沥青路面病害治理中注浆材料制备及性能试验研究

徐灿

（贵州高速黔通建设工程有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

传统修复公路路面病害的技术存在诸多不足，不仅耗费成本高、花费时间长、质量效果也存在一定不足，且对道路交通的正常通行造成不利影响。非开挖式注浆技术在工程建设地基加固中已经有多年的应用历史，是一种较成熟、有效的施工工艺。早强型聚合物注浆加固技术的应用，无需开挖公路路面，不会对原结构体造成大面积破坏，有利于环保减排，符合绿色施工理念的相关要求，维修后可以实现快速通行。在高速公路、路桥过渡衔接地带等病害处理中，注浆加固补强技术已经得到了广泛应用，并取得了良好效果。注浆材料是注浆技术中不可或缺的关键组成部分，注浆材料的性能和品种的优劣，直接影响工程的质量和成本。本文主要通过试验研究注浆材料制备、添加碱激发剂的模数、碱掺量等变量，影响聚合物注浆料性能的情况，以期提升注浆材料性能。

1 聚合物初拟配合比设计

制作聚合物注浆材料的原材料主要为SiO2-Al2O3单体，为凝胶结构，另一原材料为碱激发剂，可以实现聚合物力学性能的提升。

1.1 聚合物原材料

原材料质量是工程建设整体质量的核心，务必使原材料质量完全满足设计文件及施工技术规范的要求。做好项目建设前期原材料的质量控制，是项目施工阶段十分重要的管理环节。基于此，本文研究制作聚合物注浆料不同原材料对其性能的影响情况，选择的主要原材料为矿渣、粉煤灰、偏高岭土。

（1）注浆料原材料化学组分见表1。

表1 注浆料原材料化学组分

（2）本试验选用的矿渣，颗粒直径范围为8～32μm；粉煤灰对聚合物的力学强度、密度等产生着极为显著的影响，本试验中粉煤灰的颗粒直径均在10μm 以下；偏高岭土具有显著的火山灰活性，可以有效提升聚合物的抗折强度，本研究选择细度为1 250 目的偏高岭土；

（3）聚合物中粉煤灰、矿渣、偏高岭土的质量比为5∶3∶2，可以满足养护所需的灌浆性能；

（4）参考工业生产中的惯用做法，本试验选择水玻璃为碱激发剂，SiO2、Na2O 的摩尔比为0.30，固液比为34%。

1.2 聚合物初拟配合比

于松散的路面结构中注入聚合物注浆料，如聚合物强度低、黏连结构层材料效果差，则将难以实现良好的维修效果，路面承载力难以提升。因此，如要提高注浆效果，聚合物注浆料的水灰比、模数非常重要。碱激发剂模数变量分别为1.4、1.6 和1.8，碱掺量变量分别为6%和8%，水灰比变量分别为0.28、0.30、0.32。

2 聚合物注浆料制备工艺

制备聚合物注浆料的过程中，需对其承载力、抗压强度、流动性、黏结性能等予以考虑。

（1）聚合物注浆料制备的过程见图1；

图1 聚合物注浆料制备的过程

（2）搅拌时长对聚合物注浆料性能影响较大，试验过程中先慢搅2min，之后需分别快速搅拌3min、5min、l0min，探究搅拌时间对聚合物性能的具体影响。

3 聚合物注浆料性能试验方法

3.1 注浆料凝结时间试验

注浆料凝结时间试验的具体方法介绍如下：

（1）试验用主要仪器：维卡仪、搅拌机、标准养护箱、天平；

（2）试验条件：确保温度介于18～22℃之间，湿度低于50%；

（3）试验主要步骤：①标定凝结时间测定仪，使仪器处于初始状态；②配置浆液并入模，于养护箱中养护；③科学运用凝结时间测定仪，检测分析聚合物初凝时间；④合理使用凝结时间测定仪，测算聚合物终凝时间；

（4）试验记录：接近初凝时，每5min测定一次并记录；快终凝时，每15min测定一次并记录。

3.2 注浆料流动度试验

使用倒锥法进行试验，测定聚合物流动性，其试验所用到的仪器、主要试验步骤分析如下：

（1）试验仪器：①流动度试验倒锥仪见图2，设备为不锈钢、铝材质，容量最低2 000mL；②支架由金属制作；③水平尺；④秒表，分度值大于0.2s；

图2 流动度试验用倒锥仪

（2）主要试验步骤：①控制室温介于18～22℃；②试验前1min，倒锥完全浸没于纯净水中，保持器械湿润；③于倒锥中缓慢倒入聚合物浆液；④打开倒锥出口塞的同时用秒表记录时间；⑤倒锥出口开始有浆液断续流出时再次按下秒表；⑤试验中需进行平行试验予以相互验证，同类浆体平行试验需超过2次。

3.3 注浆料泌水率和膨胀率试验

注浆料泌水率和膨胀率试验所用到的试验仪器及试验方法如下：

（1）试验仪器：本次试验使用密封杯作为测试仪，仪器由有机玻璃制作，高120mm；

（2）试验方法：将100mm浆液注入容器中，标记高度后密封保存静置，记录3h、24h 后浆液膨胀面和离析水水面的高度，按照如公式（1）和（2）计算浆液的泌水率和膨胀率。

