郝躍武
(四川麗攀高速公路有限責(zé)任公司,四川成都 610000)
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水泥混凝土路面脫空修復(fù)灌漿材料發(fā)展概況
郝躍武
(四川麗攀高速公路有限責(zé)任公司,四川成都 610000)
文章對(duì)灌漿技術(shù)和灌漿材料的性能要求進(jìn)行了概述,介紹了常見的有機(jī)灌漿材料和無機(jī)灌漿材料,并概述了各種材料的特點(diǎn)。對(duì)已應(yīng)用于工程實(shí)際的幾種滿足綠色、環(huán)保要求的水泥混凝土路面灌漿材料進(jìn)行了介紹,并結(jié)合灌漿材料的特點(diǎn)和當(dāng)前對(duì)灌漿材料綠色、環(huán)保的要求,對(duì)今后水泥混凝土路面灌漿材料的發(fā)展趨勢(shì)作了分析。
水泥混凝土路面; 脫空; 有機(jī)灌漿材料; 無機(jī)灌漿材料
我國(guó)自20世紀(jì)80年代開始大面積修建水泥混凝土路面,但隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)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(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)等原因,使混凝土路面出現(xiàn)很多與路面板板底脫空有關(guān)的病害,如裂縫、唧泥、破碎等,嚴(yán)重影響了道路的正常使用和行車安全。因此,必須對(duì)水泥混凝土路面板板底脫空位置及時(shí)采取補(bǔ)救措施,以避免病害的進(jìn)一步發(fā)展。灌漿是當(dāng)前在水泥混凝土路面板板底脫空處理中一種有效的修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)手段,廣泛應(yīng)用于水泥混凝土路面脫空處治中。
灌漿就是采用特定的壓送設(shè)備,將特定材料配制成的漿液灌入地層或縫隙中,并使?jié){液擴(kuò)散、膠凝或固化,進(jìn)行地層堵水或加固等的施工技術(shù),灌漿技術(shù)有3種。
(1)滲透灌漿:在不破壞地層顆粒結(jié)構(gòu)的情況下,以滲透的方式使?jié){液滲入孔隙中,填充顆粒間隙并膠結(jié)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(dòng)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(chǎn)生塑性變形,取代灌漿范圍內(nèi)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(dāng)壓力達(dá)到或超過一定的限度時(shí),漿液會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生劈裂作用,在灌漿孔周圍形成條帶狀或網(wǎng)狀膠結(jié)體,并通過膠結(jié)體的骨架作用加固土體。
當(dāng)前,灌漿材料大體可分為有機(jī)類和無機(jī)類兩大類。有機(jī)灌漿材料主要是一些高分子聚合物,如環(huán)氧樹脂類材料、聚氨脂類材料等;無機(jī)灌漿材料主要是水泥漿類材料。灌漿材料需要具有相當(dāng)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(duì)膨脹劑種類和劑量的選用有較高的要求。只有當(dāng)漿體材料滿足具有自流淌密實(shí)性、早期強(qiáng)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(duì)脫空的水泥混凝土路面真正地起到加固作用,否則甚至?xí)?dǎo)致路面使用性能的進(jìn)一步下降。
2.1 有機(jī)灌漿材料
1884年,英國(guó)人豪斯古德首次采用化學(xué)藥品固砂;1887年,佐斯基通過在兩個(gè)相鄰孔中分別注入水玻璃和氯化鈣溶液的方法創(chuàng)造了硅化法,并獲得專利,開啟了化學(xué)灌漿材料的應(yīng)用;1920年,荷蘭人尤斯登論證了化學(xué)注漿的可靠性,獲得了水玻璃+氯化鈣的雙液雙系統(tǒng)的注入式灌漿專利,并且由于水玻璃具有價(jià)格便宜、無毒等優(yōu)點(diǎn),這種灌漿方式得到了很快的發(fā)展[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步,有機(jī)高分子灌漿材料出現(xiàn)并在工程中得到大量應(yīng)用。
2.1.1 環(huán)氧樹脂灌漿材料
環(huán)氧樹脂灌漿材料的主要成分有環(huán)氧樹脂加固化劑、稀釋劑、促進(jìn)劑、增塑劑等,具有強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)、收縮小和能在常溫下固化等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也具有黏度較高和可灌注性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。環(huán)氧樹脂灌漿材料是當(dāng)前應(yīng)用得最多的有機(jī)灌漿材料。
當(dāng)前主要采用大量添加有機(jī)溶劑和對(duì)環(huán)氧樹脂類材料進(jìn)行改性兩種途徑來解決環(huán)氧樹脂灌漿材料存在的缺點(diǎn),但是有機(jī)溶劑的大量使用會(huì)污染環(huán)境,因此當(dāng)前主要采用對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性的方式。如曹珂等[2]通過對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性,提高了漿液的可灌注性,使?jié){液能夠適用于灌注細(xì)小的混凝土裂縫,并且漿液初期強(qiáng)度高,可以應(yīng)用在具有早強(qiáng)要求和寒冷地區(qū)的工程灌漿施工上;何光宇等[3]開發(fā)的YDS-30型高滲透環(huán)氧灌漿材料可以在較高溫度環(huán)境下仍能保持高滲透性能,可以應(yīng)用于熱水區(qū)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(yīng)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(jié)時(shí)間可控、凝膠滲透系數(shù)低、抗擠出能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),常用于混凝土裂縫補(bǔ)強(qiáng)灌漿。但是丙烯酸鹽類灌漿材料的凝膠強(qiáng)度較低、收縮大、在有水的情況下不固化,當(dāng)與水泥混用時(shí),存在穩(wěn)定性不易控制的缺點(diǎn)。
