高强水泥路面修补（快硬早强水泥在道路快速修补中的应用研究）

徐紫 祎王渊 何锐长安大学材料科学与工程学院 陕西交控市政路桥集团有限公司

摘 要：随着我国交通量的急剧增加，水泥混凝土路面会出现不同程度的损坏，若不及时进行修补，破坏情况会日益严重，造成巨大交通压力。因此，水泥混凝土路面快速修补对道路工程以及行车安全都有着重要意义。目前境内外开发的道路工程快速修补材料种类繁多，不同材料的修补原理和适用条件不同。基于此，对常用的道路工程快速修补材料进行分类，在此基础上梳理了道路修补工程对快速修补材料的技术要求，提出快硬早强型特种水泥在众多的道路快速修补材料中的优势，总结其水化机理，并结合境内外现有应用实例，探讨快硬早强型特种水泥作为道路快速修补材料存在的问题及未来发展趋势，旨在为快硬早强水泥的高效利用和深入研究提供借鉴和参考。

关键词：水泥混凝土路面;路面损坏;快速修补材料;快硬早强型水泥;水化机理;

基金：陕西省创新人才推进计划项目，项目编号2020KJXX-043;陕西省交通科技项目，项目编号20-22K;

截止到2020年年底，全国公路通车总里程达519.81万km, 位居世界第一[1]。水泥混凝土路面因具有强度高、寿命长、稳定性好等特点，被广泛应用在公路、城市道路和机场跑道中。然而，由于环境和交通荷载的综合影响，水泥混凝土路面会出现不同程度的破坏，主要表现为表面裂缝、坑槽与孔洞、松散、脱空和唧泥等，如果修补不及时，破坏情况会日益严重，甚至会导致整条道路的瘫痪，因此水泥混凝土路面破损处应及时进行修补。在修补材料的选择上，一方面要求能及时开放交通，减缓交通压力，然而普通硅酸盐水泥养护时间长，强度增长缓慢，需要长时间封闭道路；另一方面要求修补材料自身的力学性能优良，与旧混凝土的黏结强度高，但普通硅酸盐水泥黏结力差、后期收缩大，甚至会造成二次破坏[2],不符合现代交通对道路工程快速修补材料的要求。

目前境内外开发的道路快速修补材料种类繁多，根据胶结材料的性能可分为无机水泥类修补材料、有机聚合物类修补材料和无机有机复合类修补材料[3]。相比有机类和无机有机复合类，无机类修补材料与旧混凝土的相容性好，经济性高，对环境友好。其中，快硬早强型特种水泥又因其强度发展迅速、工艺简单受到广泛研究和应用。目前常见的快硬早强型特种水泥主要有快硬硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥、高铝水泥和偏高岭土地聚物等，其各自组成成分、水化机理和适用范围不同，不同的环境条件中对修补材料的技术要求也不同。

基于此，本文以介绍目前常用的快速修补材料为出发点，提出道路快速修补工程中对修补材料的技术要求，分析快硬早强型特种水泥的水化机理，并结合现有应用实例，提出快硬早强型特种水泥存在的问题和未来发展趋势，对快硬早强型特种水泥在道路修补中的应用机理和应用现状做出综合性阐述，旨在为快硬早强水泥的高效利用和深入研究提供借鉴和参考。

1 快速修补材料概述1.1快速修补材料分类1.1.1无机水泥类

无机水泥类快速修补材料的绝大部分组成材料是水硬性胶凝材料，制备技术可以概括为以下3种：第一种是利用快硬早强型特种水泥与骨料配制成快硬早强型特种水泥修补砂浆(混凝土);第二种是在普通硅酸盐水泥中加入早强剂、减水剂和引气剂等外加剂，制成快速修补剂；第三种是在混凝土中加入纤维，制成纤维混凝土。无机水泥类快速修补材料成本较低、施工方便、与旧混凝土性能一致、修补材料的早期强度形成较快，但也存在后期强度易倒缩、新老混凝土黏结强度低等缺点。

