CN112679157A - 一种半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料及其制备方法，按重量份计包括如下组分，双组份聚氨酯预聚体70～100份，硅藻土粉末10～15份，水泥150～200份，水60～80份，缓凝剂1.0～2.0份。硅藻土、水泥、聚氨酯形成网络互穿的多元复合结构，有利于提高新旧路面基层拼接界面部位的致密性和粘结强度。硅藻土通过煅烧和球磨后能够激发出硅藻土的活性，煅烧和球磨后的硅藻土平均粒径变小，粒径分布广泛，比表面积变大，与水泥净浆中氢氧化钙的反应速度越快，单位时间内的水化产物越多，提高水泥浆体中水化硅酸钙的数量，减少钙硅比和氢氧化钙的含量，提高水泥的强度。

Description

一种半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料及其制备方法

技术领域

本发明属于路基路面修补用注浆材料，尤其涉及一种半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料及其制备方法。

背景技术

公路病害是指在公路建成交付使用后，在行车和自然因素的综合作用下，路表出现的裂缝、坑槽、松散、拥抱等现象。其中，主要以裂缝病害为主，以江苏省为例，裂缝病害在公路病害中占比在75％～95％之间，而裂缝类病害又以半刚性基层反射裂缝为主，占比高达90％～95％。

现阶段对半刚性基层反射裂缝的治理方法主要包括：罩面处治、开挖修补和注浆加固等，其中注浆加固由于工艺简单、造价低、占用时间短等优点，在路面半刚性基层反射裂缝的修补中得到广泛运用。该方法是利用气压或液压通过注浆管将浆液注入到基层中，将原来开裂或松散的结构胶凝成一个整体，对裂缝起到修补作用。虽然注浆效果受注浆材料、注浆设备、现场施工工艺等因素影响，但是注浆材料性能是注浆技术中的关键，注浆材料性能优劣，直接影响到裂缝的修复效果。

目前常用的注浆材料主要包括水泥浆、地聚物或聚氨酯，采用水泥注浆材料存在浆料难以注入细小缝隙，导致修复不完全，仍然存在二次开裂的隐患；采用地聚物注浆材料存在后期收缩效果不好的问题，采用聚氨酯注浆材料无法起到结构加固补强作用，对反射裂缝的处治效果不太理想。

有鉴于上述现有注浆材料存在的缺陷，本发明人基于从事此类材料多年丰富经验及专业知识，配合理论分析，加以研究创新，以期开发一种裂缝修补材料及其制备工艺，提高路面反射裂缝修补效果。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，通过组分的改进提升修补材料的修补性能。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明的一种半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，按重量计，包括双组份聚氨酯预聚体70～100份，硅藻土粉末10～15份，水泥150～200份，水60～80份，缓凝剂1.0～2.0份。

作为优选的，其中使用的硅藻土含有SiO₂ 70％～85％。

作为优选的，水泥是普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或粉煤灰硅酸盐水泥中的任意一种或多种的混合物。

作为优选的，缓凝剂为白糖、三聚磷酸钠、葡萄糖酸钠和柠檬酸中的任意一种或两种的混合物；缓凝材料被吸附在水泥颗粒的表面，形成氢键，氢键又可以和水泥混凝土内部的水分子结合在一起，水泥混凝土颗粒的表面就会形成一层水膜，减慢了水向水泥渗透的速度，而且缓凝组分溶液也减慢水化产物的生长，延缓水泥的水化，推迟水化产物的结晶，抑制水泥混凝土性能的转变；缓凝剂的加入能够延长制品的凝固时间，达到施工要求，其次是缓凝后生成的固结体强度好。

作为优选的，双组份聚氨酯预聚体，按重量计，包括A组份(主剂)100份、B组份(固化剂)70～100份，其中A组份(主剂)包括80～100份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、20～25份CASE类多元醇、5～10份增韧剂、0.1～0.5延迟催化剂、0.05～0.1份匀泡剂。

作为优选的，其中低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇的粘度为300～400mPa·s，粘度小、体系流动性较好，能满足注浆施工设备的要求；羟值为400～450(mgKOH/g)，羟值较高，增加发泡时的交联密度，使得分子链刚性增强、柔韧性降低，分子链活动能力下降，使得制品的断裂伸长率降低而硬度增加，提升制品的强度和热稳定性。

