水泥混凝土路面脫空修復(fù)灌漿材料發(fā)展概況

郝躍武

(四川麗攀高速公路有限責(zé)任公司,四川成都 610000)

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水泥混凝土路面脫空修復(fù)灌漿材料發(fā)展概況

郝躍武

(四川麗攀高速公路有限責(zé)任公司,四川成都 610000)

文章對(duì)灌漿技術(shù)和灌漿材料的性能要求進(jìn)行了概述，介紹了常見的有機(jī)灌漿材料和無機(jī)灌漿材料，并概述了各種材料的特點(diǎn)。對(duì)已應(yīng)用于工程實(shí)際的幾種滿足綠色、環(huán)保要求的水泥混凝土路面灌漿材料進(jìn)行了介紹，并結(jié)合灌漿材料的特點(diǎn)和當(dāng)前對(duì)灌漿材料綠色、環(huán)保的要求，對(duì)今后水泥混凝土路面灌漿材料的發(fā)展趨勢(shì)作了分析。

水泥混凝土路面； 脫空； 有機(jī)灌漿材料； 無機(jī)灌漿材料

我國(guó)自20世紀(jì)80年代開始大面積修建水泥混凝土路面，但隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通量急劇增加，并且車輛超載問題一直無法得到有效解決，再加上道路設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)等原因，使混凝土路面出現(xiàn)很多與路面板板底脫空有關(guān)的病害，如裂縫、唧泥、破碎等，嚴(yán)重影響了道路的正常使用和行車安全。因此，必須對(duì)水泥混凝土路面板板底脫空位置及時(shí)采取補(bǔ)救措施，以避免病害的進(jìn)一步發(fā)展。灌漿是當(dāng)前在水泥混凝土路面板板底脫空處理中一種有效的修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)手段，廣泛應(yīng)用于水泥混凝土路面脫空處治中。

1 灌漿技術(shù)

灌漿就是采用特定的壓送設(shè)備，將特定材料配制成的漿液灌入地層或縫隙中，并使?jié){液擴(kuò)散、膠凝或固化，進(jìn)行地層堵水或加固等的施工技術(shù)，灌漿技術(shù)有3種。

(1)滲透灌漿：在不破壞地層顆粒結(jié)構(gòu)的情況下，以滲透的方式使?jié){液滲入孔隙中，填充顆粒間隙并膠結(jié)成整體的灌漿方式。

(2)壓密灌漿：是采用特制的高壓泵將粘度高、流動(dòng)性低的漿液灌入地層，并在灌漿處形成漿泡壓縮周圍土體，使土體產(chǎn)生塑性變形，取代灌漿范圍內(nèi)的土體。

(3)劈裂灌漿：劈裂灌漿需要采用一定的措施，擠密土體，當(dāng)壓力達(dá)到或超過一定的限度時(shí)，漿液會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生劈裂作用，在灌漿孔周圍形成條帶狀或網(wǎng)狀膠結(jié)體，并通過膠結(jié)體的骨架作用加固土體。

2 灌漿材料

當(dāng)前，灌漿材料大體可分為有機(jī)類和無機(jī)類兩大類。有機(jī)灌漿材料主要是一些高分子聚合物，如環(huán)氧樹脂類材料、聚氨脂類材料等；無機(jī)灌漿材料主要是水泥漿類材料。灌漿材料需要具有相當(dāng)高的性能要求，特別是漿體材料需要在灌漿硬化后具有無收縮乃至微膨脹性能，對(duì)膨脹劑種類和劑量的選用有較高的要求。只有當(dāng)漿體材料滿足具有自流淌密實(shí)性、早期強(qiáng)度高、無離析、無泌水和無收縮等要求之后，通過灌漿施工才能對(duì)脫空的水泥混凝土路面真正地起到加固作用，否則甚至?xí)?dǎo)致路面使用性能的進(jìn)一步下降。

2.1 有機(jī)灌漿材料

1884年，英國(guó)人豪斯古德首次采用化學(xué)藥品固砂；1887年，佐斯基通過在兩個(gè)相鄰孔中分別注入水玻璃和氯化鈣溶液的方法創(chuàng)造了硅化法，并獲得專利，開啟了化學(xué)灌漿材料的應(yīng)用；1920年，荷蘭人尤斯登論證了化學(xué)注漿的可靠性，獲得了水玻璃+氯化鈣的雙液雙系統(tǒng)的注入式灌漿專利，并且由于水玻璃具有價(jià)格便宜、無毒等優(yōu)點(diǎn)，這種灌漿方式得到了很快的發(fā)展[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，有機(jī)高分子灌漿材料出現(xiàn)并在工程中得到大量應(yīng)用。

