改性聚酯注漿技術(shù)工程特性分析

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摘要：改性聚酯注漿技術(shù)相比傳統(tǒng)的注漿技術(shù)損壞性較小、施工較便捷、耐久性較好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利、工業(yè)與民用建筑等領(lǐng)域。本文通過(guò)對(duì)改性聚酯注漿技術(shù)工程特性的研究分析，對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：改性聚酯注漿技術(shù)；工程特性；應(yīng)用前景

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大力發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，增長(zhǎng)方式粗放，效益較低，使用落后的技術(shù)、材料、工藝和設(shè)備，是工程建設(shè)領(lǐng)域各行業(yè)面臨的普遍問(wèn)題。為此，相關(guān)主管部門積極推廣應(yīng)用“四新”（新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備），同時(shí)，各專業(yè)領(lǐng)域也積極響應(yīng)；經(jīng)過(guò)近二三十年的快速發(fā)展，工程建設(shè)朝著更高效、更經(jīng)濟(jì)、更安全的方向發(fā)展，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。近年來(lái)，改性聚酯注漿技術(shù)在房屋地基加固和變形控制、堤壩防滲、公路路基加固等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在過(guò)去的三十年間，該技術(shù)在國(guó)外解決了許多工程難題，同時(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究并運(yùn)用在國(guó)內(nèi)的工程中，取得了突破性的進(jìn)展。王復(fù)明等將該技術(shù)成功運(yùn)用于水壩壩體防滲墻的施工中；郭成超等在水泥混凝土路面脫空區(qū)中運(yùn)用此技術(shù)，都取得了較好的效果；蘇志鵬等將該技術(shù)運(yùn)用于房屋加固；石明生和鄭新國(guó)等通過(guò)研究該材料的宏觀力學(xué)性能，更好地將該材料運(yùn)用于工程實(shí)踐。本文通過(guò)探討該技術(shù)的工程特性，分析相關(guān)工程應(yīng)用，展望該技術(shù)的應(yīng)用前景。

