舒展

（申成路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 保定 071000）

0 引言

某高速公路位于河北省境內(nèi)，瀝青路面以半剛性基層為主，路面結(jié)構(gòu)層以18cm三層瀝青面層+36cm雙層水穩(wěn)結(jié)構(gòu)為主。隨著交通量的日益增大，大型及超載車輛增多，加上環(huán)境的綜合作用，路面病害頻繁出現(xiàn)，其中裂縫最為常見。由于高速公路獨(dú)特的功能，在開展路面病害處治時，需要更加關(guān)注預(yù)防性養(yǎng)護(hù)及日常性養(yǎng)護(hù)對公路服務(wù)水平提升的重要作用，所選擇的方案應(yīng)具備經(jīng)濟(jì)性高、維修速度快等特點(diǎn)。因此，研究一種成本適中、施工便捷、力學(xué)性能優(yōu)異的裂縫注漿材料和裂縫注漿工藝，對于恢復(fù)路面結(jié)構(gòu)整體性，提高公路服務(wù)水平，降低養(yǎng)護(hù)施工對出行的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 瀝青混凝土路面裂縫的種類

1.1 疲勞開裂裂縫

該瀝青混凝土路面竣工時，路面狀況良好，沒有變形或裂縫。隨著時間的推移，在使用過程中車輪碾壓使瀝青面層彎曲變形，同時荷載使得基底層發(fā)生變化，一旦抗拉應(yīng)力超出疲勞限度，就會導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。通過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該高速公路路面出現(xiàn)了疲勞開裂裂縫且數(shù)量較多。

1.2 橫向裂縫

公路工程中的橫向裂縫和中心線近乎垂直。不同裂縫的寬度、長度各異，有的橫向裂縫較長，貫穿整個路幅。出現(xiàn)橫向裂縫的主要原因在于施工縫處理不徹底，連接不緊密，達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)，以至于出現(xiàn)半剛性基層收縮裂縫反射縫，影響了公路質(zhì)量。通過對該高速公路現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)路面出現(xiàn)少量橫向裂縫。

1.3 不規(guī)則裂縫

公路施工時，如果路基出現(xiàn)不均勻沉降就可能導(dǎo)致不規(guī)則裂縫。此外如果壓實(shí)工作不到位，路基處理也沒有達(dá)到要求，可能導(dǎo)致不均勻沉降，進(jìn)一步引發(fā)裂縫。橋頭路基出現(xiàn)沉陷問題也會導(dǎo)致裂縫。因此，施工單位需要保證路基和基層的壓實(shí)度，使工程質(zhì)量達(dá)到要求，否則就會出現(xiàn)不同類型的不規(guī)則裂縫。通過對該高速公路現(xiàn)場調(diào)查，路面出現(xiàn)了一些不規(guī)則裂縫，數(shù)量相對較多。

2 瀝青混凝土路面裂縫成因

2.1 設(shè)計因素

瀝青混凝土路面出現(xiàn)裂縫的原因有很多，設(shè)計部分最常見的原因有兩種：一是瀝青路面厚度不足，投入實(shí)際使用時容易開裂；二是道路結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠科學(xué)，無法滿足車輛荷載要求，在長期使用后因?yàn)檐囕v和環(huán)境作用產(chǎn)生質(zhì)量問題，誘發(fā)裂縫的出現(xiàn)。

2.2 材料因素

材料性能與瀝青混凝土路面質(zhì)量息息相關(guān)，故施工中需要確保瀝青路面的材料質(zhì)量。瀝青材料質(zhì)量主要通過針入度、軟化點(diǎn)、延度等性能指標(biāo)來評價。瀝青混合料配合比若不合理，混合料性質(zhì)就會因此而滿足要求。比如集料級配、材料用量都會影響混合料的抗裂性，因此相關(guān)的工作人員要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行混合料配合比的設(shè)計，并且施工中要做好各環(huán)節(jié)質(zhì)量控制。面層裂縫的出現(xiàn)和基層材料收縮性有關(guān)。高速公路施工所用基層材料通常是粉煤灰碎石基層或水泥穩(wěn)定碎石基層，如果基層施工質(zhì)量達(dá)不到規(guī)范或設(shè)計要求，基層就會慢慢出現(xiàn)破損，進(jìn)而引發(fā)路面破損。

2.3 氣候因素

公路工程施工若在溫度變化劇烈的情況下進(jìn)行，則容易導(dǎo)致路面裂縫的產(chǎn)生，比如遇到溫度驟降，瀝青路面就會出現(xiàn)低溫收縮現(xiàn)象。路面投入使用后，外部荷載也會影響路基狀況，使得收縮裂縫向橫向反射裂縫發(fā)展。