(1)快硬早强型特种水泥修补砂浆(混凝土)。

相对于普通硅酸盐水泥，特种水泥是指具有独特性能、能发挥特殊作用的水泥。目前常用在道路快速修补工程中的特种水泥主要有快硬硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥(Sulphate Aluminate Cement, 简称SAC)、磷酸镁水泥(Magnesium Phosphate Cement, 简称MPC)、高铝水泥和偏高岭土地聚物。快硬硅酸盐水泥能在短时间内凝结硬化、早期强度高，但其收缩大、新老混凝土黏结强度低，主要用在抢修工程中。SAC除具有快硬早强的特征外，还有一定的膨胀性，且抗冻性和低温硬化性能优良，可用于冬季施工工程[4]。MPC用作道路修补材料是近年来比较热门的话题，其早期强度高，与旧混凝土黏结力强，相容性好[5],被广泛应用于城市主干道、高速公路破损路面的快速抢修。然而，这种材料价格昂贵，且脆性大，容易造成横纵向裂缝和板底断裂。高铝水泥是比较典型的快硬早强型水泥，具有快硬、高强、耐腐蚀、耐热的特性[6],但不能用在碱性环境，也不宜与其他水泥共同使用，常用在紧急抢修工程。偏高岭土地聚物是一种高活性矿物掺合料，加入到混凝土中能显著提高混凝土的强度和耐化学腐蚀性能，未来发展前景广阔。

(2)快速修补剂修补材料。

快速修补剂修补材料是在普通水泥混凝土中加入适量的快速修补剂，使混凝土达到快硬早强的目的。这类材料可通过调整组成成分达到高性能、低成本的效果。目前国内常见的快速修补剂的性能比较见表1。

表1 国内常见的快速修补剂 导出到EXCEL

名称	主要成分	产地	主要性能
JK系列混凝土快速修补剂[7]	硅酸钙、氟铝酸钙	江苏	后期性能稳定，可用在公路、市政等混凝土路面的快速修补
KNC系列混凝土快速修补剂[8]	/	山东	早期强度高，脆性小
ED-KX系列水泥混凝土道面快速修补剂[9]	硫铝酸盐、萘磺酸甲醛缩合物	天津	微膨胀、促凝、抗冻融性能好，干粉状产品，施工方便
CRM型快速修补材料[10]	聚合物改性无机胶凝材料	重庆	早期强度高，能快速开放交通
GS型道路混凝土快速修补剂[11]	钙矾石型复合早强矿物掺合料	湖南	快硬早强、长期性能稳定，适合大交通量的路面的快速修补
SBT-K10型快速修补剂[12]	/	江苏	良好的抗碳化、抗渗以及耐磨性能
R-24 混凝土路面快速修补剂[13]	水泥激活剂、减水剂、膨胀剂	湖北	干缩小，在较低温度下也能快速硬化

(3)纤维增强混凝土。

纤维增强混凝土是纤维和水泥组成的复合材料的统称。水泥混凝土的缺点是抗拉强度低、脆性大，纤维的优点是抗拉强度高、抗碱性好，二者共同使用时性能可以互补，得到具有良好的抗弯拉、抗裂和抗冲击性能的材料，提高路面的韧性，减少开裂的可能性。此外，还可以在纤维增强混凝土的基础上复配其他快速修补剂或聚合物，得到性能更优的快速修补材料。目前用于修补的纤维增强混凝土有：钢纤维增强混凝土、碳纤维增强混凝土、聚丙烯纤维增强混凝土等[14]。纤维增强混凝土自身的力学性能及耐磨性能优良，但作为修补材料，还应满足新老混凝土黏结性能高、早期强度发展快的要求，这靠单一的纤维改性是远远不够的。同时纤维材料的价格往往比较昂贵，经济性不佳。

1.1.2有机聚合物类

有机聚合物类修补材料的主要成分是聚合物、填充材料、增强材料、集料以及各种添加剂。相比无机水泥类修补材料，有机聚合物类修补材料的强度发展快很多，在常温和低温下都能快速固化，并且抗压强度和黏结强度都较高。但该材料成本较高，且大多数有机物都有毒性，在施工过程中可能会对人体造成危害，长期使用环保性不佳。目前常见的有机聚合物类修补材料主要有以下几种。

(1)环氧树脂。

环氧树脂是含有两个及两个以上环氧基团的高分子环氧低聚物，环氧基团在其中可与固化剂反应形成热固性产物，固化后具有优异的力学性能。目前常用的环氧树脂主要是双酚A型环氧树脂，其分子结构见图1[15]。其两个末端的环氧基团提供黏结性能，苯环提供良好的力学性能。因此，环氧树脂具有强度高、稳定性好、黏结性好等优点，被广泛应用在各种工程领域中。但其固化反应对环境要求较高，且耐紫外老化能力差。因此当被用作修补材料时，该种材料主要是用于裂缝灌浆和接缝损坏修补。

