道路工程用聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料研究

陳治君，張振興，王安書(shū)

（1.云南省交通科學(xué)研究院有限公司，云南 昆明 650000；2.陜西培文路泰交通科技有限公司，陜西 西安 710000；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)95%以上都是半剛性基層瀝青路面，但隨著交通荷載的反復(fù)作用和半剛性基層的干縮溫縮開(kāi)裂，造成半剛性基層大面積損壞、承載能力不足和瀝青路面在設(shè)計(jì)年限內(nèi)出現(xiàn)早期損壞，一直是路面工程領(lǐng)域的難題[1-4]。傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面修補(bǔ)方法有：挖除重建、加鋪、灌封、注漿加固技術(shù)等，其中灌封和加鋪技術(shù)不能解決路面基層內(nèi)部出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性損壞問(wèn)題，且對(duì)層間結(jié)合不良、基層松散脫空、路面承載力不足等問(wèn)題不能得到有效解決；而挖除重建技術(shù)雖然修補(bǔ)較為徹底，能夠解決基層損壞、承載力不足的問(wèn)題，但是施工過(guò)程中需要破壞原有路面，嚴(yán)重影響交通，造成資源浪費(fèi)[5-7]。

非開(kāi)挖式道路注漿加固技術(shù)是近些年來(lái)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)中發(fā)展較快的一項(xiàng)新技術(shù)，最早用于隧道超前支護(hù)和水利大壩防水堵漏等工程中。該技術(shù)用于道路養(yǎng)護(hù)維修工程中，具有施工速度快、避免路面“開(kāi)膛破肚”式維修、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，是一種通過(guò)路面小面積鉆孔、壓力注入漿液的微創(chuàng)維修技術(shù)[8]。目前市場(chǎng)上主要有普通水泥注漿、地聚物注漿和高聚物注漿等3種。普通水泥注漿由于其耐久性差、處治效果難以保證等缺點(diǎn)正逐步被新型注漿材料所代替。地聚物注漿材料具有超高流動(dòng)性、滲透性好、高抗水沖刷能力、早強(qiáng)和交通影響小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于道路工程隱蔽病害處治，并取得了良好的效果[9]。高聚物注漿材料具有高膨脹、高填充、輕質(zhì)早強(qiáng)、施工快捷等特點(diǎn)。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地聚物注漿材料和高聚物注漿材料目前是市場(chǎng)上應(yīng)用較多的2種主流加固材料，但在工程應(yīng)用中也褒貶不一[10]。

本文針對(duì)半剛性基層瀝青路面面臨嚴(yán)重的早期破壞問(wèn)題以及十分繁重的養(yǎng)護(hù)維修任務(wù)，從路面結(jié)構(gòu)層受力和注漿技術(shù)工程應(yīng)用角度出發(fā)，對(duì)比分析地聚合物注漿材料和高聚物注漿材料工程應(yīng)用缺陷，提出新型CA注漿材料技術(shù)研發(fā)思路。在高速鐵路無(wú)軋軌道CA砂漿灌注材料和瀝青路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)試驗(yàn)，制備聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料并進(jìn)行性能研究，選擇抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和壓折比作為材料性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)改變?cè)牧辖M成比例，分析各原材料對(duì)注漿材料性能的影響規(guī)律和作用機(jī)理，開(kāi)展對(duì)聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料開(kāi)發(fā)和性能研究，解決半剛性基層瀝青路面基層脫空、松散等病害問(wèn)題，同時(shí)可為高聚物注漿材料的改性提供技術(shù)支撐。

1 地聚合物注漿材料和高聚物注漿材料道路工程應(yīng)用特點(diǎn)分析

1.1 地聚合物注漿材料道路工程應(yīng)用特點(diǎn)分析

為推廣和規(guī)范地聚物注漿材料的工程應(yīng)用，一些省份、地區(qū)與企業(yè)合作編制并發(fā)行了地方標(biāo)準(zhǔn)，具有代表性的有河南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 41/T 1165—2015《道路非開(kāi)挖式地聚合物注漿加固處治技術(shù)規(guī)范》和上海市地方標(biāo)準(zhǔn)SZ-G-B04—2007《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術(shù)規(guī)程》，均對(duì)地聚物注漿材料提出了相應(yīng)的技術(shù)要求，具體見(jiàn)表1和表2。

