路用耐水型聚氨酯注漿材料的修復效果與工程評價

樊亮，石南，梁皓，魏慧，宋小金

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250012；2.山東高速半島投資有限公司，山東 煙臺 264100；3.湖南華城檢測技術有限公司，湖南 長沙 414200）

瀝青路面的注漿加固技術作為一種結構微創(chuàng)的修復技術，發(fā)展迅速，在處理路面深層脫空、松散以及衍生的裂縫、唧漿等病害上，具有良好的應用效果［1］。注漿材料的品種也日益增多，產(chǎn)生了水泥、粉煤灰、水玻璃、地質(zhì)聚合物等無機材料，也產(chǎn)生了木質(zhì)素、丙烯酰胺、環(huán)氧樹脂、脲醛樹脂、聚氨酯類等有機注漿材料，以及無機-有機復合漿料等［2-4］。其中，以雙組分型為主的聚氨酯類注漿材料，由于其獨特的化學反應機制，具有良好的止水性、彈性和抗?jié)B性，其與土粒黏合力大，固結能力強，能夠完全充填多孔結構和底層，可以二次滲透，同時漿液黏度和固化速度可以根據(jù)需要進行調(diào)整，現(xiàn)已發(fā)展為一種特色鮮明的注漿材料［5］。

理論和實踐均表明，聚氨酯注漿材料更適用于路面深層次病害?；瘜W反應機理上，當1 mol水與1 mol二異氰酸酯反應時，會生成1 mol（22.4 L）的CO2［6］。在處理路表淺層（瀝青層）裂縫病害時，微量的水可產(chǎn)生大量氣體，容易造成瀝青層承受不了氣體壓力而形成二次破壞。對于半剛性基層的損害，因其良好的結構深度以及上覆結構層的約束，可以利用CO2帶來的二次滲透，對水穩(wěn)層和反射裂縫進行滲透加固，達到更好的處治效果。王曉亞等［7-8］證實了聚氨酯在治理反射裂縫和唧漿病害上的效果。

瀝青路面在反射裂縫和唧漿形成后，結構內(nèi)部的含水率和潮濕程度會影響聚氨酯的注漿效果和固結能力［9］。市面上常見的雙組分聚氨酯材料不適合直接應用于注漿處治，這些產(chǎn)品多數(shù)存在凝結時間不易控制、強度穩(wěn)定性差等弱點，尤其是遇水膨脹倍數(shù)大，固化后的聚氨酯彈性體脆、易粉化且無黏結強度，導致注漿的耐久性差。因此，水的存在成了發(fā)展聚氨酯注漿技術的壁壘，如何降低水帶來的負面影響，對提升裂縫的修復效果至關重要。

因此，本研究基于自主研發(fā)的雙組分聚氨酯注漿材料，優(yōu)化注漿材料耐水性能，對比水穩(wěn)碎石試件和瀝青混合料試件在干燥/潮濕環(huán)境下的黏結性能。結合具體工程，驗證耐水型聚氨酯注漿材料的注漿效果，以期為耐水型聚氨酯注漿材料的發(fā)展提供技術參考。

1 耐水型聚氨酯

雙組分聚氨酯材料包括聚醚多元醇、異氰酸酯、催化劑、穩(wěn)泡劑、交聯(lián)劑和阻燃劑等。本研究基于前人研究［10］，獲得了基礎聚氨酯材料，其技術指標見表1。該材料具有強度高、發(fā)泡倍數(shù)低和良好的耐化學腐蝕性能，滿足《道路深層病害非開挖處治技術規(guī)程》（CJJ/T 260—2016）中的技術要求。

表1 基礎雙組分聚氨酯技術指標Table 1 Technical indicators of basic two component polyurethane

本研究將基礎聚氨酯材料與某品牌市售聚氨酯材料分別與濕潤的石灰?guī)r集料進行簡單拌合，結果如圖1所示。從圖1可以看出，市售材料遇水后迅速膨脹，固化后的材料疏松、易撕裂，而研發(fā)的聚氨酯材料遇水膨脹倍數(shù)較小，能較好地裹覆濕潤集料，具有較強的黏結力和韌性。