图1 双酚A型环氧树脂的分子结构 下载原图

(2)聚氨酯。

聚氨酯是由异氰酸酯与聚醚多元醇、聚酯多元醇或者小分子醇或胺发生聚合反应而生成的聚合物[16]。其中异氰酸酯具有高度不饱和基团，且含有两个双键，具有很高的反应活性，因此聚氨酯修补材料强度发展很快。此外，还可以通过改变原材料种类和配比获得性能不同的聚氨酯产品。然而，由于添加不同的化合物后，聚氨酯的稳定性、固化时间等性能难以把握，且其本身弹性模量低，因此聚氨酯类修补材料只能用作灌缝材料。

1.1.3无机有机复合类

无机有机复合类修补材料是在无机类修补材料中加入有机聚合物对其进行改性，根据其用途和使用环境的不同，可以分为以无机材料为主有机材料为辅的类型，如水泥乳化沥青修补材料、聚合物细石混凝土；也有以有机材料为主无机材料为辅的类型，如聚合物改性混凝土或砂浆、环氧树脂砂浆等。根据目前修补材料的使用情况，采用无机有机复合类修补材料的效果优于单独使用无机水泥类或者有机复合类。该种材料收缩小、抗渗性好、黏结强度高，但聚合物的价格较高且部分聚合物具有一定毒性，因此其发展受到限制。

(1)水泥乳化沥青砂浆。

水泥乳化沥青是将水泥和乳化沥青共同作为胶凝材料，在拌制水泥混凝土的过程中向其中加入乳化沥青而形成的。该材料同时具有水泥混凝土的刚性和沥青混凝土的柔性。此外，乳化沥青成膜后释放的水分可以被水泥充分利用，能提高水泥浆体和乳化沥青与骨料之间的界面性能[17],具有强度高、高温稳定性好等路用性能，且施工能耗低、利于环境保护。

(2)聚合物混凝土。

聚合物混凝土是在水泥混凝土中加入聚合物，以提高其黏结性能、耐磨性能和抗冲击性能。按其组成和添加形式的不同分为3类：聚合物混凝土(PC),其胶结材料全部为聚合物，由聚合物和骨料结合而成；聚合物浸渍混凝土(PIC),即通过一定工艺使聚合物渗入混凝土空隙中，凝结后形成整体，由于工艺复杂，这种材料应用并不广泛；聚合物改性混凝土(PMC),即在拌和过程中将聚合物作为混凝土的改性剂掺加到其中，由于聚合物掺加比例较低，因此经济性优于PC。虽然聚合物对混凝土的增韧效果明显，但聚合物价格较高、耐候性差，因此如何降低成本、延长使用寿命仍是需要研究的内容。

1.2快速修补材料的技术要求

由于目前缺乏道路快速修补材料相关的规范，结合相关文献[18,19,20],本文对道路快速修补材料提出以下技术要求，见表2。

表2 道路快速修补材料的技术要求 导出到EXCEL

性能	原因	要求
相容性	修补材料应尽可能与旧混凝土有良好的相容性。	具体表现在弹性模量、颜色相近、平整度等方面。
凝结时间	为尽早开放交通，要求修补材料能够快速凝结硬化。	控制初凝时间在20～30 min之间，终凝时间在2～4 h之间。
早期强度	修补材料基本的要求是确保其自身强度能达到规定的强度指标。	1 h抗压强度≥25.0 MPa, 3 d抗压强度≥35.0 MPa。
黏结强度	由于修补材料连接两种不同性质的材料，因此修补界面的黏结性能非常重要。	修补材料对混凝土的黏结抗折强度≥2.8 MPa。
收缩性能	修补材料早期收缩比较严重，但旧混凝土已无收缩，在修补界面连接处很容易开裂。因此，需要对修补材料的收缩性能进行控制。	收缩率小，控制其28 d收缩率≤0.5%。
耐久性	修补材料和路面材料一样承受着环境和荷载的综合作用，因此修补材料也应该具有良好的耐磨性和耐久性。	/
抗扰动性能	在不中断交通对路面进行修补时，车桥耦合振动会对修补材料的强度形成过程造成影响，因此应对修补材料的抗扰动作出规定。	抗扰动系数应≥30%。
环保性	减少环境污染。	提倡使用环境友好型的“绿色材料”。
经济性	降低成本。	在保证性能的基础上尽可能降低成本，便于推广。