2.1.1 環(huán)氧樹脂灌漿材料

環(huán)氧樹脂灌漿材料的主要成分有環(huán)氧樹脂加固化劑、稀釋劑、促進(jìn)劑、增塑劑等，具有強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)、收縮小和能在常溫下固化等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有黏度較高和可灌注性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。環(huán)氧樹脂灌漿材料是當(dāng)前應(yīng)用得最多的有機(jī)灌漿材料。

當(dāng)前主要采用大量添加有機(jī)溶劑和對(duì)環(huán)氧樹脂類材料進(jìn)行改性兩種途徑來解決環(huán)氧樹脂灌漿材料存在的缺點(diǎn)，但是有機(jī)溶劑的大量使用會(huì)污染環(huán)境，因此當(dāng)前主要采用對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性的方式。如曹珂等[2]通過對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，提高了漿液的可灌注性，使?jié){液能夠適用于灌注細(xì)小的混凝土裂縫，并且漿液初期強(qiáng)度高，可以應(yīng)用在具有早強(qiáng)要求和寒冷地區(qū)的工程灌漿施工上；何光宇等[3]開發(fā)的YDS-30型高滲透環(huán)氧灌漿材料可以在較高溫度環(huán)境下仍能保持高滲透性能，可以應(yīng)用于熱水區(qū)域灌漿處理工程中。

2.1.2 丙烯酸鹽灌漿材料

丙烯酸鹽灌漿材料是通過在過量的金屬氧化物、氫氧化物和丙烯酸反應(yīng)生成的丙烯酸鹽混合物中加入不同材料生成的一種低黏度灌漿材料。具有黏度低、可灌注性好、凝結(jié)時(shí)間可控、凝膠滲透系數(shù)低、抗擠出能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常用于混凝土裂縫補(bǔ)強(qiáng)灌漿。但是丙烯酸鹽類灌漿材料的凝膠強(qiáng)度較低、收縮大、在有水的情況下不固化，當(dāng)與水泥混用時(shí)，存在穩(wěn)定性不易控制的缺點(diǎn)。

2.1.3 聚氨酯灌漿材料

聚氨酯灌漿材料是由聚氨酯預(yù)聚體與添加劑(催化劑、發(fā)泡劑、阻燃劑等)組成的灌漿材料。聚氨酯灌漿材料防滲性能好，具有一定的強(qiáng)度，是良好的防滲和加固材料。按親水能力的不同，聚氨酯灌漿材料可以分為油溶性和水溶性兩種類型，其中油溶性聚氨酯材料會(huì)在反應(yīng)生成中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2氣體，導(dǎo)致漿液擴(kuò)散，進(jìn)而增強(qiáng)灌漿效果，主要用于結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)；水溶性聚氨酯材料有很強(qiáng)的形變能力，但會(huì)在失水后收縮、吸水后恢復(fù)。但是，聚氨酯預(yù)聚體中殘留的多異氰酸酯為劇毒物質(zhì)，會(huì)對(duì)工作人員和環(huán)境造成污染，并且難于存儲(chǔ)。

2.1.4 木質(zhì)素灌漿材料

木質(zhì)素是以亞硫酸鹽紙漿為主劑，過硫酸銨為固化劑的無毒防滲堵水材料，其優(yōu)點(diǎn)是可利用紙廠廢液，價(jià)格低廉，膠凝時(shí)間可控；缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，且對(duì)人體皮膚有害，采用重鉻酸鹽作為膠凝劑則會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。

2.2 無機(jī)灌漿材料

無機(jī)灌漿材料主要是指水泥基灌漿材料，由水泥、集料(或不含集料)、外加劑及其他材料，經(jīng)加水拌合均勻后，具有一定的流動(dòng)性、微膨脹、早期和后期強(qiáng)度、不泌水等性能。

2.2.1 硅酸鹽水泥基灌漿材料

硅酸鹽水泥基灌漿材料是采用普通硅酸鹽水泥、摻合料與水混合制備而成的灌漿材料，具有凝結(jié)快、早期強(qiáng)度高、抗凍性能好、水化熱高等特點(diǎn)，但抗水性和耐化學(xué)腐蝕性較差。硅酸鹽水泥灌漿材料通常適用于一般地上工程、重要結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土工程、冬季施工及嚴(yán)寒地區(qū)易遭受反復(fù)冰凍的工程、不受侵蝕水作用的地下工程、水中工程和不受高水壓作用的工程，是當(dāng)前使用較為廣泛的一種灌漿材料。

