半剛性基層裂縫注漿材料性能及其機(jī)理研究

祝爭艷,周 文,劉海婷,詹從明

(1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司,江蘇 南京 211106;2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司,江蘇 南京 210000)

公路建成交付使用后，在行車作用和自然因素的綜合作用下，特別是交通量和軸載的不斷增加，路表會出現(xiàn)裂縫、坑槽、松散、擁抱等病害[1]。以江蘇省為例，主要以裂縫類病害為主，占比在75%～95%，而裂縫類病害又以半剛性基層反射裂縫為主，占比高達(dá)90%～95%[2-9]。目前，國內(nèi)外針對瀝青路面半剛性基層裂縫的主要處治技術(shù)有罩面處治、開挖修補(bǔ)和注漿加固等[10]。其中，注漿加固由于工藝簡單、造價低、開放交通快、對裂縫的處治效果好等優(yōu)點，在瀝青路面反射裂縫非開挖修補(bǔ)中得到廣泛應(yīng)用[11-12]。該方法是利用氣壓或液壓通過注漿管將漿液注入到基層中，將原來開裂或松散的結(jié)構(gòu)膠凝成一個整體，對裂縫起到修補(bǔ)作用[13]。注漿效果受注漿材料、注漿設(shè)備、現(xiàn)場施工工藝等因素影響，其中注漿材料是注漿技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分，注漿材料性能和品種的優(yōu)劣，直接影響到工程的質(zhì)量和成本。然而，目前常用的注漿材料以水泥漿、地聚物、聚氨酯為主，水泥注漿材料存在難以注入裂縫等細(xì)小縫隙的問題[14]，地聚物注漿材料存在后期收縮等問題[15]，現(xiàn)有聚氨酯注漿材料無法起到結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)作用[16-19]，對反射裂縫的處治效果不太理想。

為此，本文在現(xiàn)有高聚物注漿材料的基礎(chǔ)上，開展半剛性基層裂縫非開挖注漿修補(bǔ)材料及其性能研究。通過室內(nèi)試驗，開展注漿材料配比優(yōu)化及其性能評價；設(shè)計試驗方法，開展注漿材料修補(bǔ)膠結(jié)半剛性基層裂縫的效果評價；基于紅外光譜試驗，開展注漿材料修補(bǔ)增強(qiáng)機(jī)理分析。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

雙組份高性能聚合物注漿材料分為A組份(主劑)和B組份(固化劑)。其中，主劑的主要成分包括多元醇和助劑，助劑包括增韌劑、催化劑、勻泡劑等。

a.多元醇。

多元醇是雙組份高性能聚合物注漿材料主劑的主要成分，其用量和類型會對聚合物的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響，為改善材料的滲透性、強(qiáng)度和質(zhì)地。本文選擇低粘度的硬泡多元醇1和CASE類多元醇2復(fù)配制備注漿材料，其各項技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 多元醇1、多元醇2主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of polyol 1,polyol 2類別羥值/mgKOH·g-1 水分/%酸值/mgKOH·g-1 粘度/MPa·s pH值多元醇1指標(biāo)400～4500.080.08300～4005.0～7.0多元醇2指標(biāo)500～5400.100.10/5.0～7.0

b.固化劑。

固化劑異氰酸酯在材料中作硬段，使得材料保持較高的強(qiáng)度，常用異氰酸酯有MDI、TDI、HDI、IPDI、PAPI以及M/T(MDI/TDI)體系等，本文選擇通用的PAPI體系異氰酸酯，其各項技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 PAPI體系異氰酸酯主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indicators of isocyanate in PAPI system外觀粘度(25℃)/(MPa·s)NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%密度(25℃)/(g·cm-1)酸度/(mg·kg-1)水解氯/%棕色液體170～25030～321.23≤250≤0.06

c.增韌劑。

增韌劑可以有效提升聚合物材料的拉伸伸長率及柔韌性，但增韌劑的使用也會對材料的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，選擇增韌劑需要綜合考慮工程對材料變形能力及強(qiáng)度的需求，本文選用增韌劑A，其各項技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 增韌劑A主要技術(shù)指標(biāo)Table 3 Main technical indicators of toughener A外觀羥值/(mgKOH·g-1)分子量凝固點/℃水分/%pH值無色透明液體255～312360～440410≤1.05.0～7.0

d.其它助劑。

其它助劑包括催化劑、勻泡劑等。本文選用的催化劑由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的雙(二甲氨基乙基)醚與30%一縮二丙二醇(DPG)配制成的溶液。本文選用的勻泡劑具有優(yōu)異的乳化力。

