水泥混凝土路面脫空修復灌漿材料發展概況

郝躍武

(四川麗攀高速公路有限責任公司,四川成都 610000)

?

水泥混凝土路面脫空修復灌漿材料發展概況

郝躍武

(四川麗攀高速公路有限責任公司,四川成都 610000)

文章對灌漿技術和灌漿材料的性能要求進行了概述，介紹了常見的有機灌漿材料和無機灌漿材料，并概述了各種材料的特點。對已應用于工程實際的幾種滿足綠色、環保要求的水泥混凝土路面灌漿材料進行了介紹，并結合灌漿材料的特點和當前對灌漿材料綠色、環保的要求，對今后水泥混凝土路面灌漿材料的發展趨勢作了分析。

水泥混凝土路面； 脫空； 有機灌漿材料； 無機灌漿材料

我國自20世紀80年代開始大面積修建水泥混凝土路面，但隨著經濟的迅速發展，交通量急劇增加，并且車輛超載問題一直無法得到有效解決，再加上道路設計、施工和養護等原因，使混凝土路面出現很多與路面板板底脫空有關的病害，如裂縫、唧泥、破碎等，嚴重影響了道路的正常使用和行車安全。因此，必須對水泥混凝土路面板板底脫空位置及時采取補救措施，以避免病害的進一步發展。灌漿是當前在水泥混凝土路面板板底脫空處理中一種有效的修復和補強手段，廣泛應用于水泥混凝土路面脫空處治中。

1 灌漿技術

灌漿就是采用特定的壓送設備，將特定材料配制成的漿液灌入地層或縫隙中，并使漿液擴散、膠凝或固化，進行地層堵水或加固等的施工技術，灌漿技術有3種。

(1)滲透灌漿：在不破壞地層顆粒結構的情況下，以滲透的方式使漿液滲入孔隙中，填充顆粒間隙并膠結成整體的灌漿方式。

(2)壓密灌漿：是采用特制的高壓泵將粘度高、流動性低的漿液灌入地層，并在灌漿處形成漿泡壓縮周圍土體，使土體產生塑性變形，取代灌漿范圍內的土體。

(3)劈裂灌漿：劈裂灌漿需要采用一定的措施，擠密土體，當壓力達到或超過一定的限度時，漿液會對土體產生劈裂作用，在灌漿孔周圍形成條帶狀或網狀膠結體，并通過膠結體的骨架作用加固土體。

2 灌漿材料

當前，灌漿材料大體可分為有機類和無機類兩大類。有機灌漿材料主要是一些高分子聚合物，如環氧樹脂類材料、聚氨脂類材料等；無機灌漿材料主要是水泥漿類材料。灌漿材料需要具有相當高的性能要求，特別是漿體材料需要在灌漿硬化后具有無收縮乃至微膨脹性能，對膨脹劑種類和劑量的選用有較高的要求。只有當漿體材料滿足具有自流淌密實性、早期強度高、無離析、無泌水和無收縮等要求之后，通過灌漿施工才能對脫空的水泥混凝土路面真正地起到加固作用，否則甚至會導致路面使用性能的進一步下降。

2.1 有機灌漿材料

1884年，英國人豪斯古德首次采用化學藥品固砂；1887年，佐斯基通過在兩個相鄰孔中分別注入水玻璃和氯化鈣溶液的方法創造了硅化法，并獲得專利，開啟了化學灌漿材料的應用；1920年，荷蘭人尤斯登論證了化學注漿的可靠性，獲得了水玻璃+氯化鈣的雙液雙系統的注入式灌漿專利，并且由于水玻璃具有價格便宜、無毒等優點，這種灌漿方式得到了很快的發展[1]。隨著技術的進步，有機高分子灌漿材料出現并在工程中得到大量應用。

2.1.1 環氧樹脂灌漿材料

環氧樹脂灌漿材料的主要成分有環氧樹脂加固化劑、稀釋劑、促進劑、增塑劑等，具有強度高、黏結力強、收縮小和能在常溫下固化等優點，同時也具有黏度較高和可灌注性不強的缺點。環氧樹脂灌漿材料是當前應用得最多的有機灌漿材料。

當前主要采用大量添加有機溶劑和對環氧樹脂類材料進行改性兩種途徑來解決環氧樹脂灌漿材料存在的缺點，但是有機溶劑的大量使用會污染環境，因此當前主要采用對環氧樹脂進行改性的方式。如曹珂等[2]通過對環氧樹脂進行改性，提高了漿液的可灌注性，使漿液能夠適用于灌注細小的混凝土裂縫，并且漿液初期強度高，可以應用在具有早強要求和寒冷地區的工程灌漿施工上；何光宇等[3]開發的YDS-30型高滲透環氧灌漿材料可以在較高溫度環境下仍能保持高滲透性能，可以應用于熱水區域灌漿處理工程中。

