場(chǎng)道加固高聚物注漿材料研究

程國(guó)勇，黃旭棟，侯棟文

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津300300）

場(chǎng)道加固高聚物注漿材料研究

程國(guó)勇，黃旭棟，侯棟文

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津300300）

高聚物注漿技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工民建、道路、鐵路等已有建筑物的地基加固，由于機(jī)場(chǎng)道面不停航施工等特殊要求，在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程領(lǐng)域該技術(shù)一直未能得到應(yīng)用。選定某種高聚物材料作為場(chǎng)道地基加固材料，對(duì)其抗壓強(qiáng)度、彈性模量及最大膨脹力變化規(guī)律進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)固化體的密度ρ從86.72 kg/m3增大到290.66 kg/m3，抗壓強(qiáng)度q由1.55 MPa增大至11.61 MPa，彈性模量E由21.25 MPa增大至106.17 MPa，而且隨密度的增大固化體的破壞性狀逐漸呈現(xiàn)出脆性；當(dāng)固化體密度ρ從92.13 kg/m3增大到420.36 kg/m3時(shí)，最大膨脹力P從0.11 MPa增大到1.12 MPa，密度越大，最大膨脹力越大且膨脹力增長(zhǎng)速率越快，一般60 s內(nèi)，膨脹作用力就能夠增長(zhǎng)到最大膨脹力的90%左右。上述結(jié)論對(duì)于將高聚物注漿技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道的不停航加固處理具有參考價(jià)值。

機(jī)場(chǎng)工程；高聚物注漿材料；密度；抗壓強(qiáng)度；彈性模量；膨脹力

機(jī)場(chǎng)道面的不均勻沉降對(duì)機(jī)場(chǎng)道面在結(jié)構(gòu)上和功能上都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，甚至可能造成不可挽回的災(zāi)難性事故。由于機(jī)場(chǎng)工程的復(fù)雜性和不停航施工的特殊要求，當(dāng)機(jī)場(chǎng)道面的不均勻沉降情況不是特別嚴(yán)重時(shí)，一般不作處理而繼續(xù)使用；在飛機(jī)荷載反復(fù)作用下,當(dāng)?shù)烂娴牟町惓两党掷m(xù)擴(kuò)大直至有可能危及飛機(jī)滑跑安全時(shí)，才不得不進(jìn)行停航翻修，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)負(fù)面影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，采用不停航施工進(jìn)行道面翻修時(shí)，單塊道面板的翻修更換費(fèi)用高達(dá)人民幣20萬(wàn)元左右甚至更高。因此，開(kāi)展利用航班間隙，通過(guò)道面微創(chuàng)施工實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)沉陷道面地基加固、恢復(fù)道面平整性的技術(shù)研究，對(duì)提高機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道使用質(zhì)量、消除道面隱患、延長(zhǎng)道面使用壽命、確保機(jī)場(chǎng)安全高效運(yùn)行具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的水泥注漿工藝一般用于公路及機(jī)場(chǎng)道面的脫空治理[1-3]，對(duì)于小范圍的道面板錯(cuò)臺(tái)有良好的治理效果，但是對(duì)于機(jī)場(chǎng)道面大范圍、嚴(yán)重的不均勻沉降無(wú)法處理。高聚物地基加固技術(shù)是從20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新的快速地基加固處理技術(shù)，相比傳統(tǒng)地基加固技術(shù)具有施工干擾小、施工速度快、設(shè)備輕便易移動(dòng)、無(wú)需開(kāi)挖、無(wú)灰塵雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)外公路、城市道路、工業(yè)與民用建筑的非開(kāi)挖地基加固及沉降區(qū)調(diào)平，并取得了良好的工程效果[4-8]。然而由于機(jī)場(chǎng)道面承受荷載大、安全性要求高以及不停航施工等特殊要求，在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程領(lǐng)域該技術(shù)一直未能得到應(yīng)用。

因此本文選定某種高聚物材料作為場(chǎng)道地基加固材料，采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，為后續(xù)高聚物注漿技術(shù)在場(chǎng)道地基加固及道面平整性恢復(fù)技術(shù)的研究提供基本參數(shù)，為機(jī)場(chǎng)道面高聚物加固處理技術(shù)的應(yīng)用提供有益參考。

1 壓縮性能試驗(yàn)

1.1 模具及試樣制備

制備內(nèi)徑50 mm，外徑100 mm，高220 mm環(huán)氧樹(shù)脂圓柱體并沿徑向線性切割為2個(gè)對(duì)稱的半圓柱①。在環(huán)氧樹(shù)脂半圓柱體①上下面圓弧中部鉆孔植入螺栓⑥，同時(shí)加工厚10 mm，直徑100 mm環(huán)氧樹(shù)脂蓋帽②，并在螺栓⑥對(duì)應(yīng)位置打孔，如圖1所示。

