CN111892344B - 一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料及注浆方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料，其组分按质量份数计包括：矿物废渣10～60份，改性聚酯纤维2～6份，纳米二氧化硅0.2～0.6份，绝缘硅脂1～4份，聚氨酯10～30份，匀泡剂0.2～0.6份，水60～110份，碱激发剂30～90份；所述改性聚酯纤维为多巴胺改性聚酯纤维，是将聚酯纤维在丙酮溶液中预处理后，在pH＝8.5、浓度为1.0～3.0g/L的盐酸多巴胺溶液中于室温条件下反应24h以上得到。本发明的注浆材料具有成本低、韧性高、早期强度高、能与沥青混凝土高效粘结的特点，将其用于沥青面层的加固可以起到抵抗高温车辙和水损害的作用。

Description

一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料 及注浆方法

技术领域

本发明属于土木工程材料领域，具体涉及一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料及注浆方法。

背景技术

我国南方地区在高温多雨的湿热气候条件及行车荷载耦合作用下，开裂、车辙和水损害成为当地沥青面层的主要破坏形式，特别是在车道轮迹带附近，车辙病害最为严重。传统的开挖回填等养护措施成本高，工程量大，工期长，并且需要大面积封闭交通，对交通及居民生活带来严重不便。采取注浆非开挖的处治技术能有效解决上述问题。

注浆加固技术是利用压力将注浆材料注入需要加固的部位。该注浆材料在经过一段时间的填充、渗透、化学胶结作用与道路材料密实结合，凝结硬化后对道路起到加固作用。因此，注浆材料和施工技术对加固效果极为重要。传统的无机注浆材料多为水泥基注浆材料，虽然强度高，工艺成熟，但消耗资源大、排放CO₂多、渗透性和流动性差。有机注浆材料成本高，局限性大，对施工工艺和技术要求高。

地聚合物是一种由AlO₄和SiO₄四面体结构单元组成三维立体网状的无机新型绿色胶凝材料，其主要利用含有活性硅酸盐的矿物废渣或建筑垃圾作为原料，通过碱激发剂形成胶凝体结构的无机高性能高分子胶结料。由于其原料储量丰富，价格低廉，耐久性良好，体积稳定性好，化学收缩小，有较高的界面结合强度，是理想的注浆材料。中国专利CN106587782B公开了一种地质聚合物注浆材料制备方法及静力注浆方法用于加固路基。中国专利CN106747004А公开了一种地聚合物单液注浆材料用于加固基层。虽然它们在一定程度上能改善路基、基层的密实度和稳定性，但地聚合物脆性大、膨胀率低、韧性较差、收缩开裂、早期强度低等缺点仍未解决。注浆完成后对面层的改善并不大，特别是高温多雨的环境下沥青面层车辙和水损害仍然严重。

地聚合物注浆材料在酸性环境中也能保持稳定，抗渗性好，耐化学侵蚀，在高温下热膨胀系数低，耐高温性能好，耐水热作用，能满足沥青面层加固养护的需要，但其在沥青面层上的相关应用报道较少。

综上，现有的地聚合物注浆材料及注浆工艺不能满足沥青面层加固抗车辙和抗水损害的需要。

发明内容

针对现有材料和注浆技术的不足，本发明的目的在于一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料及注浆方法，该注浆材料具有成本低、韧性高、早期强度高、能与沥青混凝土高效粘结的特点，将其用于沥青面层的加固可以起到抵抗高温车辙和水损害的作用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料，其组分按质量份数计包括：矿物废渣10～60份，改性聚酯纤维2～6份，纳米二氧化硅0.2～0.6份，绝缘硅脂1～4份，聚氨酯10～30份，匀泡剂0.2～0.6份，水60～110份，碱激发剂30～90份；

所述改性聚酯纤维为多巴胺改性聚酯纤维，是将聚酯纤维在丙酮溶液中预处理后，在pH＝8.5、浓度为1.0～3.0g/L的盐酸多巴胺溶液中于室温条件下反应24h以上得到。