2.4 施工因素

不同施工項(xiàng)目的需求不同，建設(shè)過程中要嚴(yán)格把好質(zhì)量控制關(guān)，結(jié)合路面施工可能存在的質(zhì)量問題進(jìn)行科學(xué)處理。如，要注意碾壓速度不均勻帶來的負(fù)面影響，結(jié)合不均勻沉降的一系列問題進(jìn)行深入調(diào)整。

3 注漿材料要求

針對該高速公路瀝青路面出現(xiàn)的裂縫病害，經(jīng)分析裂縫種類和產(chǎn)生的原因，決定采用注漿技術(shù)對其進(jìn)行修復(fù)處治。注漿材料一般可分為有機(jī)注漿材料（高聚物類）和無機(jī)注漿材料（水泥漿、地聚物）兩種。無機(jī)注漿材料滲透性較差，需要養(yǎng)生時間較長；高聚物等有機(jī)注漿材料雖然滲透性好、養(yǎng)護(hù)時間短、材料強(qiáng)度高，但也存在發(fā)泡倍數(shù)過高、遇水敏感等問題。

該高速公路項(xiàng)目在當(dāng)前高聚物等注漿材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往技術(shù)的不足和實(shí)際需求，對裂縫有機(jī)注漿材料的使用提出了一定的要求：

（1）結(jié)合半剛性基層裂縫特征，如裂縫寬度、深度等，提出修補(bǔ)材料需要有較高的滲透性；

（2）為了保證填充效果和注漿施工的可操作性，材料要有合適的反應(yīng)時間和體積膨脹比例，過大會不易施工，導(dǎo)致漿體來不及滲透或結(jié)構(gòu)拱起，過小則達(dá)不到充分填充的目的；

（3）當(dāng)路面出現(xiàn)裂縫時，裂縫處的路面結(jié)構(gòu)受到剪應(yīng)力及拉應(yīng)力作用，受力狀況較差，因此對修補(bǔ)材料的力學(xué)性能提出較高要求；

（4）為便于施工后快速開放交通，降低施工對交通通行的影響。

4 注漿材料制備

有機(jī)注漿材料采用雙組分改性聚氨酯注漿材料，分為A組分（主劑）和B組分（固化劑）。主劑主要包括多元醇和助劑，其中助劑包括增韌劑、催化劑、勻泡劑等。固化劑選用異氰酸酯。有機(jī)注漿材料的成分多，性能一般由主要基材決定，而其他助劑對主要基材性能起微調(diào)作用，使材料本身的施工和易性更能滿足注漿要求。因此，先確定注漿用的主要基材類型，然后采用正交試驗(yàn)確定主要基材配比，在此基礎(chǔ)上采用單一控制變量法確定各類助劑的推薦用量，形成有機(jī)注漿材料的初步配方；進(jìn)一步基于現(xiàn)場實(shí)施效果，對初步配方進(jìn)行優(yōu)化，形成有機(jī)注漿材料的最終配方。

4.1 主要基材類型的確定

根據(jù)注漿設(shè)備要易于噴出注漿材料的要求，主劑選用低黏度多元醇作為主要原料。多元醇的類型、用量會對聚合物的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行綜合選型，調(diào)節(jié)配比，以達(dá)到理想效果。通過對多元醇進(jìn)行初步篩選后，選出兩類多元醇，分別為可以提升交聯(lián)度及強(qiáng)度的硬泡多元醇1和可以改善材料質(zhì)地的CASE多元醇2。

固化劑異氰酸酯主要使材料保持較高的強(qiáng)度，其種類繁多。本文選用兩款PAPI及兩款M/T體系異氰酸酯進(jìn)行綜合性能比較和評價，考察固化劑種類對材料強(qiáng)度和性能的影響。水泥穩(wěn)定碎石與水泥混凝土材料屬性類似，因此試驗(yàn)采用《道橋用防水涂料》（JCT 975—2005）中涂料與水泥混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)方法進(jìn)行測試。經(jīng)過測試選擇了PAPI-2類型的異氰酸酯。

4.2 主要基材配比的確定

除了多元醇和異氰酸酯以外，增韌劑也對聚合物的柔韌性及拉伸伸長率產(chǎn)生明顯的影響，因此將兩種多元醇的配比、多元醇與異氰酸酯配比、增韌劑摻量作為3大主要考慮因素，采用正交試驗(yàn)設(shè)計方案，開展上述3類因素在不同水平下對聚合物材料的性能影響研究。試驗(yàn)采用拉伸強(qiáng)度、伸長率及材料質(zhì)地作為評價指標(biāo)。試驗(yàn)完成后采用極差分析法對各項(xiàng)測試指標(biāo)進(jìn)行分析，以確定上述三種因素對注漿材料性能影響的主次關(guān)系。綜合考慮拉伸強(qiáng)度、拉伸伸長率和材料質(zhì)地等因素，推薦多元醇1∶多元醇2最佳配比為80∶20，多元醇∶異氰酸酯最佳配比為1∶0.85，增韌劑推薦用量為8%作為該改性聚氨酯注漿材料的配合比。