2.2.2 硫鋁酸鹽水泥基灌漿材料

硫鋁酸鹽水泥是由鋁礬土經(jīng)低溫?zé)?、磨?xì)制成，硫鋁酸鹽水泥熟料比起普通硅酸鹽水泥熟料的易磨性好，所需的粉磨電耗也較低，是一種低碳材料。其具有早期強(qiáng)度發(fā)展快、結(jié)構(gòu)致密、干燥收縮小和抗硫酸鹽腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于混凝土冬期施工、快速修補(bǔ)材料、噴錨支護(hù)和要求抗?jié)B等工程。但是硫鋁酸鹽水泥制備需要消耗鋁礬土資源，限制了硫鋁酸鹽水泥的應(yīng)用。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試采用含鋁工業(yè)廢料如鋁渣[4]、粉煤灰和赤泥[5]等部分或全部取代鋁礬土制備硫鋁酸鹽水泥，取得了一定的效果。

2.2.3 硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥復(fù)合的水泥基灌漿材料

桑國(guó)臣等[6]采用硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥復(fù)合制備得到無收縮灌漿材料，具有凝結(jié)時(shí)間可控、早強(qiáng)、高強(qiáng)、后期強(qiáng)度持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)、適宜的流動(dòng)性等特性。雖然此類灌漿材料的研究資料并不少見，但是由于該類材料的快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)、高流動(dòng)性、高保塑性、適宜膨脹性和穩(wěn)定性等特性，使得該類灌漿材料的施工操作性降低，再加上成本等因素，導(dǎo)致該類灌漿材料的市售產(chǎn)品并不多見。

2.2.4 水泥基水性環(huán)氧樹脂灌漿材料

水泥基水性環(huán)氧樹脂灌漿材料通常是在環(huán)氧改性水泥砂漿的基礎(chǔ)上開發(fā)改進(jìn)而來的，也稱為環(huán)氧樹脂灌漿材料。環(huán)氧樹脂與水泥混合配制的灌漿材料具有諸多優(yōu)異性能，主要有：(1)工藝性能良好。水泥基水性環(huán)氧樹脂易與固化劑、粉料攪拌均勻，從而獲得適宜固化速度和稠度；(2)粘結(jié)強(qiáng)度高。由于環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中含有的羥基、醚基和環(huán)氧基等，均能夠較好地與多種被粘物質(zhì)表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得灌漿材料具有較強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度；(3)收縮性小。由于環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)時(shí)無副產(chǎn)物產(chǎn)生、不產(chǎn)生氣體，因此水泥基水性環(huán)氧樹脂灌漿材料固化收縮性??；(4)化學(xué)穩(wěn)定性好。水泥基水性環(huán)氧樹脂灌漿材料在酸、堿和大部分有機(jī)溶劑中均具有較好的穩(wěn)定性和化學(xué)耐蝕性；(5)力學(xué)強(qiáng)度高。在固化劑的作用下，環(huán)氧樹脂能夠反應(yīng)生成交聯(lián)致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了灌漿材料的力學(xué)性能；(6)抗?jié)B性能好。環(huán)氧樹脂固化后孔隙率小、吸水性和濕氣傳遞能力差。

3 新型灌漿材料

當(dāng)前，有機(jī)化學(xué)灌漿材料和無機(jī)灌漿材料已經(jīng)雖然發(fā)展成熟，但是對(duì)灌漿材料綠色、環(huán)保要求的不斷提高，多種滿足綠色、環(huán)保要求，并符合灌漿材料性能要求的新型灌漿材料被研制并應(yīng)用于實(shí)際工程中。

3.1 橡膠粉水泥砂漿灌漿材料

橡膠粉水泥砂漿灌漿材料是采用橡膠粉作為細(xì)集料摻入水泥砂漿中制成的灌漿材料。橡膠粉是利用汽車廢棄輪胎加工處理得到，屬于固體廢物資源化利用，并且在水泥砂漿中摻入橡膠粉可以節(jié)省部分水泥、粗細(xì)集料及礦物摻合料也降低灌漿材料成本。李艷春等[7]研究表明摻入橡膠粉能夠抑制水泥砂漿的干縮，提高砂漿的抗凍性能，有利于水泥混凝土板底脫空的治理。

3.2 工業(yè)廢渣灌漿材料

現(xiàn)在大多使用水泥基灌漿材料，但是水泥生產(chǎn)需要消耗大量的能源和石灰石等礦產(chǎn)資源，與當(dāng)前的綠色、環(huán)保概念不符。所以，富含硅鋁等活性元素的工業(yè)廢棄物被用作原料來生產(chǎn)新型綠色、環(huán)保的無機(jī)灌漿材料，用工業(yè)廢棄物生產(chǎn)灌漿材料可以緩解大量工業(yè)廢渣排放對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力，并且可以降低能耗。

殷素紅[8]開展了堿激發(fā)碳酸鹽礦凝膠-灌漿材料的研究，通過試驗(yàn)研究證明該類灌漿材料是可以滿足要求，是一種利廢、節(jié)能、低污染的新型綠色膠凝材料。