表2 SZ-G-B04—2007對(duì)地聚合物注漿材料的技術(shù)要求

由表1、表2可知，地聚合物注漿材料除具有高流動(dòng)度技術(shù)特點(diǎn)外，還要求其具有高抗壓強(qiáng)度。從力學(xué)性能分析來(lái)看，地聚合物由于其抗壓強(qiáng)度高，是一種良好的加固用材料，但對(duì)于路面結(jié)構(gòu)層，半剛性基層重交通設(shè)計(jì)強(qiáng)度為5～7 MPa（7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地聚合物材料的抗壓強(qiáng)度。地聚合物屬于剛性材料，作為半剛性基層的補(bǔ)強(qiáng)加固材料與其周?chē)雱傂曰鶎咏Y(jié)構(gòu)形成整體受力層。由于兩者之間的力學(xué)強(qiáng)度差異，路面在動(dòng)力荷載作用下會(huì)出現(xiàn)基層受力不均勻的問(wèn)題，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)部位發(fā)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)二次破壞。因此，地聚合物材料與半剛性基層之間的強(qiáng)度、模量差異巨大，并不適合半剛性基層瀝青路面，應(yīng)該應(yīng)用于水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

1.2 高聚物注漿材料道路工程應(yīng)用特點(diǎn)分析

高聚物注漿材料屬于聚氨酯類(lèi)高分子材料，在防水行業(yè)應(yīng)用普遍。常見(jiàn)的高聚合物注漿材料是雙組份液體材料，作用機(jī)理是雙組份材料在注漿口位置混合后，其體積出現(xiàn)迅速膨脹，可快速充滿整個(gè)路面空洞位置；并且聚氨酯材料屬于真溶液，可以滲入細(xì)裂縫處，實(shí)現(xiàn)對(duì)基層脫空和裂縫位置的有效封堵。但同地聚合物類(lèi)似，聚氨酯泡沫固結(jié)體的強(qiáng)度、剛度和模量與半剛性材料差異較大，其強(qiáng)度很低，普遍不到2MPa；且相對(duì)無(wú)機(jī)材料而言有機(jī)材料的耐久性較差[11]。但是，其應(yīng)用于道路工程加固最大的問(wèn)題是發(fā)泡性這一優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，良好的發(fā)泡倍數(shù)可以保證空洞被填充嚴(yán)密，但對(duì)于路面基層脫空這一隱蔽性病害而言，很難確定其確切的脫空面積。此外，基層往往存在富水問(wèn)題，聚氨酯注漿材料的一大特點(diǎn)就是遇水會(huì)20倍甚至30倍的膨脹且膨脹力巨大，而瀝青面層強(qiáng)度較小，一旦注漿過(guò)程中遇到基層富水問(wèn)題，對(duì)注漿質(zhì)量的控制就難以把控。實(shí)際施工過(guò)程中也會(huì)發(fā)現(xiàn)高聚物注漿部位瀝青路面鼓包現(xiàn)象，對(duì)高速行車(chē)形成事故隱患，并且鼓包經(jīng)車(chē)輪多次碾壓，很快會(huì)出現(xiàn)坑槽病害，工程應(yīng)用缺陷較多。

綜上分析，瀝青路面基層注漿材料需要具備以下技術(shù)特性：（1）良好的流動(dòng)性；（2）與半剛性基層材料相匹配的強(qiáng)度、剛度和模量；（3）良好的膠結(jié)能力，能夠?qū)⑵茡p基層重新粘結(jié)成整體；（4）快速施工，具有早強(qiáng)性，能夠盡早開(kāi)放交通。

