（水工结构工程专业论文）高聚物注浆材料工程特性的试验研究.pdf

郑州大学硕士学位论文摘要 摘要 公路建成交付使用后，在行车作用和自然因素的影响下，特别是随着交通量 和轴载的不断增加，加上在设计施工中遗留的某些缺陷，公路的使用性能将逐渐 下降，产生各种破损，公路的养护和维修成了公路管理部门所关心的问题。传统 的公路维修方法有许多不足之处，其他的轻质材料新技术可以有效的解决软地基 的问题，但主要都是施工技术，用于软基的修复时需要开挖和重新施工，施工和 养护周期长，对交通干扰大。除了传统的公路维修方法和其他的轻质材料新技术 之外，本文介绍了国外某种高聚物注浆材料和快速维修技术。 材料特性是工程质量检测与安全评价的重要内容和基本依据。由于技术保密 和专利原因，国外关于高聚物注浆材料性质的资料不够具体，国内研究尚属空白。 因此有必要对材料的物理和力学特性等性质进行试验和研究，为工程设计及维修 提供参考数据和理论指导，为实现注浆材料的国产化提供参考。通过吸水率试验， 得出了吸水率与密度之间的拟合关系；通过无侧限抗压强度试验，得出了抗压强 度与密度以及e 1 模量与密度之间的拟合关系，为估算材料用量提供了参考，并 对材料的应力应交关系进行了分析；通过劈裂抗拉试验，得出了抗拉强度与密度 之间的拟合关系；通过三轴压缩试验，分析了围压与主应力差和初始模量的关系， 并对摩尔包络线进行了分析。 注浆以后，通常很难准确的检测高聚物材料在地下的位置分布，钻芯取样缺 乏目的性，还会对路面结构造成较大破坏。本文提出了电法勘探检测材料地下分 布的思想，这开辟了检测注浆材料位置的新方法。所测电流和电压使用的并非电 流表和电压表，而是采用了虚拟仪器技术，基于l a b v i e w 语言编写了v i 程序( 虚 拟仪器程序) 。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，可以 方便快捷的实时记录所测到的数据，提高了测试效率；而且无需购买传统的相关 检测仪器，从而降低了成本。并进行了室内试验，试验结果可以定性的反应下层 的电阻率有所增大，更深入的试验有待今后进一步研究。 如何确定高聚物注浆的效果，也是高聚物注浆技术应用的一个关键问题。结 合高聚物注浆技术在国内的首次维修应用，对注浆前后的f 粕数据、g p r 图像以 及取芯芯样进行了分析，进一步确认了注浆技术的维修效果。 关键词：高聚物，注浆，吸水率，无侧限压缩，劈裂抗拉，三轴压缩，电法勘探 a b s t r a c t h i g h w a y s s e r v i c ep e r f o r m a n c ew i l lg r a d u a l l yd e c l i n et ob e c o m ed a m a g e da f t e r h i g h w a y sa x ec o m p l e t e d i ti sc a u s e db yv e h i c l e sa n dn a t u r a lf a c t o r s ，e s p e c i a l l yb y i n c r e a s i n gt r a f f i ca n da x l el o a d , t o g e t h e rw i t ht h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nd e f e c t sl e f t h i g h w a ym a n a g ed e p a r t m e n ti s l o wc o n c e r n i n gh i g h w a y s m a i n t e n a n c ea n dr e p a i r v e r ym u c h t r a d i t i o n a lr e p a i rm e t h o d sh a v em u c hd e f i c i e n c y o t h e rl i g h t w e i g h t m a t e r i a ln e wt e c h n o l o g i e s 啪s o l v es o f ts o i lf o u n dp r o b l e m se f f e c t i v e l y , b u tt h e ya r e m a i n l yc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e s n e i rc o n s t r u c t i o na n d c o n s e r v a t i o np e r i o da r el o n g a n dt h e yl a ym o r ed i s r u p t i o no nt r a f f i c b e s i d e st r a d i t i o n a lr e p a i rm e t h o d sa n d l i g h t w e i g h tm a t e r i a ln e wt e c h n o l o g i e s ，a 向r d 朗p o l y m e r 蜘e c t i o nm a t e r i a la n df a s t r e