耐水型聚氨酯注漿材料性能研究及工程應(yīng)用

潘友強(qiáng)，詹從明，李款，陳李峰

（1.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211806；2南京航空航天大學(xué) 土木工程系，江蘇 南京 210016）

0 引 言

隨著高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)及鋪裝方案的發(fā)展，根據(jù)受力特點，公路基層主要包括剛性、半剛性及柔性基層，其中半剛性基層以其良好的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗壓及抗剪性能而被廣泛應(yīng)用。隨著運(yùn)營年限的增長及行車載荷的作用，裂縫、唧漿、沉陷等路面問題逐漸顯現(xiàn)，其中裂縫問題最為普遍，并對公路基層損壞嚴(yán)重[1-2]。

針對半剛性基層裂縫問題，常規(guī)修復(fù)方案有加鋪罩面和開挖修補(bǔ)[3-6]。加鋪罩面僅對道路面層進(jìn)行治理，不能有效解決道路內(nèi)部的根本問題；開挖修補(bǔ)則存在耗時長、成本高、二次切縫易開裂等問題。微損注漿作為近年來新興的修復(fù)方案，因其深層修復(fù)，無需開挖，無需養(yǎng)生等特點而受到廣泛關(guān)注[7-9]。

相比于水泥基類常規(guī)路面裂縫修復(fù)材料，聚氨酯注漿材料早期是從其他領(lǐng)域引入，因為應(yīng)用場景的轉(zhuǎn)變、性能需求的差異和評價方法的缺失，導(dǎo)致2類材料的性能特點在微損注漿中難以得到充分體現(xiàn)。水泥基注漿材料因其剛性強(qiáng)、滲透性差、養(yǎng)生時間長的特點，難以適應(yīng)高速公路裂縫快速養(yǎng)護(hù)的需求。聚氨酯注漿材料雖然具備黏度低、滲透性好、粘結(jié)強(qiáng)度高、固化快等優(yōu)勢，但由于其對水敏感、遇水發(fā)泡膨脹、性能下降快的特性，大幅影響了聚氨酯注漿材料在水汽大、有明水的裂縫中的使用效果，在一定程度上限制了聚氨酯注漿材料在高速公路裂縫快速修復(fù)中的推廣及應(yīng)用[10-13]。因此，針對裂縫修復(fù)用注漿材料性能的調(diào)整、優(yōu)化及科學(xué)評價方法的建立刻不容緩。

本文在對耐水型聚氨酯注漿材料研發(fā)的基礎(chǔ)上，嘗試性提出耐水性、粘結(jié)性及耐久性等聚氨酯注漿材料性能評價指標(biāo)，并將耐水型聚氨酯與市售聚氨酯進(jìn)行比較。最后將耐水型聚氨酯注漿材料應(yīng)用于實體工程，對路面裂縫修復(fù)效果進(jìn)行評價。

1 實 驗

1.1 原材料

聚氨酯注漿材料：耐水型聚氨酯（A1、B1），市售國產(chǎn)聚氨酯（A2、B2），市售進(jìn)口聚氨酯（A3、B3），具體理化性能見表1。

表1 聚氨酯注漿材料基本性能對比

1.2 聚氨酯注漿材料制備

將聚氨酯注漿材料A組分與B組分在（23±2）℃下調(diào)制24 h以上，備用。然后按體積比1∶1配制聚氨酯注漿材料，采用電動攪拌器對聚氨酯注漿材料進(jìn)行攪拌混合，轉(zhuǎn)速為1000 r/min，攪拌時間為10 s，攪拌完成后立即倒入指定模具中，并在（23±2）℃、相對濕度（50±5）%下養(yǎng)生24 h后進(jìn)行相關(guān)性能測試。

1.3 性能測試

發(fā)泡倍率：參照GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定》測試表觀芯密度，計算發(fā)泡倍率。試件為直徑（100±1）mm、高度（100±1）mm的圓柱體。

拉伸強(qiáng)度：參照GB/T 2567—2008《樹脂澆注體性能試驗方法》，采用上海傾技電子公司JCLX004型萬能試驗機(jī)進(jìn)行測試，拉伸速率5 mm/min。

壓縮強(qiáng)度：參照GB/T 8813—2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮強(qiáng)度試驗方法》測試壓應(yīng)變10%下的壓縮強(qiáng)度，試件為直徑（70±1）mm、高度（70±1）mm的圓柱體，壓縮速率為7 mm/min。