所述矿物废渣为钢铁厂冶炼生铁时产生的副产品，活性指数为95％以上，比表面积为500～900m²。

所述碱激发剂为水玻璃，所述水玻璃的模数为1～2。

所述的一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料，包括以下步骤的方法制备得到：

S11.将矿物废渣和纳米二氧化硅研磨混合得到预混料，然后将预混料和改性聚酯纤维混合，再加入绝缘硅脂、聚氨酯、匀泡剂和水，均匀混合制成组分A；

S12.将氢氧化钠加入水玻璃中，调节水玻璃模数为1～2，静置24小时以上得到组分B；

S13.将组分A添加到组分B中搅拌均匀，即得到所述的复合地聚合物注浆材料。

所述的一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料的注浆方法，包括以下步骤：

S21.用探地雷达和弯沉仪对沥青面层进行病害情况调查；

S22.对沥青面层进行清理打扫，在车道轮迹带附近布孔，排距为1～2m，钻孔直径为30mm，钻孔深度为80～150mm；

S23.对孔位进行注浆处理，孔内浆液上表面与路面平齐。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

⑴本发明的复合地聚合物注浆材料中的聚氨酯遇水发泡膨胀，弥补了地聚合物膨胀率低的缺陷，挤密浆液渗入空隙更深处，提高浆液渗透速率和注浆强度。聚氨酯能与沥青混合料很好地粘结，显著提高抗其高温性能，固化后弹性及回弹力优异，本身环保无污染，满足面层的需求。

⑵本发明所采用的纳米二氧化硅具有良好的抗老化能力和耐化学性能，能与聚氨酯形成化学交联点，提高了注浆材料的力学性能和热稳定性，弥补了地聚合物脆性大、早期强度低的缺陷。纳米二氧化硅本身具有微小尺寸和巨大的表面积的优势，能填充入细微空隙，提高渗透性和堵水性能。

⑶本发明所采用的聚酯纤维能与沥青混合料具有极强的吸附性，能与面层材料良好粘结，提高其高温稳定性。纵横交错的加筋和桥接作用提高了注浆材料的抗裂性能和弹性模量，弥补了地聚合物韧性较差、收缩开裂、早期强度低的缺陷。聚酯纤维本身具有优异的力学性能和化学性能，相比其他纤维更环保，成本更低。

⑷本发明改性聚酯纤维采用多巴胺改性。传统的改性纤维采用酸碱饰刻法、偶联剂法、化学接枝法操作复杂，成本高，容易损伤纤维，而多巴胺改性成本低，操作简单，整个过程在水溶液中进行且一步到位，避免了使用有机溶剂造成的环境污染，改性后纤维具有更高的剥离强度。

⑸本发明所采用的面层钻孔注浆施工方法，操作过程简单，有效修补沥青面层病害，能在车道轮迹带附近形成不易变形的刚性体。在车辆荷载作用后，沥青面层变形微小，不易产生车辙，且不影响行车的舒适性。

(6)本发明的注浆材料具有成本低、韧性高、早期强度高、能与沥青混凝土高效粘结的特点，将其用于沥青面层的加固可以起到抵抗高温车辙和水损害的作用。

附图说明

图1是沥青面层注浆点分布图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细描述。

实施例1

按如下组分和质量份数配制用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料：

矿物废渣：10份；

改性聚酯纤维：2份；

纳米二氧化硅：0.2份；

绝缘硅脂：1份；

聚氨酯：10份；

匀泡剂：0.2份；

水：60份；

碱激发剂30份。

所采用的矿物废渣为钢铁厂冶炼生铁时产生的副产品，活性指数95％以上，比表面积为500～900m²。

所采用的纳米二氧化硅为无定形白色粉末，粒子尺寸范围在1～100纳米，微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构。

所采用的绝缘硅脂为白色半透明油脂，挥发分≤0.5，油离度≤10。

所采用的聚氨酯为异氰酸酯与多元醇合反应制备而成，密度为1.10～1.15g/cm³，撕裂强度≥1214N/mm，断裂伸长率≥550％；异氰酸酯为多异氰酸酯，多元醇为聚醚多元醇或氨基聚醚多元醇一种或多种。

所采用的匀泡剂为有机硅油。

所采用的碱激发剂为水玻璃，水玻璃的模数为1～2，波美度为45～60％。

复合地聚合物注浆材料的制备步骤如下：

①改性聚酯纤维的制备：将聚酯纤维按质量比200:1置于1.0g/L丙酮溶液预处理3h，然后用乙醇和水反复洗涤，将预处理后的聚酯纤维按质量比200:1置于pH＝8.5、浓度为1.0g/L盐酸多巴胺溶液中，在室温条件下反应24h，再洗涤，烘干得到多巴胺改性聚酯纤维。