p a i rt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d m a t e r i a l sc h a r a c t e r i s t i c sa r ei m p o r t a n tc o n t e n ta n db a s i cg i s to fp r o j e c tq u a l i t y d e t e c t i o na n ds a f e t ye v a l u a t i o n b e c a u s eo ft e c h n i q u es e c r e c ya n do t h e rr e a s o n s , o v 懿e a sd a t ao f p o l y m e ri n j e 虻t i o nm a t e r i a la r en o td e t a i l e d d o m e s t i cr e s e a r c hr e s u l t h a sn o t h i n gb u tn o w s op r o c e e d i n gp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lt e s ta n dr e s e a r c hi s n e c e s s a r y i tw i l lp r o v i d er e f e r e n c e dd a t aa n da c a d e m i cg u i d a n c et oc o n s t r u c t i o n d e s i g na n dr e p a i r , a n di t w i l lp r o v i d er e f e r e n c et op r o d u c ed o m e s t i cp o l y m e r t h r o u g hw a t e ra b s o r p t i o ne x p e r i m e n t ，r e l a t i o n s h i po fw a t e r - a b s o r b i n gc a p a c i t ya n d d e n s i t yi sg a i n e d t h r o u g hu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s t , r e l a t i o n s h i p so f c o m p r e s s i o ns t r e n g t h d e n s i t ya n de 1 m o d u l u s d e n s i t ya r eg a i n e d r e f e r e n c eo f e v a l u a t i n gm a t e r i a l sq u a n t i t yi sp r o v i d e da n dt h er e l a t i o n s h i po fs t r e s s s t r a i n i s a n a l y z e d t h r o u g hs p l i t t i n g - t e n s i o nt e s t ，t h er e l a t i o n s h i po fs p l i t t i n g - t e n s i o ns t r e n g t h a n dd e n s i t yi sg a i n e d t h r o u g hr i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ，t h er e l a t i o n s h i p so f c o n f i n i n g p r e s s u r e - p r i n c i p a ls t r e s sd i f f e r e n c ea n dc o n f i n i n gp r e s s u r e - m o d u l u sa sw e l la sm o l h u l lg a n v ea r ea n a l y z e d i ti so f t e nd i f f i c u l tt of i n dp o l y m e r sl o c a t i o na f t e ri n j e c t i o n b o r ec o r es a m p l e s m e t h o di sl a c ko fi n t e n t i o na n dp u tm u c hd e s t r u c t i o no np a v e m e n ts t r u c t u r e s ot h e i d e ao fd e t e c t i n gp o l y m e r sl o c a t i o nt h r o u g he l e c t r o n i cp r o s p e c t i n gi sg i v e n w h i c h i n a u g u r a t ean e wm e t h o dt