2 聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料基本技術(shù)要求

路面注漿技術(shù)由于其特殊的承受輪胎動(dòng)載的特性，防水堵漏領(lǐng)域的注漿技術(shù)普遍不適用。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高速鐵路無(wú)軋軌道水泥瀝青（CA）砂漿灌注技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用多年。CA砂漿兼具水泥基材料的強(qiáng)度和瀝青材料的柔性，屬于一種剛?cè)岵?jì)的材料，可以通過(guò)調(diào)整水泥和乳化瀝青的比例來(lái)調(diào)節(jié)材料的模量，且CA砂漿的抗壓強(qiáng)度和彈性模量要求是根據(jù)高速鐵路動(dòng)態(tài)沖擊荷載作用于不同板式軌道所產(chǎn)生的應(yīng)力特征所確定出來(lái)的，具有很強(qiáng)的工程意義[12]。在CA砂漿研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，根據(jù)典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)[13-15]，各類(lèi)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層達(dá)到設(shè)計(jì)齡期（水泥穩(wěn)定類(lèi)90 d，二灰穩(wěn)定類(lèi)180 d）后最終抗壓強(qiáng)度均在3～5 MPa左右（二灰穩(wěn)定碎石除外）、回彈模量均在1500～2000 MPa左右。因此，研發(fā)的半剛性基層瀝青路面注漿材料的力學(xué)參數(shù)應(yīng)盡可能貼近原有路面基層的力學(xué)性能。

3 聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料的制備

3.1 原材料

水泥：廣西云燕特種水泥建材有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽特種水泥（R·SAC42.5），其主要技術(shù)性能見(jiàn)表3；乳膠粉：EVA，MFT為3℃，用于改善水泥基材料的脆性；乳化瀝青：陽(yáng)離子慢裂快凝型，廣州某公司生產(chǎn)，其基本技術(shù)性能如表4所示。

表3 R·SAC42.5水泥的主要技術(shù)性能

表4 乳化瀝青的基本技術(shù)性能

3.2 聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料的配比

以控制單一變量原則，在固定硫鋁酸鹽水泥摻量為1000 g、水灰比為1的條件下，分別制備聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料：（1）固定乳膠粉摻量為5%，調(diào)節(jié)乳化瀝青摻量分別為0、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%；（2）固定乳化瀝青摻量為40%，調(diào)節(jié)乳膠粉摻量分別為0、1%、3%、5%、7%、10%。

3.3 聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料性能測(cè)試方法

將水泥、乳膠粉、乳化瀝青、砂和水均勻混合，參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》攪拌、成型40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，24 h后脫模，放入（20±3）℃恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)，并對(duì)聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料試件進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)固定乳膠粉摻量為5%條件下不同乳化瀝青摻量、固定乳化瀝青摻量為40%條件下不同乳膠粉摻量對(duì)注漿材料性能影響研究，表征乳化瀝青、乳膠粉摻量對(duì)水泥水化進(jìn)程和剛度的影響，從而確定乳膠粉、乳化瀝青、水泥和水之間的比例關(guān)系。

4.1 乳化瀝青摻量對(duì)注漿材料力學(xué)性能的影響（見(jiàn)圖1）

從圖1可見(jiàn)：（1）隨著乳化瀝青摻量的增加，注漿材料的抗壓強(qiáng)度呈先下降后提高的趨勢(shì)，乳化瀝青摻量為0時(shí)，注漿材料的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)12.7 MPa；乳化瀝青摻量為35%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降到最低（4.7MPa），僅為未摻乳化瀝青時(shí)的37%。（2）隨著乳化瀝青的摻量增加，抗折強(qiáng)度明顯提高，且呈先提高后降低又再提高的趨勢(shì)。乳化瀝青摻量為0時(shí)，注漿材料的抗折強(qiáng)度最低，當(dāng)乳化瀝青摻量為5%時(shí)，注漿材料的抗折強(qiáng)度大幅度提高。以上結(jié)果表明，乳化瀝青能大幅度降低抗壓強(qiáng)度，提高抗折強(qiáng)度，并且摻量越多，壓折比越小，普遍能降至4以下，且抗壓強(qiáng)度仍不小于5 MPa。這是由于，乳化瀝青較硫鋁酸鹽水泥來(lái)說(shuō)在注漿材料體系中占比較小，固化后的瀝青材料更多的以球狀小顆粒存在于體系中，部分則包裹水泥顆粒，使得水泥未充分水化反應(yīng)，因此瀝青顆粒能夠增強(qiáng)水泥基材料的柔韌性，提高抗沖擊能力。綜上所述，考慮壓折比隨乳化瀝青用量的變化，最終確定乳化瀝青摻量為40%。

