改性聚酯注浆技术工程特性分析

 摘要：改性聚酯注浆技术相比传统的注浆技术损坏性较小、施工较便捷、耐久性较好、经济实用，广泛应用于公路、铁路、水利、工业与民用建筑等领域。本文通过对改性聚酯注浆技术工程特性的研究分析，对其应用前景进行展望。

关键词：改性聚酯注浆技术；工程特性；应用前景

随着国家基础设施建设大力发展和城市化进程的加速推进，增长方式粗放，效益较低，使用落后的技术、材料、工艺和设备，是工程建设领域各行业面临的普遍问题。为此，相关主管部门积极推广应用“四新”（新技术、新工艺、新材料、新设备），同时，各专业领域也积极响应；经过近二三十年的快速发展，工程建设朝着更高效、更经济、更安全的方向发展，并取得了长足的进步。近年来，改性聚酯注浆技术在房屋地基加固和变形控制、堤坝防渗、公路路基加固等领域得到了广泛的应用。在过去的三十年间，该技术在国外解决了许多工程难题，同时国内学者也进行了系统的理论研究并运用在国内的工程中，取得了突破性的进展。王复明等将该技术成功运用于水坝坝体防渗墙的施工中；郭成超等在水泥混凝土路面脱空区中运用此技术，都取得了较好的效果；苏志鹏等将该技术运用于房屋加固；石明生和郑新国等通过研究该材料的宏观力学性能，更好地将该材料运用于工程实践。本文通过探讨该技术的工程特性，分析相关工程应用，展望该技术的应用前景。

一、改性聚酯注浆技术的特性

（一）力学特性。应力应变曲线与破坏形态。单轴压力下，一般经历三个阶段。应变小于5%时为弹性阶段，此时，泡孔相互接近，不规则的泡孔先被压缩成圆球形；继续加压，泡孔棱边屈曲破泡，达到屈服强度；应变5%～50%时为屈服平台阶段，破泡现象持续，应变不断增加，应力基本不变或增长缓慢；应变达到50%以上时，进入致密阶段，泡孔基本破坏完毕，应力随应变增大而明显增大。密度的差异会影响试件受载过程中的宏观表现，低密度试件（0.1g/cm3）试验过程中无裂缝产生，卸载后变形恢复程度较高。当试件密度为0.3g/cm3时，加载过程中产生了纵向裂缝，表现出明显的脆性破坏。抗压强度。一般将压缩应变为5%时对应的应力值作为试件的抗压强度，通常情况下，材料强度随密度增加而增大，聚氨酯高聚物在0.08～0.5g/cm3密度区间内，强度方面有可靠的安全保障。高密度试件由小泡孔组成，其间的接触面积较小，自由空间大。因此，改性聚酯在受外力作用时，小泡孔首先在其自由空间移动，被逐渐挤密在一起，这个变化过程就是应变迅速发展的过程；相反低密度试件由大泡孔组成，其间接触面积较大，自由空间较小，受外力开始阶段就会产生较大的应力变化。以上泡孔结构遵循能量最低原理，在其界面上有表面张力和表面能，表面能随着界面面积的增大而增大，体系整体稳定性随表面能的增大而减小，当其密度较高时，各泡孔相距较远，彼此不发生相互作用，体系总表面能最低；而当其密度较低时，气体体积较大，泡孔不能按照球形堆积，逐渐转为多面体形状。（二）膨胀性。改性聚酯注浆技术体现出了树脂混合物的膨胀特性，能够起到稳定地基、抬升路面、地板或建筑物，并提高地基承载力的作用。该聚合物材料结实并有弹性、非亲水性、强度较高，不易降解。将两种液态树脂混合时，发生快速的化学反应，释放出巨大的膨胀力（500KPa~10000Kpa）。使用特定的设备和技术将双组份的树脂注入混凝土板和建筑物地基下，可起到抬升和稳定的作用，用于道路病害治理时，把材料注入指定的深度，注射压力不需要很大，但是需能使液态树脂材料在膨胀之前流向路面下的每个部位。固化后材料对建筑或路面的作用力取决于路面的自重，而且不会对路面本身的结构造成破坏。一般情况下，材料在受外界阻力较小的方向膨胀更多，根据这个特点，材料易于流向地基中最软弱的地方，并膨胀和压密，起到加固地基的效果。（三）化学特性。该材料不溶于大多数溶剂，但溶于汽油等油类。材料在芳香族氧化物溶剂里能发生膨胀，然而干燥后能基本恢复其原有的性能。尤其是在水和一般的酸、碱、盐溶液里材料都比较稳定，但强酸和强碱能改变材料性能并使其发生降解反应。该材料可以抵抗霉菌和真菌的侵蚀，因此不易发霉腐烂，同时也不易引来昆虫和鼠类等易破坏材料结构的动物，化学性质呈中性。（四）工程特性。改性聚酯注浆技术具备以下优点和优势：一是改性聚酯反应形成的加固体密度较小，重量较轻，其密度不到水泥浆或沥青材料的10%；二是反应膨胀力在约20min内可以达到其最终强度的90%左右，自由膨胀比可达20∶1，可以很好地填充周围的脱空区和裂缝，进而压密、强化周围的物质；三是该材料为不透水结构、抗渗能力强，对裂缝和接缝处有良好的密封作用；四是材料自稳能力强，呈惰性性质，对周围环境无污染，不污染土壤和地下水，并不受菌类的侵蚀；五是该材料对被加固对象基本无损坏，扰动较小；六是注浆过程快捷、简便，无需养护，在很大程度上缩短了施工时间；七是施工限制条件相对较少，操作空间要求较低；八是用途较广，可用于道路路面病害治理、路基加固，工业与民用建筑地基加固，堤坝坝体防渗加固、防汛抢险，隧道渗漏处理等方面。

