摘要：綜述了路基修補結構可控高分子材料在高等級公路中的應用和研究現狀，結構可控高分子材料應用于高速公路修補是一項嶄新而又潛力的技術，利用該技術為方便快速解決路基病害提供了很好的解決方案。高聚物材料灌漿技術，即通過注射雙組分高聚物灌漿材料來維修路面基層和加固路基，注射的高聚物液體通過化學反應形成固體，同時體積迅速膨脹，從而填充路面結構中的脫空，并向周圍介質施加可控的壓力。開發適用于解決路基下沉問題的注漿材料是非常必要和有意義的。
　　關鍵詞：結構可控，異氰酸酯，灌漿材料，公路修補
　　
　　0引言
　　高等級公路高路堤或橋頭、通道等位置路基不均勻沉降，是一個長期困擾公路建設的問題。解決這種病害最簡單實用的辦法，就是用某種材料將沉降路基支承起來，使路面恢復平整，在礦業中廣泛采用的化學注漿法便被應用到了解決路基問題上。用以水泥為主體的注漿法處理路基不均勻沉降問題是人們最初采用的辦法。但是，水泥注漿需要較大的壓力，定型時間長，注漿料流動性有限，為了解決上述問題，聚氨酯泡沫塑料成為研究人員關注的焦點。最典型的是美國優特公司(Uretek)，他們利用聚氨酯發泡材料的諸多優點，研制出了路基修補用聚氨酯材料，為方便快速解決路基病害提供了很好的解決方案。國內部分研究人員、科研機構開展了聚氨酯解決路基沉降問題的研究，但未見此方面的詳細論述。國家對路基用聚氨酯泡沫材料沒有相關的技術要求和規定，因此開發適用于解決路基下沉問題的聚氨酯注漿材料是非常必要和有意義的。
　　1結構可控高分子灌漿材料在高等級公路應用
　　在我國，由于早期修建高速公路時對交通的迅猛增長估計不足，一些營運量大的高速公路已經呈現出交通量飽和的態勢，病害較為嚴重且發展較快，使得高速公路本身所應具有的高速、快捷、暢通的服務優勢大打折扣。為滿足日益增長的交通需求，對已有的高速公路路面病害處治已成必然。全世界范圍內開展高速公路病害處治的項目也很多。僅灌漿方面的材料都層出不窮，自上世紀50年代末開始，國內外針對相關問題做了大量的科學研究并取得了一定成果。我國已經研制的化學灌漿材料主要有：①硅化用灌漿材料。以硅酸鈉為主要原料的化學漿液，用于砂質土、黃土的加固和防滲。②環氧樹脂灌漿材料。以環氧樹脂為主，加入一定比例的固化劑、稀釋劑、增韌劑混合而成，用于結構混凝土的補強和裂縫堵漏，如HK-G系列環氧灌漿材料等。③甲凝。以甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯為主要原料，加入過氧化苯甲酰、二甲基苯胺和對甲苯亞磺酸組成的一種低粘度灌漿材料，用于大壩、油管和基礎等混凝土的補強和堵漏。④丙凝。以丙烯酰胺為基料，以甲醛、過硫酸胺、三乙醇胺、硫酸亞鐵、鐵氰化鉀為助劑，將氧化材料和其他材料分別配制成兩種溶液，按一定比例同時灌注，主要用于防滲堵漏工程。⑤氰凝。由異氰酸酯、聚醚和促進劑配制而成，用于地下工程的滲漏縫處理。
　　1.1化學注漿解決路基沉降用硬質聚氨酯泡沫塑料
