基于改性聚氨酯裂缝注浆材料的沥青混凝土路面裂缝处治研究

杨美群 李莉 万阳

摘 要：沥青路面经常出现裂缝病害，采用注浆材料对裂缝进行修复是一种有效的处治方法。论文首先对当前常见的注浆材料特点进行了分析，结合当前技术与实际需求，对裂缝注浆材料的开发提出了一定的要求。然后通过对改性聚氨酯注浆材料主要基材的配比及控泡封端技术进行研究，开发出了一种低粘度、高渗透、微膨胀耐水型改性聚氨酯裂缝注浆材料。该种改性聚氨酯裂缝注浆材料通过注浆压力和材料本身的膨胀完成填充渗透，通过注浆材料主要基材之间以及注浆材料与水稳碎石之间的反应达到对水稳基层进行胶结的目的。最后进行了大量的实验对注浆材料的路用性能进行评价，发现该种注浆材料具有良好的粘结性与修补效果。研究成果可以为沥青路面裂缝病害的处治提供参考。

關键词：沥青路面;裂缝病害;注浆修补;注浆材料;路用性能

中图分类号：U418.6 文献标识码：A

0 引言

高速公路沥青路面以半刚性基层为主，路面结构层设计厚度普遍以“18 cm三层沥青面层+36 cm双层水稳”结构为主。但是随着交通量日益增大，车辆大型化和严重超载，并在环境的综合作用下，路面病害更加频繁出现，其中裂缝是最常见的一种病害[1]。由于高速公路其独特的功能性，在开展路面病害维修时，需要更加关注预防性养护及日常性养护对道路服务水平提升的重要作用，所选择的方案应具备经济性高、维修速度快、处治耐久的特点。因此，研究一种成本适中、施工便捷、力学性能优异的半刚性基层裂缝微创注浆修复技术，对于恢复路面结构整体性，提高道路服务水平，降低养护施工对公众出行的影响，具有重要的现实意义和工程应用价值。

1 裂缝微创注浆材料设计理念

注浆材料一般可分为有机注浆材料（高聚物类）及无机注浆材料（水泥浆、地聚物）两种。无机注浆材料渗透性较差，需要养生时间较长;而高聚物等有机注浆材料虽然渗透性能好，养护时间短，材料强度高，但是也存在发泡倍数过高、遇水敏感等问题[2]。论文在当前高聚物等注浆材料的基础上，结合当前技术的不足、材料进步和实际需求，对裂缝有机注浆材料的开发提出了一定的要求：

（1）结合半刚性基层裂缝特征，如裂缝宽度、深度等，基于裂缝尺寸，提出修补材料需要有较高的渗透性。

（2）为了保证填充效果和注浆施工可操作性，材料要有合适的反应时间以及体积膨胀比例，过大则不易施工，导致浆体来不及渗透或者结构拱起破坏，过小则达不到充分填充的目的。

（3）当路面出现裂缝时，裂缝处的路面结构受到剪应力及拉应力作用，受力状况较差，因此对修补材料的力学性能提出要求。

（4）同时需要考虑便于施工后快速开放交通，降低施工对交通通行的影响，因此需要较短的起强时间。

2 裂缝微创注浆材料的开发

有机注浆材料开发采用双组份改性聚氨酯注浆材料，分为A组份——主剂和B组份——固化剂。主剂主要包括多元醇和助剂，助剂包括增韧剂、催化剂、匀泡剂等等。固化剂是异氰酸酯[3]。

有机注浆材料的成分类型多，其性能一般由主要基材（主剂中的多元醇物质、固化剂的异氰酸酯和增韧剂）确定，而其他助剂是对主要基材的性能（如反应时间、柔韧性、发泡倍率等）进行微调，使得材料本身的施工和易性更能满足注浆要求。因此，先确定注浆材料的主要基材类型，然后采用正交试验开展主要基材配比的确定，在此基础上采用单一控制变量法开展各类助剂的推荐用量的确定，形成有机注浆材料的初步配方;进一步基于现场实施效果，对初步配方进行优化，最终形成有机注浆材料的最终配方。

