道路工程用聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料研究

陈治君，张振兴，王安书

（1.云南省交通科学研究院有限公司，云南 昆明 650000；2.陕西培文路泰交通科技有限公司，陕西 西安 710000；3.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

目前国内高等级公路路面结构95%以上都是半刚性基层沥青路面，但随着交通荷载的反复作用和半刚性基层的干缩温缩开裂，造成半刚性基层大面积损坏、承载能力不足和沥青路面在设计年限内出现早期损坏，一直是路面工程领域的难题[1-4]。传统的半刚性基层沥青路面修补方法有：挖除重建、加铺、灌封、注浆加固技术等，其中灌封和加铺技术不能解决路面基层内部出现的结构性损坏问题，且对层间结合不良、基层松散脱空、路面承载力不足等问题不能得到有效解决；而挖除重建技术虽然修补较为彻底，能够解决基层损坏、承载力不足的问题，但是施工过程中需要破坏原有路面，严重影响交通，造成资源浪费[5-7]。

非开挖式道路注浆加固技术是近些年来公路养护技术中发展较快的一项新技术，最早用于隧道超前支护和水利大坝防水堵漏等工程中。该技术用于道路养护维修工程中，具有施工速度快、避免路面“开膛破肚”式维修、性价比高等优势，是一种通过路面小面积钻孔、压力注入浆液的微创维修技术[8]。目前市场上主要有普通水泥注浆、地聚物注浆和高聚物注浆等3种。普通水泥注浆由于其耐久性差、处治效果难以保证等缺点正逐步被新型注浆材料所代替。地聚物注浆材料具有超高流动性、渗透性好、高抗水冲刷能力、早强和交通影响小等特点，被广泛应用于道路工程隐蔽病害处治，并取得了良好的效果[9]。高聚物注浆材料具有高膨胀、高填充、轻质早强、施工快捷等特点。经调研发现，地聚物注浆材料和高聚物注浆材料目前是市场上应用较多的2种主流加固材料，但在工程应用中也褒贬不一[10]。

本文针对半刚性基层沥青路面面临严重的早期破坏问题以及十分繁重的养护维修任务，从路面结构层受力和注浆技术工程应用角度出发，对比分析地聚合物注浆材料和高聚物注浆材料工程应用缺陷，提出新型CA注浆材料技术研发思路。在高速铁路无轧轨道CA砂浆灌注材料和沥青路面结构层设计方法的基础上，采用室内试验，制备聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料并进行性能研究，选择抗压强度、抗折强度和压折比作为材料性能的评价指标，通过改变原材料组成比例，分析各原材料对注浆材料性能的影响规律和作用机理，开展对聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料开发和性能研究，解决半刚性基层沥青路面基层脱空、松散等病害问题，同时可为高聚物注浆材料的改性提供技术支撑。

1 地聚合物注浆材料和高聚物注浆材料道路工程应用特点分析

1.1 地聚合物注浆材料道路工程应用特点分析

为推广和规范地聚物注浆材料的工程应用，一些省份、地区与企业合作编制并发行了地方标准，具有代表性的有河南省地方标准DB 41/T 1165—2015《道路非开挖式地聚合物注浆加固处治技术规范》和上海市地方标准SZ-G-B04—2007《公路路基与基层地聚合物注浆加固技术规程》，均对地聚物注浆材料提出了相应的技术要求，具体见表1和表2。

表2 SZ-G-B04—2007对地聚合物注浆材料的技术要求

由表1、表2可知，地聚合物注浆材料除具有高流动度技术特点外，还要求其具有高抗压强度。从力学性能分析来看，地聚合物由于其抗压强度高，是一种良好的加固用材料，但对于路面结构层，半刚性基层重交通设计强度为5～7 MPa（7 d无侧限抗压强度），远远小于地聚合物材料的抗压强度。地聚合物属于刚性材料，作为半刚性基层的补强加固材料与其周围半刚性基层结构形成整体受力层。由于两者之间的力学强度差异，路面在动力荷载作用下会出现基层受力不均匀的问题，导致补强部位发生应力集中，出现二次破坏。因此，地聚合物材料与半刚性基层之间的强度、模量差异巨大，并不适合半刚性基层沥青路面，应该应用于水泥混凝土路面结构补强。

