地聚合物注漿技術(shù)在公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究

倪建邦

（遵義市交通建設(shè)服務(wù)中心，遵義 563000）

0 前言

在持續(xù)交通荷載的作用下， 服役道路會因鋪裝層材料損傷而產(chǎn)生內(nèi)部空洞現(xiàn)象，直接危及道路的行駛安全。針對該類病害問題，現(xiàn)有技術(shù)通常是采用特定流動性好，自膨脹強(qiáng)度等級高的注漿材料進(jìn)行填充養(yǎng)護(hù)[1～2]。 根據(jù)注漿材料的不同， 可大致分為化學(xué)注漿材料和水泥注漿材料，二者也各具適用特征。水泥注漿材料是將適合等級強(qiáng)度的硅酸鹽水泥進(jìn)行自拌， 并通過壓力注射裝置將其進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層填充，其材料來源較廣，簡單易操作且成本較低， 但是水泥注漿材料易產(chǎn)生離析分散， 終凝時(shí)間較長，不能實(shí)現(xiàn)部內(nèi)骨架結(jié)構(gòu)的填充和受力支撐[3]。 而化學(xué)注漿材料是指將特定化學(xué)材料進(jìn)行融合反應(yīng)， 實(shí)現(xiàn)流態(tài)性好、填充密實(shí)性好的注漿目的[4]。 通過采用高分子材料與膠凝劑材料混合，可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)快速注漿填充效果。但受后期雨水沖刷，路面荷載作用，易會導(dǎo)致化學(xué)注漿材料強(qiáng)度降低直至失穩(wěn)[5]。 基于此，現(xiàn)有的注漿材料與生產(chǎn)技術(shù)仍需進(jìn)一步探究，以促進(jìn)公路養(yǎng)護(hù)水平的提升。地聚合物是將廢舊建筑材料通過粉碎、 研磨處理得到的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)無機(jī)聚合物， 與堿激發(fā)材料混合會產(chǎn)生新一輪化學(xué)反應(yīng)， 以地聚物為主要原材料制備的注漿材料能實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)孔隙填充的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)綠色發(fā)展理念[6]。 宋曉玲[7]對地聚物/聚氯乙烯進(jìn)行復(fù)摻研究，認(rèn)為可大大提升材料的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度；任進(jìn)陽[8]對摻粉煤灰的地聚物材料進(jìn)行研究， 認(rèn)為水膠比及養(yǎng)護(hù)溫度對材料的抗壓強(qiáng)度影響較大；李碩[9]對地聚合物材料的使用性能進(jìn)行研究，研發(fā)了高品質(zhì)、耐酸堿的注漿材料。本研究對地聚合物注漿材料的研發(fā)和工程應(yīng)用進(jìn)行研究，旨在探究科學(xué)合理的公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)。

1 原材料

1.1 水泥

水泥作為制備的地聚合物注漿材料重要組成材料之一，需要具備強(qiáng)度等級高、密實(shí)性好等特點(diǎn)。 研究選用的水泥為安徽產(chǎn)P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。

1.2 高爐礦渣微粉

高爐礦渣微粉是廢舊建筑垃圾經(jīng)熔爐高溫處理生產(chǎn)得到的微粉材料，具有細(xì)度好、易和性好等特點(diǎn)，可以提升注漿材料的早期強(qiáng)度。 研究選用的礦渣微粉為河南產(chǎn)， 水泥與礦渣微粉材料的主要化學(xué)材料分布統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 水泥及礦渣微粉化學(xué)組成分布/%

1.3 堿激發(fā)劑

堿激發(fā)劑本質(zhì)是一種化學(xué)催化劑， 可對礦渣進(jìn)行水化及催化作用，使得地聚合物材料具有活性組成，增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。 研究選用的堿激發(fā)劑為湖北產(chǎn)模數(shù)為3.28，濃度為62.5%的水玻璃材料。

2 地聚合物注漿材料制備

地聚合物材料的制備涉及水泥、礦渣微粉、堿激發(fā)劑摻量及水膠比等關(guān)鍵參數(shù)選擇， 研究采用礦渣微粉代替部分水泥的方式進(jìn)行制備地聚合物， 代替含量分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%。 根據(jù)堿激發(fā)劑材料使用說明摻量控制為7%，水膠比選擇0.40。 其制備過程主要包括：