圖1 兩種聚氨酯與濕潤集料的黏附狀態(tài)Fig.1 Wetted aggregate adhesion of two polyurethanes

為更好地改善聚氨酯的耐水性能和潮濕環(huán)境下的黏結性，利用ALT型潛固化劑與水或濕氣優(yōu)先反應生成活性基團，活性基團與異氰酸酯迅速交聯(lián)固化成膜［11］，優(yōu)化得到一種低水敏感型的雙組分聚氨酯材料，解決聚氨酯體系在濕固化過程中發(fā)泡率過大和黏結力不足的問題。

在具體制備過程中，分別按照B組分的1%、2%、3%的質(zhì)量比，外摻ALT固化劑，攪拌均勻，再稱取定量的A組分，與B組分攪拌均勻，形成注漿材料。完成攪拌后，將注漿材料涂抹在試件的模擬斷裂處，固化成型后，測試其力學性能。

2 模擬裂縫與修補

由于在半剛性基層中形成的反射裂縫貫穿整個路面結構，選擇水穩(wěn)碎石、瀝青混合料進行模擬裂縫試驗，評價其修補效果。試驗時，將同一批次成型的水泥穩(wěn)定碎石（養(yǎng)護90 d）、AC-13瀝青混合料試件沿直徑方向切開來模擬裂縫。兩類試件均分為正常試件、干燥裂縫界面的試件、濕潤裂縫界面的三組試件。試件的干燥界面、濕潤界面進行雙組分聚氨酯材料的涂覆、黏結和固化，完成后進行力學試驗。

試驗安排見表2。在表2中，水泥穩(wěn)定碎石采用無側限抗壓強度試驗，獲取試件的無側限抗壓強度；瀝青混合料試件采用凍融劈裂試驗，獲取凍融前后的劈裂強度，并計算凍融劈裂強度比RTSR。兩類試件的加載方式如圖2所示。

表2 試驗安排表Table 2 Test schedule

2.1 水泥穩(wěn)定碎石

不同水穩(wěn)碎石試件的無側限抗壓強度對比如圖3（a）所示。正常水穩(wěn)碎石的無側限抗壓強度為8.9 MPa，是所有試件中強度的最高者；干燥界面的試件強度為7.3 MPa；濕潤界面的水穩(wěn)試件強度則差異顯著，當無ALT添加（ALT 0%）時，試件強度僅為2.8 MPa，隨著ALT添加劑量增加，強度得到提高，當ALT添加至3%（ALT 3%）時，強度能達到6.3 MPa。其與正常試件的強度對比如圖3（b）所示。從圖3（b）可以看出，干燥界面的強度恢復率可達82.0%；濕潤界面的強度恢復率僅為31.5%，直至ALT添加至3%時，試件才能達到70.8%的強度恢復率。

2.2 瀝青混合料

利用劈裂強度表征注漿材料對瀝青混合料修復后的固結強度。瀝青混合料的修復效果如圖4所示。從圖4（a）可以看出，干燥界面的強度基本等同于正常試件的，未凍融試件的強度略高于正常試件的。在濕潤界面條件下，當ALT添加至0%（ALT 0%）時，修復的試件基本無強度，試件直接從界面脫落；當ALT添加至1%（ALT 1%）時，試件強度極低，只有當ALT添加至2%（ALT 2%）時，未凍融試件劈裂強度達到0.95 MPa，但經(jīng)過凍融的試件，其劈裂強度仍極低；當ALT添加至3%（ALT 3%）時，其強度才具有較好的表現(xiàn)，大于0.80 MPa。從圖4（b）可以看出，干燥表面的修復效果基本與正常試件的相同，當ALT添加3%時，能修復84.5%及以上的強度恢復率。

圖4 瀝青混合料試件的劈裂強度及對比Fig.4 Splitting strength and comparison of asphalt mixture specimens

不同試件的凍融劈裂強度比值的數(shù)據(jù)如圖5所示。在干燥界面條件下，試件的RTSR值與正常試件的基本相同，但在濕潤條件下試件的RTSR值為零；只有ALT添加3%時，試件表現(xiàn)出良好的恢復率，RTSR可以達到89.6%的恢復效果，滿足瀝青混合料的水穩(wěn)定性技術要求。