1.3快硬早强水泥的优势

由于有机聚合物大多具有毒性，环保性不佳，且制备工艺繁琐，无机有机复合类修补材料也因为聚合物价格昂贵导致其不适用于道路大面积修复，因此目前应用较多的仍是无机类修补材料。在无机类修补材料中，快速修补剂由于普通硅酸盐水泥基体强度低，且在使用时若同时掺加多种外加剂，体系间各组分的均匀分散难度较大，对生产设备要求较高，在很大程度上会影响产品的使用性能。而纤维增强混凝土被破坏时纤维是被拔出而不是断裂[21],可见纤维的增韧效果并未能完全发挥，且纤维掺量过多不但会使混凝土性能下降，还会导致纤维聚团，影响施工。因此，原材料资源丰富、使用性能好、性价比高、制备简单的特种水泥逐渐受到重视，被广泛应用在道路修补工程中；若单一使用时效果不佳，可通过快硬早强水泥之间复掺或者在其中加入早强剂、减水剂等外加剂，得到凝结时间适中、早期强度高、后期强度不倒缩、耐磨性好、耐久性优良的理想修补材料。

2 快硬早强水泥的作用机理2.1快硬硅酸盐水泥

相比普通硅酸盐水泥，快硬硅酸盐水泥中早强矿物硅酸三钙(C3S)和铝酸三钙(C3A)的含量非常高，且石膏掺量也被提高，SO3的最大含量可容许到4.0%。当水泥与水接触后，C3A、C3S均能很快水化，同时石膏迅速溶解，形成CA(OH)2与CaSO4的饱和溶液，此时大量钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O,简写为C6AS3H32)生成，反应式见式(1):

3CaO·Al2O3 3(CaSO4·2H2O) 26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (1)

钙矾石呈柱状或针状晶体，溶解度小，能为快硬硅酸盐水泥提供早期强度，这是快硬硅酸盐水泥能迅速形成强度的原因。之后由于不断生成钙矾石，SO42-不断减少，形成单硫型水化硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·CaSO4·2H2O,称AFm相)。AFm是六方板状晶体，强度低，且容易引起体积膨胀。因此，快硬硅酸盐水泥后期易出现强度倒缩、耐久性差等问题。

2.2硫铝酸盐水泥

SAC的主要组成矿物是无水硫铝酸钙(C4A3S)和硅酸二钙(C2S)。当水泥与水接触时，C4A3S与水和石膏生成钙矾石，反应式如式(2):

3CaO·3Al2O3·CaSO4 2CaSO4 38H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 2Al(OH)3 (2)

该反应速度很快，因此SAC能快速凝结形成强度。当SAC终凝之后，CaSO4和水的含量已不足以再生成钙矾石，只能生成AFm。反应式为式(3):

3CaO·3Al2O3·CaSO4 15H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·12H2O 2Al(OH)3 (3)

除钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙外，SAC的水化产物还有铝胶、水化硫铝酸钙C-S-H、Ca(OH)2等。其中铝胶能与钙矾石胶结在一起，促进SAC强度的发展，后期钙矾石转晶会导致SAC强度倒缩[22]。因此，可通过改变水泥生料配方，减少C4A3S的含量，以延缓凝结时间，减慢强度增长速度，同时可避免水泥后期强度的倒缩。

2.3磷酸镁水泥

MPC是由磷酸盐、氧化镁(MgO)、矿物掺合料及外加剂按一定比例配制而成。MPC的水化机理目前还处在讨论阶段，多数学者[23,24,25]比较认同的是：当MPC与水混合时，首先是磷酸盐迅速溶解，生成K 、NH4 、H 、PO43-等离子；之后MgO粉末在酸性磷酸盐水溶液中溶解，形成Mg2 ;随着溶液中的Mg2 的大量溶出，与NH4 及PO43-相互作用，形成一种新的络合物水化磷酸镁铵(Mg·NH4PO4·6H2O,俗称鸟粪石)和水化磷酸镁钾(Mg·KPO4·6H2O,俗称钾鸟粪石)。反应式如式(4)和式(5):

MgO NH4H2PO4 5H2O→MgNH4PO4·6H2O (4)

MgO KH2PO4 5H2O→MgKPO4·6H2O (5)