式（1）（2）中：a1为初始标定的浆液高度（mm）；a2为初始标定的泌水面高度（mm）；a3为膨胀面（mm）。

3.4 注浆料抗压强度试验

注浆料抗压强度试验的试验条件、所用到的试验设备、测定抗压强度方法等要点分析如下：

（1）试验条件：上述实验中，实验室温度介于18～22℃之间，湿度设定超50%；所用设备如养护箱也处于实验室同等温度，湿度设定超90%；设定试件养护池水温介于19～21℃之间；

（2）试验设备：抗压强度试验机，载荷精度需为±l%；

（3）试件的养护：①24h 龄期脱模时，需在试验前20min内完成脱模；超24h时的，需在20～24h后进行脱模；②置于水中养护，试件间隔超5mm，试件上表面水深控制应达到5mm。

（4）测定抗压强度：本次研究使用抗压测试机，测定时保持匀速加载，速度介于2200～2600N/s之间。公式3为抗压强度Rc求解式：

式（3）中：Fc为破坏时的最大荷载（N）；A为受压部分面积（mm2）。

4 聚合物试验结果与分析

4.1 聚合物凝结时间

本次试验测试了多个碱含量、碱激发剂模数和水灰比参数组合，对应的聚合物注浆材料初凝、终凝时间，具体试验数据见表2。

表2 不同碱含量、模数和水灰比对应的聚合物注浆料凝结时间

根据表2 可以看出；①水灰比、碱含量不变的情况下，聚合物注浆料初凝、终凝时间与模数成正比；②水灰比、模数不变的情况下，聚合物注浆料初凝、终凝时间与碱含量成反比；③碱含量、模数不变的情况下，聚合物注浆料初凝、终凝时间与水灰比成正比；④碱激发剂模数为1.40，水灰比0.29、碱含量6%、8%对应的聚合物注浆料初凝时间略低于标准初凝时间，其余各试验组均达到技术要求。

4.2 聚合物流动度

本次试验测试多个碱含量、碱激发剂模数和水灰比参数组合，对应的聚合物注浆料流动度具体试验数据见表3。

表3 不同碱含量、模数和水灰比对应的聚合物注浆料流动度

根据表3数据可以看出，流动度与模数、碱含量、水灰比成反比，且聚合物注浆料的流动度在水灰比为0.33时达到最佳。

4.3 聚合物膨胀率、泌水率

基于前两个试验结果确定的最佳模数、碱含量、水灰比测试聚合物注浆材料的泌水率、膨胀率，具体试验结果如表4、图3所示。

表4 不同碱激发剂模数-碱含量对应的聚合物注浆料泌水率

图3 不同碱激发剂模数-碱含量对应的聚合物注浆料膨胀率

根据表4 数据可知，模数为1.4 或1.6 时，浆料未泌水，模数1.8 时，浆料有轻微泌水。从图3 可以看出，聚合物注浆料膨胀作用较为明显，模数越大，聚合物注浆料膨胀率越大。模数1.6，碱含量8%时，聚合物注浆料膨胀率最大，当模数超过1.6 时，聚合物注浆料膨胀率便开始下降。

4.4 聚合物抗压强度

通过试验测试满足性能要求的聚合物注浆料的抗压强度，具体试验结果见图4。

通过图4 数据可知：抗压强度与浆料的养护龄期成正比；抗压强度与浆料的碱激活剂模数成反比。

图4 聚合物注浆料的抗压强度试验数据统计

4.5 聚合物浆料搅拌时间的影响

选择碱含量8%、水灰比0.33、碱激活剂模数1.6的聚合物注浆料作为试验对象，研究浆料的搅拌时间与浆料性能之间的关系，具体试验数据见表5。

根据表5 数据可知：浆料搅拌时间越长，其凝结速度越快，流动度越大；对比现行规范，搅拌时间为3min时，浆料的各项特性满足规范要求。

表5 浆料搅拌时间与浆料性能之间的关系

结合上述试验数据得到聚合物注浆料的最佳配合比∶矿渣∶粉煤灰∶偏高岭土=3∶5∶2；水灰比0.33；碱激发剂模数1.6，掺量为8%；搅拌时长为3 分钟。

5 结语

沥青路面病害治理采用早强型聚合物注浆技术与传统开挖处治方案对比，具有良好的病害治理效果，不仅减少工程造价，且施工进展快，对交通影响小，社会效益显著。文章首先初步确定聚合物注浆料的配合比，对不同碱激活剂模数、碱含量、水灰比下聚合物注浆料的凝结时间、流动度、膨胀率、泌水率、抗压强度、搅拌时间等性能指标进行试验分析，以确定最佳配合比，并明确浆料搅拌时间与浆料性能之间的关系。试验结果表明，聚合物注浆料的最佳配合比为：碱激活剂模数1.6，碱含量8%，水灰比0.33，搅拌时间3min，此参数作为推荐值满足工程要求。