圖1 試件制作模具示意圖Fig.1 Schematic diagram of test piece

為方便脫模，在環(huán)氧樹(shù)脂圓柱體①內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，將試件制作模具各部件進(jìn)行組裝，為保證模具氣密性在對(duì)稱圓柱體①對(duì)接位置增加長(zhǎng)方形軟體塑膠墊片⑦以及環(huán)氧樹(shù)脂蓋帽②與圓柱體①之間增加塑膠墊片④。沿模具豎向高度均勻布置5個(gè)加強(qiáng)管箍③對(duì)模具進(jìn)行約束，用蓋帽②及塑膠墊片④封閉模具底面，由蝴蝶型螺母⑤擰緊固定。

為獲得不同的試件密度，根據(jù)模具體積計(jì)算高聚物AB料總質(zhì)量，并按1：1重量比例單獨(dú)秤量高聚物AB料。本次試驗(yàn)計(jì)劃制取6組不同密度的試件，如表1所示。

表1 高聚物試件控制密度Tab.1 Control density of polymer sample

試件制備前，將高聚物AB料在燒杯中混合并攪拌均勻，直至混合漿液泛白后注入模具，然后迅速用蓋帽②及塑膠墊片④封閉模具頂面，由蝴蝶型螺母⑤擰緊固定。模具內(nèi)高聚物漿液膨脹固化體冷卻后約半小時(shí)，拆除模具取出圓柱形試件。將長(zhǎng)約220 mm的圓柱體切割成4個(gè)尺寸為50 mm×50 mm的試件，并對(duì)試件兩端精細(xì)打磨平整，然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3天。由于高聚物漿液攪拌后呈粘流態(tài)，注入模具過(guò)程中，燒杯內(nèi)有漿液殘留，導(dǎo)致高聚物固化體試件密度比計(jì)劃控制密度低，因此在無(wú)側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)前需用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量試件直徑和高度，秤其重量，重新計(jì)算試件密度。

1.2 抗壓強(qiáng)度和彈性模量

對(duì)6種密度高聚物固化體試件進(jìn)行平行試驗(yàn)，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)并記錄其應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展過(guò)程，其應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 高聚物固化漿體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain curve of polymer solidified slurry

從圖2看出高聚物固化體試件在5%軸向應(yīng)變范圍內(nèi)，存在一個(gè)較好的線彈性階段。當(dāng)軸向應(yīng)變超過(guò)5%左右應(yīng)力-應(yīng)變曲線開(kāi)始呈現(xiàn)非線性性質(zhì)。當(dāng)軸向應(yīng)變超過(guò)7.5%～10%后軸向變形迅速增大，隨著固化體密度的增大，該軸向應(yīng)變界限有增大趨勢(shì)。

從圖2還可以看出，高聚物固化體線性變形階段末（5%軸向應(yīng)變）所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力值約在1.05 MPa～7.3 MPa之間，這一參數(shù)對(duì)高聚物用于機(jī)場(chǎng)道面的地基加固及平整性恢復(fù)處理具有重要參考價(jià)值。根據(jù)相關(guān)研究，機(jī)場(chǎng)剛性道面結(jié)構(gòu)下土基頂面所承受的飛機(jī)荷載附加應(yīng)力一般不超過(guò)100 kPa[9-10]。因此，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)道加固處理時(shí)若將本高聚物材料加注于基層與土基之間，在飛機(jī)荷載作用下高聚物固化體完全處于線性變形段內(nèi)且變形極小。

此外可以看出，高聚物固化體應(yīng)力-應(yīng)變曲線并不存在明顯的線性與非線性變形分界點(diǎn)，而是某一階段，該階段對(duì)應(yīng)某一應(yīng)變范圍區(qū)間，試件密度越大該轉(zhuǎn)換階段越窄，且當(dāng)試件密度達(dá)到一定值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線存在峰值，試件的破壞呈現(xiàn)一定脆性。之所以呈現(xiàn)上述特征，從微觀結(jié)構(gòu)分析，高聚物固化體是一種三維網(wǎng)絡(luò)空腔結(jié)構(gòu)[11]，當(dāng)其受壓時(shí)均勻密閉的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)壓縮變形，初始階段腔體未破壞，隨加壓荷載的增大，應(yīng)變持續(xù)增加，內(nèi)部封閉腔體逐漸出現(xiàn)破裂，應(yīng)力增長(zhǎng)速度放緩，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)曲線增長(zhǎng)。鑒于高聚物應(yīng)力應(yīng)變曲線的上述特征，為方便取值，破壞標(biāo)準(zhǔn)取10%軸向應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力值。