一、改性聚酯注漿技術(shù)的特性

（一）力學(xué)特性。應(yīng)力應(yīng)變曲線與破壞形態(tài)。單軸壓力下，一般經(jīng)歷三個(gè)階段。應(yīng)變小于5%時(shí)為彈性階段，此時(shí)，泡孔相互接近，不規(guī)則的泡孔先被壓縮成圓球形；繼續(xù)加壓，泡孔棱邊屈曲破泡，達(dá)到屈服強(qiáng)度；應(yīng)變5%～50%時(shí)為屈服平臺(tái)階段，破泡現(xiàn)象持續(xù)，應(yīng)變不斷增加，應(yīng)力基本不變或增長(zhǎng)緩慢；應(yīng)變達(dá)到50%以上時(shí)，進(jìn)入致密階段，泡孔基本破壞完畢，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃蠖黠@增大。密度的差異會(huì)影響試件受載過(guò)程中的宏觀表現(xiàn)，低密度試件（0.1g/cm3）試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)裂縫產(chǎn)生，卸載后變形恢復(fù)程度較高。當(dāng)試件密度為0.3g/cm3時(shí)，加載過(guò)程中產(chǎn)生了縱向裂縫，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞?？箟簭?qiáng)度。一般將壓縮應(yīng)變?yōu)?%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為試件的抗壓強(qiáng)度，通常情況下，材料強(qiáng)度隨密度增加而增大，聚氨酯高聚物在0.08～0.5g/cm3密度區(qū)間內(nèi)，強(qiáng)度方面有可靠的安全保障。高密度試件由小泡孔組成，其間的接觸面積較小，自由空間大。因此，改性聚酯在受外力作用時(shí)，小泡孔首先在其自由空間移動(dòng)，被逐漸擠密在一起，這個(gè)變化過(guò)程就是應(yīng)變迅速發(fā)展的過(guò)程；相反低密度試件由大泡孔組成，其間接觸面積較大，自由空間較小，受外力開始階段就會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力變化。以上泡孔結(jié)構(gòu)遵循能量最低原理，在其界面上有表面張力和表面能，表面能隨著界面面積的增大而增大，體系整體穩(wěn)定性隨表面能的增大而減小，當(dāng)其密度較高時(shí)，各泡孔相距較遠(yuǎn)，彼此不發(fā)生相互作用，體系總表面能最低；而當(dāng)其密度較低時(shí)，氣體體積較大，泡孔不能按照球形堆積，逐漸轉(zhuǎn)為多面體形狀。（二）膨脹性。改性聚酯注漿技術(shù)體現(xiàn)出了樹脂混合物的膨脹特性，能夠起到穩(wěn)定地基、抬升路面、地板或建筑物，并提高地基承載力的作用。該聚合物材料結(jié)實(shí)并有彈性、非親水性、強(qiáng)度較高，不易降解。將兩種液態(tài)樹脂混合時(shí)，發(fā)生快速的化學(xué)反應(yīng)，釋放出巨大的膨脹力（500KPa~10000Kpa）。使用特定的設(shè)備和技術(shù)將雙組份的樹脂注入混凝土板和建筑物地基下，可起到抬升和穩(wěn)定的作用，用于道路病害治理時(shí)，把材料注入指定的深度，注射壓力不需要很大，但是需能使液態(tài)樹脂材料在膨脹之前流向路面下的每個(gè)部位。固化后材料對(duì)建筑或路面的作用力取決于路面的自重，而且不會(huì)對(duì)路面本身的結(jié)構(gòu)造成破壞。一般情況下，材料在受外界阻力較小的方向膨脹更多，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，材料易于流向地基中最軟弱的地方，并膨脹和壓密，起到加固地基的效果。（三）化學(xué)特性。該材料不溶于大多數(shù)溶劑，但溶于汽油等油類。材料在芳香族氧化物溶劑里能發(fā)生膨脹，然而干燥后能基本恢復(fù)其原有的性能。尤其是在水和一般的酸、堿、鹽溶液里材料都比較穩(wěn)定，但強(qiáng)酸和強(qiáng)堿能改變材料性能并使其發(fā)生降解反應(yīng)。該材料可以抵抗霉菌和真菌的侵蝕，因此不易發(fā)霉腐爛，同時(shí)也不易引來(lái)昆蟲和鼠類等易破壞材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)物，化學(xué)性質(zhì)呈中性。（四）工程特性。改性聚酯注漿技術(shù)具備以下優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：一是改性聚酯反應(yīng)形成的加固體密度較小，重量較輕，其密度不到水泥漿或?yàn)r青材料的10%；二是反應(yīng)膨脹力在約20min內(nèi)可以達(dá)到其最終強(qiáng)度的90%左右，自由膨脹比可達(dá)20∶1，可以很好地填充周圍的脫空區(qū)和裂縫，進(jìn)而壓密、強(qiáng)化周圍的物質(zhì)；三是該材料為不透水結(jié)構(gòu)、抗?jié)B能力強(qiáng)，對(duì)裂縫和接縫處有良好的密封作用；四是材料自穩(wěn)能力強(qiáng)，呈惰性性質(zhì)，對(duì)周圍環(huán)境無(wú)污染，不污染土壤和地下水，并不受菌類的侵蝕；五是該材料對(duì)被加固對(duì)象基本無(wú)損壞，擾動(dòng)較??；六是注漿過(guò)程快捷、簡(jiǎn)便，無(wú)需養(yǎng)護(hù)，在很大程度上縮短了施工時(shí)間；七是施工限制條件相對(duì)較少，操作空間要求較低；八是用途較廣，可用于道路路面病害治理、路基加固，工業(yè)與民用建筑地基加固，堤壩壩體防滲加固、防汛搶險(xiǎn)，隧道滲漏處理等方面。