王朝強(qiáng)等[9]采用粉煤灰作為原料，用NaOH和天然硬石膏混合作為激發(fā)劑，制備了新型綠色防滅火灌漿材料，并通過對(duì)灌漿材料物理性能的研究確定了其最佳配合比。

霍利強(qiáng)[10]以粉煤灰、礦渣、普通硅酸鹽水泥為原料，并摻入自制的外加劑，制備了大流動(dòng)值早強(qiáng)、高強(qiáng)、高性能的綠色灌漿材料，并確定了制備原料的最佳配合比。

高英力等[11]采用電廠廢料-濕排粉煤灰和脫硫石膏與水泥摻和，制備了脫硫石膏-濕排粉煤灰-水泥灌漿材料，這種新型灌漿材料具有優(yōu)良的流動(dòng)性，24h抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到15MPa，并且由于脫硫石膏的膨脹效應(yīng)，使得灌漿材料出現(xiàn)明顯的早期膨脹效應(yīng)。

磷渣是黃磷生產(chǎn)時(shí)排出的工業(yè)廢渣，大量堆放會(huì)占用土地資源，并且磷渣中的有害成分會(huì)通過雨水等滲入土體及地下水，對(duì)環(huán)境造成污染。因此拓展磷渣在灌漿材料中的應(yīng)用，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。周代軍[12]采用正交設(shè)計(jì)方法確定了摻磷渣水泥基灌漿材料的合理配合比，得到水化放熱量少、早期強(qiáng)度發(fā)展快、初始缺陷少、微膨脹或無收縮的磷渣水泥基灌漿材料。

水泥-磷渣-膨脹劑復(fù)合灌漿材料是采用磷渣作為摻合料，取代部分水泥配制的水泥基灌漿砂漿。李海濤等[13]采用正交設(shè)計(jì)法對(duì)水泥-磷渣-膨脹劑復(fù)合灌漿材料的配合比進(jìn)行了優(yōu)化研究，當(dāng)磷渣摻量為25 %時(shí)所得灌漿材料的性能最優(yōu)并可滿足水泥基灌漿材料的技術(shù)要求，并且可以有效降低灌漿砂漿的生產(chǎn)成本；陳怡宏等[14]通過試驗(yàn)研究了磷渣、早強(qiáng)劑、膨脹劑對(duì)灌漿砂漿的性能影響，研究認(rèn)為水泥-磷渣-膨脹劑復(fù)合膠凝材料水化放熱速率低且放熱量小平均孔徑和最可幾孔徑較小，孔徑分布合理，適用于配制灌漿砂漿。

3.3 纖維增強(qiáng)灌漿材料

由于傳統(tǒng)的灌漿材料強(qiáng)度有限，可以通過在灌漿材料中摻入纖維制備纖維增強(qiáng)灌漿材料，當(dāng)前已有學(xué)者在這方面開展了研究。王剛等[15]通過在灌漿材料中添加碳纖維制備了碳纖維增強(qiáng)型灌漿材料，碳纖維使水泥漿液的流動(dòng)度降低，但是有效提高了漿液結(jié)石體的抗折強(qiáng)度。馬銀華等[16]在水泥漿中摻入聚丙烯纖維制備了具有高流動(dòng)性的聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥漿灌漿材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，灌漿材料種類越來越多，但是有機(jī)灌漿材料存在毒性、無機(jī)灌漿材料耗能、環(huán)境污染較大。因此，蔣碩忠等[17]提出選用灌漿材料時(shí)，能用水泥灌漿材料解決問題的絕不用化學(xué)灌漿材料，在工程基礎(chǔ)允許并滿足工程質(zhì)量要求的前提下，選用化學(xué)漿材應(yīng)首選無毒性、無環(huán)境污染的材料，如水玻璃等。

新型綠色、環(huán)保的灌漿材料將是今后發(fā)展的重點(diǎn)，但是水泥混凝土路面通常脫空區(qū)域較大，如采用綠色無毒的化學(xué)灌漿材料處理，所需費(fèi)用較高。因此，相對(duì)廉價(jià)的無機(jī)灌漿材料在水泥混凝土路面脫空處理中更有優(yōu)勢(shì)，特別是能夠促進(jìn)工業(yè)廢棄物回收利用的堿激發(fā)地聚物膠凝材料，在灌漿材料中有著光明的應(yīng)用前景。但是這些新型灌漿材料當(dāng)前除需要在試驗(yàn)室中對(duì)其性能進(jìn)行全面的試驗(yàn)測(cè)試外，還有待在大量的實(shí)際工程中檢驗(yàn)。

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郝躍武(1986～)，男，本科，助理工程師，從事交通工程建設(shè)管理工作。

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[定稿日期]2017-01-09