od e t e c tp o l y m e r sl o c a t i o n v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i su s e dt od e t e c tc u r r e n ta n dv o l t a g e v ip r o g r a mi sc o m p i l e dw i t hl a b v i e w v i r t u a l i n s t r u m e n ti sa c t u a l l yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do ni n s t r u m e n tr e q u i r e m e n t i tc a l l m e m o r i z et h ed e t e c t i o nd a t ae x p e d i e n t l y , r a p i d l ya n di nr e a lt i m e w h i c hi m p r o v e d e t e c t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c ec o s tb e c a u s et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sa r en e e d n t i n s i d et e s ti sp r o c e e d e dw h i c hi n d i c a t et h a tt h em e t h o dc a l lr e f l e c tt h ef a c to fl o w e r h 郑_ 大学暖士学位论文 a b s t t a c t c o n s t r a c f i o nq u a l i t a t i v e l y b u te m b e d d e dt e s tn e e dp r o c e e d i n gi nf u t u r e t o 自l i s u l ep o l y m e ri n j e c t i o n se f f e c ti sap i v o t a lp r o b l e mo fh j 曲p o l y m e r 刎e o f i o nt e c h n o l o g y b a s e d0 1 1t h ef i r s ta p p l i a n c eo f p o l y m e ri n j e c t i o nt e c h n o l o g y , t h e f w dd a t a , g p ri m a g ea n db o r ec o r s a m p l e sa r ea n a l y z e da n dt h er e p a i re f f v c ti s e n s u r e d k e y w o r d s ：p o l y m e r , i n j e c t w i t hp o l y u r e t h a n e , w a t e r - a b s o r b i n g c a p a c i t y , u n c o n f i n e d c o m p r e s s i o n , s p l i t t i n g - t e n s i o n , r i a x i a lc o m p r e s s i o n , e l e c t r i c i t y 1 1 1 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，我国高速公路蓬勃发展，每年以几千公里的速度递增。现在高速公 路建设已成为拉动内需，促进国民经济快速发展的重要因素之一，受到各级政府 的高度重视。 2 0 0 3 年我国新修通了4 6 0 0 公里高速公路，全国高速公路通车总里程( 不包 括台湾) 延伸到2 9 8 万公里。2 0 0 4 年中国新增公路通车里程4 6 万公里，总里 程达1 8 5 6 万公里；高速公路里程新增4 4 0 0 公里，到2 0 0 4 年底，我国高速公路 通车里程已超过3 4 万公里，继续保持世界第二。截至2 0 0 5 年底，全国公路总 里程达到1 9 3 0 5 万公里，路网结构进一步完善。2 0 0 5 年底，全国公路养护里程 达1 8 4 0 1 万公里，占公路总里程的9 5 3 。 根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年， 国家将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8 5 万公里。 公路建成交付使用后，在行车作用和自然因素的影响下，特别是交通量和轴 载的不断增加，加上在设计施工中遗留的某些缺陷，公路的使用性能将逐渐下降， 产生各种破损。公路破坏的类型很多，主要有基层和地基的不稳定以及面层的破 坏。如裂缝、沉降、脱空、地基软弱等。 因此如何解决这些问题，就成了公路管理部门所关心的问题。针对路基的破 坏以及面层的破坏，国内外已经展开了许多研究，并取得了许多成果。 