水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度：參照J(rèn)C/T 975—2005《道橋用防水涂料》測試聚氨酯注漿材料對水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度。采用200目砂紙對8字型水泥砂漿試塊粘結(jié)面進(jìn)行打磨，除去表面浮漿，然后采用PVC膠帶將2塊8字型水泥砂漿試塊對拼，間隙為1～2 mm。將攪拌均勻的聚氨酯材料灌注至拼接縫內(nèi)。在（23±2）℃、相對濕度（50±5）%條件下養(yǎng)生24 h后進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度測試，加載速率為5 mm/min。

水穩(wěn)石劈裂強(qiáng)度：將現(xiàn)場取芯存在貫穿裂縫的水穩(wěn)石試件作為粘結(jié)載體，按200 g/m2將注漿材料均勻涂布于裂縫界面處并閉合，在（23±2）℃、相對濕度（50±5）%條件下養(yǎng)生24 h，進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測試。

水穩(wěn)石剪切強(qiáng)度：將現(xiàn)場取芯完整的水穩(wěn)石沿直徑方向切開，擦除切面浮塵，然后采用PVC膠帶將水穩(wěn)石對拼，間隙為1～2 mm，將攪拌均勻的聚氨酯材料灌注至拼接縫內(nèi)，于溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%條件下養(yǎng)生24 h。然后將水穩(wěn)石放入測試儀器內(nèi)，切面平行于基面，對水穩(wěn)石上半部分賦予水平推力，位移速度為2 mm/min，記錄試件破壞時的最大推剪力，剪切強(qiáng)度測試方法見圖1。

圖1 剪切強(qiáng)度測試方法

2 聚氨酯注漿材料室內(nèi)性能評價

2.1 含水量對聚氨酯注漿材料性能的影響

通常被治理的半剛性基層裂縫內(nèi)部多為潮濕環(huán)境，甚至含有明水，相當(dāng)于注漿材料在含水量為5%～10%的情況下使用。以耐水型聚氨酯和市售聚氨酯作為研究對象，考察含水量對注漿材料發(fā)泡倍率及拉伸、壓縮性能的影響。

2.1.1 含水量對注漿材料發(fā)泡倍率的影響（見圖2）

圖2 含水量對注漿材料發(fā)泡倍率的影響

從圖2可以看出，市售國產(chǎn)與進(jìn)口聚氨酯材料對水均十分敏感。當(dāng)含水量為1%時，發(fā)泡倍率達(dá)到了15倍，而耐水型聚氨酯對水具有較高的適用性，當(dāng)含水量為20%時，發(fā)泡倍率為2.8倍，僅發(fā)生微膨脹。

2.1.2 含水量對注漿材料力學(xué)性能的影響（見表2、表3）

由表2可知，含水量對市售聚氨酯材料力學(xué)性能影響十分明顯。當(dāng)含水量為0時，拉伸強(qiáng)度高于45 MPa、壓縮強(qiáng)度高于18 MPa；當(dāng)含水量為0.2%時，拉伸和壓縮強(qiáng)度迅速衰減至低于5 MPa；當(dāng)含水量升至0.6%時，市售聚氨酯材料由于膨脹倍率過高，拉伸強(qiáng)度已無法測試，壓縮強(qiáng)度低于1 MPa；當(dāng)含水量＞1.0%時，市售聚氨酯材料力學(xué)性能基本喪失。

表2 含水量對市售聚氨酯材料力學(xué)性能影響

表3 含水量對耐水型聚氨酯材料力學(xué)性能的影響

由表3可知，耐水型聚氨酯材料的力學(xué)性能隨著含水量的增加，呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。當(dāng)含水量為0時，拉伸和壓縮強(qiáng)度分別為10.7、11.8 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市售產(chǎn)品；但當(dāng)含水量為20%時，拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度仍可達(dá)7.9、6.2 MPa，說明耐水型聚氨酯對含水量具有較高的適用性。

2.2 粘結(jié)性能評價

通過2.1實驗結(jié)果可知，市售聚氨酯材料對水十分敏感，在實際工況下力學(xué)性能下降明顯，與耐水型聚氨酯材料相比沒有優(yōu)勢。因此本文選擇在含水量為0的理想狀態(tài)下，分別對水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度和對水穩(wěn)石的劈裂及剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試，評價耐水型聚氨酯材料與市售聚氨酯材料粘結(jié)性能。實驗所用水泥砂漿試件為市售成品，水穩(wěn)石試件為現(xiàn)場取芯試件。