1.2 試驗方法

a.雙組份高性能聚合物注漿材料拉伸性能測試。

按照《硬質(zhì)泡沫塑料拉伸性能測試方法》(GB 9641-1988)中的相關(guān)規(guī)定對雙組份高性能聚合物注漿材料的拉伸性能進(jìn)行測試。

b.注漿材料附著力拉拔強(qiáng)度測試。

室內(nèi)成型15 cm×15 cm圓柱形水穩(wěn)碎石試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生7 d，在試件表面涂刷注漿材料，涂刷用量0.8～1.0 kg/m2，待其凝結(jié)硬化后，采用附著力拉拔儀進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度測試。試驗過程見圖1。

圖1 附著力拉拔強(qiáng)度測試過程Figure 1 Adhesion drawing strength test process

c.注漿材料復(fù)合件拉拔強(qiáng)度測試。

室內(nèi)成型15 cm×15 cm水穩(wěn)試件，養(yǎng)生28 d，切割為10 cm厚和5 cm厚兩部分，中間涂刷注漿材料，涂刷用量為0.8～1.0 kg/m2。待高性能聚合物材料固化后，采用取芯機(jī)對試件表面進(jìn)行取芯，取芯直徑為10 cm，鉆取厚度為7～8 cm，采用復(fù)合件拉拔儀進(jìn)行拉拔強(qiáng)度測試，具體測試過程見圖2。

圖2 復(fù)合件拉拔強(qiáng)度測試過程

d.注漿材料劈裂抗拉強(qiáng)度測試。

在高速公路裂縫處取芯，切割芯樣得到5 cm高度的基層試件，在試件裂開處涂刷注漿材料，涂刷用量0.8～1.0 kg/m2，待其凝結(jié)硬化后，測試其順著裂縫方向的劈裂強(qiáng)度。具體測試過程見圖3。

圖3 劈裂強(qiáng)度測試過程Figure 3 Splitting strength test process

2 注漿材料各組分配比確定

本文通過單一控制變量法逐一篩選主要基材各成分的最佳配比/用量，開發(fā)出修補(bǔ)、加固效果優(yōu)異的注漿材料。

2.1 多元醇配比確定

分別制備主劑與固化劑質(zhì)量比為1∶1的，不同多元醇1/多元醇2比例的注漿材料，20 ℃條件下養(yǎng)生6 h，分別測試其10%形變的抗壓強(qiáng)度、材料質(zhì)地。具體測試結(jié)果見表4。

表4 不同注漿材料10%形變的抗壓強(qiáng)度與材料質(zhì)地的測試結(jié)果Table 4 Test results of compressive strength of 10% de-formation and material texture of different grou-ting materialsm多元醇1/m多元醇210%抗壓強(qiáng)度(1d)/MPa材料質(zhì)地90/102.31機(jī)械攪拌泡孔較粗大80/201.94質(zhì)地良好70/301.68質(zhì)地良好60/401.42質(zhì)地良好

由表4可知，隨多元醇1用量的增加，注漿材料10%形變的抗壓強(qiáng)度逐漸降低；隨著多元醇1用量的降低，材料質(zhì)地逐漸變好。在保證材料質(zhì)地良好的情況下，還要保證材料具有一定的強(qiáng)度，故選擇多元醇1/多元醇2的最佳配比為80/20。

2.2 增韌劑用量確定

在強(qiáng)度達(dá)到要求的情況下，通常會添加增韌劑來改善材料的柔韌性。分別制備主劑與固化劑質(zhì)量比為1∶1的，不同增韌劑用量的注漿材料，20 ℃條件下養(yǎng)生6 h，分別測試其拉伸強(qiáng)度和拉伸伸長率。具體測試結(jié)果見圖4。

圖4 不同注漿材料拉伸強(qiáng)度和拉伸伸長率的測試結(jié)果Figure 4 Test results of tensile strength and tensile elongation of different grouting materials

由圖4可知，隨增韌劑用量增加，材料的拉伸強(qiáng)度逐漸下降，拉伸伸長率逐漸上升。通常情況下，當(dāng)拉伸伸長率達(dá)到25%以上時，材料具有較好變形能力。考慮材料變形能力滿足要求時，其強(qiáng)度又不折減過多，故增韌劑的最佳用量為8%。