1 2 传统的道路维修方法 水泥混凝土路面的破坏主要有断裂和沉降等，沥青路面的破坏主要有裂缝、 平整度降低等。一些传统的维修方法主要包括以下几种： 1 沥青罩面。正如沥青作为一种道路结构材料一样，由于这种方法降低了 成本并且有较好的适应性，它经常被用于道路维修，例如用于路面不平、面板排 列不整齐以及路面的沉降等。在使用过程中，把热拌沥青混合料( 1 i m a ) 平铺在原 路面之上以填充和覆盖破坏区域。 这种方法的成功与否在很大程度上依赖于路面下基础的状况。如果基础软 弱、不稳定或者存在脱空，那么已经修复的路面还会出现重复性的破坏。 2 水泥注浆。这种方法通常是在压力的作用下把水泥浆( 水、土、灰和水泥 的混合物) 注入路面下以填充空洞、支撑破坏或沉降的区域。 但是。水泥浆的硬化速度很慢，会导致较长时间的车道封闭；在其硬化之后 又会出现收缩，会导致已经抬升起来的路面又出现不平；并且硬化之后缺乏足够 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 的抗拉强度，导致其耐久性不好。 当用水泥浆填充面层下的脱空时，需要用泵压送大量的材料以保证完全充满 地下的脱空。一旦水泥浆硬化，其固有的重量对本来已经软弱的基础施加很大的 额外荷载。 同样，当用于桥头板的维修时，水泥浆会对附近的管道和地下构筑物施加较 大的额外荷载，使问题更加复杂。当路面上出现很大的压力时，受压的水泥浆可 能就会固结不好，或者压入地下管道的裂缝中去。 3 挖掉路面重新铺筑。这种方法完全完成维修通常需要花费数周甚至数月 的时间。在施工期和养护内间，车辆要绕过维修区，这对交通干扰非常大。这对 交通非常繁忙、需要快速维修的道路而言是难以接受的。而且这种方法的成本也 很高。 1 3 轻质材料新技术解决道路破坏问题 鉴于许多道路破坏是由地基软弱或不稳定引起的，因此从地基处理着手解决 道路破坏是一种行之有效的方法。国外用桩板( 帽、网) 和各种地基处理方法来 解决。在我国，由于经济上的原因，基本上采用地基处理，如塑料板排水固结、 水泥搅拌桩复合地基等。 早就有人寻求“不进行地基处理的软基处理方法”，即通过减轻上部填土重 量来降低地基中的应力水平，提高稳定性和减少沉降。集广大建设者的智慧，已 经积累了很多经验，其中用轻质材料代替传统的材料来填筑路堤是一种有效地解 决方法。下面将介绍轻质材料新技术的研究和应用。 1 3 1e p s ( 可发性聚苯乙烯) 块体的工程应用和研究 e p s 是发泡聚苯乙烯的简称，它是在工厂制作，采用聚苯乙烯发泡树脂加入 发泡剂，加热软化，产生气体而成的发泡树脂，属超轻质材料。e p s 具有很好的 工程特性和物理力学特性，因而在工程中被采用“】。 1 9 6 5 年，聚苯乙烯首次在挪威道路工程中作为防冻材料使用，同时其轻量性 也引起关注啪。此后，1 9 7 2 年挪威道路研究所在研究填土施工法时首次用e p s 代替填土获得成功，解决了与桥台相接路堤的过渡沉降问题。以1 9 8 5 年奥斯陆国 际会议为契机，瑞典、荷兰、法国、加拿大、日本等国相继开始了对e p s 块体的 开发应用啪阿。8 0 年代初，德国、日本、瑞典等对e p s 这种新型的合成材料，进行 了广泛研究，为使e p s 作为填土材料在工程中得到广泛应用，1 9 8 6 年，日本成立 了e p s 轻质材料开发机构，集中力量进行了e p s 的开发研究和普及应用。1 9 8 9 年， 久乐藤行等为广泛应用e p s 这种轻量填土材料，明确e p s 的力学特性和交通荷载下 的应力应变关系，进行了室内三轴试验、荷载试验和现场反复实车运行试验。同 2 郑州大学磺士学位论文第一章绪论 年，日本的浜田英治嘲为进一步明确e p s 块体的力学特性，对e p s 块体进行了单轴 抗压试验、反复加卸载下的单轴抗压强度试验、三轴压缩试验及模型荷载试验。 日本除对e p s 材料的静力特性进行分析外，还针对该国地震多发住的特点，对e p s 的抗震性能进行了研究” 我国的白冰、陆士强啪嘲等参照有关资料，对e p s 的力学性能进行了一些试 验研究，主要包括：压缩性能试验、蠕变性能试验和加荷一卸荷试验，此外还就 e p s 作为减压材料的应用进行了模型试验。考虑到e p s 块体的工程实际应用，情 况及研究现状，1 9 9 8 年，张忠坤“叭川等对围压作用下e p s 材料的力学特性进行 了三轴试验研究杜骋旧等对e p s 的耐久性、热稳定性、短期荷载和长期荷载作 用下的力学特性进行了介绍。凌建明“4 对国产发泡聚苯乙烯的本构关系和疲劳特 性进行了试验研究。 1 9 7 2 年，挪威公路研究所首次把泡沫聚苯乙烯块体应用于道路的路堤工程获 得成功，引起了世界各国道路工作者的关注o ”，作为软弱地基的处理方法之一得 到了普及。法国在a 8 高速公路上，使用了1 7 0 0 0 m 3 的聚苯乙烯，是目前世界上 采用聚苯乙烯修建的最大轻质路堤工程，较圆满的解决了路堤和桥头连接处的差 异沉降问题“”。e p ：s 首次在日本使用是1 9 8 5 札幌市的桥台填土中，接着1 9 8 6 年 建设省沼津事务所在国建i 号的扩建工程中也使用了e p s 块体，以后施工实例逐 年增多m “1 。e p s 在欧美、日本等国的地基处理、滑坡和公路路堤处理等工程 中都有较好的应用。