水泥混凝土路面脱空修复灌浆材料发展概况

时间：2024-07-28

郝跃武

(四川丽攀高速公路有限责任公司,四川成都 610000)

水泥混凝土路面脱空修复灌浆材料发展概况

郝跃武

(四川丽攀高速公路有限责任公司,四川成都 610000)

文章对灌浆技术和灌浆材料的性能要求进行了概述，介绍了常见的有机灌浆材料和无机灌浆材料，并概述了各种材料的特点。对已应用于工程实际的几种满足绿色、环保要求的水泥混凝土路面灌浆材料进行了介绍，并结合灌浆材料的特点和当前对灌浆材料绿色、环保的要求，对今后水泥混凝土路面灌浆材料的发展趋势作了分析。

水泥混凝土路面；脱空；有机灌浆材料；无机灌浆材料

我国自20世纪80年代开始大面积修建水泥混凝土路面，但随着经济的迅速发展，交通量急剧增加，并且车辆超载问题一直无法得到有效解决，再加上道路设计、施工和养护等原因，使混凝土路面出现很多与路面板板底脱空有关的病害，如裂缝、唧泥、破碎等，严重影响了道路的正常使用和行车安全。因此，必须对水泥混凝土路面板板底脱空位置及时采取补救措施，以避免病害的进一步发展。灌浆是当前在水泥混凝土路面板板底脱空处理中一种有效的修复和补强手段，广泛应用于水泥混凝土路面脱空处治中。

1 灌浆技术

灌浆就是采用特定的压送设备，将特定材料配制成的浆液灌入地层或缝隙中，并使浆液扩散、胶凝或固化，进行地层堵水或加固等的施工技术，灌浆技术有3种。

(1)渗透灌浆：在不破坏地层颗粒结构的情况下，以渗透的方式使浆液渗入孔隙中，填充颗粒间隙并胶结成整体的灌浆方式。

(2)压密灌浆：是采用特制的高压泵将粘度高、流动性低的浆液灌入地层，并在灌浆处形成浆泡压缩周围土体，使土体产生塑性变形，取代灌浆范围内的土体。

(3)劈裂灌浆：劈裂灌浆需要采用一定的措施，挤密土体，当压力达到或超过一定的限度时，浆液会对土体产生劈裂作用，在灌浆孔周围形成条带状或网状胶结体，并通过胶结体的骨架作用加固土体。

2 灌浆材料

当前，灌浆材料大体可分为有机类和无机类两大类。有机灌浆材料主要是一些高分子聚合物，如环氧树脂类材料、聚氨脂类材料等；无机灌浆材料主要是水泥浆类材料。灌浆材料需要具有相当高的性能要求，特别是浆体材料需要在灌浆硬化后具有无收缩乃至微膨胀性能，对膨胀剂种类和剂量的选用有较高的要求。只有当浆体材料满足具有自流淌密实性、早期强度高、无离析、无泌水和无收缩等要求之后，通过灌浆施工才能对脱空的水泥混凝土路面真正地起到加固作用，否则甚至会导致路面使用性能的进一步下降。

2.1 有机灌浆材料

1884年，英国人豪斯古德首次采用化学药品固砂；1887年，佐斯基通过在两个相邻孔中分别注入水玻璃和氯化钙溶液的方法创造了硅化法，并获得专利，开启了化学灌浆材料的应用；1920年，荷兰人尤斯登论证了化学注浆的可靠性，获得了水玻璃+氯化钙的双液双系统的注入式灌浆专利，并且由于水玻璃具有价格便宜、无毒等优点，这种灌浆方式得到了很快的发展[1]。随着技术的进步，有机高分子灌浆材料出现并在工程中得到大量应用。

2.1.1 环氧树脂灌浆材料

环氧树脂灌浆材料的主要成分有环氧树脂加固化剂、稀释剂、促进剂、增塑剂等，具有强度高、黏结力强、收缩小和能在常温下固化等优点，同时也具有黏度较高和可灌注性不强的缺点。环氧树脂灌浆材料是当前应用得最多的有机灌浆材料。

