半刚性基层裂缝注浆材料性能及其机理研究

祝争艳,周 文,刘海婷,詹从明

(1.江苏高速公路工程养护技术有限公司,江苏 南京 211106;2.江苏中路工程技术研究院有限公司,江苏 南京 210000)

公路建成交付使用后，在行车作用和自然因素的综合作用下，特别是交通量和轴载的不断增加，路表会出现裂缝、坑槽、松散、拥抱等病害[1]。以江苏省为例，主要以裂缝类病害为主，占比在75%～95%，而裂缝类病害又以半刚性基层反射裂缝为主，占比高达90%～95%[2-9]。目前，国内外针对沥青路面半刚性基层裂缝的主要处治技术有罩面处治、开挖修补和注浆加固等[10]。其中，注浆加固由于工艺简单、造价低、开放交通快、对裂缝的处治效果好等优点，在沥青路面反射裂缝非开挖修补中得到广泛应用[11-12]。该方法是利用气压或液压通过注浆管将浆液注入到基层中，将原来开裂或松散的结构胶凝成一个整体，对裂缝起到修补作用[13]。注浆效果受注浆材料、注浆设备、现场施工工艺等因素影响，其中注浆材料是注浆技术中的关键组成部分，注浆材料性能和品种的优劣，直接影响到工程的质量和成本。然而，目前常用的注浆材料以水泥浆、地聚物、聚氨酯为主，水泥注浆材料存在难以注入裂缝等细小缝隙的问题[14]，地聚物注浆材料存在后期收缩等问题[15]，现有聚氨酯注浆材料无法起到结构加固补强作用[16-19]，对反射裂缝的处治效果不太理想。

为此，本文在现有高聚物注浆材料的基础上，开展半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料及其性能研究。通过室内试验，开展注浆材料配比优化及其性能评价；设计试验方法，开展注浆材料修补胶结半刚性基层裂缝的效果评价；基于红外光谱试验，开展注浆材料修补增强机理分析。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

双组份高性能聚合物注浆材料分为A组份(主剂)和B组份(固化剂)。其中，主剂的主要成分包括多元醇和助剂，助剂包括增韧剂、催化剂、匀泡剂等。

a.多元醇。

多元醇是双组份高性能聚合物注浆材料主剂的主要成分，其用量和类型会对聚合物的结构性能产生影响，为改善材料的渗透性、强度和质地。本文选择低粘度的硬泡多元醇1和CASE类多元醇2复配制备注浆材料，其各项技术指标如表1所示。

表1 多元醇1、多元醇2主要技术指标Table 1 Main technical indicators of polyol 1,polyol 2类别羟值/mgKOH·g-1 水分/%酸值/mgKOH·g-1 粘度/MPa·s pH值多元醇1指标400～4500.080.08300～4005.0～7.0多元醇2指标500～5400.100.10/5.0～7.0

b.固化剂。

固化剂异氰酸酯在材料中作硬段，使得材料保持较高的强度，常用异氰酸酯有MDI、TDI、HDI、IPDI、PAPI以及M/T(MDI/TDI)体系等，本文选择通用的PAPI体系异氰酸酯，其各项技术指标如表2所示。

表2 PAPI体系异氰酸酯主要技术指标Table 2 Main technical indicators of isocyanate in PAPI system外观粘度(25℃)/(MPa·s)NCO质量分数/%密度(25℃)/(g·cm-1)酸度/(mg·kg-1)水解氯/%棕色液体170～25030～321.23≤250≤0.06

c.增韧剂。

增韧剂可以有效提升聚合物材料的拉伸伸长率及柔韧性，但增韧剂的使用也会对材料的强度产生不利影响，选择增韧剂需要综合考虑工程对材料变形能力及强度的需求，本文选用增韧剂A，其各项技术指标如表3所示。

表3 增韧剂A主要技术指标Table 3 Main technical indicators of toughener A外观羟值/(mgKOH·g-1)分子量凝固点/℃水分/%pH值无色透明液体255～312360～440410≤1.05.0～7.0

d.其它助剂。

其它助剂包括催化剂、匀泡剂等。本文选用的催化剂由质量分数为70%的双(二甲氨基乙基)醚与30%一缩二丙二醇(DPG)配制成的溶液。本文选用的匀泡剂具有优异的乳化力。

1.2 试验方法

a.双组份高性能聚合物注浆材料拉伸性能测试。

按照《硬质泡沫塑料拉伸性能测试方法》(GB 9641-1988)中的相关规定对双组份高性能聚合物注浆材料的拉伸性能进行测试。

b.注浆材料附着力拉拔强度测试。

室内成型15 cm×15 cm圆柱形水稳碎石试件，标准条件下养生7 d，在试件表面涂刷注浆材料，涂刷用量0.8～1.0 kg/m2，待其凝结硬化后，采用附着力拉拔仪进行粘结强度测试。试验过程见图1。