当溶液中水化磷酸镁铵和水化磷酸镁钾达到饱和度后，晶体分别不断结晶析出。水化磷酸镁铵包裹在MgO表面，二者紧密连接成一个整体，从而整个体系逐渐凝结硬化形成强度；水化磷酸镁钾晶体不断生长，最终形成以MgO颗粒为骨架、水化磷酸镁钾晶体为凝胶的整体，这是MPC的主要强度来源。MPC具有凝结硬化快、早期强度高、与旧混凝土黏结性好相容性好等优点。但其凝结时间过短[26],初凝时间在10 min之内，没有足够的施工时间。且MPC的价格十分昂贵，这些成为了限制其发展的原因。

2.4高铝水泥

高铝水泥的组成成分中所占比例最大的是铝酸一钙(CA)和铝酸二钙(C2A),由于CA的结构中钙、铝的配位不规则，因此其水化速度极快[27]。高铝水泥的水化主要是CA的水化，在不同温度T下将生成不同的水化产物，具体水化过程如式(6)～式(8)。

当T≤20℃时：

CaO·Al2O3 10H2O→CaO·Al2O3·10H2O (6)

当20℃<T≤40℃时：

3(CaO·Al2O3) 12H2O→3CaO·Al2O3·6H2O 2(Al2O3·3H2O) (7)

当T>40℃时：

2(CaO·Al2O3) 11H2O→2CaO·Al2O3·8H2O Al2O3·3H2O (8)

即高铝水泥的水化产物在较高温度下主要是C3AH6和铝胶，较低温度下主要是CAH10、C2AH8和铝胶等。CAH10和C2AH8互相交错攀附，铝胶填充在孔隙，能形成比较致密的浆体结构，早期强度发展迅速。但由于CAH10和C2AH8不稳定，易转变为C3AH6,C3AH6呈大粒子聚集状，因此固相体积减少，浆体孔隙率增多，引起后期强度倒缩[28]。此外，在高碱性环境中，铝胶会溶解析出Al3 ,因此高铝水泥不能用在高碱性环境，这使得其应用范围受限，限制其发展。

2.5偏高岭土地聚物

偏高岭土(Metakaolin, 简称MK)是高岭黏土(Al2O3·2SiO2·2H2O,简称AS2H2)经650～800℃煅烧失水形成的无水硅酸铝(Al2O3·2SiO2,简称AS2),其火山灰活性高于硅灰，加入混凝土后有微膨胀作用，能够显著提高混凝土的耐久性。关于其水化机理，目前仍处在研究阶段。段瑜芳等[29]将MK的水化过程分为5个阶段，即初始期、诱导期、加速期、减速期和稳定期，认为MK水化机理与硅酸盐水泥完全不同。当MK与水接触后，H2O、OH-和Na 等在MK的表面吸附，并逐渐放出热量。之后，MK中的铝氧和硅氧不断溶出进入液相，液相中的(SiO4)4-和(AlO4)5-基团浓度不断提高。在碱环境下其反应如式(9)～式(11):

M OSi(OH)−33-→MOSi(OH)3 (9)

2M Si(OH)2O2−222-→MOSi(OH)2OM (10)

M Al(OH)−44- OH-→MOAl(OH)−33- H2O (11)

此时液相中已经有少量四面体产物开始聚合，之后由于MK表面积减少，水化速率降低，进入减速期，水化放热速率明显降低。当MK的水化完全后，最终形成不规则的、有一定聚合度的稳定的(SiO4)4-和(AlO4)5-网络结构。

当MK加入到水泥中，可加速水泥水化、提高混凝土的早期强度和耐久性、减少水化放热，因此混凝土后期开裂的可能性也明显降低，是一种性能上比较理想的修补材料。但因其成本过高，目前尚未得到广泛应用。