　　美國優特公司（Uretek）充分看到了聚氨酯材料的諸多優點，專門開發研制了修補路基用聚氨酯泡沫材料并申請了專利。此方法用來填平路基的沉降或破損部分，在路面上打出至少一個孔洞，通過此孔將聚氨酯噴射進路面和地下土層之間。泡沫體在此空間內形成內壓，使路面上升。泡沫在路基和路面之間體積增大過程中，可形成高達0.4MN/m2的內壓，使得下沉或破損部分上升。可以通過控制在一定時間內注射進的組分的量來將上移的量和速率維持在一個適當范圍內。
　　1.2基礎原料及對泡沫體性能的影響
　　聚氨酯硬泡體系由多元醇、異氰酸酯、催化劑、勻泡劑、發泡劑、阻燃劑等組成。各組分混合均勻后，多元醇和PAPI在催化劑作用下發生聚合反應，體系粘度劇增，同時放熱使發泡劑汽化產生泡沫(或反應產生氣體),泡沫在勻泡劑的穩定作用下封閉于聚合物內，從而形成泡沫塑料。下面是在長期研究和實驗基礎上，得出的各組分特點及對性能的影響的一些結論。
　　1.2.1異氰酸酯
　　異氰酸酯是硬質聚氨酯泡沫塑料的主要原料之一。聚合MDI（PAPI）和TDI均可作為硬質泡沫塑料的原料。TDI蒸氣壓較高,對操作者健康危害較大,故現在TDI已經很少用于硬質泡沫塑料。
　　多苯基多次甲基多異氰酸酯，即粗制二苯基甲烷二異氰酸酯（粗MDI），或稱聚合MDI，也稱PAPI。由于粗MDI具有較輕的生理危害性，而且品種多樣，能應用于許多領域，故目前它是硬質泡沫中主要的異氰酸酯成分。低官能度的PAPI，粘度低，流動性好。隨著官能度和黏度的增高，流動性會降低，但生成的硬質泡沫塑料熱穩定性提高，不易“燒芯”，泡沫開裂的傾向減少，同時壓縮強度與阻燃性也會提高，泡沫熟化時間縮短。粗MDI官能度在2.5～3.2之間（以分子量方法計），25℃時的黏度大致為50～2000mPa•s。官能度、黏度與NCO含量沒有直接聯系。
　　目前，PAPI已成為硬質聚氨酯發泡材料的首選，TDI和純MDI在文章中少見。
　　1.2.2多元醇
　　用于硬質聚氨酯泡沫塑料的多元醇有聚酯多元醇、聚醚多元醇和其它含羥基化合物。其中，以聚醚多元醇用量最大。多元醇的結構對生成的泡沫塑料的性能影響很大。主要考慮兩個參數，即分子量和官能團數，這兩個參數直接影響聚合物的交聯度。交聯度越高，聚合物的硬度越大。
　　（1）聚醚多元醇
　　聚醚多元醇耐水解穩定性好，與配方中其它添加劑相溶性好。聚醚多元醇的性能與起始劑關系密切，也與分子中氧化烯烴長度及排列結構有關。
　　以甘油為起始劑的聚醚多元醇，一般具有較好的流動性。以胺類化合物為起始劑的聚醚多元醇，具有自催化作用，與異氰酸酯的反應活性較高。以芳香族二胺類化合物為起始劑的聚醚多元醇，發泡后期固化較快，生成的泡沫塑料強度高、熱導率小。硬泡聚醚多元醇羥值一般為350～650mgKOH/g，即分子量為270～1200，25℃時的黏度一般為300～35000mPa•s。
　　（2）聚酯多元醇
　　聚酯多元醇是由二元酸或酸酐與二元醇和多元醇反應制得的。硬泡用聚酯多元醇的原料，酸或酸酐部分以芳香族酸或酸酐為主；醇則以二元醇為主，加入少量三元醇可使聚酯多元醇分子具有一定的分支鏈結構。聚酯型硬質聚氨酯泡沫塑料的優點是強度高、閉孔率較高，黏合性好。但聚酯黏度大，操作不便，價格高，并且由聚酯所得泡沫塑料水解穩定性差，因而一度影響它的發展。
　　1.2.3發泡劑