②将矿物废渣和纳米二氧化硅研磨混合得到预混料，然后将预混料和改性聚酯纤维混合，再加入绝缘硅脂、聚氨酯、匀泡剂和水，用高速剪切机均匀混合制成组分A；

③将氢氧化钠加入水玻璃中，调节水玻璃模数为1～2，静置24小时得到组分B；

④将组分A添加到组分B中搅拌均匀，即得到所述的复合地聚合物注浆材料。

制备的复合地聚合物注浆材料用于沥青面层的注浆方法，步骤如下：

(1)用探地雷达和弯沉仪对沥青面层进行病害情况调查；

(2)对沥青面层进行清理打扫后，在车道轮迹带附近布孔，排距为1～2m，钻孔直径为30mm，钻孔深度为80～150mm；

(3)对孔位进行注浆处理，孔内浆液上表面与路面平齐。

实施例2

按如下组分和质量份数配制一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料：

矿物废渣：40份；

改性聚酯纤维：4份；

纳米二氧化硅：0.4份；

绝缘硅脂：2份；

聚氨酯：20份；

匀泡剂：0.4份；

水：85份；

碱激发剂60份。

所采用的矿物废渣为钢铁厂冶炼生铁时产生的副产品，活性指数95％以上，比表面积为500～900m²。

所采用的纳米二氧化硅为无定形白色粉末，粒子尺寸范围在1～100纳米，微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构。

所采用的绝缘硅脂为白色半透明油脂，挥发分≤0.5，油离度≤10。

所采用的聚氨酯为异氰酸酯与多元醇合反应制备而成，密度为1.10～1.15g/cm³，撕裂强度≥1214N/mm，断裂伸长率≥550％；异氰酸酯为多异氰酸酯，多元醇为聚醚多元醇或氨基聚醚多元醇一种或多种。

所采用的匀泡剂为有机硅油。

所采用的碱激发剂为水玻璃，水玻璃的模数为1～2，波美度为45～60％。

复合地聚合物注浆材料的制备步骤如下：

①改性聚酯纤维的制备：将聚酯纤维按质量比200:1置于1.0g/L丙酮溶液预处理3h，然后用乙醇和水反复洗涤，将预处理后的聚酯纤维按质量比200:1置于pH＝8.5、浓度为2.0g/L盐酸多巴胺溶液中，在室温条件下反应24h，再洗涤，烘干得到多巴胺改性聚酯纤维。

②将矿物废渣和纳米二氧化硅研磨混合得到预混料，然后将预混料和改性聚酯纤维混合，再加入绝缘硅脂、聚氨酯、匀泡剂和水，用高速剪切机均匀混合制成组分A；

③将氢氧化钠加入水玻璃中，调节水玻璃模数为1～2，静置24小时得到组分B；

④将组分A添加到组分B中搅拌均匀，即得到所述的有机-无机复合地聚合物注浆材料。

制备的复合地聚合物注浆材料用于沥青面层的注浆方法，步骤如下：

(1)用探地雷达和弯沉仪对沥青面层进行病害情况调查；

(2)对沥青面层进行清理打扫后，在车道轮迹带附近布孔，排距为1～2m，钻孔直径为30mm，钻孔深度为80～150mm；

(3)对孔位进行注浆处理，孔内浆液上表面与路面平齐。

实施例3

按如下组分和质量份数配制一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料：

矿物废渣：60份；

改性聚酯纤维：6份；

纳米二氧化硅：0.6份；

绝缘硅脂：4份；

聚氨酯：30份；

匀泡剂：0.6份；

水：110份；

碱激发剂90份。

所采用的矿物废渣为钢铁厂冶炼生铁时产生的副产品，活性指数95％以上，比表面积为500～900m²。

所采用的纳米二氧化硅为无定形白色粉末，粒子尺寸范围在1～100纳米，微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构。

所采用的绝缘硅脂为白色半透明油脂，挥发分≤0.5，油离度≤10。

所采用的聚氨酯为异氰酸酯与多元醇合反应制备而成，密度为1.10～1.15g/cm³，撕裂强度≥1214N/mm，断裂伸长率≥550％；异氰酸酯为多异氰酸酯，多元醇为聚醚多元醇或氨基聚醚多元醇一种或多种。