二、工程案例分析

（一）房屋地基加固。1.背景介紹。被加固房屋材料強(qiáng)度偏低，構(gòu)造較薄弱，整體性較差，對(duì)外界施工影響較敏感，由于擬建基坑緊鄰該房屋，最近僅3.338m，基坑在開挖、內(nèi)支撐的拆除、換撐等工況中，基坑內(nèi)壁發(fā)生水平位移會(huì)影響房屋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性。因此，對(duì)該房屋必須采取針對(duì)性的保護(hù)措施。2.方案比選。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于建筑地基基礎(chǔ)加固的常規(guī)方法有基礎(chǔ)擴(kuò)大加固、樹根樁、錨桿靜壓樁、高壓噴射注漿、注漿（水泥砂漿和改性聚酯注漿）等。常規(guī)加固方案加固效果一般，施工機(jī)械、施工空間的要求高，施工擾動(dòng)性較大等不利因素，最終選擇改性聚酯注漿作為此次加固方案。3.施工參數(shù)。注漿壓力值與施工順序：壓力值為7~14MPa；先對(duì)臨近基坑一側(cè)注漿，然后對(duì)房屋兩側(cè)注漿；注漿從沉降較大的點(diǎn)向沉降較小的點(diǎn)推進(jìn)。注漿材料：雙組份改性聚氨酯材料。注漿間距與速率：注漿施工點(diǎn)間距1.5m，流量5.0L/min；單孔注漿量20~40L；注漿深度3.0m。4.效果分析。注漿效果評(píng)價(jià)主要根據(jù)旋轉(zhuǎn)激光儀的監(jiān)測(cè)，并結(jié)合傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。監(jiān)測(cè)情況結(jié)果如下：基坑開挖后，房屋沉降逐漸增大；改性聚酯注漿施工完成后，房屋沉降逐漸平穩(wěn)；改性聚酯注漿技術(shù)對(duì)房屋基礎(chǔ)有一定的抬升作用，并且未對(duì)房屋造成太大的擾動(dòng)。（二）公路病害治理。美國(guó)堪薩斯州公路全長(zhǎng)約250英里，等級(jí)為二級(jí)，交通量為每天2500輛轎車和1850輛卡車。該路段內(nèi)有約50千米的路段目前破壞極其嚴(yán)重，路面不斷出現(xiàn)裂縫并持續(xù)擴(kuò)展，其道路結(jié)構(gòu)性破壞部分達(dá)到25%，部分區(qū)段板沉降差達(dá)到1英寸。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯觀察分析，路基層為石灰土，并發(fā)現(xiàn)其受到了破壞，從下層的石灰石集料下滲并阻塞了排水基層。排水嚴(yán)重不暢導(dǎo)致混凝土路面下出現(xiàn)大量的脫空區(qū)，加上路面車載的影響，就出現(xiàn)了目前嚴(yán)重的道路損壞現(xiàn)狀。相關(guān)部門提出兩種方法維修此段病害嚴(yán)重的路段：第一種，通過(guò)密封和固化含水基層來(lái)穩(wěn)定面層；第二種，挖掉重鋪。最終考慮到較昂貴的施工造價(jià)和對(duì)交通的影響，挖掉重鋪的方案沒(méi)有被采納，進(jìn)而決定采取密封排水基層的措施。初步選用材料為水泥砂漿、瀝青漿和高聚物注漿材料，并在病害路段對(duì)以上3種材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果為：水泥砂漿和瀝青漿效果非常有限，水泥砂漿在石灰土和排水層之間不能順暢流通，故其密封效果不好；瀝青漿黏性太大。高聚物注漿試驗(yàn)結(jié)果很成功：材料通過(guò)細(xì)小的注射孔注入地下，并到達(dá)每一處脫空區(qū)，甚至能夠填補(bǔ)粗集料之間的微小空洞，由于該材料的防水性，脫空區(qū)的積水不會(huì)對(duì)材料造成任何不利影響。注漿完成后，現(xiàn)場(chǎng)取芯樣表明密封效果很好，高聚物材料注入并固結(jié)了排水層的邊界。相關(guān)部門對(duì)此次的維修結(jié)果作出了高度的評(píng)價(jià)，高聚物材料既密封了排水層又填充了所有脫空區(qū)，為該病害路段提供了雙重保護(hù)。

三、結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)改性聚酯注漿技術(shù)的發(fā)展歷史、工程特性進(jìn)行總結(jié)分析，得到以下結(jié)論：1.改性聚酯注漿技術(shù)相比傳統(tǒng)的注漿技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，具體體現(xiàn)在損壞性較小，施工便捷性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性較好等。2.應(yīng)用領(lǐng)域較廣泛，主要應(yīng)用于公路、鐵路、水利（堤壩防滲加固）、工業(yè)與民用建筑等領(lǐng)域。3.改性聚酯工程特性仍需進(jìn)一步研究分析，與其他材料協(xié)同作用的研究鮮有報(bào)道，因此，該技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間。

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作者:官琦 單位:中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司