耐水型聚氨酯注浆材料性能研究及工程应用

潘友强，詹从明，李款，陈李峰

（1.江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏 南京 211806；2南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016）

0 引 言

随着高速公路沥青路面结构及铺装方案的发展，根据受力特点，公路基层主要包括刚性、半刚性及柔性基层，其中半刚性基层以其良好的强度、稳定性、抗压及抗剪性能而被广泛应用。随着运营年限的增长及行车载荷的作用，裂缝、唧浆、沉陷等路面问题逐渐显现，其中裂缝问题最为普遍，并对公路基层损坏严重[1-2]。

针对半刚性基层裂缝问题，常规修复方案有加铺罩面和开挖修补[3-6]。加铺罩面仅对道路面层进行治理，不能有效解决道路内部的根本问题；开挖修补则存在耗时长、成本高、二次切缝易开裂等问题。微损注浆作为近年来新兴的修复方案，因其深层修复，无需开挖，无需养生等特点而受到广泛关注[7-9]。

相比于水泥基类常规路面裂缝修复材料，聚氨酯注浆材料早期是从其他领域引入，因为应用场景的转变、性能需求的差异和评价方法的缺失，导致2类材料的性能特点在微损注浆中难以得到充分体现。水泥基注浆材料因其刚性强、渗透性差、养生时间长的特点，难以适应高速公路裂缝快速养护的需求。聚氨酯注浆材料虽然具备黏度低、渗透性好、粘结强度高、固化快等优势，但由于其对水敏感、遇水发泡膨胀、性能下降快的特性，大幅影响了聚氨酯注浆材料在水汽大、有明水的裂缝中的使用效果，在一定程度上限制了聚氨酯注浆材料在高速公路裂缝快速修复中的推广及应用[10-13]。因此，针对裂缝修复用注浆材料性能的调整、优化及科学评价方法的建立刻不容缓。

本文在对耐水型聚氨酯注浆材料研发的基础上，尝试性提出耐水性、粘结性及耐久性等聚氨酯注浆材料性能评价指标，并将耐水型聚氨酯与市售聚氨酯进行比较。最后将耐水型聚氨酯注浆材料应用于实体工程，对路面裂缝修复效果进行评价。

1 实 验

1.1 原材料

聚氨酯注浆材料：耐水型聚氨酯（A1、B1），市售国产聚氨酯（A2、B2），市售进口聚氨酯（A3、B3），具体理化性能见表1。

表1 聚氨酯注浆材料基本性能对比

1.2 聚氨酯注浆材料制备

将聚氨酯注浆材料A组分与B组分在（23±2）℃下调制24 h以上，备用。然后按体积比1∶1配制聚氨酯注浆材料，采用电动搅拌器对聚氨酯注浆材料进行搅拌混合，转速为1000 r/min，搅拌时间为10 s，搅拌完成后立即倒入指定模具中，并在（23±2）℃、相对湿度（50±5）%下养生24 h后进行相关性能测试。

1.3 性能测试

发泡倍率：参照GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》测试表观芯密度，计算发泡倍率。试件为直径（100±1）mm、高度（100±1）mm的圆柱体。

拉伸强度：参照GB/T 2567—2008《树脂浇注体性能试验方法》，采用上海倾技电子公司JCLX004型万能试验机进行测试，拉伸速率5 mm/min。

压缩强度：参照GB/T 8813—2008《硬质泡沫塑料压缩强度试验方法》测试压应变10%下的压缩强度，试件为直径（70±1）mm、高度（70±1）mm的圆柱体，压缩速率为7 mm/min。

水泥砂浆粘结强度：参照JC/T 975—2005《道桥用防水涂料》测试聚氨酯注浆材料对水泥砂浆的粘结强度。采用200目砂纸对8字型水泥砂浆试块粘结面进行打磨，除去表面浮浆，然后采用PVC胶带将2块8字型水泥砂浆试块对拼，间隙为1～2 mm。将搅拌均匀的聚氨酯材料灌注至拼接缝内。在（23±2）℃、相对湿度（50±5）%条件下养生24 h后进行粘结强度测试，加载速率为5 mm/min。

水稳石劈裂强度：将现场取芯存在贯穿裂缝的水稳石试件作为粘结载体，按200 g/m2将注浆材料均匀涂布于裂缝界面处并闭合，在（23±2）℃、相对湿度（50±5）%条件下养生24 h，进行劈裂强度测试。

水稳石剪切强度：将现场取芯完整的水稳石沿直径方向切开，擦除切面浮尘，然后采用PVC胶带将水稳石对拼，间隙为1～2 mm，将搅拌均匀的聚氨酯材料灌注至拼接缝内，于温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%条件下养生24 h。然后将水稳石放入测试仪器内，切面平行于基面，对水稳石上半部分赋予水平推力，位移速度为2 mm/min，记录试件破坏时的最大推剪力，剪切强度测试方法见图1。

