基于改性聚氨酯裂縫注漿材料的瀝青混凝土路面裂縫處治研究

楊美群 李莉 萬(wàn)陽(yáng)

摘 要：瀝青路面經(jīng)常出現(xiàn)裂縫病害，采用注漿材料對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù)是一種有效的處治方法。論文首先對(duì)當(dāng)前常見(jiàn)的注漿材料特點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)與實(shí)際需求，對(duì)裂縫注漿材料的開(kāi)發(fā)提出了一定的要求。然后通過(guò)對(duì)改性聚氨酯注漿材料主要基材的配比及控泡封端技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出了一種低粘度、高滲透、微膨脹耐水型改性聚氨酯裂縫注漿材料。該種改性聚氨酯裂縫注漿材料通過(guò)注漿壓力和材料本身的膨脹完成填充滲透，通過(guò)注漿材料主要基材之間以及注漿材料與水穩(wěn)碎石之間的反應(yīng)達(dá)到對(duì)水穩(wěn)基層進(jìn)行膠結(jié)的目的。最后進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)注漿材料的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該種注漿材料具有良好的粘結(jié)性與修補(bǔ)效果。研究成果可以為瀝青路面裂縫病害的處治提供參考。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;裂縫病害;注漿修補(bǔ);注漿材料;路用性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U418.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

高速公路瀝青路面以半剛性基層為主，路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)厚度普遍以“18 cm三層瀝青面層+36 cm雙層水穩(wěn)”結(jié)構(gòu)為主。但是隨著交通量日益增大，車(chē)輛大型化和嚴(yán)重超載，并在環(huán)境的綜合作用下，路面病害更加頻繁出現(xiàn)，其中裂縫是最常見(jiàn)的一種病害[1]。由于高速公路其獨(dú)特的功能性，在開(kāi)展路面病害維修時(shí)，需要更加關(guān)注預(yù)防性養(yǎng)護(hù)及日常性養(yǎng)護(hù)對(duì)道路服務(wù)水平提升的重要作用，所選擇的方案應(yīng)具備經(jīng)濟(jì)性高、維修速度快、處治耐久的特點(diǎn)。因此，研究一種成本適中、施工便捷、力學(xué)性能優(yōu)異的半剛性基層裂縫微創(chuàng)注漿修復(fù)技術(shù)，對(duì)于恢復(fù)路面結(jié)構(gòu)整體性，提高道路服務(wù)水平，降低養(yǎng)護(hù)施工對(duì)公眾出行的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 裂縫微創(chuàng)注漿材料設(shè)計(jì)理念

注漿材料一般可分為有機(jī)注漿材料（高聚物類(lèi)）及無(wú)機(jī)注漿材料（水泥漿、地聚物）兩種。無(wú)機(jī)注漿材料滲透性較差，需要養(yǎng)生時(shí)間較長(zhǎng);而高聚物等有機(jī)注漿材料雖然滲透性能好，養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，材料強(qiáng)度高，但是也存在發(fā)泡倍數(shù)過(guò)高、遇水敏感等問(wèn)題[2]。論文在當(dāng)前高聚物等注漿材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)的不足、材料進(jìn)步和實(shí)際需求，對(duì)裂縫有機(jī)注漿材料的開(kāi)發(fā)提出了一定的要求：

（1）結(jié)合半剛性基層裂縫特征，如裂縫寬度、深度等，基于裂縫尺寸，提出修補(bǔ)材料需要有較高的滲透性。

（2）為了保證填充效果和注漿施工可操作性，材料要有合適的反應(yīng)時(shí)間以及體積膨脹比例，過(guò)大則不易施工，導(dǎo)致漿體來(lái)不及滲透或者結(jié)構(gòu)拱起破壞，過(guò)小則達(dá)不到充分填充的目的。

（3）當(dāng)路面出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫處的路面結(jié)構(gòu)受到剪應(yīng)力及拉應(yīng)力作用，受力狀況較差，因此對(duì)修補(bǔ)材料的力學(xué)性能提出要求。

（4）同時(shí)需要考慮便于施工后快速開(kāi)放交通，降低施工對(duì)交通通行的影響，因此需要較短的起強(qiáng)時(shí)間。

2 裂縫微創(chuàng)注漿材料的開(kāi)發(fā)

有機(jī)注漿材料開(kāi)發(fā)采用雙組份改性聚氨酯注漿材料，分為A組份——主劑和B組份——固化劑。主劑主要包括多元醇和助劑，助劑包括增韌劑、催化劑、勻泡劑等等。固化劑是異氰酸酯[3]。

有機(jī)注漿材料的成分類(lèi)型多，其性能一般由主要基材（主劑中的多元醇物質(zhì)、固化劑的異氰酸酯和增韌劑）確定，而其他助劑是對(duì)主要基材的性能（如反應(yīng)時(shí)間、柔韌性、發(fā)泡倍率等）進(jìn)行微調(diào)，使得材料本身的施工和易性更能滿(mǎn)足注漿要求。因此，先確定注漿材料的主要基材類(lèi)型，然后采用正交試驗(yàn)開(kāi)展主要基材配比的確定，在此基礎(chǔ)上采用單一控制變量法開(kāi)展各類(lèi)助劑的推薦用量的確定，形成有機(jī)注漿材料的初步配方;進(jìn)一步基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果，對(duì)初步配方進(jìn)行優(yōu)化，最終形成有機(jī)注漿材料的最終配方。