我国对e p s 材料在地基处理工程中的应用虽然还处于起步阶 段，但已有不少成功的实例。广东惠澳大道淡澳大桥，1 9 9 7 年3 月修建过程中， 桥台后出现两次大规模的路基滑移，采用e p s 材料处理后，地基稳定性系数为 1 3 7 ，具有解决桥头跳车效果好，造价不高的优点“町n 州埘。目前国内道路工程中 对e p s 材料的使用还比较少，仅在东南沿海经济发达、软基分布广泛的几个省市， 如濒江、广东等省有一些应用，且多数用于应急补救工程或地质条件特别差的地 段 1 3 2 轻质混合土的工程应用和研究 轻质混合土是种新型的轻质填土材料，由原料土、轻质材料、固化剂和水 混合而成。重度小、密度低，并且可在一定范围内加以调整，具有不同程度的轻 量性，可以减轻对地基、构造物的荷载作用及地震时的惯性力，提高地基支持力 和滑坡稳定性僻铷，。 1 3 2 1 聚苯乙烯轻质混合土 聚苯乙烯轻质混合土是一种新型的填土材料，由原料土、聚苯乙烯颗粒或废 泡沫塑料、水泥和水的混合物组成。原料土一般采用购买的标准砂，也可采用淤 郑州大学硬士学位论文 第一章绪论 泥土、粘性土、建设废土等；轻骨料可以为球粒、碎粒或片状颗粒。 由于e p s 价格昂贵，强度较低( 应变5 时，强度8 0 k p a ) ，具有较大的蠕变 性，难以在工程中应用推广“3 。针对e p s 蠕变大、价格高的不足之处，上世纪八 十年代，日本等国就已开发研制了聚苯乙烯轻质混合土伽嘲嘲。到目前为止， 国外主要是日本在聚苯乙烯轻质混合土的研究方面，已取得了一定成果。日本对 聚苯乙烯轻质混合土工程特性的介绍最初始于1 9 8 9 年，1 9 9 3 年1 0 月由建设省 土木研究所提出了利用聚苯乙烯轻质混合土的计划方案。1 9 8 9 年，山田纯南等 对由砂土和e p s 颗粒等材料混合而成的聚苯乙烯轻质混合土进行了湿密度、单轴 抗压强度、三轴抗压强度、c b r 值和透水特性等方面的试验研究。为将聚苯乙烯 轻质混合土的应用范围扩大到沿海工程、海岸工程和港口工程中，日本分析了水 压作用对聚苯乙烯轻质混合土力学特性的影响伽】。日本对聚苯乙烯轻质混合土 受地震作用时的特性也进行了分析，结论为轻质混合土可以减轻对深部土体的有 效荷重，抗震性能良好啪1 ；通过对反复加卸载作用下的特性分析，表明耐久性没 有问题；混合土最大残余应变受应力比和密度影响嘲瑚1 我国在这方面的研究起步较晚。2 0 0 1 年，马时冬对原料土为砂土、轻质材 料为聚苯乙烯球粒、聚苯乙烯碎片混合的聚苯乙烯轻质混合土填土材料的工程特 性，进行了试验研究。2 0 0 3 年，马时冬在试验的基础，讨论了适用于该类路堤 的设计计算方法，分析结果与普通路堤相同，可以采用简化b i s h o p 法的计算程 序进行分析，不过还有待实测资料的验证。 除日本外，国外其他国家关于聚苯乙烯轻质混合土的应用研究也很少，日本 在这方面的应用较多，处于国际领先地位，从1 9 8 8 年开始在实际工程中应用聚 苯乙烯轻质混合土以来，到1 9 9 4 年就己经有1 7 个工程实例了，总施工量达1 9 4 9 0 立方米。1 9 8 8 年，日本神户首次采用聚苯乙烯轻质混合土减小桥台背面的土压 力，修复岸壁，获得成功；1 9 8 9 年，日本琦玉县久喜市采用聚苯乙烯轻质混合 土对正在施工的下水管道( 长3 5 9 3 米) 进行填埋，并对施工后的结果进行了观 测，结果轻量混合土的压缩量只有4 r a m ，是总厚度的o 5 ，满足了工程设计要 求。到2 0 0 0 年，日本才首次在现场施工中采用由废弃聚苯乙烯材料和废弃现场 土制成的聚苯乙烯轻质混合土，无论密度还是强度都达到了设计要求啪“删。 1 3 2 2 气泡轻量混合土 8 0 年代末期，日本、荷兰等国相继开始研制新型的填土材料，因为混合土 采用泡沫剂发泡拌制而成，所以称为气泡轻量混合土。气泡混合轻质土就是在原 料土中按照一定的比例添加固化剂、水和预先制作的气泡群，进行充分的混合、 搅拌后所形成的轻型土工材料。代表性气泡轻量混合土主要有f l m ( f o a ml i g h t w e i g h tm a t e r i a l ) 、h g s ( h i g hg r a d es o i l ) 、s g m ( s u p e rg e o m a t e r i a l ) 等。图 卜1 简要说明了气泡混合轻质土的制作流程。 4 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜1 气泡混合轻质土的制作沉程 日本不仅对聚苯乙烯轻质混合土进行了试验研究，而且还对气泡轻量混糊涂 进行了试验研究，日本道路工团研究所对采用标准砂土混合的气泡轻量混合土进 行了试验研究，结果认为气泡轻量混合土作为人工地基，满足最大限度的强度要 求瓦川善山嘲研究了在气泡轻质混合土中加入了少量粉煤灰之后的特性。1 9 8 9 年日本的山内等对气泡轻质混合土进行了频率5 h z 、循环次数1 0 万次的反复单 轴压缩试验m 。 日本关于气泡轻量混合土进行了多方面的试验研究，日本最初关于气泡 轻量混合土的应用开始于1 9 8 6 年，东北公路八户县一户区作为处理滑坡的对策， 用来减轻填土荷重，之后采用气泡轻量混合土的施工实例才逐渐开始逐渐增多 m 】。