图1 剪切强度测试方法

2 聚氨酯注浆材料室内性能评价

2.1 含水量对聚氨酯注浆材料性能的影响

通常被治理的半刚性基层裂缝内部多为潮湿环境，甚至含有明水，相当于注浆材料在含水量为5%～10%的情况下使用。以耐水型聚氨酯和市售聚氨酯作为研究对象，考察含水量对注浆材料发泡倍率及拉伸、压缩性能的影响。

2.1.1 含水量对注浆材料发泡倍率的影响（见图2）

图2 含水量对注浆材料发泡倍率的影响

从图2可以看出，市售国产与进口聚氨酯材料对水均十分敏感。当含水量为1%时，发泡倍率达到了15倍，而耐水型聚氨酯对水具有较高的适用性，当含水量为20%时，发泡倍率为2.8倍，仅发生微膨胀。

2.1.2 含水量对注浆材料力学性能的影响（见表2、表3）

由表2可知，含水量对市售聚氨酯材料力学性能影响十分明显。当含水量为0时，拉伸强度高于45 MPa、压缩强度高于18 MPa；当含水量为0.2%时，拉伸和压缩强度迅速衰减至低于5 MPa；当含水量升至0.6%时，市售聚氨酯材料由于膨胀倍率过高，拉伸强度已无法测试，压缩强度低于1 MPa；当含水量＞1.0%时，市售聚氨酯材料力学性能基本丧失。

表2 含水量对市售聚氨酯材料力学性能影响

表3 含水量对耐水型聚氨酯材料力学性能的影响

由表3可知，耐水型聚氨酯材料的力学性能随着含水量的增加，呈现缓慢下降的趋势。当含水量为0时，拉伸和压缩强度分别为10.7、11.8 MPa，远远低于市售产品；但当含水量为20%时，拉伸强度和压缩强度仍可达7.9、6.2 MPa，说明耐水型聚氨酯对含水量具有较高的适用性。

2.2 粘结性能评价

通过2.1实验结果可知，市售聚氨酯材料对水十分敏感，在实际工况下力学性能下降明显，与耐水型聚氨酯材料相比没有优势。因此本文选择在含水量为0的理想状态下，分别对水泥砂浆粘结强度和对水稳石的劈裂及剪切强度进行测试，评价耐水型聚氨酯材料与市售聚氨酯材料粘结性能。实验所用水泥砂浆试件为市售成品，水稳石试件为现场取芯试件。

2.2.1 水泥砂浆粘结性能

采用8字型水泥砂浆试件作为粘结载体，对聚氨酯注浆材料的粘结性能进行初步评估，测试断裂面见图3。

图3 水泥砂浆粘结测试断裂面

由图3可见，耐水型聚氨酯材料断裂界面为注浆材料内部，粘结强度达1.86 MPa，而市售产品均于粘结界面开裂，市售国产和进口聚氨酯粘结强度分别为0.98、1.12 MPa，低于耐水型聚氨酯。

2.2.2 水稳石劈裂强度

沿裂缝和垂直裂缝2个方向对水稳石试件进行劈裂强度测试，结果见表4、图4。

表4 劈裂强度测试

图4 沿裂缝方向劈裂效果

由表4和图4可知，垂直裂缝方向的劈裂强度略高于沿裂缝方向的劈裂强度，破坏界面为水稳石自身。沿裂缝方向进行劈裂测试，耐水型聚氨酯劈裂强度为1.27 MPa，高于市售产品，且原裂缝2次开裂概率低于市售材料。

2.2.3 水稳石剪切强度

采用自主研发的结构层粘结强度直剪仪进行剪切强度测试，测试破坏界面见图5。

图5 市售聚氨酯注浆材料破坏界面

从图5可以看出，市售聚氨酯注浆材料均于裂缝修复处发生2次开裂，其中国产聚氨酯于粘结面整体脱落，进口聚氨酯于粘结面部分脱开，国产与进口产品剪切强度分别为0.9、1.0 MPa，而耐水型聚氨酯剪切测试结果超量程，界面未破坏，剪切强度达1.3 MPa以上。

2.3 耐久性能评价

由于市售国产和进口聚氨酯粘结性能接近，故选用进口聚氨酯与耐水型聚氨酯进行耐久性比较。由于注浆材料在实际使用过程中无法达到含水量为0的理想状态，故将耐水型聚氨酯和进口聚氨酯分别在含水量10%（发泡倍率为1.5倍）和0.6%（发泡倍率为7～8倍）的情况下成型试件，进行耐久性测试。试件尺寸4 cm×4 cm×10 cm，浸泡用溶液分别为pH值=7的纯水、pH值=2～3的酸液（盐酸调制）、pH值=11～13的碱液（氢氧化钠溶液调制），浸泡时间180 d。