作为优选的，其中CASE类多元醇的羟值为500～540(mgKOH/g)，官能度低，分子量大，分子链柔性好，分子链间的作用力较小，软段结晶性能较好，改善制品的柔韧性，同时也能改善材料质地。

本发明中同时添加低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇和CASE类多元醇两者复配，使得制品的软硬段分布均匀，避免应力集中，增加制品的弹性，在保证材料质地、柔韧性都良好的情况下，达到较高的强度。

作为优选的，其中增韧剂的羟值为255～312(mgKOH/g)、分子量为360～440，严格控制增韧剂的羟值和分子量，可以保证增韧剂能够在聚氨酯中引入柔性链段，使得制品的微相分离程度较好，进一步改善制品的柔韧性。

作为优选的，催化剂为叔胺催化剂与有机锡类催化剂复配制得，叔胺催化剂选自二亚乙基二胺溶液、二甲氨基乙氧基乙醇、醋酸钾、2,4,6-(二甲氨基甲基)苯酚中的任意一种；有机锡类催化剂选自二丁基锡二月桂酸、辛酸亚锡、二醋酸二丁基锡中的任意一种；叔胺催化剂与有机锡类催化剂比例为1:1-2：3；两者复配比例为1:1-2:3时，协同效应最佳、注浆材料的发泡率适宜、气泡分布较为均匀、缺陷较少，便于注浆施工的操作。同时，可以促使材料反应更加充分，提高分子间键与键的牢固性，使得制品的力学性能、粘接强度及止水堵漏性能达到最佳。

作为优选的，匀泡剂为由矿物油、特种聚醚酯和分散剂组成的混合物。采用该种匀泡剂不仅能快速消除双组份聚氨酯预聚体制备过程中产生的气泡，还能使吸附在混凝土界面处的气泡破裂，具有提高界面过渡区的致密性和粘结强度的作用。

作为优选的，B组份(固化剂)为多异氰酸酯，多异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯甲烷(MOCA)、多苯基多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)、MDI/TDI体系异氰酸酯中的一种或两种混合物；更优选为多苯基多亚甲基多异氰酸酯，由于多苯基多亚甲基多异氰酸酯含有的苯环刚性好，使得链段构象不容易发生改变，这样的结构使得制品不仅具有优异的力学强度、而且耐热性高，稳定性强。

本发明的另一个目的是提供一种半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料的制备方法。

本发明的上述技术效果是由以下技术方案实现的：

本发明还提供了一种上述技术方案所述半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，制备双组份聚氨酯预聚体：将80～100份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、20～25份CASE类多元醇、70～100份多异氰酸酯、5～10份增韧剂、0.1～0.5催化剂、0.05～0.1份匀泡剂置于温度设置为70℃～90℃的反应釜中，氮气保护条件下反应1.5～2h，得到双组份聚氨酯预聚体；

步骤二，制备硅藻土粉末：将硅藻土置于600℃的烘箱中煅烧3h，取出，冷却1h，球磨过200目筛，得到硅藻土粉末，装袋备用；硅藻土通过煅烧和球磨后能够激发出硅藻土的活性，煅烧和球磨后的硅藻土平均粒径变小，粒径分布广泛，比表面积变大，与水泥净浆中氢氧化钙的反应速度越快，单位时间内的水化产物越多，相同的水化龄期下，水泥净浆体的水化程度越高，水泥的力学性能和耐久性越好；将硅藻土球磨过200目筛，达到颗粒最佳粒度分布，发挥掺合料的物理堆积效应，激发出掺和料的化学活性，能提高水泥浆体中水化硅酸钙的数量，减少钙硅比和氢氧化钙的含量，提高水泥的强度。