3 快硬早强水泥在修补工程中的应用3.1快硬硅酸盐水泥

快硬硅酸盐水泥虽然具有快凝快硬、强度发展快、早期强度高等优点，但将其单独使用时效果却不理想，因此目前关于快硬硅酸盐水泥的研究大多是将其与其他快硬早强水泥复合使用或者是将其作为基体，在其中加入功能掺合料等制成快速修补剂。如Jh型特种砂浆及混凝土[30]是在硅酸盐水泥中加入高铝矿渣和外加剂，进而得到的早期强度发展快、收缩小、黏结强度高的快速修补材料。该系列修补材料的4 h抗压强度可达到30 MPa, 1 d抗压强度可达到45 MPa。实际工程应用表明，该修补材料的干缩率低、早期强度高，可用作道路修补材料。闫林伟[31]将普通硅酸盐水泥和SAC复配得到一种早期强度高且后期强度不倒缩的复合水泥，通过调节两种水泥的配合比、缓凝剂掺量等，可制得1 h抗压强度在30 MPa左右的混凝土。梁国彪等[32]在42.5级普通硅酸盐水泥中掺入复合功能掺合料(CUFG)制得快硬高早强混凝土，相比普通水泥混凝土，该混凝土的24 h抗压强度可提高45.6%。刘晓楠等[33]采用早强型普通硅酸盐水泥、高效外加剂和矿物掺合料制得的修补材料工作性能良好，施工方便，能够满足水泥混凝土路面养护材料的技术要求。

3.2硫铝酸盐水泥

目前关于快硬SAC的研究较多，研究成果大致可分为以下几个方向。针对外部环境对材料性能的影响方面，王培铭等[34]认为养护温度是影响SAC水化效果的关键因素。Li等[35]研究在不同温度下，不同化学外加剂对SAC工作性能和强度发展的影响，并在特定温度下选择了合适的配合比，极大地拓宽了SAC在快速修复工程中的应用范围。当考虑SAC与其他水泥复配时，叶青等[36]在SAC中加入普通硅酸盐水泥、粉煤灰和矿粉，制备一种超早强道路快速修补材料，其2 h抗压强度可达29.8 MPa, 能满足快速开放交通的要求。Zhu等[37]采用SAC、普通硅酸盐水泥、减水剂和膨胀剂等制备修补材料，试验结果表明该材料具有优异的力学强度、抗收缩性能和抵抗膨胀变形的能力，可用作混凝土修复材料。当将聚合物或纤维用于SAC改性时，效果往往十分明显。Ma等[38]将纳米二氧化硅加入到SAC中，结果发现随着纳米二氧化硅含量的增加，制得的修补材料的抗压和抗折强度增加，流动性下降，其8 h抗压强度为65.7 MPa。钟慧荣等[39]使用环氧树脂对SAC进行改性，并通过SEM分析表明环氧树脂在SAC的水化产物表面形成了聚合物膜。Jun等[40]将钢纤维掺入到SAC中，制备出一种具有高强度和高韧性的新型混凝土，试验结果表明钢纤维的加入能加速SAC的水化，同时促进水化产物钙矾石、C-S-H的形成，可显著提高SAC的力学强度。白文君等[41]对丁苯乳液和SAC进行配合比试验，确定出最佳配比为SAC∶丁苯乳液=1∶0.2,认为丁苯乳液在混凝土中相当于“微纤维”,能与水化产物相互交织，填充混凝土的孔隙，提高密实度。

3.3磷酸镁水泥

近年来，MPC因其优异的性能逐渐受到研究人员的关注。在MPC的水化机理研究方面，姜洪义等[30]提出，MPC的水化过程是一个强放热反应。Qin等[42]观察MPC与旧混凝土黏结界面的微观特征，提出MPC具有良好黏结性能的原因是其水化产物鸟粪石具有很强的附着力，能黏结在旧混凝土表面，增强新旧混凝土接触面的结合度。在讨论组成成分对MPC性能的影响时，孙佳龙等[43]从原材料等方面分析将MPC用作道路快速修补材料的可行性，其认为MPC具有很大的应用前景。任强等[44]分别研究硅灰、粉煤灰和超细粉煤灰在单掺和复掺条件下对MPC砂浆强度的影响，提出单掺硅灰可提高砂浆的黏结强度，粉煤灰和超细粉煤灰复掺会降低力学强度，但可提高砂浆后期的黏结强度。在将MPC的性能与普通硅酸盐水泥的性能进行比较方面，Li等[45]重点考察MPC砂浆的凝结时间和强度，研究流动性等对强度、干缩和耐磨性能的影响，并通过现场应用案例表明，MPC修补材料既满足施工条件，又能快速开放交通。温金保等[46]发现相比普通硅酸盐水泥砂浆，MPC砂浆流动性更好、早期力学性能更高、体积稳定性更好。Qiao等[47]的研究结果表明，相比普通硅酸盐水泥，MPC砂浆的黏结强度更高、体积收缩更小，适合用在混凝土的维护和修补中。Amit等[48]对用MPC代替普通硅酸盐水泥进行了系统的阐述，并提出相比普通硅酸盐水泥，MPC的凝结时间更短，早期强度发展更快，抗压强度也相对较高。此外，就制备过程而言，MPC是一种环境友好型材料，但MPC的制作成本较高，因此限制了自身的推广应用。当对MPC进行改性和复配时，黄煜镔等[49]提出聚合物乳液通常会降低MPC砂浆的流动性和抗压强度，但能提高砂浆的黏结性能。石亚文等[50]提出可采用偏高岭土代替部分MgO对MPC进行改性，并通过室内试验表明当偏高岭土掺量为30%时改性效果最好。Fang等[51]研究玻璃纤维增强MPC复合材料的性能，通过测试其力学性能、耐水性能和微观结构表明，玻璃纤维加入到MPC中，可提高混凝土的抗压强度、抗弯拉强度和韧性。Qin等[42]提出玄武岩纤维增强MPC复合材料的力学性能优于玻璃纤维增强MPC复合材料，建议玄武岩纤维增强MPC复合材料中玄武岩纤维的最佳掺量为1%～1.5%。

