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)。