1 9 8 5 年，美国波斯顿在世界贸易中心的建设中，使用7 8 0 0 0 立方米的气 泡轻量混合土处理地基，减轻上部的荷重，同时在高速公路桥墩部位也使用了气 泡轻量混合土，处理结果都不错。在美国华盛顿州西雅图市，1 9 8 8 年对城市下 水管道进行改造，将1 8 9 5 年修筑的下水管道扩建为两层管道，在管道的周围采 用气泡轻量混合土进行充填，这项管道扩建工程获得了1 9 8 8 年华盛顿顾问工程 师委员会发起的最高工程设计奖1 。1 9 8 8 年，伦敦d o k l a n d 地区开始修建一个 现代化的港口商业中心，工程总费用4 0 亿英镑，其中部分地区采用气泡轻量混 合土进行地基处理，取得了较好的工程效益。 。 为了适应我国大规模公路建设的需要，广东冠粤路桥有限公司率先在国内引 进开发了气泡混合轻质土技术，并将其用于实践，在广东已应用于道路加宽和桥 台背后填土工程，并取得了满意的效果”“。 上述轻质材料新技术可以有效的解决道路等基础工程设施的软地基问题，但 主要都是施工技术。2 0 0 4 年，河南省道路检测工程技术研究中心率先从美国引 进了高聚物注浆材料和注浆技术，这是一种基础工程设施的快速维修技术，该技 术在国际上已经有了广泛的应用。该高聚物用于公路工程时，就需要了解以下两 个方面的特性：一是交通荷载下材料的破坏特性，二是材料对于道路结构和周围 环境的影响。本文将主要对材料的物理力学破坏特性，以及相关的工程特性进行 试验研究和分析。 关于高聚物注浆材料和技术，在下章将有详细的介绍。 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本章小结 为了更好的促进我国公路维修和养护事业的发展，弥补传统维修方法和其它 方法的不足，本文提出了高聚物注浆技术和材料。材料特性是工程质量检测与安 全评价的重要内容和基本依据。而由于技术保密等原因，国外关于高聚物注浆材 料性质的资料不够具体，国内研究尚属空白。因此本文对高聚物注浆材料的基本 特性进行了试验研究，开展的研究工作主要有： 1 高聚物材料的物理和力学特性试验，对材料特性的研究，对了解材料性 能以及指导工程维修都有十分重要的意义 ( 1 ) 密度与吸水率的关系。 c 2 ) 无侧限抗压强度。它是材料的重要力学特性之一，关系工程的安全， 是一个非常重要的指标。并分析强度与密度的关系。 ( 3 ) 三轴抗压强度与密度的关系。 ( 4 ) 劈裂抗拉强度与密度的关系。 ( 5 ) 应力应变关系。它是是描述荷载作用下，材料变形与强度特性的基础， 也是评价地基变形与稳定性的前提条件。 ( 6 ) 通过对应力应变曲线的分析，得到破坏应变与密度和抗压强度的关系， 变形模量与密度和抗压强度的关系，以及屈服强度范围的影响因素。 破坏应变大，材料可视为延性较好；反之，破坏应变小，则材料常为脆性破 坏。工程上以抗压强度高、破坏应变大的材料为理想，而实际上二者往往是不能 同时具备的，研究破坏应变与抗压强度的关系，对根据高聚物材料的抗压强度， 定性分析它的变形破坏方式，具有一定的参考价值。分析变形模量与抗压强度的 关系，对以变形控制地基沉降具有十分重要的意义。 2 提出了用电测深法探测材料地下分布的新方法，并进行了室内试验。 3 对高聚物注浆技术的一些工程应用和注浆效果进行分析。 6 郑州大学硕士学位论文 第二章高聚物注浆材料与技术介绍 第二章高聚物注浆材料与技术介绍 高聚物注浆技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的基础工程设施快速维修技术， 该技术在国际上已经广泛应用于下列工程领域：公路、城市道路及机场道面维修， 工业与民用建筑的地基加固。自1 9 8 9 年以来，高聚物注浆技术已经在世界范围 内的7 5 ，0 0 0 多个工程中得到应用，解决了混凝土路面的抬升以及土基层的稳定 问题。 高聚物注浆技术的推广和应用已形成国际化的网络体系。目前参加该技术网 络的有：芬兰、意大利、美国、澳大利亚、德国、法国、荷兰、比利时、丹麦、 挪威、葡萄牙、西班牙、英国、瑞典、瑞士、土耳其、日本、韩国、中国、越南、 墨西哥等5 0 多个国家和地区。 该技术的核心是高聚物材料及其注浆技术，其中浅部注浆技术主要用于混凝 土的脱空修复及提升，深部注浆技术主要应用于道路基层、底基层、路基及结构 物地基的加固。 2 1 高聚物材料的膨胀性和化学特性 2 1 1 膨胀性 注浆技术用到了树脂混合物的膨胀特性，以稳定土基和抬升路面、地板或建 筑物，并且提高地基的承载力。 基于大量树脂的自身特性和应用，可以生产出低密度、热固性的聚合物材料， 该聚合物材料结实、有弹性、不溶于水、强度高、不降解。把两种液态树脂混合 时，它们发生快速的化学反应，释放出巨大的可以控制的膨胀力，该膨胀力界于 5 0 0 k p a ( 5 0 t m 2 ，用于抬升路面) 到1 0 ，0 0 0 k p a 2 _ 间( 1 0 0 0 t m 2 ，用于深层注浆) 。 使用专门的设备和技术把树脂注入混凝土板和建筑物下，可以起到抬升和稳 定作用。用于道路维修时，需要把材料注入特定的深度或几个不同的深度。注射 压力不是很大，但是足以使液态树脂材料在膨胀之前流向路面下的每个部位。固 化后材料对建筑物或路面的作用力取决于建筑物或路面的自身荷载，而不会施加 额外的力。 两种树脂混合物发生反应后，它们的体积会增大很多倍。