1.2 高聚物注浆材料道路工程应用特点分析

高聚物注浆材料属于聚氨酯类高分子材料，在防水行业应用普遍。常见的高聚合物注浆材料是双组份液体材料，作用机理是双组份材料在注浆口位置混合后，其体积出现迅速膨胀，可快速充满整个路面空洞位置；并且聚氨酯材料属于真溶液，可以渗入细裂缝处，实现对基层脱空和裂缝位置的有效封堵。但同地聚合物类似，聚氨酯泡沫固结体的强度、刚度和模量与半刚性材料差异较大，其强度很低，普遍不到2MPa；且相对无机材料而言有机材料的耐久性较差[11]。但是，其应用于道路工程加固最大的问题是发泡性这一优势特点，良好的发泡倍数可以保证空洞被填充严密，但对于路面基层脱空这一隐蔽性病害而言，很难确定其确切的脱空面积。此外，基层往往存在富水问题，聚氨酯注浆材料的一大特点就是遇水会20倍甚至30倍的膨胀且膨胀力巨大，而沥青面层强度较小，一旦注浆过程中遇到基层富水问题，对注浆质量的控制就难以把控。实际施工过程中也会发现高聚物注浆部位沥青路面鼓包现象，对高速行车形成事故隐患，并且鼓包经车轮多次碾压，很快会出现坑槽病害，工程应用缺陷较多。

综上分析，沥青路面基层注浆材料需要具备以下技术特性：（1）良好的流动性；（2）与半刚性基层材料相匹配的强度、刚度和模量；（3）良好的胶结能力，能够将破损基层重新粘结成整体；（4）快速施工，具有早强性，能够尽早开放交通。

2 聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料基本技术要求

路面注浆技术由于其特殊的承受轮胎动载的特性，防水堵漏领域的注浆技术普遍不适用。经调研发现，高速铁路无轧轨道水泥沥青（CA）砂浆灌注技术已经应用多年。CA砂浆兼具水泥基材料的强度和沥青材料的柔性，属于一种刚柔并济的材料，可以通过调整水泥和乳化沥青的比例来调节材料的模量，且CA砂浆的抗压强度和弹性模量要求是根据高速铁路动态冲击荷载作用于不同板式轨道所产生的应力特征所确定出来的，具有很强的工程意义[12]。在CA砂浆研究和应用的基础上，根据典型半刚性基层沥青路面结构设计数据分析统计[13-15]，各类无机结合料稳定基层达到设计龄期（水泥稳定类90 d，二灰稳定类180 d）后最终抗压强度均在3～5 MPa左右（二灰稳定碎石除外）、回弹模量均在1500～2000 MPa左右。因此，研发的半刚性基层沥青路面注浆材料的力学参数应尽可能贴近原有路面基层的力学性能。

3 聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料的制备

3.1 原材料

水泥：广西云燕特种水泥建材有限公司生产的42.5级快硬硫铝酸盐特种水泥（R·SAC42.5），其主要技术性能见表3；乳胶粉：EVA，MFT为3℃，用于改善水泥基材料的脆性；乳化沥青：阳离子慢裂快凝型，广州某公司生产，其基本技术性能如表4所示。

表3 R·SAC42.5水泥的主要技术性能

表4 乳化沥青的基本技术性能

3.2 聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料的配比

以控制单一变量原则，在固定硫铝酸盐水泥掺量为1000 g、水灰比为1的条件下，分别制备聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料：（1）固定乳胶粉掺量为5%，调节乳化沥青掺量分别为0、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%；（2）固定乳化沥青掺量为40%，调节乳胶粉掺量分别为0、1%、3%、5%、7%、10%。

3.3 聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料性能测试方法

将水泥、乳胶粉、乳化沥青、砂和水均匀混合，参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》搅拌、成型40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件，24 h后脱模，放入（20±3）℃恒温恒湿箱中养护，并对聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料试件进行28 d抗压强度和抗折强度测试。

4 试验结果与分析

通过固定乳胶粉掺量为5%条件下不同乳化沥青掺量、固定乳化沥青掺量为40%条件下不同乳胶粉掺量对注浆材料性能影响研究，表征乳化沥青、乳胶粉掺量对水泥水化进程和刚度的影响，从而确定乳胶粉、乳化沥青、水泥和水之间的比例关系。

