陳治君，張振興，王安書

（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

目前國內(nèi)高等級公路路面結(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)性損壞問題，且對層間結(jié)合不良、基層松散脫空、路面承載力不足等問題不能得到有效解決；而挖除重建技術(shù)雖然修補較為徹底，能夠解決基層損壞、承載力不足的問題，但是施工過程中需要破壞原有路面，嚴(yán)重影響交通，造成資源浪費[5-7]。

非開挖式道路注漿加固技術(shù)是近些年來公路養(yǎng)護技術(shù)中發(fā)展較快的一項新技術(shù)，最早用于隧道超前支護和水利大壩防水堵漏等工程中。該技術(shù)用于道路養(yǎng)護維修工程中，具有施工速度快、避免路面“開膛破肚”式維修、性價比高等優(yōu)勢，是一種通過路面小面積鉆孔、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性、滲透性好、高抗水沖刷能力、早強和交通影響小等特點，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、施工快捷等特點。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]。

本文針對半剛性基層瀝青路面面臨嚴(yán)重的早期破壞問題以及十分繁重的養(yǎng)護維修任務(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。在高速鐵路無軋軌道CA砂漿灌注材料和瀝青路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)試驗，制備聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料并進行性能研究，選擇抗壓強度、抗折強度和壓折比作為材料性能的評價指標(biāo)，通過改變原材料組成比例，分析各原材料對注漿材料性能的影響規(guī)律和作用機理，開展對聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料開發(fā)和性能研究，解決半剛性基層瀝青路面基層脫空、松散等病害問題，同時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)用特點分析

1.1 地聚合物注漿材料道路工程應(yīng)用特點分析

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》，均對地聚物注漿材料提出了相應(yīng)的技術(shù)要求，具體見表1和表2。

表2 SZ-G-B04—2007對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度技術(shù)特點外，還要求其具有高抗壓強度。從力學(xué)性能分析來看，地聚合物由于其抗壓強度高，是一種良好的加固用材料，但對于路面結(jié)構(gòu)層，半剛性基層重交通設(shè)計強度為5～7 MPa（7 d無側(cè)限抗壓強度），遠遠小于地聚合物材料的抗壓強度。地聚合物屬于剛性材料，作為半剛性基層的補強加固材料與其周圍半剛性基層結(jié)構(gòu)形成整體受力層。由于兩者之間的力學(xué)強度差異，路面在動力荷載作用下會出現(xiàn)基層受力不均勻的問題，導(dǎo)致補強部位發(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)補強。

1.2 高聚物注漿材料道路工程應(yīng)用特點分析

高聚物注漿材料屬于聚氨酯類高分子材料，在防水行業(yè)應(yīng)用普遍。常見的高聚合物注漿材料是雙組份液體材料，作用機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，可快速充滿整個路面空洞位置；并且聚氨酯材料屬于真溶液，可以滲入細裂縫處，實現(xiàn)對基層脫空和裂縫位置的有效封堵。但同地聚合物類似，聚氨酯泡沫固結(jié)體的強度、剛度和模量與半剛性材料差異較大，其強度很低，普遍不到2MPa；且相對無機材料而言有機材料的耐久性較差[11]。但是，其應(yīng)用于道路工程加固最大的問題是發(fā)泡性這一優(yōu)勢特點，良好的發(fā)泡倍數(shù)可以保證空洞被填充嚴(yán)密，但對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題，聚氨酯注漿材料的一大特點就是遇水會20倍甚至30倍的膨脹且膨脹力巨大，而瀝青面層強度較小，一旦注漿過程中遇到基層富水問題，對注漿質(zhì)量的控制就難以把控。實際施工過程中也會發(fā)現(xiàn)高聚物注漿部位瀝青路面鼓包現(xiàn)象，對高速行車形成事故隱患，并且鼓包經(jīng)車輪多次碾壓，很快會出現(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）良好的流動性；（2）與半剛性基層材料相匹配的強度、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，具有早強性，能夠盡早開放交通。