膨胀速度避免了树 脂材料在地下被分散。通常，材料在受阻力较小的方向膨胀更多，因此材料总是 易于流向土基中最软弱的地方，并膨胀和压密这些地方。最后，土基都被压密， 阻力最小的地方来自上方，随着材料的膨胀，混凝土板和建筑物就被抬升起来了。 高聚物注浆技术已经使用并发展了二十多年，并且其性能也得到了室内试验 的证明，因此质量是有保证的。材料性能经受了时间的考验，在不同环境和不同 7 郑州大学硕士学位论文第二章高聚物注浆材料与技术介绍 的应用中都没有很大变化，稳定性好，即使在水中也是如此 2 1 2 化学特性 p o l y u r e t h a n e ( 聚氨基甲酸乙脂) 材料不溶于大多数溶剂，但可以溶于汽油 等油类。材料在芳香族氧化物溶剂里会发生膨胀，但干燥后可以恢复其原有的性 能。在水溶液和一般的酸、碱、盐溶液里材料都很稳定，但强酸和强碱可以改变 材料性能使其降解。 树脂材料可以抵抗霉菌和真菌的侵蚀，不会发霉和腐烂。材料不滋生昆虫和 老鼠等啮齿动物，化学性质呈中性。 材料暴露于室外时，阳光中的紫外线会导致材料变黄，表面变脆。但由于材 料被注入地下，这并不影响材料的使用。 2 2 注浆方法和步骤 高聚物注浆技术可以解决路面抬升等复杂的交通运输设施的维修问题，在业 内是一种快速、高效、安全和持久的维修方法。该方法在使用过程中分为几个步 骤，广泛应用于高速公路、道路、机场路面和其它交通运输设施的维修中，其主 要步骤如下： ( 一) 检测破坏区域 在高速公路和公路的维修中，首先用落锤式弯沉仪( 鄹d ) 或路用探地雷达 ( g p r ) 来确定表面层下脱空的位置和程度。这些设备可以查找脱空，并且降低 了传统的检测方法带来的封闭行车道和干扰交通的负面影响。 也可以在固定点使用动态锥形透度仪，这种仪器可以测定道路、机场道面以 及桥头板下的基层土的相对强度。当该技术用于强化和压密软弱土基层时，根据 所测的信息可以确定注浆的准确位置和深度。 ( 二) 维修破坏区域 图2 1 注浆孔分布示意图 郑州大学硕士学位论文第z - 章高聚物注浆材料与技术介绍 接下来，需要做表面状况分析以确定路面的任何微小的沉降。接着高聚物材 料沿着事先在路面上钻好的直径约为5 8 英寸( 约1 6 c m ) 的孔注入地下空洞区。注 浆后，材料开始膨胀固结形成稳定、坚固、轻质的基础替换材料。由于材料具有 防水性，因此面层下的积水或潮湿土不会对材料的固结和性能造成负面的影响。 实际上，积水被排开，湿土被强化了。接下来重复注浆，注浆孔的位置如栅格排 列，直到所有的区域得到了充分的填充和密封。图2 1 是注浆孔位置分布示意图。 如果公路、机场跑道或板面沉降需要抬升，就需要在注浆过程中做进一步的 监测来完成。 ( 三) 监测维修过程 在抬升路面时，要用到激光水准监测装置来精确的监测其过程。材料迅速膨 胀并在1 5 m i n 之内达到其最终抗压和抗拉强度的9 0 。由于高聚物材料非常轻， 因此对下部结构的附加荷载也非常小。该高聚物材料最终可以达到与基础材料相 当的抗压强度。 2 3 注浆技术解决的问题 图2 2 高聚物注浆维修示意图 在解决路面抬升和地基加固问题时，高聚物注浆方法在以下几个方面的关键 应用中具有比传统的方法显著的优点。图2 2 是注浆维修示意图。 a 脱空填充一当遇到雨雪天气或者温度的剧烈变化时，就会出现诸如裂缝和 水坑等问题，并导致路面下出现脱空。这些脱空会导致沉降、坑洞、沉降洞或裂 缝而使路面不稳定。 注浆方法在解决这些类型的脱空时十分有效。具有膨胀性和防水性的高聚物 材料可以积极地排开积水填充脱空。同时可以强化土基以阻止脱空的延伸以及新 的裂缝的形成。 b 稳定作用一通过填充板下脱空和密封，注浆方法可以起到稳定作用，阻 9 郑州大学硬士学位论文第二章商聚物注浆材科与技术介绍 止唧泥和进一步的沉降发生。该方法可以有效地填充脱空，起到密封作用以阻止 水的浸入而导致的破坏，还可以压密和稳定数米深的土基层。这是集密封、稳定 和快速维修为一体的过程，可以迅速的修好问题区域使其投入使用。 c 抬升作用一无论对混凝土路面还是沥青路面，注浆方法都能够快速经济 的解决增强、抬升和重整问题。4 8 6 材料的膨胀和防水特性以及l o 年以上的耐久 性可以很好的解决路面的沉降问题。材料注入结构层之后，提升精度可以控制在 1 1 0 英寸，保证了精确性。 d 密封作用一对许多道路而言，密封接缝和裂缝以防止水的渗入是一件十分 重要并且常常需要重复做的事情。作为密封层使用时，要把材料通过统一的网格 状的钻孔注入面层以下。注浆后材料会膨胀，搜寻并填充表面下的裂缝、漏洞、 脱空和接缝，形成坚固、稳定和持久的防水层。 2 0 0 1 年，美国德克萨斯州交通局使用高聚物注浆技术修复了其境内l l 英里 长的3 5 8 # 沥青公路。该公路修建在砂砾层之上并且缺少维护，基层材料不密实， 下面层脱空导致了许多地方路面沉降，其中立交桥桥头桥尾处沉降达6 英寸。与 传统的维修方法相比，注浆方法节省了数百万美元，修好的路段当天下午就正常 使用并且道路的封闭避开了行车高峰1 。新墨西哥州境内某公路，沥青层上面 铺混凝土，已使用3 0 年。其中2 4 英里混凝土面层表面完好，但下面层托空和破 坏严重。如果重新铺砌，需要2 5 0 0 万美元左右和大约9 个月的时间。