2.3.1 尺寸稳定性（见表5）

表5 pH值对聚氨酯注浆材料尺寸稳定性的影响

由表5可知，耐水型聚氨酯和进口聚氨酯注浆材料在不同pH值的溶液中浸泡180 d后，试件长度与宽度变化率均≤0.02%，属测量误差，未发生变形，说明pH值对聚氨酯注浆材料的尺寸稳定性没有影响。

2.3.2 压缩强度

水分一般通过注浆材料表面孔隙进入内部，对骨架结构造成侵蚀，压缩强度变化能够有效反映注浆材料耐久性的变化，pH值对10%压缩强度的影响见表6。

表6 pH值对聚氨酯注浆材料10%压缩强度的影响

由表6可知，在不同pH值的溶液中浸泡180 d，聚氨酯材料的压缩性能没有明显变化。由于耐水型聚氨酯对水不敏感，发泡倍率低（约1.5倍），故而具有较高的压缩强度，10%压缩强度可达10 MPa；进口聚氨酯注浆材料遇水膨胀倍率较高（约7～8倍），其10%压缩强度最高仅为0.9 MPa。

2.3.3 水泥砂浆粘结

pH值对聚氨酯材料8字型水泥砂浆试件粘结性的影响见表7。

由表7可知，pH值对耐水型聚氨酯注浆材料性能无明显影响，粘结强度约为1.60 MPa，破坏界面位于注浆材料内部。而进口聚氨酯注浆材料由于膨胀倍率高，内部含有大量泡孔，粘结强度最高仅为0.21 MPa，浸泡于不同pH值水中导致进口聚氨酯对水泥砂浆的粘结强度发生明显劣化，从0.21 MPa下降至0.12～0.15 MPa。

表7 pH值对注浆材料粘结性能的影响

3 工程应用研究

以江西澎湖高速40 km裂缝修复工程作为项目依托，结合探地雷达及取芯完整率，对耐水型聚氨酯注浆材料的修复效果进行评价。

3.1 施工工艺

建议在气温0℃以上，天气持续晴朗3天，路面无积水，裂缝内部较干燥的条件下施工。

施工工艺包括：雷达探缝→钻孔→清孔→预埋保护管→低压注浆→封孔→恢复路面。

3.2 应用效果

3.2.1 探地雷达测试（见图6）

对裂缝处治前后进行雷达探测，通过分析雷达谱图发现，注浆前裂缝里有空气，与路面介电常数差异较大，雷达信号较强，图像中颜色较深。注浆后，浆料进入裂缝，介电常数差异变小，雷达信号减弱，颜色变浅。

图6 注浆前后路面裂缝雷达探测

3.2.2 取芯测试

对聚氨酯注浆工程段取芯，统计修复成功率，并进行劈裂强度测试，结果见表8、图7。

表8 取芯完整率

图7 现场取芯效果

由表8、图7可见，耐水型聚氨酯注浆材料对贯穿裂缝、层间不良、层间松散等存在贯穿孔道的裂缝病害可以有效修复，并且渗透到微细裂缝深处，平均取芯完整率达87.8%。将芯样沿裂缝方向劈裂，劈裂强度均值达1.0 MPa以上，修复效果良好。

耐水型聚氨酯注浆材料配合微损注浆工艺主要处治对象是半刚性基层裂缝病害，对路面上面层裂缝的处治成功率仅为50%，可通过加铺罩面的方式对面层进行修复。将基层裂缝微损注浆与面层加铺罩面形成系统处治方案，从根本上解决裂缝病害将是未来发展的趋势。

4 结 论

（1）耐水型聚氨酯对水不敏感，在含水量达20%时膨胀倍率仅为2.8倍，可有效克服市售聚氨酯遇水膨胀倍率高，性能下降问题。

（2）耐水型聚氨酯注浆材料8字型水泥砂浆粘结强度达1.86 MPa，高于市售产品，且于注浆材料内部断裂，而市售产品均于界面开裂；劈裂强度达1.27 MPa，原裂缝2次开裂的概率低于市售产品；抗剪强度达1.3 MPa，高于市售产品，且试件未破坏。

（3）耐久性实验表明，溶液pH值及长时间浸泡对耐水型聚氨酯尺寸稳定性、压缩强度及粘结强度影响很小，注浆材料性能稳定。

（4）耐水型聚氨酯注浆材料在工程应用中效果良好，雷达探测谱图中裂缝修复部位得到明显改善；平均取芯完整率达87.8%，劈裂强度达1.0 MPa以上。