2.2.1 水泥砂漿粘結(jié)性能

采用8字型水泥砂漿試件作為粘結(jié)載體，對聚氨酯注漿材料的粘結(jié)性能進(jìn)行初步評估，測試斷裂面見圖3。

圖3 水泥砂漿粘結(jié)測試斷裂面

由圖3可見，耐水型聚氨酯材料斷裂界面為注漿材料內(nèi)部，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)1.86 MPa，而市售產(chǎn)品均于粘結(jié)界面開裂，市售國產(chǎn)和進(jìn)口聚氨酯粘結(jié)強(qiáng)度分別為0.98、1.12 MPa，低于耐水型聚氨酯。

2.2.2 水穩(wěn)石劈裂強(qiáng)度

沿裂縫和垂直裂縫2個方向?qū)λ€(wěn)石試件進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測試，結(jié)果見表4、圖4。

表4 劈裂強(qiáng)度測試

圖4 沿裂縫方向劈裂效果

由表4和圖4可知，垂直裂縫方向的劈裂強(qiáng)度略高于沿裂縫方向的劈裂強(qiáng)度，破壞界面為水穩(wěn)石自身。沿裂縫方向進(jìn)行劈裂測試，耐水型聚氨酯劈裂強(qiáng)度為1.27 MPa，高于市售產(chǎn)品，且原裂縫2次開裂概率低于市售材料。

2.2.3 水穩(wěn)石剪切強(qiáng)度

采用自主研發(fā)的結(jié)構(gòu)層粘結(jié)強(qiáng)度直剪儀進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，測試破壞界面見圖5。

圖5 市售聚氨酯注漿材料破壞界面

從圖5可以看出，市售聚氨酯注漿材料均于裂縫修復(fù)處發(fā)生2次開裂，其中國產(chǎn)聚氨酯于粘結(jié)面整體脫落，進(jìn)口聚氨酯于粘結(jié)面部分脫開，國產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品剪切強(qiáng)度分別為0.9、1.0 MPa，而耐水型聚氨酯剪切測試結(jié)果超量程，界面未破壞，剪切強(qiáng)度達(dá)1.3 MPa以上。

2.3 耐久性能評價

由于市售國產(chǎn)和進(jìn)口聚氨酯粘結(jié)性能接近，故選用進(jìn)口聚氨酯與耐水型聚氨酯進(jìn)行耐久性比較。由于注漿材料在實際使用過程中無法達(dá)到含水量為0的理想狀態(tài)，故將耐水型聚氨酯和進(jìn)口聚氨酯分別在含水量10%（發(fā)泡倍率為1.5倍）和0.6%（發(fā)泡倍率為7～8倍）的情況下成型試件，進(jìn)行耐久性測試。試件尺寸4 cm×4 cm×10 cm，浸泡用溶液分別為pH值=7的純水、pH值=2～3的酸液（鹽酸調(diào)制）、pH值=11～13的堿液（氫氧化鈉溶液調(diào)制），浸泡時間180 d。

2.3.1 尺寸穩(wěn)定性（見表5）

表5 pH值對聚氨酯注漿材料尺寸穩(wěn)定性的影響

由表5可知，耐水型聚氨酯和進(jìn)口聚氨酯注漿材料在不同pH值的溶液中浸泡180 d后，試件長度與寬度變化率均≤0.02%，屬測量誤差，未發(fā)生變形，說明pH值對聚氨酯注漿材料的尺寸穩(wěn)定性沒有影響。

2.3.2 壓縮強(qiáng)度

水分一般通過注漿材料表面孔隙進(jìn)入內(nèi)部，對骨架結(jié)構(gòu)造成侵蝕，壓縮強(qiáng)度變化能夠有效反映注漿材料耐久性的變化，pH值對10%壓縮強(qiáng)度的影響見表6。

表6 pH值對聚氨酯注漿材料10%壓縮強(qiáng)度的影響

由表6可知，在不同pH值的溶液中浸泡180 d，聚氨酯材料的壓縮性能沒有明顯變化。由于耐水型聚氨酯對水不敏感，發(fā)泡倍率低（約1.5倍），故而具有較高的壓縮強(qiáng)度，10%壓縮強(qiáng)度可達(dá)10 MPa；進(jìn)口聚氨酯注漿材料遇水膨脹倍率較高（約7～8倍），其10%壓縮強(qiáng)度最高僅為0.9 MPa。