2.1.3 聚氨酯灌漿材料
聚氨酯灌漿材料是由聚氨酯預(yù)聚體與添加劑(催化劑、發(fā)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(qiáng)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(huì)在反應(yīng)生成中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2氣體,導(dǎo)致漿液擴(kuò)散,進(jìn)而增強(qiáng)灌漿效果,主要用于結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng);水溶性聚氨酯材料有很強(qiáng)的形變能力,但會(huì)在失水后收縮、吸水后恢復(fù)。但是,聚氨酯預(yù)聚體中殘留的多異氰酸酯為劇毒物質(zhì),會(huì)對(duì)工作人員和環(huán)境造成污染,并且難于存儲(chǔ)。
2.1.4 木質(zhì)素灌漿材料
木質(zhì)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(yōu)點(diǎn)是可利用紙廠廢液,價(jià)格低廉,膠凝時(shí)間可控;缺點(diǎn)是強(qiáng)度低,且對(duì)人體皮膚有害,采用重鉻酸鹽作為膠凝劑則會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。
2.2 無機(jī)灌漿材料
無機(jī)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(jīng)加水拌合均勻后,具有一定的流動(dòng)性、微膨脹、早期和后期強(qiáng)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(jié)快、早期強(qiáng)度高、抗凍性能好、水化熱高等特點(diǎn),但抗水性和耐化學(xué)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(jié)構(gòu)的高強(qiáng)混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土工程、冬季施工及嚴(yán)寒地區(qū)易遭受反復(fù)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(dāng)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(jīng)低溫?zé)?、磨?xì)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(qiáng)度發(fā)展快、結(jié)構(gòu)致密、干燥收縮小和抗硫酸鹽腐蝕等優(yōu)點(diǎn),當(dāng)前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于混凝土冬期施工、快速修補(bǔ)材料、噴錨支護(hù)和要求抗?jié)B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(yīng)用。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試采用含鋁工業(yè)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(fù)合的水泥基灌漿材料
桑國(guó)臣等[6]采用硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥復(fù)合制備得到無收縮灌漿材料,具有凝結(jié)時(shí)間可控、早強(qiáng)、高強(qiáng)、后期強(qiáng)度持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)、適宜的流動(dòng)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(qiáng)、高強(qiáng)、高流動(dòng)性、高保塑性、適宜膨脹性和穩(wěn)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(dǎo)致該類灌漿材料的市售產(chǎn)品并不多見。
2.2.4 水泥基水性環(huán)氧樹脂灌漿材料
水泥基水性環(huán)氧樹脂灌漿材料通常是在環(huán)氧改性水泥砂漿的基礎(chǔ)上開發(fā)改進(jìn)而來的,也稱為環(huán)氧樹脂灌漿材料。環(huán)氧樹脂與水泥混合配制的灌漿材料具有諸多優(yōu)異性能,主要有:(1)工藝性能良好。水泥基水性環(huán)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(jié)強(qiáng)度高。由于環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中含有的羥基、醚基和環(huán)氧基等,均能夠較好地與多種被粘物質(zhì)表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使得灌漿材料具有較強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度;(3)收縮性小。由于環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)時(shí)無副產(chǎn)物產(chǎn)生、不產(chǎn)生氣體,因此水泥基水性環(huán)氧樹脂灌漿材料固化收縮性??;(4)化學(xué)穩(wěn)定性好。水泥基水性環(huán)氧樹脂灌漿材料在酸、堿和大部分有機(jī)溶劑中均具有較好的穩(wěn)定性和化學(xué)耐蝕性;(5)力學(xué)強(qiáng)度高。在固化劑的作用下,環(huán)氧樹脂能夠反應(yīng)生成交聯(lián)致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高了灌漿材料的力學(xué)性能;(6)抗?jié)B性能好。環(huán)氧樹脂固化后孔隙率小、吸水性和濕氣傳遞能力差。