2.1.2 丙烯酸鹽灌漿材料

丙烯酸鹽灌漿材料是通過在過量的金屬氧化物、氫氧化物和丙烯酸反應生成的丙烯酸鹽混合物中加入不同材料生成的一種低黏度灌漿材料。具有黏度低、可灌注性好、凝結時間可控、凝膠滲透系數低、抗擠出能力強等優點，常用于混凝土裂縫補強灌漿。但是丙烯酸鹽類灌漿材料的凝膠強度較低、收縮大、在有水的情況下不固化，當與水泥混用時，存在穩定性不易控制的缺點。

2.1.3 聚氨酯灌漿材料

聚氨酯灌漿材料是由聚氨酯預聚體與添加劑(催化劑、發泡劑、阻燃劑等)組成的灌漿材料。聚氨酯灌漿材料防滲性能好，具有一定的強度，是良好的防滲和加固材料。按親水能力的不同，聚氨酯灌漿材料可以分為油溶性和水溶性兩種類型，其中油溶性聚氨酯材料會在反應生成中會產生大量的CO2氣體，導致漿液擴散，進而增強灌漿效果，主要用于結構加固補強；水溶性聚氨酯材料有很強的形變能力，但會在失水后收縮、吸水后恢復。但是，聚氨酯預聚體中殘留的多異氰酸酯為劇毒物質，會對工作人員和環境造成污染，并且難于存儲。

2.1.4 木質素灌漿材料

木質素是以亞硫酸鹽紙漿為主劑，過硫酸銨為固化劑的無毒防滲堵水材料，其優點是可利用紙廠廢液，價格低廉，膠凝時間可控；缺點是強度低，且對人體皮膚有害，采用重鉻酸鹽作為膠凝劑則會對環境產生污染。

2.2 無機灌漿材料

無機灌漿材料主要是指水泥基灌漿材料，由水泥、集料(或不含集料)、外加劑及其他材料，經加水拌合均勻后，具有一定的流動性、微膨脹、早期和后期強度、不泌水等性能。

2.2.1 硅酸鹽水泥基灌漿材料

硅酸鹽水泥基灌漿材料是采用普通硅酸鹽水泥、摻合料與水混合制備而成的灌漿材料，具有凝結快、早期強度高、抗凍性能好、水化熱高等特點，但抗水性和耐化學腐蝕性較差。硅酸鹽水泥灌漿材料通常適用于一般地上工程、重要結構的高強混凝土、預應力混凝土工程、冬季施工及嚴寒地區易遭受反復冰凍的工程、不受侵蝕水作用的地下工程、水中工程和不受高水壓作用的工程，是當前使用較為廣泛的一種灌漿材料。

2.2.2 硫鋁酸鹽水泥基灌漿材料

硫鋁酸鹽水泥是由鋁礬土經低溫燒制、磨細制成，硫鋁酸鹽水泥熟料比起普通硅酸鹽水泥熟料的易磨性好，所需的粉磨電耗也較低，是一種低碳材料。其具有早期強度發展快、結構致密、干燥收縮小和抗硫酸鹽腐蝕等優點，當前已經廣泛應用于混凝土冬期施工、快速修補材料、噴錨支護和要求抗滲等工程。但是硫鋁酸鹽水泥制備需要消耗鋁礬土資源，限制了硫鋁酸鹽水泥的應用。因此，國內外學者嘗試采用含鋁工業廢料如鋁渣[4]、粉煤灰和赤泥[5]等部分或全部取代鋁礬土制備硫鋁酸鹽水泥，取得了一定的效果。

2.2.3 硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥復合的水泥基灌漿材料

桑國臣等[6]采用硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥復合制備得到無收縮灌漿材料，具有凝結時間可控、早強、高強、后期強度持續穩定增長、適宜的流動性等特性。雖然此類灌漿材料的研究資料并不少見，但是由于該類材料的快硬、早強、高強、高流動性、高保塑性、適宜膨脹性和穩定性等特性，使得該類灌漿材料的施工操作性降低，再加上成本等因素，導致該類灌漿材料的市售產品并不多見。