圖5 瀝青混合料試件RTSR值及對比Fig.5 RTSR value and comparison of asphalt mixture specimens

綜合水穩(wěn)試件和瀝青混合料試件的模擬裂縫黏結表現(xiàn)，可知：裂縫的干燥界面更容易提升注漿材料的注漿效果，濕潤界面的強度恢復率較低；利用ALT潛固化劑則可以改善濕潤界面條件下的注漿試件的強度恢復率，當ALT添加至3%時，試件能達到良好的強度恢復率，從而有效改善了潮濕環(huán)境下注漿材料對裂縫的界面黏結效果。

因此，對于反射裂縫的修復，應盡量選擇氣溫較低的時節(jié)，這樣有利于裂縫收縮，處于寬度較大的狀態(tài)。同時，應避開雨季，讓裂縫處于干燥環(huán)境，可更好地保障注漿效果。在實際工程中，瀝青路面中的反射裂縫無法進行干燥處理，所以路面結構內(nèi)部始終存在自由水分，處于潮濕環(huán)境下。因此，考慮到實際工程的環(huán)境，耐水型聚氨酯注漿材料具有更好的應用優(yōu)勢。

3 工程應用與評價

3.1 病害調(diào)查與檢測

注漿試驗路段位于河北省S27衡德高速公路K61+000處的上行方向?，F(xiàn)場存在多條反射裂縫，貫穿第二行車道以及應急車道，并伴隨唧漿現(xiàn)象。同時，既有的瀝青灌縫等修補技術不能從結構內(nèi)部改善路面狀態(tài)，唧漿、坑槽等次生病害仍在發(fā)展。利用落錘式彎沉儀（falling weight deflectometer，F(xiàn)WD）對部分橫向裂縫和唧漿位置進行測試，如圖6所示。

圖6 路面病害與彎沉檢測Fig.6 Pavement problems and deflection detection

裂縫和唧漿的影響范圍為0.50～1.00 m，病害處的彎沉明顯高于正常路面的彎沉，同時唧漿處的彎沉也顯著高于裂縫處的彎沉，說明水分進入路面結構內(nèi)部會嚴重影響路面結構的承載能力，因此在處理唧漿病害時應盡量排干裂縫內(nèi)的水分。

3.2 注漿工藝

在病害區(qū)域且貫穿病害發(fā)生區(qū)布孔。對于反射裂縫和位于反射裂縫上的唧漿點，在實際注漿之前，須將裂縫中積存的泥漿排出，再進行施工。因此，注漿孔的分布宜圍繞反射裂縫30 cm內(nèi)，呈之字形排布或矩形排布（具體視現(xiàn)場裂縫走向情況而定）。對于挖補位置的唧漿點，需將注漿孔沿唧漿點按梅花形等距布置。路面裂縫病害的布孔如圖7所示。其中，注漿孔距離裂縫0.25 m，沿縫間距1.00 m，兩者交叉布置。以唧漿點為中心，呈梅花形布孔，縱橫向距離唧漿點0.30 m。布孔深度深入至半剛性基層的底部。

圖7 注漿布孔設置（單位：m）Fig.7 Setting of grouting holes（unit：m）

完成鉆孔后，植入注漿管，管頂與帶有防溢閥的注漿帽緊密連接，將注漿設備調(diào)試至合適的注漿壓力及與物料混合的溫度。注漿壓力宜控制在2 MPa左右。注漿順序按照先中央，后邊緣的順序，由病害中心逐漸向外側進行作業(yè)。在注漿過程中，隨時注意觀察裂縫周圍路面的變化情況。當裂縫中有漿料冒出或路面局部有抬升時，立即停止注漿。在進行唧漿處治時，若因注漿材料膨脹力大產(chǎn)生路表松散時，應將松散瀝青面層挖除，換填高性能冷補料。同時，為更好地恢復路表的構造深度、摩擦系數(shù)，以及避免冷補料早期強度上升慢的問題，需采用預制式路面貼［12］進行表面粘貼，達到封水和恢復路表功能的目的。路面病害處治流程如圖8所示。