当前主要采用大量添加有机溶剂和对环氧树脂类材料进行改性两种途径来解决环氧树脂灌浆材料存在的缺点，但是有机溶剂的大量使用会污染环境，因此当前主要采用对环氧树脂进行改性的方式。如曹珂等[2]通过对环氧树脂进行改性，提高了浆液的可灌注性，使浆液能够适用于灌注细小的混凝土裂缝，并且浆液初期强度高，可以应用在具有早强要求和寒冷地区的工程灌浆施工上；何光宇等[3]开发的YDS-30型高渗透环氧灌浆材料可以在较高温度环境下仍能保持高渗透性能，可以应用于热水区域灌浆处理工程中。

2.1.2 丙烯酸盐灌浆材料

丙烯酸盐灌浆材料是通过在过量的金属氧化物、氢氧化物和丙烯酸反应生成的丙烯酸盐混合物中加入不同材料生成的一种低黏度灌浆材料。具有黏度低、可灌注性好、凝结时间可控、凝胶渗透系数低、抗挤出能力强等优点，常用于混凝土裂缝补强灌浆。但是丙烯酸盐类灌浆材料的凝胶强度较低、收缩大、在有水的情况下不固化，当与水泥混用时，存在稳定性不易控制的缺点。

2.1.3 聚氨酯灌浆材料

聚氨酯灌浆材料是由聚氨酯预聚体与添加剂(催化剂、发泡剂、阻燃剂等)组成的灌浆材料。聚氨酯灌浆材料防渗性能好，具有一定的强度，是良好的防渗和加固材料。按亲水能力的不同，聚氨酯灌浆材料可以分为油溶性和水溶性两种类型，其中油溶性聚氨酯材料会在反应生成中会产生大量的CO2气体，导致浆液扩散，进而增强灌浆效果，主要用于结构加固补强；水溶性聚氨酯材料有很强的形变能力，但会在失水后收缩、吸水后恢复。但是，聚氨酯预聚体中残留的多异氰酸酯为剧毒物质，会对工作人员和环境造成污染，并且难于存储。

2.1.4 木质素灌浆材料

木质素是以亚硫酸盐纸浆为主剂，过硫酸铵为固化剂的无毒防渗堵水材料，其优点是可利用纸厂废液，价格低廉，胶凝时间可控；缺点是强度低，且对人体皮肤有害，采用重铬酸盐作为胶凝剂则会对环境产生污染。

2.2 无机灌浆材料

无机灌浆材料主要是指水泥基灌浆材料，由水泥、集料(或不含集料)、外加剂及其他材料，经加水拌合均匀后，具有一定的流动性、微膨胀、早期和后期强度、不泌水等性能。

2.2.1 硅酸盐水泥基灌浆材料

硅酸盐水泥基灌浆材料是采用普通硅酸盐水泥、掺合料与水混合制备而成的灌浆材料，具有凝结快、早期强度高、抗冻性能好、水化热高等特点，但抗水性和耐化学腐蚀性较差。硅酸盐水泥灌浆材料通常适用于一般地上工程、重要结构的高强混凝土、预应力混凝土工程、冬季施工及严寒地区易遭受反复冰冻的工程、不受侵蚀水作用的地下工程、水中工程和不受高水压作用的工程，是当前使用较为广泛的一种灌浆材料。

2.2.2 硫铝酸盐水泥基灌浆材料

硫铝酸盐水泥是由铝矾土经低温烧制、磨细制成，硫铝酸盐水泥熟料比起普通硅酸盐水泥熟料的易磨性好，所需的粉磨电耗也较低，是一种低碳材料。其具有早期强度发展快、结构致密、干燥收缩小和抗硫酸盐腐蚀等优点，当前已经广泛应用于混凝土冬期施工、快速修补材料、喷锚支护和要求抗渗等工程。但是硫铝酸盐水泥制备需要消耗铝矾土资源，限制了硫铝酸盐水泥的应用。因此，国内外学者尝试采用含铝工业废料如铝渣[4]、粉煤灰和赤泥[5]等部分或全部取代铝矾土制备硫铝酸盐水泥，取得了一定的效果。