2.2.4 水泥基水性環氧樹脂灌漿材料

水泥基水性環氧樹脂灌漿材料通常是在環氧改性水泥砂漿的基礎上開發改進而來的，也稱為環氧樹脂灌漿材料。環氧樹脂與水泥混合配制的灌漿材料具有諸多優異性能，主要有：(1)工藝性能良好。水泥基水性環氧樹脂易與固化劑、粉料攪拌均勻，從而獲得適宜固化速度和稠度；(2)粘結強度高。由于環氧樹脂分子結構中含有的羥基、醚基和環氧基等，均能夠較好地與多種被粘物質表面發生化學反應，使得灌漿材料具有較強的粘結強度；(3)收縮性小。由于環氧樹脂與固化劑反應時無副產物產生、不產生氣體，因此水泥基水性環氧樹脂灌漿材料固化收縮性小；(4)化學穩定性好。水泥基水性環氧樹脂灌漿材料在酸、堿和大部分有機溶劑中均具有較好的穩定性和化學耐蝕性；(5)力學強度高。在固化劑的作用下，環氧樹脂能夠反應生成交聯致密的網狀結構，提高了灌漿材料的力學性能；(6)抗滲性能好。環氧樹脂固化后孔隙率小、吸水性和濕氣傳遞能力差。

3 新型灌漿材料

當前，有機化學灌漿材料和無機灌漿材料已經雖然發展成熟，但是對灌漿材料綠色、環保要求的不斷提高，多種滿足綠色、環保要求，并符合灌漿材料性能要求的新型灌漿材料被研制并應用于實際工程中。

3.1 橡膠粉水泥砂漿灌漿材料

橡膠粉水泥砂漿灌漿材料是采用橡膠粉作為細集料摻入水泥砂漿中制成的灌漿材料。橡膠粉是利用汽車廢棄輪胎加工處理得到，屬于固體廢物資源化利用，并且在水泥砂漿中摻入橡膠粉可以節省部分水泥、粗細集料及礦物摻合料也降低灌漿材料成本。李艷春等[7]研究表明摻入橡膠粉能夠抑制水泥砂漿的干縮，提高砂漿的抗凍性能，有利于水泥混凝土板底脫空的治理。

3.2 工業廢渣灌漿材料

現在大多使用水泥基灌漿材料，但是水泥生產需要消耗大量的能源和石灰石等礦產資源，與當前的綠色、環保概念不符。所以，富含硅鋁等活性元素的工業廢棄物被用作原料來生產新型綠色、環保的無機灌漿材料，用工業廢棄物生產灌漿材料可以緩解大量工業廢渣排放對生態環境的壓力，并且可以降低能耗。

殷素紅[8]開展了堿激發碳酸鹽礦凝膠-灌漿材料的研究，通過試驗研究證明該類灌漿材料是可以滿足要求，是一種利廢、節能、低污染的新型綠色膠凝材料。

王朝強等[9]采用粉煤灰作為原料，用NaOH和天然硬石膏混合作為激發劑，制備了新型綠色防滅火灌漿材料，并通過對灌漿材料物理性能的研究確定了其最佳配合比。

霍利強[10]以粉煤灰、礦渣、普通硅酸鹽水泥為原料，并摻入自制的外加劑，制備了大流動值早強、高強、高性能的綠色灌漿材料，并確定了制備原料的最佳配合比。

高英力等[11]采用電廠廢料-濕排粉煤灰和脫硫石膏與水泥摻和，制備了脫硫石膏-濕排粉煤灰-水泥灌漿材料，這種新型灌漿材料具有優良的流動性，24h抗壓強度可以達到15MPa，并且由于脫硫石膏的膨脹效應，使得灌漿材料出現明顯的早期膨脹效應。

磷渣是黃磷生產時排出的工業廢渣，大量堆放會占用土地資源，并且磷渣中的有害成分會通過雨水等滲入土體及地下水，對環境造成污染。因此拓展磷渣在灌漿材料中的應用，對環境保護具有重要意義。周代軍[12]采用正交設計方法確定了摻磷渣水泥基灌漿材料的合理配合比，得到水化放熱量少、早期強度發展快、初始缺陷少、微膨脹或無收縮的磷渣水泥基灌漿材料。

水泥-磷渣-膨脹劑復合灌漿材料是采用磷渣作為摻合料，取代部分水泥配制的水泥基灌漿砂漿。李海濤等[13]采用正交設計法對水泥-磷渣-膨脹劑復合灌漿材料的配合比進行了優化研究，當磷渣摻量為25 %時所得灌漿材料的性能最優并可滿足水泥基灌漿材料的技術要求，并且可以有效降低灌漿砂漿的生產成本；陳怡宏等[14]通過試驗研究了磷渣、早強劑、膨脹劑對灌漿砂漿的性能影響，研究認為水泥-磷渣-膨脹劑復合膠凝材料水化放熱速率低且放熱量小平均孔徑和最可幾孔徑較小，孔徑分布合理，適用于配制灌漿砂漿。