步骤三，制备水泥裹浆：将10～15份硅藻土粉末、150～200份水泥、60～80份水、1.0～2.0份缓凝剂混合均匀，得到水泥裹浆；聚氨酯插入硅藻土层间，形成聚氨酯-硅藻土互穿网络结构，硅藻土片层以剥离形式均匀的分散在互穿网络结构，有效抑制聚氨酯降解，延长聚氨酯使用寿命；同时采用水泥作为灌浆材料的骨架，使得聚氨酯-硅藻土互穿网络结构、水泥在固化过程中形成三维网络结构，固结体更加密实，极大提高了固结体的抗压强度和耐久性，增强了注浆材料渗透性、粘结力、变形性及密封性。

同时，聚氨酯-硅藻土互穿网络结构在复合体系中还能起到润滑效应、表面活性以及减水效应，使得注浆材料的抗压强度升高。

步骤四，将步骤一得到的双组份聚氨酯预聚体缓慢的加入到步骤三得到的水泥裹浆中，混合均匀后即可得到目标产物；双组份聚氨酯预聚体中的-NCO基团与基层混凝土界面富集的Ca(OH)₂反应，生成性能稳定的氨基甲酸酯，降低界面处Ca(OH)₂富集程度，生成的氨基甲酸酯还能填充混凝土界面处的孔隙，从而进一步提高界面过渡区的致密性和粘结强度。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提出的半刚性基层裂缝非开挖注浆材料，添加硅藻土、水泥、聚氨酯预聚体能够形成网络互穿的多元复合结构，有利于提高新旧路面基层拼接界面部位的致密性和粘结强度，改善修补的后期收缩问题，保证结构加固补强作用；

2)在聚氨酯预聚体中添加低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇与CASE类多元醇，复配后提供较高强度的同时，通过添加增韧剂，可有效提高材料的柔韧性及拉伸伸长率，同时增加粘接性能；异氰酸酯与水稳石发生化学交联反应，具有较高的粘接强度，良好的柔韧性能够有效应对路面形变，避免脱粘，选用的延迟性催化剂，可以使材料前期粘度很低，具有良好的流动性，更好的进入裂缝深处，后期又能够加速材料熟化，产生强度，实现快速修补，快速通车；

3)硅藻土通过煅烧和球磨后能够激发出硅藻土的活性，煅烧和球磨后的硅藻土平均粒径变小，粒径分布广泛，比表面积变大，与水泥净浆中氢氧化钙的反应速度越快，单位时间内的水化产物越多，提高水泥浆体中水化硅酸钙的数量，减少钙硅比和氢氧化钙的含量，提高水泥的强度。同时硅藻土片层以剥离形式均匀的分散在复合结构中，有效抑制聚氨酯降解，延长聚氨酯使用寿命。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对依据本发明提出的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料及其制备方法，其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

在本发明实施例中，所采用的市售材料CASE类多元醇、低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、匀泡剂、增韧剂等均来源于于万华化学集团股份有限公司。

实施例1

本发明提出的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，按重量计，包括双组份聚氨酯预聚体70份，硅藻土粉末10份，普通硅酸盐水泥150份，水60份，三聚磷酸钠缓凝剂1.0份。

其中双组份聚氨酯预聚体，按重量计，包括A组份(主剂)100份，A组份包括80份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、20份CASE类多元醇、5份增韧剂、0.2催化剂、0.05份匀泡剂；和B组份(固化剂)70份。

选用的低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇的粘度为300～400mPa·s、羟值为402(mgKOH/g)，酸值0.05(mgKOH/g)，水分为0.05％，钾离子浓度为1ppm,PH值为6.3；选用的CASE类多元醇的羟值为500～540(mgKOH/g)，酸值0.1(mgKOH/g)，水分为0.1％，PH值为6。选用的增韧剂为无色透明液体，羟值为255～312(mgKOH/g)、分子量为360～440，凝固点410℃，PH值为5-7，选用的催化剂为二亚乙基二胺溶液与二丁基锡二月桂酸1:1复配，选用的匀泡剂为矿物油、特种聚醚酯和分散剂组成的混合物，B组份(固化剂)为甲苯二异氰酸酯(TDI)。

本发明提出的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，制备双组份聚氨酯预聚体：将80份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、20份CASE类多元醇、50份多异氰酸酯、5份增韧剂、0.2份催化剂、0.05份匀泡剂置于温度设置为75℃的反应釜中，氮气保护条件下反应1.5h，得到双组份聚氨酯预聚体；