（1）主要基材类型的确定。根据注浆设备要易于喷出注浆材料的要求，主剂中需选用低粘度的多元醇作为主要原料。多元醇的类型，用量会对聚合物的结构性能会产生影响，需要对多元醇进行综合选型，调节配比，以达到理想效果。通过对多元醇进行初步筛选后，选出两类多元醇，分别为可以提升交联度及强度的硬泡多元醇1和可以改善材料质地的CASE多元醇2。

固化剂异氰酸酯在材料中作为硬段，使得材料保持较高的强度，其种类繁多。论文选用两款PAPI及两款M/T体系异氰酸酯进行综合性能比较和评价，考察固化剂种类对材料强度和性能的影响。水泥稳定碎石与水泥混凝土材料属性类似，因此试验采用JCT 975-2005《道桥用防水涂料》中涂料与水泥混凝土粘结强度的试验方法进行测试。经过测试选择了PAPI-2类型的异氰酸酯。

（2）主要基材配比的确定。除了多元醇和异氰酸酯以外，增韧剂也起到了很重要的作用，可以对聚合物的柔韧性及拉伸伸长率产生明显的影响，因此将两种多元醇的配比、多元醇与异氰酸酯配比、增韧剂掺量作为三大主要因素，采用正交试验设计方案，开展上述三类因素在不同水平下对聚合物材料的性能影响，试验采用拉伸强度、伸长率以及材料质地这三种关键性能作为评价指标。试验完成后采用极差分析法对各项测试指标进行分析以确定上述三种因素对注浆材料性能影响的主次关系。对于拉伸强度和拉伸伸长率来说，多元醇与异氰酸酯比例对试验结果影响最大，其次为增韧剂掺量，两种多元醇比例基本无影响;而两种多元醇比例则对材料质地有决定性的影响。综合考虑拉伸强度、拉伸伸长率和材料质地等因素，推荐多元醇1/多元醇2最佳配比为80/20，多元醇/异氰酸酯最佳配比为1/0.85，增韧剂推荐用量为8%作为该改性聚氨酯注浆材料的配合比。

（3）聚氨酯控泡封端技术研究。传统聚氨酯材料遇水十分敏感，路面基层裂缝内部的大量水汽会使材料膨胀数倍，导致性能迅速衰减，修复效果变差。因此需要聚氨酯注浆材料对水不敏感。只靠传统的改性很难解决遇水膨胀的问题。为此采用在聚氨酯材料中添加高活性胺基改性硅铝分子筛的方法，在短时间内快速有效的将大量的水吸入分子筛内部保证材料性能。论文选用了五种不同类型的分子筛，代号为A1、A2、A3、A4及A5，通过试验对比吸水效果，发现A3抑制膨胀的效果最佳。

随后又对A3的最优掺量进行了试验测试，测量不同掺量下分子筛对材料膨胀倍率和拉伸强度的影响，试验结果表明A3的掺量达30%后，基本不膨胀，但拉伸强度和伸长率均呈现下降的趋势，因此建议A3最佳掺量在30%。

（4）助剂用量的确定。为了提升材料的整体性能，需要材料在体系中加入匀泡剂，使聚合物泡孔致密均匀，结构稳定。采用材料的拉伸强度、拉伸伸长率及质地作为评价指标，来确定匀泡剂的最佳用量。试验表明当匀泡剂用量为0.8%时效果已经很好，此后随着匀泡剂用量继续提升，材料性能未发生明显变化，故选择匀泡剂用量为0.8%。

路面裂缝修补材料需要在前期有较长一段的起发期（即可施工时间），在此阶段材料粘度低，流动性好，之后进入凝胶阶段能够快速凝胶，产生强度（即开放交通时间）。因此需要掺加一款延迟性催化剂，使材料前期反应较慢便于施工，后期快速反应，更早地开放交通。对不同催化剂用量下注浆材料的凝胶时间和起强时间进行了试验。结合可施工时间需要大于20 s的设计目标，推荐催化剂用量为3.2%。