當(dāng)前,有機(jī)化學(xué)灌漿材料和無機(jī)灌漿材料已經(jīng)雖然發(fā)展成熟,但是對(duì)灌漿材料綠色、環(huán)保要求的不斷提高,多種滿足綠色、環(huán)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(yīng)用于實(shí)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(xì)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(jié)省部分水泥、粗細(xì)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(yè)廢渣灌漿材料
現(xiàn)在大多使用水泥基灌漿材料,但是水泥生產(chǎn)需要消耗大量的能源和石灰石等礦產(chǎn)資源,與當(dāng)前的綠色、環(huán)保概念不符。所以,富含硅鋁等活性元素的工業(yè)廢棄物被用作原料來生產(chǎn)新型綠色、環(huán)保的無機(jī)灌漿材料,用工業(yè)廢棄物生產(chǎn)灌漿材料可以緩解大量工業(yè)廢渣排放對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力,并且可以降低能耗。
殷素紅[8]開展了堿激發(fā)碳酸鹽礦凝膠-灌漿材料的研究,通過試驗(yàn)研究證明該類灌漿材料是可以滿足要求,是一種利廢、節(jié)能、低污染的新型綠色膠凝材料。
王朝強(qiáng)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(fā)劑,制備了新型綠色防滅火灌漿材料,并通過對(duì)灌漿材料物理性能的研究確定了其最佳配合比。
霍利強(qiáng)[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(dòng)值早強(qiáng)、高強(qiáng)、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(yōu)良的流動(dòng)性,24h抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到15MPa,并且由于脫硫石膏的膨脹效應(yīng),使得灌漿材料出現(xiàn)明顯的早期膨脹效應(yīng)。
磷渣是黃磷生產(chǎn)時(shí)排出的工業(yè)廢渣,大量堆放會(huì)占用土地資源,并且磷渣中的有害成分會(huì)通過雨水等滲入土體及地下水,對(duì)環(huán)境造成污染。因此拓展磷渣在灌漿材料中的應(yīng)用,對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。周代軍[12]采用正交設(shè)計(jì)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(qiáng)度發(fā)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(fù)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(shè)計(jì)法對(duì)水泥-磷渣-膨脹劑復(fù)合灌漿材料的配合比進(jìn)行了優(yōu)化研究,當(dāng)磷渣摻量為25 %時(shí)所得灌漿材料的性能最優(yōu)并可滿足水泥基灌漿材料的技術(shù)要求,并且可以有效降低灌漿砂漿的生產(chǎn)成本;陳怡宏等[14]通過試驗(yàn)研究了磷渣、早強(qiáng)劑、膨脹劑對(duì)灌漿砂漿的性能影響,研究認(rèn)為水泥-磷渣-膨脹劑復(fù)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(qiáng)灌漿材料
由于傳統(tǒng)的灌漿材料強(qiáng)度有限,可以通過在灌漿材料中摻入纖維制備纖維增強(qiáng)灌漿材料,當(dāng)前已有學(xué)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(qiáng)型灌漿材料,碳纖維使水泥漿液的流動(dòng)度降低,但是有效提高了漿液結(jié)石體的抗折強(qiáng)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(dòng)性的聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥漿灌漿材料。
隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,灌漿材料種類越來越多,但是有機(jī)灌漿材料存在毒性、無機(jī)灌漿材料耗能、環(huán)境污染較大。因此,蔣碩忠等[17]提出選用灌漿材料時(shí),能用水泥灌漿材料解決問題的絕不用化學(xué)灌漿材料,在工程基礎(chǔ)允許并滿足工程質(zhì)量要求的前提下,選用化學(xué)漿材應(yīng)首選無毒性、無環(huán)境污染的材料,如水玻璃等。
新型綠色、環(huán)保的灌漿材料將是今后發(fā)展的重點(diǎn),但是水泥混凝土路面通常脫空區(qū)域較大,如采用綠色無毒的化學(xué)灌漿材料處理,所需費(fèi)用較高。因此,相對(duì)廉價(jià)的無機(jī)灌漿材料在水泥混凝土路面脫空處理中更有優(yōu)勢(shì),特別是能夠促進(jìn)工業(yè)廢棄物回收利用的堿激發(fā)地聚物膠凝材料,在灌漿材料中有著光明的應(yīng)用前景。但是這些新型灌漿材料當(dāng)前除需要在試驗(yàn)室中對(duì)其性能進(jìn)行全面的試驗(yàn)測(cè)試外,還有待在大量的實(shí)際工程中檢驗(yàn)。
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郝躍武(1986~),男,本科,助理工程師,從事交通工程建設(shè)管理工作。
U418.6
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[定稿日期]2017-01-09