图1 附着力拉拔强度测试过程Figure 1 Adhesion drawing strength test process

c.注浆材料复合件拉拔强度测试。

室内成型15 cm×15 cm水稳试件，养生28 d，切割为10 cm厚和5 cm厚两部分，中间涂刷注浆材料，涂刷用量为0.8～1.0 kg/m2。待高性能聚合物材料固化后，采用取芯机对试件表面进行取芯，取芯直径为10 cm，钻取厚度为7～8 cm，采用复合件拉拔仪进行拉拔强度测试，具体测试过程见图2。

图2 复合件拉拔强度测试过程

d.注浆材料劈裂抗拉强度测试。

在高速公路裂缝处取芯，切割芯样得到5 cm高度的基层试件，在试件裂开处涂刷注浆材料，涂刷用量0.8～1.0 kg/m2，待其凝结硬化后，测试其顺着裂缝方向的劈裂强度。具体测试过程见图3。

图3 劈裂强度测试过程Figure 3 Splitting strength test process

2 注浆材料各组分配比确定

本文通过单一控制变量法逐一筛选主要基材各成分的最佳配比/用量，开发出修补、加固效果优异的注浆材料。

2.1 多元醇配比确定

分别制备主剂与固化剂质量比为1∶1的，不同多元醇1/多元醇2比例的注浆材料，20 ℃条件下养生6 h，分别测试其10%形变的抗压强度、材料质地。具体测试结果见表4。

表4 不同注浆材料10%形变的抗压强度与材料质地的测试结果Table 4 Test results of compressive strength of 10% de-formation and material texture of different grou-ting materialsm多元醇1/m多元醇210%抗压强度(1d)/MPa材料质地90/102.31机械搅拌泡孔较粗大80/201.94质地良好70/301.68质地良好60/401.42质地良好

由表4可知，随多元醇1用量的增加，注浆材料10%形变的抗压强度逐渐降低；随着多元醇1用量的降低，材料质地逐渐变好。在保证材料质地良好的情况下，还要保证材料具有一定的强度，故选择多元醇1/多元醇2的最佳配比为80/20。

2.2 增韧剂用量确定

在强度达到要求的情况下，通常会添加增韧剂来改善材料的柔韧性。分别制备主剂与固化剂质量比为1∶1的，不同增韧剂用量的注浆材料，20 ℃条件下养生6 h，分别测试其拉伸强度和拉伸伸长率。具体测试结果见图4。

图4 不同注浆材料拉伸强度和拉伸伸长率的测试结果Figure 4 Test results of tensile strength and tensile elongation of different grouting materials

由图4可知，随增韧剂用量增加，材料的拉伸强度逐渐下降，拉伸伸长率逐渐上升。通常情况下，当拉伸伸长率达到25%以上时，材料具有较好变形能力。考虑材料变形能力满足要求时，其强度又不折减过多，故增韧剂的最佳用量为8%。

2.3 主剂/固化剂配比确定

在上述多元醇配比、增韧剂用量确定的基础上，分别制备不同主剂/固化剂比例的注浆材料，20 ℃条件下养生6 h，分别测试其拉伸强度和拉伸伸长率。具体测试结果见图5。

图5 不同注浆材料拉伸强度和拉伸伸长率的测试结果Figure 5 Test results of tensile strength and tensile elongation of different grouting materials

由图5可知，随主剂/固化剂比例的增大，材料拉伸强度逐渐下降，拉伸伸长率逐渐上升。当主剂/固化剂的比例降至100/50时，材料的拉伸伸长率高达101.4%，而拉伸强度为10.2 MPa。这是由于固化剂用量过少，导致材料熟化不完全，性能降低。故主剂/固化剂的推荐比例范围为100/70。

2.4 注浆材料基本性能测试

基于前文试验，初步确定高性能聚合物注浆材料的各组分配比为：m多元醇1/m多元醇2=80/20，主剂/固化剂用量范围为100/70，增韧剂用量为8%，在此基础上制备注浆材料，测试其基本性能，结果见表5。

表5 高性能聚合物注浆材料基本性能参数的测试结果Table 5 Test results of basic performance parameters of high performance polymer grouting materials类别粘度(25℃)/(MPa.s)可施工温度/℃保持液态流动性的持续时间/s表干时间/s强度达到90%以上时间/min体积膨胀率/倍性能参数<1 200-20～60>20 120～300<120<2具体试验结果200～400-20～6030180301.1～1.5测试设备布氏粘度计温度计玻璃棒、秒表人工观察、秒表人工观察、秒表量筒

由表5可知，该注浆材料的各项基本性能参数均满足相关规范对注浆材料基本性能的技术要求。

3 注浆材料对半刚性基层裂缝的修补效果分析

本文采用附着力拉拔强度、复合件拉拔强度、劈裂抗拉强度作为评价指标，分析注浆材料对半刚性基层裂缝的修补效果。按照1.2的试验方法分别测试双组份高性能聚合物注浆材料与普通聚合物注浆材料的附着力拉拔强度、复合件拉拔强度、劈裂抗拉强度，具体测试结果见图6。