(1)將堿激發(fā)材料與60%的水進(jìn)行混合，制備堿激發(fā)溶液備用(存儲不宜超過1h)；

(2)將水泥和礦渣微粉進(jìn)行均勻混合，并倒入調(diào)配好的堿激發(fā)水，拌合2min；

(3)將剩余的40%水倒入混合料中，并均勻拌合3min；

(4) 將制備好的地聚合物材料倒入模具中，1d 后脫模，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d。 詳見圖1。

圖1 地聚合物制備流程

研究將礦渣微粉以不同摻量替代水泥制備地聚合物材料，分別考察了混合料3d、7d、28d 的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和流動度，不同調(diào)配比例的地聚合物如表2 所示。

表2 不同調(diào)配比例的地聚合物

3 地聚合物材料性能比選

3.1 抗壓強(qiáng)度

研究對不同調(diào)配比例的地聚合物進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試， 將其制備成100mm×100mm×100mm 標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，采用壓力機(jī)以0.8～1.0MPa/s 對試件進(jìn)行加載，測試結(jié)果如表3 和圖2 所示。

表3 地聚合物不同齡期下抗壓強(qiáng)度

圖2 不同調(diào)配比例地聚合物抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

由以上圖表可知， 隨著礦渣微粉替代水泥的摻量逐漸增長，地聚合物的抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢，相較于100%SN+0%WF 地聚合物抗壓強(qiáng)度，80%SN+20%WF、60%SN+40%WF、40%SN+60%WF、20%SN+80%WF及0%SN+100%WF 地聚合物的抗壓強(qiáng)度分別增長5.96%、13.07%、2.06%及降低5.28%、15.83%。礦渣微粉加入初期能夠與堿激發(fā)溶液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)， 并與水泥材料相融合，共同促進(jìn)地聚合物材料整體強(qiáng)度的提升。但礦渣微粉含量過多，會導(dǎo)致水泥材含量降低，在一定程度上水泥水化的效果也顯著削減。因此，只有在礦渣微粉以適宜比例與水泥摻和時(shí)， 才能充分實(shí)現(xiàn)地聚合物材料強(qiáng)度的保障。

3.2 抗折強(qiáng)度

由于地聚合物材料以注漿材料填充在道路結(jié)構(gòu)孔隙中，不僅要具備較好的抗壓強(qiáng)度，也需要具備較好的抗折強(qiáng)度。 研究對不同調(diào)配比例的地聚合物材料進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，制備10mm×10mm×120mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，測試結(jié)果如表4 和圖3 所示。

表4 地聚合物不同齡期下抗折強(qiáng)度

圖3 不同調(diào)配比例地聚合物抗折強(qiáng)度測試結(jié)果

由以上圖表可知，60%SN+40%WF 組合方案下地聚合 物3d、7d、28d 的 抗 折 強(qiáng) 度 分 別 為5.7MPa、8.6MPa 和12.4MPa， 其28d 抗折強(qiáng)度相較于純水泥聚合物提升7.83%；40%SN+60%WF 組合方案下地聚合物3d、7d、28d的抗折強(qiáng)度分別為6.5MPa、9.3MPa 和13.1MPa， 其28d抗折強(qiáng)度相較于純水泥聚合物提升13.91%；當(dāng)?shù)V渣微粉的摻量達(dá)到60%以上時(shí)，地聚合物材料的抗折強(qiáng)度逐漸降低。 其主要原因是，礦渣微粉的細(xì)度很小，材料在拌合過程中內(nèi)部具有一定黏聚性， 可以緩解水泥開裂不利影響。

3.3 流動度

地聚合物在注漿過程中， 要求材料具有較好的流動性， 研究以流動度為指標(biāo)對不同調(diào)配比例下的地聚合材料進(jìn)行測試，研究結(jié)果如表5 和圖4 所示。

