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        路用耐水型聚氨酯注漿材料的修復(fù)效果與工程評價

        2023-09-27 03:52:14樊亮石南梁皓魏慧宋小金
        交通科學(xué)與工程 2023年4期
        關(guān)鍵詞:聚氨酯注漿試件

        樊亮,石南,梁皓,魏慧,宋小金

        (1.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)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(shù)有限公司,湖南 長沙 414200)

        瀝青路面的注漿加固技術(shù)作為一種結(jié)構(gòu)微創(chuàng)的修復(fù)技術(shù),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(yīng)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(jī)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(jī)注漿材料,以及無機(jī)-有機(jī)復(fù)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(dú)特的化學(xué)反應(yīng)機(jī)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(jié)能力強(qiáng),能夠完全充填多孔結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shí)踐均表明,聚氨酯注漿材料更適用于路面深層次病害?;瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理上,當(dāng)1 mol水與1 mol二異氰酸酯反應(yīng)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(jié)構(gòu)深度以及上覆結(jié)構(gòu)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(jìn)行滲透加固,達(dá)到更好的處治效果。王曉亞等[7-8]證實(shí)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(jié)構(gòu)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(jié)能力[9]。市面上常見的雙組分聚氨酯材料不適合直接應(yīng)用于注漿處治,這些產(chǎn)品多數(shù)存在凝結(jié)時間不易控制、強(qiáng)度穩(wěn)定性差等弱點(diǎn),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(jié)強(qiáng)度,導(dǎo)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(shù)的壁壘,如何降低水帶來的負(fù)面影響,對提升裂縫的修復(fù)效果至關(guān)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(jié)性能。結(jié)合具體工程,驗(yàn)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(shù)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(chǔ)聚氨酯材料,其技術(shù)指標(biāo)見表1。該材料具有強(qiáng)度高、發(fā)泡倍數(shù)低和良好的耐化學(xué)腐蝕性能,滿足《道路深層病害非開挖處治技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 260—2016)中的技術(shù)要求。

        表1 基礎(chǔ)雙組分聚氨酯技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of basic two component polyurethane

        本研究將基礎(chǔ)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(jìn)行簡單拌合,結(jié)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(qiáng)的黏結(jié)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(jié)性,利用ALT型潛固化劑與水或濕氣優(yōu)先反應(yīng)生成活性基團(tuán),活性基團(tuán)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(jié)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?jǐn)嚢杈鶆?,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(xué)性能。

        2 模擬裂縫與修補(bǔ)

        由于在半剛性基層中形成的反射裂縫貫穿整個路面結(jié)構(gòu),選擇水穩(wěn)碎石、瀝青混合料進(jìn)行模擬裂縫試驗(yàn),評價其修補(bǔ)效果。試驗(yàn)時,將同一批次成型的水泥穩(wěn)定碎石(養(yǎng)護(hù)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(jìn)行雙組分聚氨酯材料的涂覆、黏結(jié)和固化,完成后進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。

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

        表2 試驗(yàn)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(cè)限抗壓強(qiáng)度對比如圖3(a)所示。正常水穩(wěn)碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為8.9 MPa,是所有試件中強(qiáng)度的最高者;干燥界面的試件強(qiáng)度為7.3 MPa;濕潤界面的水穩(wěn)試件強(qiáng)度則差異顯著,當(dāng)無ALT添加(ALT 0%)時,試件強(qiáng)度僅為2.8 MPa,隨著ALT添加劑量增加,強(qiáng)度得到提高,當(dāng)ALT添加至3%(ALT 3%)時,強(qiáng)度能達(dá)到6.3 MPa。其與正常試件的強(qiáng)度對比如圖3(b)所示。從圖3(b)可以看出,干燥界面的強(qiáng)度恢復(fù)率可達(dá)82.0%;濕潤界面的強(qiáng)度恢復(fù)率僅為31.5%,直至ALT添加至3%時,試件才能達(dá)到70.8%的強(qiáng)度恢復(fù)率。