步骤二，制备硅藻土粉末：将硅藻土置于600℃的烘箱中煅烧3h，取出，冷却1h，球磨过200目筛，得到硅藻土粉末，装袋备用；

步骤三，制备水泥裹浆：将10份硅藻土粉末、150份水泥、60份水、1.0份缓凝剂混合均匀，得到水泥裹浆；

步骤四，将步骤一得到的双组份聚氨酯预聚体缓慢的加入到步骤三得到的水泥裹浆中，混合均匀后即可得到目标产物。

采用本发明方法制备的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其性能测试结果如表1所示。

实施例2

本发明提出的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，按重量计，包括双组份聚氨酯预聚体80份，硅藻土粉末12份，矿渣硅酸盐水泥180份，水70份，葡萄糖缓凝剂1.5份。

其中双组份聚氨酯预聚体，按重量计，包括A组份(主剂)100份，A组份包括80份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、20份CASE类多元醇、5份增韧剂、0.4份催化剂、0.08份匀泡剂；和B组份(固化剂)70份。

选用的低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇的粘度为300～400mPa·s、羟值为427(mgKOH/g)，酸值0.05(mgKOH/g)，水分为0.05％，钾离子浓度为1ppm，PH值为6.5；选用的CASE类多元醇的羟值为500～540(mgKOH/g)，酸值0.1(mgKOH/g)，水分为0.1％，PH值为6。选用的增韧剂为无色透明液体，羟值为255～312(mgKOH/g)、分子量为360～440，凝固点410℃，PH值为5-7，选用的催化剂为二甲氨基乙氧基乙醇与二丁基锡二月桂酸比例1:2复配，选用的匀泡剂为矿物油、特种聚醚酯和分散剂组成的混合物，B组份(固化剂)为甲苯二异氰酸酯(TDI)。

本发明提出的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，制备双组份聚氨酯预聚体：将80份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、20份CASE类多元醇、60份多异氰酸酯、5份增韧剂、0.4催化剂、0.08份匀泡剂置于温度设置为80℃的反应釜中，氮气保护条件下反应1.5h，得到双组份聚氨酯预聚体；

步骤二，制备硅藻土粉末：将硅藻土置于600℃的烘箱中煅烧3h，取出，冷却1h，球磨过200目筛，得到硅藻土粉末，装袋备用；

步骤三，制备水泥裹浆：将12份硅藻土粉末、180份水泥、70份水、1.5份缓凝剂混合均匀，得到水泥裹浆；

步骤四，将步骤一得到的双组份聚氨酯预聚体缓慢的加入到步骤三得到的水泥裹浆中，混合均匀后即可得到目标产物。

采用本发明方法制备的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其性能测试结果如表1所示。

实施例3

本发明提出的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，按重量计，包括双组份聚氨酯预聚体100份，硅藻土粉末15份，粉煤灰硅酸盐水泥200份，水80份，柠檬酸缓凝剂2.0份。

其中双组份聚氨酯预聚体，按重量计，包括A组份(主剂)100份，A组份包括100份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、25份CASE类多元醇、10份增韧剂、0.5催化剂、0.1份匀泡剂；和B组份(固化剂)100份。

选用的低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇的粘度为300～400mPa·s、羟值为450(mgKOH/g)，酸值0.08(mgKOH/g)，水分为0.08％，钾离子浓度为1ppm，PH值为6.57；选用的CASE类多元醇的羟值为500～540(mgKOH/g)，酸值0.1(mgKOH/g)，水分为0.1％，PH值为6。

选用的增韧剂为无色透明液体，羟值为255～312(mgKOH/g)、分子量为360～440，凝固点410℃，PH值为5-7，选用的催化剂为2,4,6-(二甲氨基甲基)苯酚与二醋酸二丁基锡比例1:3复配，选用的匀泡剂为矿物油、特种聚醚酯和分散剂组成的混合物，B组份(固化剂)为甲苯二异氰酸酯(TDI)。

本发明提出的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，制备双组份聚氨酯预聚体：将100份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、25份CASE类多元醇、70份多异氰酸酯、10份增韧剂、0.5催化剂、0.1份匀泡剂置于温度设置为90℃的反应釜中，氮气保护条件下反应2h，得到双组份聚氨酯预聚体；

