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 萬陽

摘 要：瀝青路面經(jīng)常出現(xiàn)裂縫病害，采用注漿材料對裂縫進(jìn)行修復(fù)是一種有效的處治方法。論文首先對當(dāng)前常見的注漿材料特點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)與實(shí)際需求，對裂縫注漿材料的開發(fā)提出了一定的要求。然后通過對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注漿壓力和材料本身的膨脹完成填充滲透，通過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)對注漿材料的路用性能進(jìn)行評價(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

中圖分類號：U418.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)，其中裂縫是最常見的一種病害[1]。由于高速公路其獨(dú)特的功能性，在開展路面病害維修時(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）及無機(jī)注漿材料（水泥漿、地聚物）兩種。無機(jī)注漿材料滲透性較差，需要養(yǎng)生時(shí)間較長;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)過高、遇水敏感等問題[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，對裂縫有機(jī)注漿材料的開發(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，過大則不易施工，導(dǎo)致漿體來不及滲透或者結(jié)構(gòu)拱起破壞，過小則達(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放交通，降低施工對交通通行的影響，因此需要較短的起強(qiáng)時(shí)間。

2 裂縫微創(chuàng)注漿材料的開發(fā)

有機(jī)注漿材料開發(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足注漿要求。因此，先確定注漿材料的主要基材類型，然后采用正交試驗(yàn)開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展各類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)場實(shí)施效果，對初步配方進(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。多元醇的類型，用量會對聚合物的結(jié)構(gòu)性能會產(chǎn)生影響，需要對多元醇進(jìn)行綜合選型，調(diào)節(jié)配比，以達(dá)到理想效果。通過對多元醇進(jìn)行初步篩選后，選出兩類多元醇，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價(jià)，考察固化劑種類對材料強(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)行測試。經(jīng)過測試選擇了PAPI-2類型的異氰酸酯。

（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，可以對聚合物的柔韌性及拉伸伸長率產(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，開展上述三類因素在不同水平下對聚合物材料的性能影響，試驗(yàn)采用拉伸強(qiáng)度、伸長率以及材料質(zhì)地這三種關(guān)鍵性能作為評價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)完成后采用極差分析法對各項(xiàng)測試指標(biāo)進(jìn)行分析以確定上述三種因素對注漿材料性能影響的主次關(guān)系。對于拉伸強(qiáng)度和拉伸伸長率來說，多元醇與異氰酸酯比例對試驗(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影響;而兩種多元醇比例則對材料質(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水不敏感。只靠傳統(tǒng)的改性很難解決遇水膨脹的問題。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型的分子篩，代號為A1、A2、A3、A4及A5，通過試驗(yàn)對比吸水效果，發(fā)現(xiàn)A3抑制膨脹的效果最佳。

隨后又對A3的最優(yōu)摻量進(jìn)行了試驗(yàn)測試，測量不同摻量下分子篩對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)度和伸長率均呈現(xiàn)下降的趨勢，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、拉伸伸長率及質(zhì)地作為評價(jià)指標(biāo)，來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)，更早地開放交通。對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，然后對芯樣進(jìn)行拉拔強(qiáng)度測試。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)界面并沒有發(fā)生拉拔破壞，可見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，滿足了修補(bǔ)的需求。

5 結(jié)論

論文通過對瀝青路面裂縫的處治和改性聚氨酯注漿材料的研究，開發(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，對注漿修復(fù)材料的開發(fā)提出了一些要求。

（2）通過室內(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）通過實(shí)驗(yàn)對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)：

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