3.4高铝水泥

在研究原材料组成对高铝水泥性能的影响时，肖佳等[52]提出，当石灰石粉掺量为3%时，高铝水泥砂浆的强度最高。Idrees等[53]研究了不同矿物掺合料(粉煤灰、粒化高炉矿渣和硅灰)对高铝水泥砂浆性能的影响，结果表明，矿物掺合料可加速高铝水泥砂浆的水化反应，粉煤灰和粒化高炉矿渣可提高砂浆的力学强度，硅灰可提高高铝水泥砂浆的后期强度。倪倩等[54]在高铝水泥中分别掺入石灰石、石膏、粉煤灰和矿渣，研究不同矿物掺合料对高铝水泥强度的影响，结果表明4种掺合料均能抑制高铝水泥后期强度倒缩。对比普通硅酸盐水泥和高铝水泥砂浆的抗硫酸盐能力，Aye等[55]将两种砂浆在硫酸盐溶液中循环处理，测试试件的表面硬度、重量和矿物学特征的变化以评估砂浆的抗硫酸盐侵蚀能力，试验结果表明高铝水泥的抗硫酸钠侵蚀能力更强。在对高铝水泥进行改性和复配的研究方面，赵晶等[56]将高铝水泥、SAC和普通硅酸盐水泥进行混合配比，制得的水泥胶砂早期强度最高可达到20 MPa以上。Irisawa等[57]用磷酸盐对高铝水泥进行改性，提出溶液中磷酸盐浓度不同，铝离子形成的相也不同，当磷酸盐浓度较高时溶液中的铝离子会形成无定型凝胶相，而当磷酸盐浓度较低时Al3 会以三水铝石的形式沉淀，这两种形式都可以减少水泥混凝土的微裂纹。杨宏章等[58]的试验结果表明，CaCO3与高铝水泥反应生成水化碳铝酸钙，能防止高铝水泥后期强度的倒缩。Beroll等[59]研究短碳纤维对高铝水泥的力学性能的影响，试验结果表明，在高铝水泥中掺加短碳纤维可以有效提高其弯曲拉伸强度，同时也可以减少混凝土的体积收缩。

3.5偏高岭土地聚物

偏高岭土作为一种矿物掺合料，常常被用来配制地聚物水泥。冷政等[60]分析偏高岭土地聚物的微观结构，研究表明掺入偏高岭土可优化砂浆的孔结构，提高早期强度。常利等[61]采用粉煤灰、MK等材料制备出一种地聚合物水泥，研究结果表明该种地聚合物水泥可以用在桥梁伸缩缝混凝土中，可解决桥梁伸缩缝混凝土耐久性差、开放交通时间长等问题。Nabil[62]用MK代替部分水泥，通过测试混凝土的膨胀系数、立方体抗压强度来评价偏高岭土混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，研究表明使用MK替代水泥能增加混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，且MK的替代水平越高，混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力越好。贾蓉蓉[63]采用粉煤灰、MK、普通硅酸盐水泥和复合激发剂制备出一种地聚合物水泥，并建议最佳配比为普通硅酸盐水泥∶复合激发剂∶MK∶粉煤灰=1∶1∶0.5∶7.5。Tafraoui等[64]用MK代替硅灰制备超高性能混凝土(UHPC),试验结果表明，在适当的养护条件下，该种混凝土28 d抗压强度可达到250 MPa, 力学性能优异，并通过测试其孔隙率、氯离子扩散能力和碳化结果表明该材料的耐久性能优良。当研究MK对混凝土性能的影响时，Batis等[65]通过测试混凝土的力学强度、腐蚀电位、质量损失和腐蚀率，提出当MK掺量为10%时对混凝土抗压强度的改善效果最好，一定量的MK可改善砂浆的抗腐蚀性能，但若MK过量后改善效果反而不明显。Badogiannis等[66]研究了MK对混凝土耐久性的影响，使用不同掺量的MK代替水泥，试验结果表明，MK的加入可以改善混凝土的孔隙结构，减小孔径，提高孔径分布的均匀性。