（1）主要基材類(lèi)型的確定。根據(jù)注漿設(shè)備要易于噴出注漿材料的要求，主劑中需選用低粘度的多元醇作為主要原料。多元醇的類(lèi)型，用量會(huì)對(duì)聚合物的結(jié)構(gòu)性能會(huì)產(chǎn)生影響，需要對(duì)多元醇進(jìn)行綜合選型，調(diào)節(jié)配比，以達(dá)到理想效果。通過(guò)對(duì)多元醇進(jìn)行初步篩選后，選出兩類(lèi)多元醇，分別為可以提升交聯(lián)度及強(qiáng)度的硬泡多元醇1和可以改善材料質(zhì)地的CASE多元醇2。

固化劑異氰酸酯在材料中作為硬段，使得材料保持較高的強(qiáng)度，其種類(lèi)繁多。論文選用兩款PAPI及兩款M/T體系異氰酸酯進(jìn)行綜合性能比較和評(píng)價(jià)，考察固化劑種類(lèi)對(duì)材料強(qiáng)度和性能的影響。水泥穩(wěn)定碎石與水泥混凝土材料屬性類(lèi)似，因此試驗(yàn)采用JCT 975-2005《道橋用防水涂料》中涂料與水泥混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試選擇了PAPI-2類(lèi)型的異氰酸酯。

（2）主要基材配比的確定。除了多元醇和異氰酸酯以外，增韌劑也起到了很重要的作用，可以對(duì)聚合物的柔韌性及拉伸伸長(zhǎng)率產(chǎn)生明顯的影響，因此將兩種多元醇的配比、多元醇與異氰酸酯配比、增韌劑摻量作為三大主要因素，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，開(kāi)展上述三類(lèi)因素在不同水平下對(duì)聚合物材料的性能影響，試驗(yàn)采用拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及材料質(zhì)地這三種關(guān)鍵性能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)完成后采用極差分析法對(duì)各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行分析以確定上述三種因素對(duì)注漿材料性能影響的主次關(guān)系。對(duì)于拉伸強(qiáng)度和拉伸伸長(zhǎng)率來(lái)說(shuō)，多元醇與異氰酸酯比例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大，其次為增韌劑摻量，兩種多元醇比例基本無(wú)影響;而兩種多元醇比例則對(duì)材料質(zhì)地有決定性的影響。綜合考慮拉伸強(qiáng)度、拉伸伸長(zhǎng)率和材料質(zhì)地等因素，推薦多元醇1/多元醇2最佳配比為80/20，多元醇/異氰酸酯最佳配比為1/0.85，增韌劑推薦用量為8%作為該改性聚氨酯注漿材料的配合比。

（3）聚氨酯控泡封端技術(shù)研究。傳統(tǒng)聚氨酯材料遇水十分敏感，路面基層裂縫內(nèi)部的大量水汽會(huì)使材料膨脹數(shù)倍，導(dǎo)致性能迅速衰減，修復(fù)效果變差。因此需要聚氨酯注漿材料對(duì)水不敏感。只靠傳統(tǒng)的改性很難解決遇水膨脹的問(wèn)題。為此采用在聚氨酯材料中添加高活性胺基改性硅鋁分子篩的方法，在短時(shí)間內(nèi)快速有效的將大量的水吸入分子篩內(nèi)部保證材料性能。論文選用了五種不同類(lèi)型的分子篩，代號(hào)為A1、A2、A3、A4及A5，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比吸水效果，發(fā)現(xiàn)A3抑制膨脹的效果最佳。

隨后又對(duì)A3的最優(yōu)摻量進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量不同摻量下分子篩對(duì)材料膨脹倍率和拉伸強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明A3的摻量達(dá)30%后，基本不膨脹，但拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因此建議A3最佳摻量在30%。

（4）助劑用量的確定。為了提升材料的整體性能，需要材料在體系中加入勻泡劑，使聚合物泡孔致密均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。采用材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸伸長(zhǎng)率及質(zhì)地作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)確定勻泡劑的最佳用量。試驗(yàn)表明當(dāng)勻泡劑用量為0.8%時(shí)效果已經(jīng)很好，此后隨著勻泡劑用量繼續(xù)提升，材料性能未發(fā)生明顯變化，故選擇勻泡劑用量為0.8%。

路面裂縫修補(bǔ)材料需要在前期有較長(zhǎng)一段的起發(fā)期（即可施工時(shí)間），在此階段材料粘度低，流動(dòng)性好，之后進(jìn)入凝膠階段能夠快速凝膠，產(chǎn)生強(qiáng)度（即開(kāi)放交通時(shí)間）。因此需要摻加一款延遲性催化劑，使材料前期反應(yīng)較慢便于施工，后期快速反應(yīng)，更早地開(kāi)放交通。對(duì)不同催化劑用量下注漿材料的凝膠時(shí)間和起強(qiáng)時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)合可施工時(shí)間需要大于20 s的設(shè)計(jì)目標(biāo)，推薦催化劑用量為3.2%。