二、工程案例分析

（一）房屋地基加固。1.背景介绍。被加固房屋材料强度偏低，构造较薄弱，整体性较差，对外界施工影响较敏感，由于拟建基坑紧邻该房屋，最近仅3.338m，基坑在开挖、内支撑的拆除、换撑等工况中，基坑内壁发生水平位移会影响房屋基础的稳定性和安全性。因此，对该房屋必须采取针对性的保护措施。2.方案比选。目前国内对于建筑地基基础加固的常规方法有基础扩大加固、树根桩、锚杆静压桩、高压喷射注浆、注浆（水泥砂浆和改性聚酯注浆）等。常规加固方案加固效果一般，施工机械、施工空间的要求高，施工扰动性较大等不利因素，最终选择改性聚酯注浆作为此次加固方案。3.施工参数。注浆压力值与施工顺序：压力值为7~14MPa；先对临近基坑一侧注浆，然后对房屋两侧注浆；注浆从沉降较大的点向沉降较小的点推进。注浆材料：双组份改性聚氨酯材料。注浆间距与速率：注浆施工点间距1.5m，流量5.0L/min；单孔注浆量20~40L；注浆深度3.0m。4.效果分析。注浆效果评价主要根据旋转激光仪的监测，并结合传统房屋结构监测，进行综合评价。监测情况结果如下：基坑开挖后，房屋沉降逐渐增大；改性聚酯注浆施工完成后，房屋沉降逐渐平稳；改性聚酯注浆技术对房屋基础有一定的抬升作用，并且未对房屋造成太大的扰动。（二）公路病害治理。美国堪萨斯州公路全长约250英里，等级为二级，交通量为每天2500辆轿车和1850辆卡车。该路段内有约50千米的路段目前破坏极其严重，路面不断出现裂缝并持续扩展，其道路结构性破坏部分达到25%，部分区段板沉降差达到1英寸。通过现场取芯观察分析，路基层为石灰土，并发现其受到了破坏，从下层的石灰石集料下渗并阻塞了排水基层。排水严重不畅导致混凝土路面下出现大量的脱空区，加上路面车载的影响，就出现了目前严重的道路损坏现状。相关部门提出两种方法维修此段病害严重的路段：第一种，通过密封和固化含水基层来稳定面层；第二种，挖掉重铺。最终考虑到较昂贵的施工造价和对交通的影响，挖掉重铺的方案没有被采纳，进而决定采取密封排水基层的措施。初步选用材料为水泥砂浆、沥青浆和高聚物注浆材料，并在病害路段对以上3种材料进行现场试验。结果为：水泥砂浆和沥青浆效果非常有限，水泥砂浆在石灰土和排水层之间不能顺畅流通，故其密封效果不好；沥青浆黏性太大。高聚物注浆试验结果很成功：材料通过细小的注射孔注入地下，并到达每一处脱空区，甚至能够填补粗集料之间的微小空洞，由于该材料的防水性，脱空区的积水不会对材料造成任何不利影响。注浆完成后，现场取芯样表明密封效果很好，高聚物材料注入并固结了排水层的边界。相关部门对此次的维修结果作出了高度的评价，高聚物材料既密封了排水层又填充了所有脱空区，为该病害路段提供了双重保护。

三、结论与展望

本文通过对改性聚酯注浆技术的发展历史、工程特性进行总结分析，得到以下结论：1.改性聚酯注浆技术相比传统的注浆技术优势明显，具体体现在损坏性较小，施工便捷性、耐久性、经济性较好等。2.应用领域较广泛，主要应用于公路、铁路、水利（堤坝防渗加固）、工业与民用建筑等领域。3.改性聚酯工程特性仍需进一步研究分析，与其他材料协同作用的研究鲜有报道，因此，该技术仍有很大的发展空间。

参考文献：

[1]苏志鹏，梁永辉.改性聚酯注浆新技术在控制基坑周边房屋沉降的运用[J].岩土工程学报，2017，39（2）：103-106.

[2]王复明，徐建国，杨柳，等.堤坝高聚物防渗墙静力荷载试验与数值分析[J].建筑科学与工程学报，2015（02）：27-34.

[3]郭成超，王复明，钟燕辉.水泥混凝土路面脱空高聚物注浆技术研究[J].公路，2008（10）：232-234.

[4]石明生，于冬梅，王复明.高聚物注浆材料的弯曲性能[J].材料科学与工程学报，2010（4）：514-517.

[5]郑新国，李书明，谢永江，等.高聚物注浆材料密度与力学行为关系研究[J].武汉理工大学学报，2014，36（4）：44-47.