4 快硬早强水泥存在的问题及发展趋势

综上所述，目前境内外开发的快速修补材料种类繁多，快硬早强型特种水泥的市场发展相对较好，具有强度发展迅速且早期强度高、能快速开放交通、与旧混凝土的相容性好、黏结性能优良等优点，是一种理想的道路工程快速修补材料。对于快硬早强水泥的性能研究，境内外已做出相关探索并取得了一定的研究成果，但仍然存在以下问题亟待解决。

(1)特种水泥普遍价格昂贵而且生产厂家相对较少，原材料来源较少。

(2)单独使用某一种特种水泥时性能较差，特种水泥之间常常需要复配才能同时兼备各方面性能。因此，亟需开发一种优质的特种水泥类修补材料，以满足道路快速修补工程对修补材料的技术要求。

(3)大部分快硬早强型特种水泥类修补材料后期强度都会出现倒缩，且耐磨性比较差。为此，应对其后期强度进行监测。同时，研究如何从原材料性能、组成配比、设计施工等方面解决特种水泥类修补材料后期强度倒缩的问题。

(4)现阶段对特种水泥的研究开发虽然有一定成果，但还是缺乏系统的认识，如磷酸镁水泥的水化机理、原材料组成对高铝水泥性能的影响等等。因此，应通过更多的微观试验对特种水泥的水化机理做更深入的研究，同时对特种水泥从组成成分、性能等各方面进行分类定义，以形成系统的认识。

(5)缺少关于路面快速修补材料相关的规范，缺乏对快速修补材料性能要求的统一规定，目前亟需对快速修补材料编制施工指南，对道路工程快速修补材料做出统一规定的同时能够规范施工。

5 结语

(1)相比普通硅酸盐水泥，快硬早强型特种水泥的组成成分中早强矿物的含量更高，当其与水接触时，能迅速反应生成在水泥水化初期为浆体提供强度的水化产物，如钙矾石、C3AH10、(SiO4)4-和(AlO4)5-、水化磷酸镁钾和水化磷酸镁铵与MgO相互连接形成的整体等，因此能够迅速凝结硬化且早期强度高。但由于早期形成的水化产物结构不稳定，会逐渐转变为结构更稳定但强度相对较低的水化产物，如钙矾石转变为AFm、C3AH10转变为C3AH6等，导致修补材料存在后期强度倒缩的缺陷。

(2)由于单独使用一种快硬早强水泥无法同时满足道路修补工程对快速修补材料的性能要求，会出现后期强度倒缩、耐磨性差和耐久性差等情况，因此在目前的研究中，快硬早强水泥几乎都是复配使用，或者选用合适的纤维或聚合物对其进行改性。不同的快硬早强水泥优化性能采取的方法不同，其中快硬硅酸盐水泥主要是用作基体与SAC、高铝水泥等进行复配，对MPC的研究大多是探讨如何在减慢其水化速率的同时保证其早期强度要求，偏高岭土地聚物用作矿物添加剂取代部分水泥用于改善修补材料内部结构，以提高修补材料的耐久性能。

(3)就现有研究成果和实际工程应用情况而言，快硬早强水泥是一种理想的道路快速修补材料，其中SAC、MPC因性能优异成为最有发展潜力的修补材料，但在其水化机理、性能改善等方面仍缺乏系统的研究，未来可从优化水泥生产工艺、改善原材料组成成分和复合使用不同修补材料等方面着手，研究如何得到综合性能优良的SAC和MPC道路快速修补材料，推动道路修补工程向高效经济的方向发展。

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