表5 地聚合物材料的流動度

圖4 不同調(diào)配比例地聚合物流動度測試結(jié)果

由以上圖表可知，隨著礦渣微粉摻量的逐漸增加，地聚合物的流動度數(shù)值逐漸降低， 對于純水泥的聚合物材料，流動度為75s；摻配60%SN+40%WF 地聚合物，其流動度為43s；摻配20%SN+80%WF 地聚合物，其流動度為18s。其主要原因是礦渣微粉與堿激發(fā)劑進(jìn)行有效活化反應(yīng)，且礦渣微粉的吸水性較低，具有較好的流動效果，可實(shí)現(xiàn)注漿過程中地聚合物材料的均勻分散。

4 地聚合物注漿工程應(yīng)用

針對試驗(yàn)室內(nèi)不同調(diào)配比例地聚合物材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及流動性的檢測和分析，認(rèn)為40%SN+60%WF 的綜合性能較佳，并對其初凝和終凝時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，分別為180mm 和240mm，可滿足道路工程中注漿養(yǎng)護(hù)技術(shù)需求。

4.1 地聚合物注漿施工工藝

地聚合物注漿施工工藝流程主要包括：

(1)布孔。根據(jù)裂縫、坑槽等病害分別特點(diǎn)和施工設(shè)計(jì)要求，對需要進(jìn)行注漿處理的路段進(jìn)行位置標(biāo)定，以”十”字形圖案進(jìn)行布孔。

(2)鉆孔與清孔。 根據(jù)病害大小選用鉆頭進(jìn)行注漿孔的處理，對于結(jié)構(gòu)層過渡段深度，可穿透部分層位進(jìn)行鉆孔，鉆孔完畢后以高壓水槍進(jìn)行清洗并等待干透。

(3)制漿。 按照地聚合物調(diào)配說明制備材料備用，并在鉆孔處安裝注漿管、注漿頭設(shè)備，并進(jìn)行注漿前的設(shè)備調(diào)試。

(4)注漿與封孔。技術(shù)人員打開注漿泵，并根據(jù)漿液泵送實(shí)際情況調(diào)整壓泵壓力大小， 待泵送壓力穩(wěn)定時(shí)≤0.8MPa，將地聚合物漿液持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行泵送灌注，要保持泵送的密實(shí)性，漿液材料一旦冒漿或溢出，則需要立刻停止，待孔隙中多余氣泡排出，再繼續(xù)注漿直至結(jié)束。 注漿完畢后采用木塞對孔洞進(jìn)行封堵。

(5)養(yǎng)護(hù)。 待注漿養(yǎng)護(hù)2～4h 后，恢復(fù)正常交通。

4.2 路段檢測與分析

本研究結(jié)合某公路地聚合物注漿養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，對K2+180～K2+480 路段注漿前后進(jìn)行檢測，主要考察了路面彎沉、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、回彈模量等指標(biāo)。 注漿前后的測試指標(biāo)對比如圖5～圖7 所示。

圖5 彎沉值檢測結(jié)果

圖6 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)

通過對地聚合物注漿養(yǎng)護(hù)路段進(jìn)行彎沉值、 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)、回彈模量等指標(biāo)檢測與分析，可知受損路段經(jīng)注漿養(yǎng)護(hù)后，道路的服役水平有顯著的提升，說明地聚合物材料通過注漿技術(shù)可實(shí)現(xiàn)公路裂縫、孔隙養(yǎng)護(hù)的目的。

5 結(jié)語

本文以水泥合礦渣微粉以不同摻量比例進(jìn)行調(diào)配地聚合物材料，采用堿激發(fā)劑對礦渣微粉進(jìn)行活化處理，可以促進(jìn)地聚合物材料的流動性合密實(shí)性。研究表明：礦渣微粉摻量的增加會在一定程度上降低聚合物材料的抗壓強(qiáng)度，但其抗折強(qiáng)度和流動度水平會有所提升。 40%SN+60%WF 組合方案下的聚合物材料性能可達(dá)到最佳，研究以適宜地聚合物調(diào)配比例進(jìn)行注漿養(yǎng)護(hù)工程應(yīng)用， 從路段彎沉值、 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)、 回彈模量等指標(biāo)檢測對比可知，地聚合物注漿技術(shù)在公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用是有效的。

圖7 回彈模量檢測結(jié)果