4.2 乳膠粉摻量對(duì)注漿材料砂漿力學(xué)性能影響（見(jiàn)圖2）

從圖2可見(jiàn)，乳膠粉的摻入在一定程度上對(duì)注漿材料的抗壓強(qiáng)度起到削弱的作用，但總體影響不太大；乳膠粉的摻入對(duì)注漿材料的抗折強(qiáng)度影響顯著，在一定摻量范圍內(nèi)，抗折強(qiáng)度得到大幅度提升，壓折比也呈類(lèi)似的減小趨勢(shì)，表明乳膠粉的存在能降低注漿材料的彈性模量，提高拉伸強(qiáng)度和可變形能力，改善注漿材料的柔性和彈性。這是由于乳膠粉的摻入能在水泥基材料體系中形成自身膜狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終形成高彈性、高柔性聚合物區(qū)域來(lái)提高水泥基材料內(nèi)聚力，并且作為第2類(lèi)膠粘劑，提高注漿材料的粘結(jié)強(qiáng)度。綜合考慮壓折比和經(jīng)濟(jì)性，最終確定乳膠粉的摻量為2.5%。

根據(jù)前期制備和性能試驗(yàn)，分析乳化瀝青摻量、乳膠粉摻量對(duì)注漿材料的力學(xué)性能的影響，最終確定聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料中乳化瀝青的最佳摻量為40%，乳膠粉的最佳摻量為2.5%。經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試，所制備聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料的28 d抗壓強(qiáng)度為6.1 MPa，抗折強(qiáng)度為2.5 MPa，壓折比為2.4，符合與半剛性基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)相近的原則。

本研究制備的注漿材料的一大特點(diǎn)是使注漿材料的性能與原有路面的設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配，可根據(jù)不同路段的情況，分別進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)施工。根據(jù)目前試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)資料，確定注漿材料的部分技術(shù)指標(biāo)如表5所示，重點(diǎn)突出壓折比和彈性模量。

表5 聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料的技術(shù)性能指標(biāo)

5 工程應(yīng)用前景分析

本研究制備的注漿材料工程應(yīng)用時(shí)采用雙組份注漿工藝，將硫鋁酸鹽水泥分為A、B兩個(gè)組份，單液漿體可以做到24 h不固化，雙液沖擊混合后3 min失流，20 min具有一定的強(qiáng)度，2h可開(kāi)放交通。既保證了制漿施工的可連續(xù)操作性，又能實(shí)現(xiàn)早強(qiáng)，快速開(kāi)放交通。采用0.67～1.00的大水灰比，使得漿液具有超高流動(dòng)度，注漿擴(kuò)散半徑大，可保證施工質(zhì)量。

根據(jù)材料技術(shù)性能和施工特點(diǎn)分析認(rèn)為，該材料具有良好的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于以下工程領(lǐng)域：（1）就地?zé)嵩偕皇翘幚肀砻? cm的中輕度病害，配合基層注漿技術(shù)處理基層病害，能夠取得更好的施工效果；（2）水泥路面“白改黑”，處理基層及水泥面層裂縫、脫空、承載力不足等病害，加固新瀝青面層以下結(jié)構(gòu)層；（3）瀝青路面反射裂縫處理，選擇裂縫擴(kuò)大或最寬時(shí)機(jī)，對(duì)瀝青路面裂縫進(jìn)行注漿灌封處理；（4）瀝青路面的日常養(yǎng)護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)地聚物注漿材料和高聚物注漿材料道路工程應(yīng)用特點(diǎn)分析，總結(jié)提出瀝青路面基層注漿材料需要具有良好的流動(dòng)性，與半剛性基層材料相匹配的強(qiáng)度、剛度和模量，良好的膠結(jié)能力、快速施工及盡早開(kāi)放交通等技術(shù)特征。

（2）通過(guò)研究乳膠粉和乳化瀝青摻量對(duì)水泥水化進(jìn)程和剛度的影響，確定聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料中乳化瀝青摻量為40%，乳膠粉的摻量為2.5%。所制備的聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料的28 d抗壓強(qiáng)度為6.1 MPa，抗折強(qiáng)度為2.5 MPa，壓折比為2.4，滿足與半剛性基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)相近的原則。

（3）根據(jù)所開(kāi)發(fā)注漿材料的技術(shù)性能和施工特點(diǎn)，分析認(rèn)為該注漿材料可用于就地?zé)嵩偕?、水泥路面“白改黑”、瀝青路面反射裂縫處治等工程領(lǐng)域。