州公路局 采用高聚物注浆技术，维修时间是3 个月，并且员工避开行车高峰在夜间维修， 每天早上5 ：3 0 四个车道全部正常通行。维修费用是6 5 万美元，节省了1 8 0 0 万 美元。而且可以继续使用2 0 年，大大超出了其设计寿命阍。2 0 0 4 年，美国堪 萨斯州交通局使用高聚物注浆技术修复了5 0 # 公路上的5 0 英里的破坏路段。5 0 # 公路西起科罗拉多州的边境，东至里昂县商业中心附近的i 一3 3 5 与i 一3 5 两条 路的交叉口。维修时间是5 0 天，费用是重新铺砌费用的1 3 ，大大降低了对交 通的干扰，并且为该路段增加了1 0 年甚至更长的寿命1 。 2 4 高聚物注浆材料和技术在国外的工程应用实例 2 4 1 维修堪萨斯州5 0 # 公路 美国堪萨斯州公路始于科罗拉多州边境，穿过3 个县，止与w i c h i t a 北部， 全长约2 5 0 英里。尽管这是一条二级州公路，它仍然承载着每天超过2 5 0 0 辆轿 车和1 8 5 0 辆卡车的交通量。 位于该公路上h a r v e y 和m a r i o n 之间的路段，长约5 0 英里，分别于1 9 9 5 年 和1 9 9 8 年重建，目前破坏非常严重。堪萨斯州交通局j o ep a l i c 工程师说：“5 年来我们一直在检测这个路段，其设计寿命本来超过2 0 年，但是由于路面不断 1 0 郑州大学硕士学位论文 第二章高聚物注浆材料与技术介绍 出现裂缝并扩展，我们只正常使用了3 年。”该路段遭受结构性破坏的部分达2 5 ，有些板的沉降差可达l 英寸。 通过进一步的取芯观察，石灰土底基层受到了破坏，从下面层来的石灰石集 料下渗并阻塞了4 英寸厚的排水基层。糟糕的排水状况导致混凝土路面下出现大 量的脱空，加之路面沉重的交通荷载和震动，造成了现在这种严重的破坏。经过 进一步检查，州交通局断定大约7 5 的路段可以维修。 鉴于这种状况，堪萨斯州交通局考虑了两种不同的方法维修这段路：一种方 法是通过密封和固化含水的基层从而稳定面层，另一种方法是挖掉原路重新铺 砌。由于昂贵的费用和对交通的影响，重新铺砌的方案未被采用。另外，沥青罩 面并不能从根本上阻止公路结构的进一步破坏。在考察了这些以及其它的可选方 案之后，州交通局决定采取密封排水基层的措施。州交通局制定了一个目标，就 是在5 0 之内完成维修，这相当于每天完成一英里的维修。 为了这个完成这项任务，州交通局评估了3 种不同的材料：水泥灰浆、沥青 浆以及高聚物注浆材料。为了做出公平和对等的评价，分别用上述3 种材料在 5 0 # 公路上相似的路段进行试验，对石灰土基层进行密封。 水泥浆和沥青浆的试验结果不尽人意：水泥浆在石灰土和排水层之间流通不 畅，可以断定密封效果不好；而沥青浆粘性太大。正如负责该工程的州交通局高 级工程师r i c kb a r e z i n s k y 所说：“我们唯一能确信的就是这两种材料不能有效 地完成所需要的密封维修。” 图2 - 3 现场注浆 高聚物注浆材料取得了成功。材料通过直径约1 6 c m 的小孔注入地下，在可 控的压力作用下注入每一处脱空，甚至可以注入基层集料之间的微小空洞。由于 材料是防水的，脱空区域的积水不会对材料反映产生任何不利影响。注浆后所取 郑州大学硬士学位论文第二章高聚嚣注浆材料与技术介绍 的芯样表明密封效果令人满意，聚氨基甲酸脂高聚物材料确实注入并固结了排水 层的边界。图2 - 3 是现场注浆照片。 经过试验，州交通局决定与高聚物注浆公司签订合同，使用高聚物注浆材料 在5 0 天之内完成对5 0 # 公路上的5 0 英里长的破坏路段的密封维修包括钻格 栅排列的注浆孔、注浆和用水泥浆密封注浆孔。工程开始不久，维修区域扩大了， 多使用了大量的材料。尽管如此，维修还是比规定时间提前3 天完成。 高级工程师b a r e z i n s k y 说：“我们很吃惊的发现，高聚物材料既密封了排水 层又填充了所有的脱空，这为该路段提供了双重保护。我们认为这将把该路段的 寿命延长1 0 年，我们对这次维修结果非常满意。” 2 4 2 深层注浆技术维修田纳西州某公共排水管道 2 0 0 1 年6 月田纳西州某主要都市区的沥青路面沉降，引起了美国高聚物注浆 公司的关注。 在发现该区域出现问题之前，检查井处的道路曾经两次超载运营。公共事务 部通过调查发现，距地面2 5 英尺深处的一条直径8 英寸的连接检查井的排水管出 现了问题。微型摄像机显示，该排水管在距检查井3 英尺处发生了堵塞和断裂。 尽管砖砌的检查井表面完好，其实沿着在灰浆接合处随即出现的裂缝会发生渗水 和渗土现象。 2 0 0 1 年6 月，城市公共事务部与高聚物注浆公司签订了合同，以便解决检查 井处的3 个问题。首先需要稳定检查劳周围的土壤，其次需要密封连接检查井的 排水管上的裂缝，最后需要填充道路基层土的脱空并稳定基层土。 使用高聚物深层注浆技术，通过栅格状的注浆孔准确、均匀和连续的注浆。 注浆效果由贯入仪的检测结果和公共事务部提供的土壤状况评价。最初在距检查 井南3 英尺处迸行贯入仪检测，发现在沥青路面下有3 3 英寸的脱空，土壤非常软 弱以至于贯入仪仅靠自重就贯入地面2 2 英尺深。这表明极大范围内的土壤已经变 得非常软弱。检查井可能会倒塌，污水可能会进入附近的河流，排水管可能失去 效用，解决这些问题将花费公共事务局大量的时间。 注浆的位置和深度取决于土壤破坏的区