　　目前聚氨醋(PU)泡沫塑料所用發泡劑基本分為兩種類型:一種是利用生反應，放出CO2氣體作為起泡劑；另一種是選用低沸點的氟代烴類或烴類化合物，利用泡沫體系的反應熱使之汽化發泡。一直以來，雖然對發做出過多種選擇，但至今仍未找到理想的發泡劑。氫氯氟烴HCFC類發泡劑以然且有低毒和絕熱性能較好的優點。但合成困難，價格昂貴，不宜作大而積推廣,CP類化合物易燃、易爆，因而不適于現場施工。水是PU泡沫塑料生產中最廉價、能簡便的化學反應型發泡劑，并一直占據重要位置，但是存在一定的缺陷，如用量過大，必項輔以物理發泡劑等，全水發泡技術對此作了較大的改進。近年來，用液體二氧化碳作發抱劑的研究有了很大進展，并以諸多優點成為氟氯烴（CFCs）類發泡劑的替代產品。綜合比較，以水為發泡劑的工藝路線操作簡單對環境無污染，因此水可作為生產PU塑料理想和安全的發泡劑。
　　1.2.4催化劑
　　催化劑不但影響工藝過程參數，還影響生成的硬質泡沫塑料的性能。針對各種硬泡成型方法，選擇合適的催化劑是很必要的。
　　常用的催化劑分兩類：一類是叔胺類化合物；另一類是有機錫類化合物。
　　硬質聚氨酯泡沫塑料生產過程中，常常用兩種或兩種以上催化劑，這就是催化劑的協同效應。如三乙烯二胺與有機錫化合物混合使用，能有效調節鏈增長速度與交聯速度間的平衡。
　　1.3工藝參數對泡沫體性能的影響
　　1.3.1溫度對泡沫體性能的影響
　　異氰酸酯的三聚反應，對溫度很敏感。溫度過低，難以得到性能良好的制品。另外，在施工過程中，是有熱量損失的，提高催化劑用量和原料溫度是必要的。特別是冬季施工，加熱顯得更為重要。
　　1.3.2壓力對泡沫體性能的影響
　　實驗表明泡沫密度隨恒壓時間增加而變大。常壓下生成的泡沫孔數少，孔徑大。恒壓60s．泡沫中小孔比例大，但均一性較差，閉孔率高。恒壓80s和100s，所得泡沫，泡孔均勻細密。恒壓80s，泡沫開孔率好；恒壓100s，開孔率反而下降。恒壓120s以上，泡沫坍塌形成高密度的彈性體。
　　壓力一方面抑制了氣泡的生長，一方面使體系中的大泡破裂，壓力大小的影響將通過這兩方面表現出來。在相同恒壓時間下．壓力太小對泡沫密度和泡沫開孔率沒有顯著影響：壓力越大，泡孔數目越大，均勻性越好。
　　2有機材料在高速公路路面病害處治中的應用研究
　　目前我國高速公路的路面大多為瀝青混凝土路面。由于瀝青材料是熱塑性材料,它對溫度很敏感。其技術性能受諸多因素影響,易老化。因此產生病害的類型很多,常見的有車轍、開裂、擁包、松散、沉陷、坑槽、麻面和唧漿等,這些病害會嚴重影響道路行車質量和行車安全以及道路使用壽命,而引起這些病害的原因又是多方面的,有設計原因、施工原因、材料質量原因和外界條件的原因。為了提高路面的行車質量,對路面發生的各種病害要及時進行修補養護。目前,修補的主要手段是清除損壞部分,再用熱拌瀝青混合料填補,養護則采用罩面。由于熱拌瀝青混合料用于養護時,受到氣候、溫度、運距及用量等因素的影響,經常使損壞的路面不能及時得到修補,或者即使修補了,因瀝青混合料現補溫度不一定符合要求而影響到修補的質量。因為路面基層或路基脫空沉陷原因而造成路面病害，致使僅疲憊于對路面進行養護改造，而達不到預期目的。此外,由于修補、養護的材料類型少,有一些病害因沒有合適材料而最終得不到有效的治理。因此,在瀝青混凝土路面維修、養護方面尚存在一些問題。在這種情況下，新材料、新技術、新工藝的研究及應用已經十分必要。