        2.2 瀝青混合料

        利用劈裂強(qiáng)度表征注漿材料對瀝青混合料修復(fù)后的固結(jié)強(qiáng)度。瀝青混合料的修復(fù)效果如圖4所示。從圖4(a)可以看出,干燥界面的強(qiáng)度基本等同于正常試件的,未凍融試件的強(qiáng)度略高于正常試件的。在濕潤界面條件下,當(dāng)ALT添加至0%(ALT 0%)時,修復(fù)的試件基本無強(qiáng)度,試件直接從界面脫落;當(dāng)ALT添加至1%(ALT 1%)時,試件強(qiáng)度極低,只有當(dāng)ALT添加至2%(ALT 2%)時,未凍融試件劈裂強(qiáng)度達(dá)到0.95 MPa,但經(jīng)過凍融的試件,其劈裂強(qiáng)度仍極低;當(dāng)ALT添加至3%(ALT 3%)時,其強(qiáng)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(fù)效果基本與正常試件的相同,當(dāng)ALT添加3%時,能修復(fù)84.5%及以上的強(qiáng)度恢復(fù)率。

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

        不同試件的凍融劈裂強(qiáng)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(fù)率,RTSR可以達(dá)到89.6%的恢復(fù)效果,滿足瀝青混合料的水穩(wěn)定性技術(shù)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(jié)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(qiáng)度恢復(fù)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(qiáng)度恢復(fù)率,當(dāng)ALT添加至3%時,試件能達(dá)到良好的強(qiáng)度恢復(fù)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(jié)效果。

        因此,對于反射裂縫的修復(fù),應(yīng)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(yīng)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(shí)際工程中,瀝青路面中的反射裂縫無法進(jìn)行干燥處理,所以路面結(jié)構(gòu)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(shí)際工程的環(huán)境,耐水型聚氨酯注漿材料具有更好的應(yīng)用優(yōu)勢。

        3 工程應(yīng)用與評價

        3.1 病害調(diào)查與檢測

        注漿試驗(yàn)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(yīng)急車道,并伴隨唧漿現(xiàn)象。同時,既有的瀝青灌縫等修補(bǔ)技術(shù)不能從結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部會嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)的承載能力,因此在處理唧漿病害時應(yīng)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(diǎn),在實(shí)際注漿之前,須將裂縫中積存的泥漿排出,再進(jìn)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(bǔ)位置的唧漿點(diǎn),需將注漿孔沿唧漿點(diǎn)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(diǎn)為中心,呈梅花形布孔,縱橫向距離唧漿點(diǎn)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(shè)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(shè)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(cè)進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(yīng)將松散瀝青面層挖除,換填高性能冷補(bǔ)料。同時,為更好地恢復(fù)路表的構(gòu)造深度、摩擦系數(shù),以及避免冷補(bǔ)料早期強(qiáng)度上升慢的問題,需采用預(yù)制式路面貼[12]進(jìn)行表面粘貼,達(dá)到封水和恢復(fù)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(jìn)行測量,其結(jié)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(fù)前彎沉均值為16.8×10-2mm,變異系數(shù)0.23;修復(fù)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(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出,修復(fù)前有15%的測點(diǎn)彎沉數(shù)據(jù)大于20.0×10-2mm,而修復(fù)后測點(diǎn)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(fù)了路面的正常結(jié)構(gòu)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(jìn)行測點(diǎn)檢測,其結(jié)果如圖11~12所示。PFWD是用于測量細(xì)粒土或穩(wěn)定土基層的回彈模量,當(dāng)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(fù)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(fù)后路面回彈模量普遍得到提高。經(jīng)過計算得到修復(fù)前的路面回彈模量均值為957 MPa,變異系數(shù)為0.18;修復(fù)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(fù)后回彈模量加23個百分點(diǎn)。從圖12可以看出,唧漿病害測點(diǎn)的回彈模量均小于1 250 MPa,而修復(fù)后有41%的測點(diǎn)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(diǎn)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(fù)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(diǎn);唧漿處治后的路面回彈模量增加了23個百分點(diǎn);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(qiáng)了路面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

        4 結(jié)論

        1) 基于化學(xué)競爭反應(yīng)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(jié)能力、力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性,保障了裂縫修復(fù)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(qiáng)度恢復(fù)率,當(dāng)ALT添加3%時,既能達(dá)到良好的強(qiáng)度恢復(fù)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(jié)效果。

        2) 工程實(shí)踐表明,使用耐水型聚氨酯材料對反射裂縫和唧漿病害進(jìn)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(diǎn);唧漿處治后的路面回彈模量增加了23個百分點(diǎn),有效降低了路面彎沉,提高了路面回彈模量,恢復(fù)了路面的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度恢復(fù)率。瀝青路面的反射裂縫和唧漿修復(fù),應(yīng)盡量避開雨季,讓裂縫處于干燥環(huán)境,保障注漿效果。實(shí)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(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部潮濕。因此,應(yīng)積極采用耐水型聚氨酯注漿材料進(jìn)行病害處治作業(yè)。

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