2.3.3 水泥砂漿粘結(jié)

pH值對聚氨酯材料8字型水泥砂漿試件粘結(jié)性的影響見表7。

由表7可知，pH值對耐水型聚氨酯注漿材料性能無明顯影響，粘結(jié)強(qiáng)度約為1.60 MPa，破壞界面位于注漿材料內(nèi)部。而進(jìn)口聚氨酯注漿材料由于膨脹倍率高，內(nèi)部含有大量泡孔，粘結(jié)強(qiáng)度最高僅為0.21 MPa，浸泡于不同pH值水中導(dǎo)致進(jìn)口聚氨酯對水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生明顯劣化，從0.21 MPa下降至0.12～0.15 MPa。

表7 pH值對注漿材料粘結(jié)性能的影響

3 工程應(yīng)用研究

以江西澎湖高速40 km裂縫修復(fù)工程作為項目依托，結(jié)合探地雷達(dá)及取芯完整率，對耐水型聚氨酯注漿材料的修復(fù)效果進(jìn)行評價。

3.1 施工工藝

建議在氣溫0℃以上，天氣持續(xù)晴朗3天，路面無積水，裂縫內(nèi)部較干燥的條件下施工。

施工工藝包括：雷達(dá)探縫→鉆孔→清孔→預(yù)埋保護(hù)管→低壓注漿→封孔→恢復(fù)路面。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 探地雷達(dá)測試（見圖6）

對裂縫處治前后進(jìn)行雷達(dá)探測，通過分析雷達(dá)譜圖發(fā)現(xiàn)，注漿前裂縫里有空氣，與路面介電常數(shù)差異較大，雷達(dá)信號較強(qiáng)，圖像中顏色較深。注漿后，漿料進(jìn)入裂縫，介電常數(shù)差異變小，雷達(dá)信號減弱，顏色變淺。

圖6 注漿前后路面裂縫雷達(dá)探測

3.2.2 取芯測試

對聚氨酯注漿工程段取芯，統(tǒng)計修復(fù)成功率，并進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測試，結(jié)果見表8、圖7。

表8 取芯完整率

圖7 現(xiàn)場取芯效果

由表8、圖7可見，耐水型聚氨酯注漿材料對貫穿裂縫、層間不良、層間松散等存在貫穿孔道的裂縫病害可以有效修復(fù)，并且滲透到微細(xì)裂縫深處，平均取芯完整率達(dá)87.8%。將芯樣沿裂縫方向劈裂，劈裂強(qiáng)度均值達(dá)1.0 MPa以上，修復(fù)效果良好。

耐水型聚氨酯注漿材料配合微損注漿工藝主要處治對象是半剛性基層裂縫病害，對路面上面層裂縫的處治成功率僅為50%，可通過加鋪罩面的方式對面層進(jìn)行修復(fù)。將基層裂縫微損注漿與面層加鋪罩面形成系統(tǒng)處治方案，從根本上解決裂縫病害將是未來發(fā)展的趨勢。

4 結(jié) 論

（1）耐水型聚氨酯對水不敏感，在含水量達(dá)20%時膨脹倍率僅為2.8倍，可有效克服市售聚氨酯遇水膨脹倍率高，性能下降問題。

（2）耐水型聚氨酯注漿材料8字型水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)1.86 MPa，高于市售產(chǎn)品，且于注漿材料內(nèi)部斷裂，而市售產(chǎn)品均于界面開裂；劈裂強(qiáng)度達(dá)1.27 MPa，原裂縫2次開裂的概率低于市售產(chǎn)品；抗剪強(qiáng)度達(dá)1.3 MPa，高于市售產(chǎn)品，且試件未破壞。

（3）耐久性實驗表明，溶液pH值及長時間浸泡對耐水型聚氨酯尺寸穩(wěn)定性、壓縮強(qiáng)度及粘結(jié)強(qiáng)度影響很小，注漿材料性能穩(wěn)定。

（4）耐水型聚氨酯注漿材料在工程應(yīng)用中效果良好，雷達(dá)探測譜圖中裂縫修復(fù)部位得到明顯改善；平均取芯完整率達(dá)87.8%，劈裂強(qiáng)度達(dá)1.0 MPa以上。