2.3 主劑/固化劑配比確定

在上述多元醇配比、增韌劑用量確定的基礎(chǔ)上，分別制備不同主劑/固化劑比例的注漿材料，20 ℃條件下養(yǎng)生6 h，分別測試其拉伸強(qiáng)度和拉伸伸長率。具體測試結(jié)果見圖5。

圖5 不同注漿材料拉伸強(qiáng)度和拉伸伸長率的測試結(jié)果Figure 5 Test results of tensile strength and tensile elongation of different grouting materials

由圖5可知，隨主劑/固化劑比例的增大，材料拉伸強(qiáng)度逐漸下降，拉伸伸長率逐漸上升。當(dāng)主劑/固化劑的比例降至100/50時，材料的拉伸伸長率高達(dá)101.4%，而拉伸強(qiáng)度為10.2 MPa。這是由于固化劑用量過少，導(dǎo)致材料熟化不完全，性能降低。故主劑/固化劑的推薦比例范圍為100/70。

2.4 注漿材料基本性能測試

基于前文試驗，初步確定高性能聚合物注漿材料的各組分配比為：m多元醇1/m多元醇2=80/20，主劑/固化劑用量范圍為100/70，增韌劑用量為8%，在此基礎(chǔ)上制備注漿材料，測試其基本性能，結(jié)果見表5。

表5 高性能聚合物注漿材料基本性能參數(shù)的測試結(jié)果Table 5 Test results of basic performance parameters of high performance polymer grouting materials類別粘度(25℃)/(MPa.s)可施工溫度/℃保持液態(tài)流動性的持續(xù)時間/s表干時間/s強(qiáng)度達(dá)到90%以上時間/min體積膨脹率/倍性能參數(shù)<1 200-20～60>20 120～300<120<2具體試驗結(jié)果200～400-20～6030180301.1～1.5測試設(shè)備布氏粘度計溫度計玻璃棒、秒表人工觀察、秒表人工觀察、秒表量筒

由表5可知，該注漿材料的各項基本性能參數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范對注漿材料基本性能的技術(shù)要求。

3 注漿材料對半剛性基層裂縫的修補(bǔ)效果分析

本文采用附著力拉拔強(qiáng)度、復(fù)合件拉拔強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度作為評價指標(biāo)，分析注漿材料對半剛性基層裂縫的修補(bǔ)效果。按照1.2的試驗方法分別測試雙組份高性能聚合物注漿材料與普通聚合物注漿材料的附著力拉拔強(qiáng)度、復(fù)合件拉拔強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度，具體測試結(jié)果見圖6。

圖6 不同注漿材料粘結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果Figure 6 Test results of bonding strength of different grouting materials

分析圖6可知，雙組份高性能聚合物注漿材料的附著力拉拔強(qiáng)度、復(fù)合件拉拔強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度分別為2.4、0.58、1.07 MPa，普通聚合物注漿材料的分別為2.0、0.42、0.74 MPa，說明雙組份高性能聚合物注漿材料與水穩(wěn)基層的粘結(jié)強(qiáng)度大于普通聚合物注漿材料，進(jìn)一步驗證了研發(fā)的雙組份高性能聚合物注漿材料具有較好的修補(bǔ)粘結(jié)水穩(wěn)基層裂縫的效果。

4 注漿材料修補(bǔ)機(jī)理分析

4.1 傅里葉紅外光譜分析

采用傅里葉紅外光譜分析儀(FTIR)分別測試主劑、固化劑、注漿材料、水泥漿、注漿材料+水泥漿的FTIR圖，分析注漿材料對水穩(wěn)基層裂縫的修補(bǔ)、增強(qiáng)機(jī)理。紅外光譜的掃描范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)64，掃描分別率4 cm-1。具體測試結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 固化劑、主劑、注漿材料的FTIR圖Figure 7 FTIR diagram of hardener， main agent and grouting material

圖8 水泥漿、注漿材料、注漿材料+水泥漿的FTIR圖Figure 8 FTIR diagram of cement slurry， grouting material， grouting material+cement slurry