　　京珠國道主干線鄭州至漯河高速公路南北貫通河南省中部，在鄭州東北部與連霍國道主干線相交，不僅是國家規劃的“五縱、七橫”國道主干線的重要路段，而且是形成河南省高速公路網的基本構架，具有十分重要的政治、經濟意義。自1998年建成運營以來，整體運營效果良好，給國民經濟發展作出了貢獻，但是隨著交通量的逐年的增加，超載車輛的增多及其它因素影響，道路橋梁病害發展較快，坑槽、斷板、裂縫等病害普遍存在，已嚴重影響了高速公路的服務水平。日常養護所進行的灌縫、壓漿、挖補坑槽等小的修補數量較多，但效果不是太好且影響行車的舒適性。因此，對高速公路病害處治新材料的應用技術展開研究具有重要的實際意義和理論價值。
　　2.1已完成研究內容
　　（1）通過現場調查，已初步完成高速公路柔性及復合路面病害類型及機理分析；
　　（2）采用正交試驗法，以不同羥值的多元醇A、B和粗MDI、TDI為主要原料，已制備出不同性能的膨脹、抗壓高聚物高分子材料，考察了多元醇種類及用量、催化劑用量、泡沫穩定劑用量等對泡孔結構、發泡強度及力學性能的影響；
　　（3）目前制備的灌漿用泡沫材料原料特性：
　　成品化；施工操作簡單、方便；經濟適用且便于貯存、運輸；漿體粘度對路基材料具有高滲透性；能在地下聚合，凝結時間短，固化后強度高。
　　2．2階段性成果
　　（1）已制備出膨脹、抗壓雙組分高聚物灌漿高分子材料
　　采用上述材料，可以：
　　①通過注射工藝維修路面基層和加固路基。注射的高聚物液體通過化學反應形成固體，同時體積迅速膨脹，從而填充路面結構中的脫空，并向周圍介質施加可控的壓力。
　　②利用反應性加工技術，通過配方調整、可控反應，達到可以控制高聚物灌漿材料的體積膨脹率。
　　3有機材料在高速公路路面病害處治中的應用發展趨勢
　　縱觀國內外有關資料，有機材料在高速公路路面病害處治中的應用并不是很多。因而，有必要結合實際工程對有機材料在高速公路路面裂縫、脫空病害處治的技術應用技術進行研究，尋求比較合理、科學的解決病害的方法，以減少和預防高速公路在運營過程中的路面各種病害發生，為今后高速公路的行車質量提供保障，也為高速公路的日常養護及病害處治的設計、施工提供科學依據，確保高等級公路的服務水平。
　　通過有機材料在高速公路路面病害處治中的應用研究，揭示我國目前復合路面、半剛性路面存在的基層開裂和反射裂縫并產生脫空沉陷等嚴重問題，詳細分析裂縫、脫空沉陷等產生的機理和影響因素，以材料實驗為依據，結合高速公路改造及養護工作，提供有理論創新且有實際應用價值的研究成果，用以解決復合路面、半剛性路面基層開裂以及開裂后脫空沉陷處治的難題。
　　
　　3結論
　　采用原位制備結構可控高分子灌漿材料來維修路面基層和加固路基，注射的高聚物液體通過化學反應形成固體，同時體積迅速膨脹，從而填充路面結構中的脫空，并向周圍介質施加可控的壓力。該材料耐久性好、施工快捷、可控性好，是一種較為理想的灌漿材料。對高速公路病害處治新材料的應用技術展開研究具有重要的實際意義和理論價值。
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