3.3 注漿效果

1） 反射裂縫處治。

病害處治完成24 h后，使用FWD彎沉儀進行測量，其結果如圖9所示。從圖9可以看出，病害處治前后彎沉發(fā)生顯著變化。經(jīng)計算，修復前彎沉均值為16.8×10-2mm，變異系數(shù)0.23；修復后均值為12.1×10-2mm，變異系數(shù)0.16。分析可知，彎沉值和變異系數(shù)均明顯降低，彎沉降幅28%。彎沉數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布結果如圖10所示。從圖10可以看出，修復前有15%的測點彎沉數(shù)據(jù)大于20.0×10-2mm，而修復后測點彎沉全部小于20.0×10-2mm，接近于正常路面的彎沉。這表明耐水型注漿材料有效地提升了路面的彎沉，提高了路面質(zhì)量的均勻性，恢復了路面的正常結構狀態(tài)。

2） 唧漿處治。

病害處治完成24 h后，使用手持彎沉儀PFWD進行測點檢測，其結果如圖11～12所示。PFWD是用于測量細粒土或穩(wěn)定土基層的回彈模量，當其用于測量瀝青路面時，影響因素較多，儀器的荷載板、路表平整性等都會影響回彈模量，使其出現(xiàn)一定波動［13］。但出于操作簡單、方便施工控制的目的，PFWD可以作為一種輔助判斷的手段，以幫助快速判斷病害的修復情況。

圖11 唧漿處治前后的回彈模量變化Fig.11 Variation of resilient modulus before and after treatment

從圖11可以看出，修復后路面回彈模量普遍得到提高。經(jīng)過計算得到修復前的路面回彈模量均值為957 MPa，變異系數(shù)為0.18；修復后的路面回彈模量均值為1 174 MPa，變異系數(shù)為0.21；注漿修復后回彈模量加23個百分點。從圖12可以看出，唧漿病害測點的回彈模量均小于1 250 MPa，而修復后有41%的測點的回彈模量大于1 250 MPa，提高了瀝青路面的承載能力。

圖12 唧漿測點的回彈模量數(shù)據(jù)分布Fig.12 Distribution of resilient modulus values at slurry pumping test points

這兩類病害的修復效果表明：注漿處治方法可以深入到病灶深處，從根本上解決衍生病害的發(fā)展；反射裂縫處治后，路面的彎沉全部接近于正常路面的，其彎沉較病害路段的彎沉下降28個百分點；唧漿處治后的路面回彈模量增加了23個百分點；耐水型注漿材料有效提升了路面彎沉，提高了路面回彈模量，大大加強了路面的結構穩(wěn)定性。

4 結論

1） 基于化學競爭反應原理，優(yōu)化了一種耐水型雙組分聚氨酯材料，提高了其在潮濕環(huán)境中的界面黏結能力、力學性能和化學穩(wěn)定性，保障了裂縫修復效果。此外，使用ALT潛固化劑可以改善濕潤界面條件下注漿試件的強度恢復率，當ALT添加3%時，既能達到良好的強度恢復率，也能有效地改善潮濕環(huán)境下注漿材料對裂縫的界面黏結效果。

2） 工程實踐表明，使用耐水型聚氨酯材料對反射裂縫和唧漿病害進行注漿處治，可以深入到病灶深處，從根本上解決衍生病害的發(fā)展。反射裂縫處治后路面的彎沉全部接近于正常路面的彎沉，其彎沉較病害路段的下降了28個百分點；唧漿處治后的路面回彈模量增加了23個百分點，有效降低了路面彎沉，提高了路面回彈模量，恢復了路面的結構穩(wěn)定性。

3） 裂縫的干燥界面更容易提升注漿材料的注漿效果，而濕潤界面會降低強度恢復率。瀝青路面的反射裂縫和唧漿修復，應盡量避開雨季，讓裂縫處于干燥環(huán)境，保障注漿效果。實際工程中，瀝青路面中的反射裂縫無法通過人為操作充分干燥，導致路面結構內(nèi)部潮濕。因此，應積極采用耐水型聚氨酯注漿材料進行病害處治作業(yè)。