由圖7可知，主劑FTIR圖在3 427 cm-1處的吸收峰歸因于OH的伸縮振動，2 970、2 868 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于CH3、CH2中C-H的對稱和不對稱伸縮振動，1 453、1 373 cm-1處的吸收峰歸因于OH的面外彎曲振動和面內(nèi)彎曲振動，1 093 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于C-O-C的反對稱伸縮振動，941 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于C-O-C的對稱伸縮振動。固化劑FTIR圖在2 241 cm-1處的吸收峰歸因于N=C=O的不對稱伸縮振動。

分析圖7還可知主劑3 427 cm-1處的吸收峰在注漿材料的FTIR圖上消失，固化劑在2 241 cm-1處吸收峰的強(qiáng)度明顯降低，說明主劑中的OH與固化劑中的N=C=O反應(yīng)，形成了 FTIR圖譜中1 709 cm-1處的氨基甲酸酯基C=O鍵的伸縮振動特征峰。

分析圖8可知，水泥漿FTIR圖上3 630 cm-1處的吸收峰源于水泥漿中游離的OH，即Ca(OH)2分子中的OH，3 450 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于水泥漿中締合的OH，1 445 cm-1處的吸收峰歸因于水泥漿中吸附水的彎曲振動。水泥漿FTIR圖上3 630、3 450 cm-1處的吸收峰在注漿材料+水泥的FTIR圖上消失，說明水泥漿中的OH基團(tuán)與注漿材料中NCO發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了粘結(jié)強(qiáng)度。

4.2 雙組份高性能聚合物注漿材料作用機(jī)理分析

a.修補(bǔ)增強(qiáng)機(jī)理分析。

雙組份高性能聚合物注漿材料具有活性基團(tuán)，能夠與其他材料中的游離羥基發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)度。基于紅外光譜試驗結(jié)果，分析其修補(bǔ)增強(qiáng)機(jī)理主要源于兩方面：一是，主劑和固化劑反應(yīng)，生成具有優(yōu)異的柔韌性和粘結(jié)強(qiáng)度的高性能聚合物材料；二是，固化劑中的NCO基團(tuán)與水穩(wěn)基層中的活性羥基反應(yīng)，進(jìn)一步提升注漿材料的粘結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的完整性。其修補(bǔ)增強(qiáng)機(jī)理見圖9。

圖9 修補(bǔ)增強(qiáng)機(jī)理Figure 9 Repair enhancement mechanism

b.滲透填充機(jī)理分析。

利用高壓注漿設(shè)備，將高性能聚合物化學(xué)注漿材料注入路面裂縫。雙組份高性能聚合物在槍頭充分混合后，發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，迅速固化、膨脹，在設(shè)備高壓及氣體壓力雙重作用下將高性能聚合物材料擠入裂縫深處，對裂縫進(jìn)行充分的滲透。同時，高性能聚合物材料具有較低的粘度，流動性強(qiáng)，在壓力的作用下充分滲透到細(xì)微裂縫的深處，對細(xì)微裂縫進(jìn)行有效的封堵修復(fù)。具體滲透機(jī)

理見圖10。

圖10 滲透填充機(jī)理圖Figure 10 Infiltration filling mechanism diagram

5 結(jié)論

a.根據(jù)影響注漿材料性能的主要因素，逐一篩選多元醇、固化劑、增韌劑，確定了能兼顧注漿材料強(qiáng)度和柔韌性的雙組份高性能聚合物注漿材料的配比。

b.通過評價注漿材料修補(bǔ)水穩(wěn)基層裂縫效果表明，雙組份高性能聚合物注漿材料與水穩(wěn)基層的粘結(jié)強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度大于普通聚合物注漿材料，具有較好的修補(bǔ)效果。

c.通過FTIR和機(jī)理分析可知，雙組份高性能聚合物注漿材料修補(bǔ)膠結(jié)水穩(wěn)基層裂縫主要有兩方面：一是修補(bǔ)增強(qiáng)，強(qiáng)度主要來源于主劑中的OH與固化劑中的N=C=O基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)以及水泥中的OH與注漿材料中的N=C=O發(fā)生反應(yīng)，從而使得注漿材料與水穩(wěn)基層具有較好粘結(jié)強(qiáng)度；二是滲透填充，注漿材料由于粘度小加上本身具有較好的流動性，在注漿壓力和反應(yīng)氣壓雙重驅(qū)動下，能夠滲透填充基層微小裂縫。