所采用的匀泡剂为有机硅油。

所采用的碱激发剂为水玻璃，水玻璃的模数为1～2，波美度为45～60％。

复合地聚合物注浆材料的制备步骤如下：

①改性聚酯纤维的制备：将聚酯纤维按质量比200:1置于1.0g/L丙酮溶液预处理3h，然后用乙醇和水反复洗涤，将预处理后的聚酯纤维按质量比200:1置于pH＝8.5、浓度为3.0g/L盐酸多巴胺溶液中，在室温条件下反应24h，再洗涤，烘干得到多巴胺改性聚酯纤维。

②将矿物废渣和纳米二氧化硅研磨混合得到预混料，然后将预混料和改性聚酯纤维混合，再加入绝缘硅脂、聚氨酯、匀泡剂和水，用高速剪切机均匀混合制成组分A；

③将氢氧化钠加入水玻璃中，调节水玻璃模数为1～2，静置24小时得到组分B；

④将组分A添加到组分B中搅拌均匀，即得到所述的有机-无机复合地聚合物注浆材料。

制备的复合地聚合物注浆材料用于沥青面层的注浆方法，步骤如下：

(1)用探地雷达和弯沉仪对沥青面层进行病害情况调查；

(2)对沥青面层进行清理打扫后，在车道轮迹带附近布孔，排距为1～2m，钻孔直径为30mm，钻孔深度为80～150mm；

(3)对孔位进行注浆处理，孔内浆液上表面与路面平齐。

对注浆路面进行验收，实施例1～3制备试件的材料性能与传统地聚合物性能比较如表1所示：

由上可见，本发明的用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料与传统地聚合物材料相比，聚氨酯的添加，遇水发泡膨胀，挤密浆液渗入空隙更深处，大大提高了体系的膨胀率和流动性，弥补了传统地聚合物膨胀率低的缺陷。纳米二氧化硅和多巴胺改性聚酯纤维的添加，提高了体系的早期和后期的力学性能，弥补了地聚合物脆性大、早期强度低的缺陷。本发明的注浆材料具有韧性高、早期强度高、能与沥青混凝土高效粘结的特点，将其用于沥青面层的加固可以起到抵抗高温车辙和水损害的作用，是一种成本低、绿色环保的高性能注浆材料。

Claims (3)

1.一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料，其特征在于，其组分按质量份数计包括：矿物废渣10～60份，改性聚酯纤维2～6份，纳米二氧化硅0.2～0.6份，绝缘硅脂1～4份，聚氨酯10～30份，匀泡剂0.2～0.6份，水60～110份，碱激发剂30～90份；

所述改性聚酯纤维为多巴胺改性聚酯纤维，是将聚酯纤维在丙酮溶液中预处理后，在pH=8.5、浓度为1.0~3.0g/L的盐酸多巴胺溶液中于室温条件下反应24h以上得到；

所述矿物废渣为钢铁厂冶炼生铁时产生的副产品，活性指数为95%以上，比表面积为500～900m²；

所述碱激发剂为水玻璃，所述水玻璃的模数为1～2；

所述纳米二氧化硅为无定形白色粉末，粒子尺寸范围在1～100纳米，微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构；

所述绝缘硅脂为白色半透明油脂，挥发分≤0.5，油离度≤10；

所述聚氨酯为异氰酸酯与多元醇反应制备而成，密度为1.10～1.15g/cm³，撕裂强度≥1214N/mm，断裂伸长率≥550%；异氰酸酯为多异氰酸酯，多元醇为聚醚多元醇或氨基聚醚多元醇一种或多种。

2.根据权利要求1所述的一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料，其特征在于，包括以下步骤的方法制备得到：

S11.将矿物废渣和纳米二氧化硅研磨混合得到预混料，然后将预混料和改性聚酯纤维混合，再加入绝缘硅脂、聚氨酯、匀泡剂和水，均匀混合制成组分A；

S12.将氢氧化钠加入水玻璃中，调节水玻璃模数为1～2，静置24小时以上得到组分B；

S13.将组分A添加到组分B中搅拌均匀，即得到所述的复合地聚合物注浆材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料，其特征在于，所述的一种用于沥青面层加固抗流动变形的复合地聚合物注浆材料，其注浆方法包括以下步骤：

S21.用探地雷达和弯沉仪对沥青面层进行病害情况调查；

S22.对沥青面层进行清理打扫，在车道轮迹带附近布孔，排距为1~2m，钻孔直径为30mm，钻孔深度为80~150mm；

S23.对孔位进行注浆处理，孔内浆液上表面与路面平齐。

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