考慮到場(chǎng)道結(jié)構(gòu)加固的目的以及土體破壞一般取5%軸線應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)，此外高聚物應(yīng)力應(yīng)變曲線在5%軸向應(yīng)變范圍內(nèi)具有良好的線性性質(zhì)，因此將5%軸向應(yīng)變范圍內(nèi)的割線斜率作為其高聚物材料的彈性模量值。

根據(jù)以上高聚物固化體破壞和彈性模量取值標(biāo)準(zhǔn)，將6組密度、每組4個(gè)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)算術(shù)平均，整理數(shù)據(jù)，得到密度與抗壓強(qiáng)度、彈性模量對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2 材料的密度與屈服抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Density and yield compressive strength of materials

由表2可以看出，當(dāng)固化體的密度ρ從86.72 kg/m3增大到290.66 kg/m3，抗壓強(qiáng)度q則由1.55 MPa增大至11.61 MPa，彈性模量E由21.25 MPa增大至106.17 MPa。

圖3 密度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between density and yield compressive strength

圖4 密度與彈性模量關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between density and elastic modulus

根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合密度與抗壓強(qiáng)度、密度與彈性模量關(guān)系曲線，得到密度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式（1）、密度與彈性模量關(guān)系式（2）。

2 高聚物漿液膨脹性能試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)裝置

采用電阻應(yīng)變測(cè)量方法對(duì)高聚物材料膨脹力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)。

其中：P為內(nèi)壓力；ε為環(huán)向應(yīng)變；μ為泊松比；E為彈性模量；R為鍍鋅鋼管內(nèi)徑。

根據(jù)薄壁圓筒內(nèi)壓力-應(yīng)變計(jì)算公式（3）設(shè)計(jì)膨脹力測(cè)試裝置，其主要由3部分組成：壁厚1 mm，內(nèi)徑25 mm，高150 mm鍍鋅鋼管，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3；靈敏度系數(shù)2.08，阻值為350 Ω高精度電阻式應(yīng)變片；靜態(tài)應(yīng)變儀。

為防止偏心對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在鋼管兩側(cè)對(duì)稱環(huán)向粘貼2個(gè)工作應(yīng)變片R1和R2，采用半橋線路對(duì)臂連接，如圖5所示。

圖5 膨脹力測(cè)試裝置及橋路連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of expansion force test device and bridge road connection

試驗(yàn)時(shí)，按1∶1重量比例分別秤取一定質(zhì)量高聚物AB料在燒杯內(nèi)混合攪拌均勻，由注漿孔注入封閉鋼管，螺栓擰緊封閉注漿孔。采用逐點(diǎn)測(cè)量逐點(diǎn)記錄方式，即使用數(shù)字按鈕測(cè)點(diǎn)切換開(kāi)關(guān)，每5 s手動(dòng)測(cè)量并記錄下測(cè)量值。60 s后測(cè)量完畢，關(guān)閉電源，并對(duì)鋼管內(nèi)高聚物固化體尺寸精確測(cè)量，秤取質(zhì)量，計(jì)算其密度。整理靜態(tài)應(yīng)變儀記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)式（3）計(jì)算鋼管內(nèi)高聚物漿液膨脹作用內(nèi)壓力。

2.2 膨脹力特性

本次試驗(yàn)共得到9種密度高聚物膨脹力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取其中3種密度分析60 s內(nèi)隨時(shí)間增長(zhǎng)的高聚物漿液膨脹力變化規(guī)律，得到高聚物漿液膨脹力的增長(zhǎng)曲線，如圖6所示。

圖6 高聚物混合漿液膨脹力-時(shí)間曲線Fig.6 Relationship between swelling force and time of polymer mixture

