整个试件的失效, 裂缝产生在跨中两侧。典型破坏形式和裂缝开展如图9所示, 图中数字序号表示裂缝开展的先后顺序。这种破坏形式为分叉多裂缝的韧性破坏, 体现出MSFRM-MPC作为修补材料时所独有的裂缝捕获和分叉能力, 因此可知叠层修复板的受弯破坏形式具备更高的韧性和变形适应能力^[9]。MSFRM-MPC叠层修复板受弯破坏形式虽然与MSFRM-OPC叠层修复板和MSFRM-SAC叠层修复板的受弯破坏形式都属于韧性破坏, 但裂缝位置显著不同。上铺层中纤维体积掺量从0.8%增加到1.6%时, 峰值荷载和其对应的挠度增大, 但是破坏形式不变。

　　 图10为不同纤维掺量的MSFRM-MPC叠层修复板 (叠层厚度均为25mm) 及普通混凝土叠层修复板 (试件组Concrete-0-25) 的荷载-跨中挠度曲线。图中跨中挠度为同组3个试件数据的平均值, 余同。由图10可见, 与普通混凝土叠层修复板相比, MSFRM-MPC叠层修复板的开裂荷载和峰值荷载都有显著提高, 并且随着纤维体积掺量的增多, 开裂荷载和峰值荷载均有显著提高。相对于普通混凝土叠层修复板, 纤维体积掺量为0.8%, 1.2%, 1.6%的MSFRM-MPC叠层修复板的开裂荷载分别提升了11%, 31%, 55%, 峰值荷载分别提升了11%, 59%, 57%。残余荷载 (峰值荷载后与同叠层厚度普通混凝土叠层修复板峰值荷载相等的荷载值, 即图10中点①, ②和③对应的荷载值) 对应的挠度反映了达到荷载达到峰值后的残余承载能力, 纤维体积掺量为0.8%, 1.2%, 1.6%的MSFRM-MPC叠层修复板的残余荷载对应的跨中挠度分别为2.0, 5.1, 4.1mm, 而普通混凝土叠层修复板峰值荷载对应的跨中挠度仅为0.13mm。

　　 图11为不同叠层厚度MSFRM-MPC叠层修复板的荷载-挠度曲线。从图中可以看出, 随着叠层厚度的增加, 初裂荷载和峰值荷载均逐渐显著增加, MSFRM-MPC叠层修复板的峰值荷载对应的跨中挠度较为接近。叠层厚度从15mm增加到25mm和35mm, MSFRM-MPC叠层修复板的峰值荷载分别提高了153%和271%。

　　 选取不同水泥类型, 钢纤维参量均为1.2%、叠层厚度均为15mm的试件组MPC-1.2-25, OPC-1.2-25, SAC-1.2-25 (三种水泥配制的微细钢纤维水泥砂浆的抗压强度类似, 见表3) 来分析不同水泥类型对微细钢纤维水泥砂浆叠层修复板的挠度的影响, 见图12。

　　 由表3可知, 三种水泥材料配制的微细钢纤维水泥砂浆的抗压强度相差不太大, 由图12可以看出, MSFRM-OPC叠层修复板和MSFRM-SAC叠层修复板的峰值荷载、峰值荷载对应挠度及曲线形态都比较接近。相对与MSFRM-OPC叠层修复板和MSFRM-SAC叠层修复板, MSFRM-MPC叠层修复板的峰值荷载提高了约26.1%, 峰值荷载对应的挠度增加到了1.39mm, 荷载-挠度曲线的饱满程度也显著增加。这说明, MSFRM-MPC叠层修复板的极限承载力更高, 韧性和变形适应能力更强。这是因为, 一方面酸镁水泥与钢纤维的粘结性能要显著优于其他两种水泥, 钢纤维对磷酸镁水泥基材料的增强效果更加突出, 相同抗压强度下, 采用磷酸镁水泥的微细钢纤维水泥砂浆具有更高的抗弯强度和弯曲韧性^[10];同时, 根据对破坏形式的分析, MSFRM-MPC材料具有裂缝捕捉能力, 其叠层修复后的复合板的破坏形式发生了变化。

　　 本文通过叠层修复板的受弯试验, 探索了叠层厚度、叠层材料中纤维体积参量、水泥类型等对微细钢纤维水泥砂浆叠层修复板受弯性能的影响, 主要结论如下:

　　 (1) 在受弯荷载作用下, 普通混凝土叠层修复板的破坏形式为跨中断裂的脆性破坏, 微细钢纤维传统水泥 (普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥) 砂浆叠层修复板的破坏形式为跨中多裂缝的韧性破坏, 微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆叠层修复板的破坏形式为分叉多裂缝的韧性破坏;微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆由于具备裂缝捕捉能力, 从而改变了叠层修复板的破坏形式, 微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆叠层修复板的承载能力、韧性以及变形适应能力更强。

　　 (2) 相对普通混凝土叠层修复板, 相同叠层厚度下, 微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆叠层修复板的开裂荷载和峰值荷载有显著提高, 破坏形式由脆性破坏转为韧性破坏。并且随叠层材料中纤维掺量的增加, 微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆叠层修复板的初裂荷载、峰值荷载和峰值荷载之后的残余变形能力均逐渐显著增加。

　　 (3) 随着叠层厚度的增加, 微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆叠层修复板的初裂荷载、峰值荷载及峰值荷载对应跨中挠度逐渐显著增加。

　　 (4) 相对微细钢纤维传统水泥 (普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥) 砂浆叠层修复板, 在相同叠层厚度且叠层材料的抗压强度相近情况下, 微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆叠层修复板的承载力、韧性和变形适应能力更强, 叠层修复效果更好。