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度和瀝青材料的柔性，屬于一種剛?cè)岵牟牧希梢酝ㄟ^調(diào)整水泥和乳化瀝青的比例來調(diào)節(jié)材料的模量，且CA砂漿的抗壓強度和彈性模量要求是根據(jù)高速鐵路動態(tài)沖擊荷載作用于不同板式軌道所產(chǎn)生的應(yīng)力特征所確定出來的，具有很強的工程意義[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)計數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計[13-15]，各類無機結(jié)合料穩(wěn)定基層達到設(shè)計齡期（水泥穩(wěn)定類90 d，二灰穩(wěn)定類180 d）后最終抗壓強度均在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級快硬硫鋁酸鹽特種水泥（R·SAC42.5），其主要技術(shù)性能見表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《水泥膠砂強度檢驗方法（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，并對聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料試件進行28 d抗壓強度和抗折強度測試。

4 試驗結(jié)果與分析

通過固定乳膠粉摻量為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注漿材料性能影響研究，表征乳化瀝青、乳膠粉摻量對水泥水化進程和剛度的影響，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 乳化瀝青摻量對注漿材料力學(xué)性能的影響（見圖1）

從圖1可見：（1）隨著乳化瀝青摻量的增加，注漿材料的抗壓強度呈先下降后提高的趨勢，乳化瀝青摻量為0時，注漿材料的抗壓強度最高，達12.7 MPa；乳化瀝青摻量為35%時，抗壓強度降到最低（4.7MPa），僅為未摻乳化瀝青時的37%。（2）隨著乳化瀝青的摻量增加，抗折強度明顯提高，且呈先提高后降低又再提高的趨勢。乳化瀝青摻量為0時，注漿材料的抗折強度最低，當(dāng)乳化瀝青摻量為5%時，注漿材料的抗折強度大幅度提高。以上結(jié)果表明，乳化瀝青能大幅度降低抗壓強度，提高抗折強度，并且摻量越多，壓折比越小，普遍能降至4以下，且抗壓強度仍不小于5 MPa。這是由于，乳化瀝青較硫鋁酸鹽水泥來說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 乳膠粉摻量對注漿材料砂漿力學(xué)性能影響（見圖2）

從圖2可見，乳膠粉的摻入在一定程度上對注漿材料的抗壓強度起到削弱的作用，但總體影響不太大；乳膠粉的摻入對注漿材料的抗折強度影響顯著，在一定摻量范圍內(nèi)，抗折強度得到大幅度提升，壓折比也呈類似的減小趨勢，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)域來提高水泥基材料內(nèi)聚力，并且作為第2類膠粘劑，提高注漿材料的粘結(jié)強度。綜合考慮壓折比和經(jīng)濟性，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，分析乳化瀝青摻量、乳膠粉摻量對注漿材料的力學(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抗壓強度為6.1 MPa，抗折強度為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是使注漿材料的性能與原有路面的設(shè)計參數(shù)相匹配，可根據(jù)不同路段的情況，分別進行定制化設(shè)計施工。根據(jù)目前試驗結(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)用時采用雙組份注漿工藝，將硫鋁酸鹽水泥分為A、B兩個組份，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具有一定的強度，2h可開放交通。既保證了制漿施工的可連續(xù)操作性，又能實現(xiàn)早強，快速開放交通。采用0.67～1.00的大水灰比，使得漿液具有超高流動度，注漿擴散半徑大，可保證施工質(zhì)量。

根據(jù)材料技術(shù)性能和施工特點分析認為，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，選擇裂縫擴大或最寬時機，對瀝青路面裂縫進行注漿灌封處理；（4）瀝青路面的日常養(yǎng)護。

6 結(jié)語

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

（2）通過研究乳膠粉和乳化瀝青摻量對水泥水化進程和剛度的影響，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抗壓強度為6.1 MPa，抗折強度為2.5 MPa，壓折比為2.4，滿足與半剛性基層結(jié)構(gòu)設(shè)計力學(xué)參數(shù)相近的原則。

（3）根據(jù)所開發(fā)注漿材料的技術(shù)性能和施工特點，分析認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。