4.1 乳化沥青掺量对注浆材料力学性能的影响（见图1）

从图1可见：（1）随着乳化沥青掺量的增加，注浆材料的抗压强度呈先下降后提高的趋势，乳化沥青掺量为0时，注浆材料的抗压强度最高，达12.7 MPa；乳化沥青掺量为35%时，抗压强度降到最低（4.7MPa），仅为未掺乳化沥青时的37%。（2）随着乳化沥青的掺量增加，抗折强度明显提高，且呈先提高后降低又再提高的趋势。乳化沥青掺量为0时，注浆材料的抗折强度最低，当乳化沥青掺量为5%时，注浆材料的抗折强度大幅度提高。以上结果表明，乳化沥青能大幅度降低抗压强度，提高抗折强度，并且掺量越多，压折比越小，普遍能降至4以下，且抗压强度仍不小于5 MPa。这是由于，乳化沥青较硫铝酸盐水泥来说在注浆材料体系中占比较小，固化后的沥青材料更多的以球状小颗粒存在于体系中，部分则包裹水泥颗粒，使得水泥未充分水化反应，因此沥青颗粒能够增强水泥基材料的柔韧性，提高抗冲击能力。综上所述，考虑压折比随乳化沥青用量的变化，最终确定乳化沥青掺量为40%。

4.2 乳胶粉掺量对注浆材料砂浆力学性能影响（见图2）

从图2可见，乳胶粉的掺入在一定程度上对注浆材料的抗压强度起到削弱的作用，但总体影响不太大；乳胶粉的掺入对注浆材料的抗折强度影响显著，在一定掺量范围内，抗折强度得到大幅度提升，压折比也呈类似的减小趋势，表明乳胶粉的存在能降低注浆材料的弹性模量，提高拉伸强度和可变形能力，改善注浆材料的柔性和弹性。这是由于乳胶粉的掺入能在水泥基材料体系中形成自身膜状网络结构，最终形成高弹性、高柔性聚合物区域来提高水泥基材料内聚力，并且作为第2类胶粘剂，提高注浆材料的粘结强度。综合考虑压折比和经济性，最终确定乳胶粉的掺量为2.5%。

根据前期制备和性能试验，分析乳化沥青掺量、乳胶粉掺量对注浆材料的力学性能的影响，最终确定聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料中乳化沥青的最佳掺量为40%，乳胶粉的最佳掺量为2.5%。经力学性能测试，所制备聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料的28 d抗压强度为6.1 MPa，抗折强度为2.5 MPa，压折比为2.4，符合与半刚性基层结构设计力学参数相近的原则。

本研究制备的注浆材料的一大特点是使注浆材料的性能与原有路面的设计参数相匹配，可根据不同路段的情况，分别进行定制化设计施工。根据目前试验结果和数据资料，确定注浆材料的部分技术指标如表5所示，重点突出压折比和弹性模量。

表5 聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料的技术性能指标

5 工程应用前景分析

本研究制备的注浆材料工程应用时采用双组份注浆工艺，将硫铝酸盐水泥分为A、B两个组份，单液浆体可以做到24 h不固化，双液冲击混合后3 min失流，20 min具有一定的强度，2h可开放交通。既保证了制浆施工的可连续操作性，又能实现早强，快速开放交通。采用0.67～1.00的大水灰比，使得浆液具有超高流动度，注浆扩散半径大，可保证施工质量。

根据材料技术性能和施工特点分析认为，该材料具有良好的应用前景，可应用于以下工程领域：（1）就地热再生，只是处理表面5 cm的中轻度病害，配合基层注浆技术处理基层病害，能够取得更好的施工效果；（2）水泥路面“白改黑”，处理基层及水泥面层裂缝、脱空、承载力不足等病害，加固新沥青面层以下结构层；（3）沥青路面反射裂缝处理，选择裂缝扩大或最宽时机，对沥青路面裂缝进行注浆灌封处理；（4）沥青路面的日常养护。

6 结语

（1）通过地聚物注浆材料和高聚物注浆材料道路工程应用特点分析，总结提出沥青路面基层注浆材料需要具有良好的流动性，与半刚性基层材料相匹配的强度、刚度和模量，良好的胶结能力、快速施工及尽早开放交通等技术特征。

（2）通过研究乳胶粉和乳化沥青掺量对水泥水化进程和刚度的影响，确定聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料中乳化沥青掺量为40%，乳胶粉的掺量为2.5%。所制备的聚合物水泥复合乳化沥青注浆材料的28 d抗压强度为6.1 MPa，抗折强度为2.5 MPa，压折比为2.4，满足与半刚性基层结构设计力学参数相近的原则。

（3）根据所开发注浆材料的技术性能和施工特点，分析认为该注浆材料可用于就地热再生、水泥路面“白改黑”、沥青路面反射裂缝处治等工程领域。