3.3 纖維增強灌漿材料

由于傳統的灌漿材料強度有限，可以通過在灌漿材料中摻入纖維制備纖維增強灌漿材料，當前已有學者在這方面開展了研究。王剛等[15]通過在灌漿材料中添加碳纖維制備了碳纖維增強型灌漿材料，碳纖維使水泥漿液的流動度降低，但是有效提高了漿液結石體的抗折強度。馬銀華等[16]在水泥漿中摻入聚丙烯纖維制備了具有高流動性的聚丙烯纖維增強水泥漿灌漿材料。

4 結束語

隨著科技的進步和經濟的發展，灌漿材料種類越來越多，但是有機灌漿材料存在毒性、無機灌漿材料耗能、環境污染較大。因此，蔣碩忠等[17]提出選用灌漿材料時，能用水泥灌漿材料解決問題的絕不用化學灌漿材料，在工程基礎允許并滿足工程質量要求的前提下，選用化學漿材應首選無毒性、無環境污染的材料，如水玻璃等。

新型綠色、環保的灌漿材料將是今后發展的重點，但是水泥混凝土路面通常脫空區域較大，如采用綠色無毒的化學灌漿材料處理，所需費用較高。因此，相對廉價的無機灌漿材料在水泥混凝土路面脫空處理中更有優勢，特別是能夠促進工業廢棄物回收利用的堿激發地聚物膠凝材料，在灌漿材料中有著光明的應用前景。但是這些新型灌漿材料當前除需要在試驗室中對其性能進行全面的試驗測試外，還有待在大量的實際工程中檢驗。

[1]LittleJoneG.S.ChemicalGrouting[J].GroundEngineering. 1995(2):31-34.

[2] 曹珂.環氧樹脂灌漿液改性研究[M]//汪在芹， 屈高見, 徐明杰. 復雜地基化學灌漿技術. 中國電力出版社, 2012.

[3] 何光宇,鐘語超,巴光明,等.大崗山水電站防滲帷幕科研試驗區的化灌設計與選材[J].廣州化學, 2012,37(4):1-6.

[4] 刁江京,辛志軍,張秋英.硫鋁酸鹽水泥的生產與應用[M].北京:中國建材工業出版社, 2006.

[5]ValentiG.L.,etal.Synthesis,hydrationpropertiesandenvironmentallyfriendlyfeaturesofcalciumsulfoaluminatecements[C].ICCC.Montréal,Canada. 2007.

[6] 桑國臣,劉加平.水泥基無收縮復合灌漿料的實驗研究[J].新型建筑材料,2007(12):4-7.

[7] 李艷春,高坤,張銀超.橡膠粉砂漿作為板底脫空灌漿材料的試驗研究[J].混凝土,2015(12):117-119.

[8] 殷素紅.堿激發碳酸鹽礦膠凝-灌漿材料的研究[D].華南理工大學，2004.

[9] 王朝強,譚克鋒,黎澤明,等.粉煤灰基灌漿材料的制備及性能[J].材料科學與工程學報，2013,31(6):919-923.

[10] 霍利強.綠色高強高性能灌漿材料研究[J].混凝土，2013(1):114-116.

[11] 高英力,陳瑜,王盛銘,等.脫硫石膏-濕排粉煤灰-水泥壓漿材料制備與基本力學性能研究[C]//高強與高性能混凝土及其應用-第七屆全國高強與高性能混凝土學術交流會論文集, 2010:251-256.

[12] 周代軍.磷渣摻合料在水泥基灌漿材料中的應用研究[D].重慶大學，2012.

[13] 李海濤,吳芳,周代軍,等.水泥-磷渣-膨脹劑復合膠凝材料灌漿砂漿的配制[J].重慶建筑, 2015,14(1):57-60.

[14] 陳怡宏,吳芳,周代軍,等. 水泥-磷渣-膨脹劑復合膠凝材料灌漿砂漿性能研究[J].重慶建筑，2014,13(12):33-36.

[15] 王剛,裴向軍,楊珂.碳纖維增強型灌漿材料實驗研究[J].地質災害與環境保護，2013,24(3):109-112.

[16] 馬銀華,胡凱,梁影,等.PPFRCP灌漿材料的優化選型及工作性能研究[J].武漢理工大學學報， 2014,36(10):57-62.

[17] 蔣碩忠,李長生,譚日升,等.化學灌漿與環境保護[J].長江科學院院報，2000,17(6):45-46.

郝躍武(1986～)，男，本科，助理工程師，從事交通工程建設管理工作。

U418.6

B

[定稿日期]2017-01-09