4.3 助劑用量的確定

為了提升材料的整體性能，需加入勻泡劑，使聚合物泡孔致密均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。采用材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸伸長率及質(zhì)地作為評價指標(biāo)，來確定勻泡劑的最佳用量。表1所示為不同用量勻泡劑對強(qiáng)度及伸長率的影響。試驗(yàn)表明，當(dāng)勻泡劑用量為0.8%時效果很好，此后隨著勻泡劑用量繼續(xù)提升，材料性能未發(fā)生明顯變化，故選擇勻泡劑用量為0.8%。

表1 不同用量勻泡劑對強(qiáng)度及伸長率的影響

路面裂縫修補(bǔ)材料需要在前期有較長一段的起發(fā)期，在此階段材料黏度低，流動性好，之后進(jìn)入凝結(jié)階段能夠快速凝結(jié)。因此需要摻加一款延遲性催化劑，使材料前期反應(yīng)減慢便于施工，后期快速反應(yīng)便于更早地開放交通。對不同催化劑用量下注漿材料的凝膠時間進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)合可施工時間需要大于20s的設(shè)計目標(biāo)，推薦催化劑用量為3.2%。

經(jīng)過試驗(yàn)，初步確定改性聚氨酯注漿材料的配比。主劑中，多元醇1∶多元醇2=80∶20，固化劑為PAPI-2，主劑∶固化劑=1∶0.85，增韌劑為8%，勻泡劑為0.8%，催化劑為3.2%。

5 注漿工藝

利用高壓灌縫設(shè)備將改性聚氨酯注漿修復(fù)材料注入路面裂縫，材料的A、B兩種組分在槍頭要充分混合，發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，迅速乳化、膨脹，在設(shè)備高壓及氣體壓力雙重作用下將改性聚氨酯材料擠入裂縫深處，對裂縫進(jìn)行充分滲透。在前期反應(yīng)的初始階段，在助劑的作用下改性聚氨酯注漿材料黏度較低，流動性較好，在壓力的作用下能夠充分滲透到細(xì)微裂縫深處，對裂縫進(jìn)行充分的封堵修復(fù)。

改性聚氨酯注漿修復(fù)材料在注入裂縫后，由于原料具有高強(qiáng)活性基團(tuán)，能夠與很多材料的活潑氫發(fā)生快速而激烈的反應(yīng)。一方面主劑和固化劑會發(fā)生反應(yīng)，生成改性聚氨酯材料，具有優(yōu)異的柔韌性和強(qiáng)度，黏結(jié)性好；另一方面固化劑中的NCO基團(tuán)同時會與半剛性基層中的活性氫基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步增加黏結(jié)性。在聚氨酯注漿修復(fù)材料完全滲入裂縫后能在短時間內(nèi)能夠完成反應(yīng)，提高強(qiáng)度。

6 效果檢驗(yàn)

為測定改性聚氨酯材料的黏結(jié)強(qiáng)度，采用復(fù)合件拉拔方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)將15cm×15cm的水穩(wěn)碎石試件切割為10cm厚和5cm厚的兩部分并進(jìn)行黏結(jié)，黏結(jié)完成后在試件表面鉆取直徑為10cm，鉆取厚度為7～8cm的芯樣，然后對芯樣進(jìn)行拉拔強(qiáng)度測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合件拉拔強(qiáng)度平均值為0.6MPa，從拉拔斷面可知，破壞界面在水穩(wěn)試件內(nèi)部，而改性聚氨酯黏結(jié)界面并沒有發(fā)生拉拔破壞，可見改性聚氨酯能夠很好地膠結(jié)水穩(wěn)碎石，其黏結(jié)強(qiáng)度大于水穩(wěn)碎石本身的強(qiáng)度，滿足修補(bǔ)需求。

7 結(jié)論

本文通過對該高速公路出現(xiàn)的裂縫類型和產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，提出采用注漿技術(shù)對其進(jìn)行修復(fù)處治，重點(diǎn)對注漿材料的要求和配置進(jìn)行了探討，并得出如下結(jié)論：

（1）瀝青混凝土路面裂縫類型多樣且共存，產(chǎn)生原因各異，只有深入了解裂縫成因，才能選擇科學(xué)的修復(fù)處治技術(shù)。

（2）通過室內(nèi)試驗(yàn)，明確了改性聚氨酯裂縫注漿材料的配合比，其中主劑的復(fù)合多元醇的配比為多元醇1∶多元醇2=80∶20；固化劑采用PAPI-2，主劑與固化劑的比例為1∶0.85，增韌劑用量為8%，勻泡劑用量為0.8%，催化劑用量為3.2%。試驗(yàn)結(jié)果表明，該注漿材料具有低黏度、高滲透、微膨脹、耐水性好的特點(diǎn)。

（3）該注漿材料能夠很好地與水穩(wěn)基層進(jìn)行黏結(jié)，修補(bǔ)效果良好。