2.2.3 硅酸盐水泥与铝酸盐水泥复合的水泥基灌浆材料

桑国臣等[6]采用硅酸盐水泥与铝酸盐水泥复合制备得到无收缩灌浆材料，具有凝结时间可控、早强、高强、后期强度持续稳定增长、适宜的流动性等特性。虽然此类灌浆材料的研究资料并不少见，但是由于该类材料的快硬、早强、高强、高流动性、高保塑性、适宜膨胀性和稳定性等特性，使得该类灌浆材料的施工操作性降低，再加上成本等因素，导致该类灌浆材料的市售产品并不多见。

2.2.4 水泥基水性环氧树脂灌浆材料

水泥基水性环氧树脂灌浆材料通常是在环氧改性水泥砂浆的基础上开发改进而来的，也称为环氧树脂灌浆材料。环氧树脂与水泥混合配制的灌浆材料具有诸多优异性能，主要有：(1)工艺性能良好。水泥基水性环氧树脂易与固化剂、粉料搅拌均匀，从而获得适宜固化速度和稠度；(2)粘结强度高。由于环氧树脂分子结构中含有的羟基、醚基和环氧基等，均能够较好地与多种被粘物质表面发生化学反应，使得灌浆材料具有较强的粘结强度；(3)收缩性小。由于环氧树脂与固化剂反应时无副产物产生、不产生气体，因此水泥基水性环氧树脂灌浆材料固化收缩性小；(4)化学稳定性好。水泥基水性环氧树脂灌浆材料在酸、碱和大部分有机溶剂中均具有较好的稳定性和化学耐蚀性；(5)力学强度高。在固化剂的作用下，环氧树脂能够反应生成交联致密的网状结构，提高了灌浆材料的力学性能；(6)抗渗性能好。环氧树脂固化后孔隙率小、吸水性和湿气传递能力差。

3 新型灌浆材料

当前，有机化学灌浆材料和无机灌浆材料已经虽然发展成熟，但是对灌浆材料绿色、环保要求的不断提高，多种满足绿色、环保要求，并符合灌浆材料性能要求的新型灌浆材料被研制并应用于实际工程中。

3.1 橡胶粉水泥砂浆灌浆材料

橡胶粉水泥砂浆灌浆材料是采用橡胶粉作为细集料掺入水泥砂浆中制成的灌浆材料。橡胶粉是利用汽车废弃轮胎加工处理得到，属于固体废物资源化利用，并且在水泥砂浆中掺入橡胶粉可以节省部分水泥、粗细集料及矿物掺合料也降低灌浆材料成本。李艳春等[7]研究表明掺入橡胶粉能够抑制水泥砂浆的干缩，提高砂浆的抗冻性能，有利于水泥混凝土板底脱空的治理。

3.2 工业废渣灌浆材料

现在大多使用水泥基灌浆材料，但是水泥生产需要消耗大量的能源和石灰石等矿产资源，与当前的绿色、环保概念不符。所以，富含硅铝等活性元素的工业废弃物被用作原料来生产新型绿色、环保的无机灌浆材料，用工业废弃物生产灌浆材料可以缓解大量工业废渣排放对生态环境的压力，并且可以降低能耗。

殷素红[8]开展了碱激发碳酸盐矿凝胶-灌浆材料的研究，通过试验研究证明该类灌浆材料是可以满足要求，是一种利废、节能、低污染的新型绿色胶凝材料。

王朝强等[9]采用粉煤灰作为原料，用NaOH和天然硬石膏混合作为激发剂，制备了新型绿色防灭火灌浆材料，并通过对灌浆材料物理性能的研究确定了其最佳配合比。

霍利强[10]以粉煤灰、矿渣、普通硅酸盐水泥为原料，并掺入自制的外加剂，制备了大流动值早强、高强、高性能的绿色灌浆材料，并确定了制备原料的最佳配合比。

高英力等[11]采用电厂废料-湿排粉煤灰和脱硫石膏与水泥掺和，制备了脱硫石膏-湿排粉煤灰-水泥灌浆材料，这种新型灌浆材料具有优良的流动性，24h抗压强度可以达到15MPa，并且由于脱硫石膏的膨胀效应，使得灌浆材料出现明显的早期膨胀效应。