從圖6中可以看出密度越大，漿液膨脹力對(duì)鋼管開(kāi)始作用越早，增長(zhǎng)速率越快，持續(xù)時(shí)間越久。鋼管內(nèi)高聚物漿液化學(xué)反應(yīng)體積膨脹的過(guò)程基本可以分為三個(gè)階段：第一階段，高聚物漿液膨脹首先對(duì)鋼管內(nèi)部填充，這一階段持續(xù)時(shí)間較短（前10 s以內(nèi)），而且漿液膨脹作用力對(duì)鋼管管壁的作用并不明顯。第二階段，高聚物漿液體積膨脹充滿整個(gè)鋼管內(nèi)部空間后繼續(xù)反應(yīng)膨脹，由于受到封閉鋼管限制，膨脹力直接作用于管壁，引起管壁形變，這一階段一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（從10 s持續(xù)到30 s），膨脹作用力快速增長(zhǎng)，而且能夠增長(zhǎng)達(dá)到最大膨脹力的90%左右。鋼管內(nèi)高聚物漿液注入質(zhì)量越大，漿液化學(xué)反應(yīng)越激烈，體積膨脹速度越快，膨脹作用力的增長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。第三階段，雖然高聚物漿液內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)仍在繼續(xù)，但膨脹力-時(shí)間曲線趨于平緩，膨脹作用力隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)，而且這一階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，一般高密度時(shí)膨脹作用力在這一階段仍有少量增長(zhǎng)，而密度較低時(shí)膨脹力多保持不變。

表3 高聚物固化漿體密度與最大膨脹力對(duì)應(yīng)表Tab.3 Density and corresponding maximum expansion force of polymer solidified slurry

高聚物漿液在封閉鋼管內(nèi)膨脹結(jié)束時(shí)，膨脹力會(huì)達(dá)到最大值。由于試驗(yàn)裝置鋼管體積固定，膨脹力的最大值與高聚物漿液注入總質(zhì)量有關(guān)，即與漿液膨脹固化后密度有關(guān)。根據(jù)國(guó)外公布試驗(yàn)結(jié)果，最大膨脹力可達(dá)到10 MPa[5]。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，本次試驗(yàn)獲取高聚物固化漿體密度92.13 kg/m3＜ρ＜420.36 kg/m3，最大膨脹力0.11 MPa＜P＜1.12 MPa。

圖7 密度與最大膨脹力關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between density and maximum expansion force

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合密度和最大膨脹力關(guān)系曲線圖7，得到密度與最大膨脹力的關(guān)系為

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某種作為場(chǎng)道地基加固材料的高聚物材料性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，主要研究成果與結(jié)論如下：

1）當(dāng)機(jī)場(chǎng)加固高聚物注漿材料固化體的密度ρ從86.72 kg/m3增大到290.66 kg/m3，抗壓強(qiáng)度q由1.55 MPa增大至11.61 MPa，彈性模量E由21.25 MPa增大至106.17 MPa，而且隨密度的增大固化體的破壞性狀逐漸呈現(xiàn)出脆性，其密度和抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合公式分別為

2）當(dāng)機(jī)場(chǎng)加固高聚物注漿材料固化體密度ρ介于92.13 kg/m3和420.36 kg/m3之間，最大膨脹作用力P介于0.11 MPa和1.12 MPa。其密度越大，最大膨脹力越大，膨脹力增長(zhǎng)速率越快，一般60 s內(nèi)，膨脹力就能夠增長(zhǎng)達(dá)到最大膨脹力的90%左右，其密度與最大膨脹力試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合公式為

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（責(zé)任編輯：黃月）

Study on polymer grouting material in runway reinforcement

CHENG Guoyong,HUANG Xudong,HOU Dongwen
（College of Airport Engineering,CAUC,Tianjin 300300,China）

Polymer grouting technology has been widely used in civil engineering,roads,railways and other existing building foundation reinforcement.Due to the special requirements of airport pavement construction of non-stop flight,this technology has not been applied in the field of airport engineering.Some polymer materials are chosen as subgrade reinforcement materials,and the compressive strength,elastic modulus,maximum expansion force with the change of material density are studied.Test results show that when the density of polymer solidified slurry increases from 86.72 kg/m3to 290.66 kg/m3,the yield compressive strength increases from 1.55 MPa to 11.61 MPa,the elastic modulus increases from 21.25 MPa to 106.17 MPa,and the stress-strain relation appears brittle tendency with the increase of density.The polymer solidified slurry density is between 92.13 kg/m3and 420.36 kg/m3,and the maximum expansion force is between 0.11 MPa and 1.12 MPa.The greater the density is,the greater the maximum expansion force becomes,and the faster the growth rate of expansion force is.Generally,within 60s,the expansion force will be able to reach the maximum expansion force by about 90%.The conclusion can provide reference for dealing with the application of polymer grouting reinforcement technology in airport non-stop flight.

airport engineering;polymer grouting material;density;compressive strength;elasticity modulus;expansion force

V351.11；U416

A

1674－5590（2017）01－0032－04

2016-04-05；

2016-05-26

程國(guó)勇（1971—），男，河北衡水人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)工程、巖土工程.