图6 不同注浆材料粘结强度测试结果Figure 6 Test results of bonding strength of different grouting materials

分析图6可知，双组份高性能聚合物注浆材料的附着力拉拔强度、复合件拉拔强度、劈裂抗拉强度分别为2.4、0.58、1.07 MPa，普通聚合物注浆材料的分别为2.0、0.42、0.74 MPa，说明双组份高性能聚合物注浆材料与水稳基层的粘结强度大于普通聚合物注浆材料，进一步验证了研发的双组份高性能聚合物注浆材料具有较好的修补粘结水稳基层裂缝的效果。

4 注浆材料修补机理分析

4.1 傅里叶红外光谱分析

采用傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)分别测试主剂、固化剂、注浆材料、水泥浆、注浆材料+水泥浆的FTIR图，分析注浆材料对水稳基层裂缝的修补、增强机理。红外光谱的扫描范围为4 000～400 cm-1，扫描次数64，扫描分别率4 cm-1。具体测试结果见图7、图8。

图7 固化剂、主剂、注浆材料的FTIR图Figure 7 FTIR diagram of hardener， main agent and grouting material

图8 水泥浆、注浆材料、注浆材料+水泥浆的FTIR图Figure 8 FTIR diagram of cement slurry， grouting material， grouting material+cement slurry

由图7可知，主剂FTIR图在3 427 cm-1处的吸收峰归因于OH的伸缩振动，2 970、2 868 cm-1处的吸收峰对应于CH3、CH2中C-H的对称和不对称伸缩振动，1 453、1 373 cm-1处的吸收峰归因于OH的面外弯曲振动和面内弯曲振动，1 093 cm-1处的吸收峰对应于C-O-C的反对称伸缩振动，941 cm-1处的吸收峰对应于C-O-C的对称伸缩振动。固化剂FTIR图在2 241 cm-1处的吸收峰归因于N=C=O的不对称伸缩振动。

分析图7还可知主剂3 427 cm-1处的吸收峰在注浆材料的FTIR图上消失，固化剂在2 241 cm-1处吸收峰的强度明显降低，说明主剂中的OH与固化剂中的N=C=O反应，形成了 FTIR图谱中1 709 cm-1处的氨基甲酸酯基C=O键的伸缩振动特征峰。

分析图8可知，水泥浆FTIR图上3 630 cm-1处的吸收峰源于水泥浆中游离的OH，即Ca(OH)2分子中的OH，3 450 cm-1处的吸收峰对应于水泥浆中缔合的OH，1 445 cm-1处的吸收峰归因于水泥浆中吸附水的弯曲振动。水泥浆FTIR图上3 630、3 450 cm-1处的吸收峰在注浆材料+水泥的FTIR图上消失，说明水泥浆中的OH基团与注浆材料中NCO发生反应，进一步增强了粘结强度。

4.2 双组份高性能聚合物注浆材料作用机理分析

a.修补增强机理分析。

双组份高性能聚合物注浆材料具有活性基团，能够与其他材料中的游离羟基发生反应，产生强度。基于红外光谱试验结果，分析其修补增强机理主要源于两方面：一是，主剂和固化剂反应，生成具有优异的柔韧性和粘结强度的高性能聚合物材料；二是，固化剂中的NCO基团与水稳基层中的活性羟基反应，进一步提升注浆材料的粘结强度，增强结构的完整性。其修补增强机理见图9。

图9 修补增强机理Figure 9 Repair enhancement mechanism

b.渗透填充机理分析。

利用高压注浆设备，将高性能聚合物化学注浆材料注入路面裂缝。双组份高性能聚合物在枪头充分混合后，发生剧烈反应，产生气体，迅速固化、膨胀，在设备高压及气体压力双重作用下将高性能聚合物材料挤入裂缝深处，对裂缝进行充分的渗透。同时，高性能聚合物材料具有较低的粘度，流动性强，在压力的作用下充分渗透到细微裂缝的深处，对细微裂缝进行有效的封堵修复。具体渗透机

理见图10。

图10 渗透填充机理图Figure 10 Infiltration filling mechanism diagram

5 结论

a.根据影响注浆材料性能的主要因素，逐一筛选多元醇、固化剂、增韧剂，确定了能兼顾注浆材料强度和柔韧性的双组份高性能聚合物注浆材料的配比。

b.通过评价注浆材料修补水稳基层裂缝效果表明，双组份高性能聚合物注浆材料与水稳基层的粘结强度及劈裂强度大于普通聚合物注浆材料，具有较好的修补效果。

c.通过FTIR和机理分析可知，双组份高性能聚合物注浆材料修补胶结水稳基层裂缝主要有两方面：一是修补增强，强度主要来源于主剂中的OH与固化剂中的N=C=O基团发生反应以及水泥中的OH与注浆材料中的N=C=O发生反应，从而使得注浆材料与水稳基层具有较好粘结强度；二是渗透填充，注浆材料由于粘度小加上本身具有较好的流动性，在注浆压力和反应气压双重驱动下，能够渗透填充基层微小裂缝。