基于前文試驗(yàn)，初步確定改性聚氨酯注漿材料的配比為：主劑為多元醇1/多元醇2=80：20，固化劑為PAPI-2，主劑/固化劑用量維持在1：0.85，增韌劑為8%，活性分子篩A3在主劑中的摻量為30%，勻泡劑為0.8%，催化劑為3.2%。

3 裂縫微創(chuàng)注漿材料修補(bǔ)裂縫機(jī)理分析

在利用高壓灌縫設(shè)備，將改性聚氨酯注漿修復(fù)材料注入路面裂縫中時(shí)，材料的A、B兩種組分在槍頭充分混合，發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，迅速乳化，膨脹，在設(shè)備高壓及氣體壓力雙重作用下將改性聚氨酯材料擠入裂縫深處，對(duì)裂縫進(jìn)行充分的滲透。在前期反應(yīng)的初始階段，在助劑的作用下改性聚氨酯注漿材料粘度較低，流動(dòng)性較好，在壓力的作用下能夠充分的滲透到細(xì)微裂縫的深處，對(duì)裂縫進(jìn)行充分的封堵修復(fù)。

改性聚氨酯注漿修復(fù)材料在注入到裂縫中后，由于原料具有高強(qiáng)活性基團(tuán)，能夠與很多材料的活潑氫發(fā)生快速而激烈的反應(yīng)。一方面主劑和固化劑會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成改性聚氨酯材料，具有優(yōu)異的柔韌性及強(qiáng)度，粘結(jié)性能優(yōu)秀;另一方面固化劑中的NCO基團(tuán)同時(shí)會(huì)與半剛性基層中的活性氫基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步增加粘結(jié)強(qiáng)度。在聚氨酯注漿修復(fù)材料完全滲入裂縫中后能在短時(shí)間內(nèi)能夠完成反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)度。

4 裂縫微創(chuàng)注漿材料粘結(jié)強(qiáng)度分析

為測(cè)定改性聚氨酯材料的粘結(jié)強(qiáng)度，采用復(fù)合件拉拔方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)使用15 cm×15 cm的水穩(wěn)碎石試件，切割為10 cm厚和5 cm厚的兩部分并進(jìn)行粘結(jié)，粘結(jié)完成后在試件表面鉆取直徑為10 cm，鉆取厚度為7 cm～8 cm的芯樣，然后對(duì)芯樣進(jìn)行拉拔強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合件拉拔強(qiáng)度平均值為0.6 MPa，從拉拔斷面可知，破壞界面在水穩(wěn)試件內(nèi)部，而改性聚氨酯粘結(jié)界面并沒(méi)有發(fā)生拉拔破壞，可見(jiàn)改性聚氨酯能夠很好的膠結(jié)水穩(wěn)碎石，其粘結(jié)強(qiáng)度大于水穩(wěn)碎石本身的強(qiáng)度，滿(mǎn)足了修補(bǔ)的需求。

5 結(jié)論

論文通過(guò)對(duì)瀝青路面裂縫的處治和改性聚氨酯注漿材料的研究，開(kāi)發(fā)出了一種低粘度、高滲透、微膨脹耐水型改性聚氨酯注漿修復(fù)材料。主要結(jié)論如下：

（1）綜合分析了常見(jiàn)的注漿材料的實(shí)用特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)與實(shí)際需求，對(duì)注漿修復(fù)材料的開(kāi)發(fā)提出了一些要求。

（2）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，明確了改性聚氨酯裂縫注漿材料的配合比，主劑中的復(fù)合多元醇的配比為多元醇1/多元醇2=80：20;固化劑采用PAPI-2，主劑與固化劑的比例為1：0.85，增韌劑用量為8%，活性分子篩A3在主劑中的摻量為30%，勻泡劑用量為0.8%，催化劑用量為3.2%。試驗(yàn)結(jié)果表明該種改性聚氨酯裂縫注漿材料具有低粘度、高滲透、微膨脹、耐水的特點(diǎn)。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)改性聚氨酯裂縫注漿材料的路用性能進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改性聚氨酯裂縫注漿材料能夠很好地與水穩(wěn)基層進(jìn)行粘結(jié)，修補(bǔ)效果良好。研究成果可以為瀝青路面裂縫病害的處治提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]高艷麗，付麗琴，王玉順，等.高速公路瀝青路面裂縫修補(bǔ)技術(shù)探討[J].公路，2002（9）：136-139.

[2]許茜，王彥明，范延勇，等.注漿材料的發(fā)展及其應(yīng)用[J].21世紀(jì)建筑材料，2010（1）：58-62.

[3]謝偉，許戈文，周海峰，等.環(huán)氧樹(shù)脂改性水性聚氨酯膠粘劑的合成與性能[J].中國(guó)膠粘劑，2007（6）：5-7.