磷渣是黄磷生产时排出的工业废渣，大量堆放会占用土地资源，并且磷渣中的有害成分会通过雨水等渗入土体及地下水，对环境造成污染。因此拓展磷渣在灌浆材料中的应用，对环境保护具有重要意义。周代军[12]采用正交设计方法确定了掺磷渣水泥基灌浆材料的合理配合比，得到水化放热量少、早期强度发展快、初始缺陷少、微膨胀或无收缩的磷渣水泥基灌浆材料。

水泥-磷渣-膨胀剂复合灌浆材料是采用磷渣作为掺合料，取代部分水泥配制的水泥基灌浆砂浆。李海涛等[13]采用正交设计法对水泥-磷渣-膨胀剂复合灌浆材料的配合比进行了优化研究，当磷渣掺量为25 %时所得灌浆材料的性能最优并可满足水泥基灌浆材料的技术要求，并且可以有效降低灌浆砂浆的生产成本；陈怡宏等[14]通过试验研究了磷渣、早强剂、膨胀剂对灌浆砂浆的性能影响，研究认为水泥-磷渣-膨胀剂复合胶凝材料水化放热速率低且放热量小平均孔径和最可几孔径较小，孔径分布合理，适用于配制灌浆砂浆。

3.3 纤维增强灌浆材料

由于传统的灌浆材料强度有限，可以通过在灌浆材料中掺入纤维制备纤维增强灌浆材料，当前已有学者在这方面开展了研究。王刚等[15]通过在灌浆材料中添加碳纤维制备了碳纤维增强型灌浆材料，碳纤维使水泥浆液的流动度降低，但是有效提高了浆液结石体的抗折强度。马银华等[16]在水泥浆中掺入聚丙烯纤维制备了具有高流动性的聚丙烯纤维增强水泥浆灌浆材料。

4 结束语

随着科技的进步和经济的发展，灌浆材料种类越来越多，但是有机灌浆材料存在毒性、无机灌浆材料耗能、环境污染较大。因此，蒋硕忠等[17]提出选用灌浆材料时，能用水泥灌浆材料解决问题的绝不用化学灌浆材料，在工程基础允许并满足工程质量要求的前提下，选用化学浆材应首选无毒性、无环境污染的材料，如水玻璃等。

新型绿色、环保的灌浆材料将是今后发展的重点，但是水泥混凝土路面通常脱空区域较大，如采用绿色无毒的化学灌浆材料处理，所需费用较高。因此，相对廉价的无机灌浆材料在水泥混凝土路面脱空处理中更有优势，特别是能够促进工业废弃物回收利用的碱激发地聚物胶凝材料，在灌浆材料中有着光明的应用前景。但是这些新型灌浆材料当前除需要在试验室中对其性能进行全面的试验测试外，还有待在大量的实际工程中检验。

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

[2] 曹珂.环氧树脂灌浆液改性研究[M]//汪在芹，屈高见, 徐明杰. 复杂地基化学灌浆技术. 中国电力出版社, 2012.

[3] 何光宇,钟语超,巴光明,等.大岗山水电站防渗帷幕科研试验区的化灌设计与选材[J].广州化学, 2012,37(4):1-6.

[4] 刁江京,辛志军,张秋英.硫铝酸盐水泥的生产与应用[M].北京:中国建材工业出版社, 2006.

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

[6] 桑国臣,刘加平.水泥基无收缩复合灌浆料的实验研究[J].新型建筑材料,2007(12):4-7.

[7] 李艳春,高坤,张银超.橡胶粉砂浆作为板底脱空灌浆材料的试验研究[J].混凝土,2015(12):117-119.

[8] 殷素红.碱激发碳酸盐矿胶凝-灌浆材料的研究[D].华南理工大学，2004.

[9] 王朝强,谭克锋,黎泽明,等.粉煤灰基灌浆材料的制备及性能[J].材料科学与工程学报，2013,31(6):919-923.

[10] 霍利强.绿色高强高性能灌浆材料研究[J].混凝土，2013(1):114-116.

[11] 高英力,陈瑜,王盛铭,等.脱硫石膏-湿排粉煤灰-水泥压浆材料制备与基本力学性能研究[C]//高强与高性能混凝土及其应用-第七届全国高强与高性能混凝土学术交流会论文集, 2010:251-256.

[12] 周代军.磷渣掺合料在水泥基灌浆材料中的应用研究[D].重庆大学，2012.