步骤二，制备硅藻土粉末：将硅藻土置于600℃的烘箱中煅烧3h，取出，冷却1h，球磨过200目筛，得到硅藻土粉末，装袋备用；

步骤三，制备水泥裹浆：将15份硅藻土粉末、200份水泥、80份水、2.0份缓凝剂混合均匀，得到水泥裹浆；

步骤四，将步骤一得到的双组份聚氨酯预聚体缓慢的加入到步骤三得到的水泥裹浆中，混合均匀后即可得到目标产物。

采用本发明方法制备的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其性能测试结果如表1所示。

对比例1

以丁苯乳液改性水泥砂浆作为裂缝修补材料，并对其性能进行测试，结果如表1所示。

性能测试

分别测试上述实施例1-3和对比例中的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料与普通聚合物注浆材料的附着力拉拔强度、复合件拉拔强度、劈裂抗拉强度，验证本发明的一种半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料对裂缝的修补加固效果，测试结果如下：

表1注浆修补材料性能测试结果

	附着力拉拔强度	复合件拉拔强度	劈裂抗拉强度
				实施例1	2.43	0.83	1.07
实施例2	2.57	0.76	1.12
				实施例3	2.48	0.85	1.05
对比例1	2.0	0.42	0.74

通过上表的性能测试结果可以看出，采用本发明方法制备的注浆修补材料，其附着力拉拔强度比常规注浆修补材料提高20％以上；复合件拉拔强度提高0.34，劈裂抗拉强度提高0.31，采用本发明方法制备的注浆修补材料对裂缝的修补加固效果具有十分明显的提升。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例展示如上，但并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其特征在于：按重量份计包括如下组分，双组份聚氨酯预聚体70～100份，硅藻土粉末10～15份，水泥150～200份，水60～80份，缓凝剂1.0～2.0份。

2.根据权利要求1所述的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其特征在于：所述缓凝剂为三聚磷酸钠、葡萄糖或柠檬酸中的任意一种或两种及以上的混合物。

3.根据权利要求1或2所述的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其特征在于：所述双组份聚氨酯预聚体按重量份计，包括A组份100份、B组份70～100份，所述A组份包括80～100份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、20～25份CASE类多元醇、5～10份增韧剂、0.1～0.5催化剂和0.05～0.1份匀泡剂。

4.根据权利要求3所述的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其特征在于：所述低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇的粘度为300～400mPa·s、羟值为400～450（mgKOH/g）。

5.根据权利要求3所述的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其特征在于：所述CASE类多元醇的羟值为500～540（mgKOH/g）。

6.根据权利要求3所述的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其特征在于：所述增韧剂的羟值为255～312（mgKOH/g）、分子量为360～440。

7.根据权利要求3所述的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其特征在于：

所述催化剂为叔胺催化剂与有机锡类催化剂复配制得。

8.根据权利要求3所述的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其特征在于：

所述匀泡剂为矿物油、特种聚醚酯和分散剂组成的混合物。

9.根据权利要求3所述的半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料，其特征在于：

所述B组份为多异氰酸酯，所述多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯甲烷或多苯基多亚甲基多异氰酸酯中的任意一种或两种的混合物。

10.前述半刚性基层裂缝非开挖注浆修补材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，制备双组份聚氨酯预聚体：将80～100份低粘度高官能度硬泡聚醚多元醇、20～25份CASE类多元醇、70～100份多异氰酸酯、5～10份增韧剂、0.1～0.5催化剂、0.05～0.1份匀泡剂置于反应釜中，氮气保护条件下反应1.5～2h，得到双组份聚氨酯预聚体；

步骤二，制备硅藻土粉末：将硅藻土置于烘箱中煅烧后取出，冷却，球磨过筛，得到硅藻土粉末备用；

步骤三，制备水泥裹浆：将10～15份硅藻土粉末、150～200份水泥、60～80份水、1.0～2.0份缓凝剂混合均匀，得到水泥裹浆备用；

步骤四，将步骤一制备的双组份聚氨酯预聚体缓慢加入到步骤三制备的水泥裹浆中，混合均匀后得到目标产物。