基于前文试验，初步确定改性聚氨酯注浆材料的配比为：主剂为多元醇1/多元醇2=80：20，固化剂为PAPI-2，主剂/固化剂用量维持在1：0.85，增韧剂为8%，活性分子筛A3在主剂中的掺量为30%，匀泡剂为0.8%，催化剂为3.2%。

3 裂缝微创注浆材料修补裂缝机理分析

在利用高压灌缝设备，将改性聚氨酯注浆修复材料注入路面裂缝中时，材料的A、B两种组分在枪头充分混合，发生剧烈反应，产生气体，迅速乳化，膨胀，在设备高压及气体压力双重作用下将改性聚氨酯材料挤入裂缝深处，对裂缝进行充分的渗透。在前期反应的初始阶段，在助剂的作用下改性聚氨酯注浆材料粘度较低，流动性较好，在压力的作用下能够充分的渗透到细微裂缝的深处，对裂缝进行充分的封堵修复。

改性聚氨酯注浆修复材料在注入到裂缝中后，由于原料具有高强活性基团，能够与很多材料的活泼氢发生快速而激烈的反应。一方面主剂和固化剂会发生反应，生成改性聚氨酯材料，具有优异的柔韧性及强度，粘结性能优秀;另一方面固化剂中的NCO基团同时会与半刚性基层中的活性氢基团发生反应，进一步增加粘结强度。在聚氨酯注浆修复材料完全渗入裂缝中后能在短时间内能够完成反应，产生强度。

4 裂缝微创注浆材料粘结强度分析

为测定改性聚氨酯材料的粘结强度，采用复合件拉拔方法进行评价。试验使用15 cm×15 cm的水稳碎石试件，切割为10 cm厚和5 cm厚的两部分并进行粘结，粘结完成后在试件表面钻取直径为10 cm，钻取厚度为7 cm～8 cm的芯样，然后对芯样进行拉拔强度测试。试验结果表明复合件拉拔强度平均值为0.6 MPa，从拉拔断面可知，破坏界面在水稳试件内部，而改性聚氨酯粘结界面并没有发生拉拔破坏，可见改性聚氨酯能够很好的胶结水稳碎石，其粘结强度大于水稳碎石本身的强度，满足了修补的需求。

5 结论

论文通过对沥青路面裂缝的处治和改性聚氨酯注浆材料的研究，开发出了一种低粘度、高渗透、微膨胀耐水型改性聚氨酯注浆修复材料。主要结论如下：

（1）综合分析了常见的注浆材料的实用特点，结合当前技术与实际需求，对注浆修复材料的开发提出了一些要求。

（2）通过室内试验，明确了改性聚氨酯裂缝注浆材料的配合比，主剂中的复合多元醇的配比为多元醇1/多元醇2=80：20;固化劑采用PAPI-2，主剂与固化剂的比例为1：0.85，增韧剂用量为8%，活性分子筛A3在主剂中的掺量为30%，匀泡剂用量为0.8%，催化剂用量为3.2%。试验结果表明该种改性聚氨酯裂缝注浆材料具有低粘度、高渗透、微膨胀、耐水的特点。

（3）通过实验对改性聚氨酯裂缝注浆材料的路用性能进行了分析，实验结果表明改性聚氨酯裂缝注浆材料能够很好地与水稳基层进行粘结，修补效果良好。研究成果可以为沥青路面裂缝病害的处治提供参考。

参考文献：

[1]高艳丽，付丽琴，王玉顺，等.高速公路沥青路面裂缝修补技术探讨[J].公路，2002（9）：136-139.

[2]许茜，王彦明，范延勇，等.注浆材料的发展及其应用[J].21世纪建筑材料，2010（1）：58-62.

[3]谢伟，许戈文，周海峰，等.环氧树脂改性水性聚氨酯胶粘剂的合成与性能[J].中国胶粘剂，2007（6）：5-7.