场道加固高聚物注浆材料研究

程国勇，黄旭栋，侯栋文

（中国民航大学机场学院，天津300300）

场道加固高聚物注浆材料研究

程国勇，黄旭栋，侯栋文

（中国民航大学机场学院，天津300300）

高聚物注浆技术已广泛应用于工民建、道路、铁路等已有建筑物的地基加固，由于机场道面不停航施工等特殊要求，在机场场道工程领域该技术一直未能得到应用。选定某种高聚物材料作为场道地基加固材料，对其抗压强度、弹性模量及最大膨胀力变化规律进行了研究。试验结果表明：当固化体的密度ρ从86.72 kg/m3增大到290.66 kg/m3，抗压强度q由1.55 MPa增大至11.61 MPa，弹性模量E由21.25 MPa增大至106.17 MPa，而且随密度的增大固化体的破坏性状逐渐呈现出脆性；当固化体密度ρ从92.13 kg/m3增大到420.36 kg/m3时，最大膨胀力P从0.11 MPa增大到1.12 MPa，密度越大，最大膨胀力越大且膨胀力增长速率越快，一般60 s内，膨胀作用力就能够增长到最大膨胀力的90%左右。上述结论对于将高聚物注浆技术应用于机场场道的不停航加固处理具有参考价值。

机场工程；高聚物注浆材料；密度；抗压强度；弹性模量；膨胀力

机场道面的不均匀沉降对机场道面在结构上和功能上都会产生严重危害，甚至可能造成不可挽回的灾难性事故。由于机场工程的复杂性和不停航施工的特殊要求，当机场道面的不均匀沉降情况不是特别严重时，一般不作处理而继续使用；在飞机荷载反复作用下,当道面的差异沉降持续扩大直至有可能危及飞机滑跑安全时，才不得不进行停航翻修，造成巨大经济损失及社会负面影响。根据统计资料，采用不停航施工进行道面翻修时，单块道面板的翻修更换费用高达人民币20万元左右甚至更高。因此，开展利用航班间隙，通过道面微创施工实现机场沉陷道面地基加固、恢复道面平整性的技术研究，对提高机场场道使用质量、消除道面隐患、延长道面使用寿命、确保机场安全高效运行具有十分重要的意义。

传统的水泥注浆工艺一般用于公路及机场道面的脱空治理[1-3]，对于小范围的道面板错台有良好的治理效果，但是对于机场道面大范围、严重的不均匀沉降无法处理。高聚物地基加固技术是从20世纪70年代发展起来的新的快速地基加固处理技术，相比传统地基加固技术具有施工干扰小、施工速度快、设备轻便易移动、无需开挖、无灰尘杂质等优点，已经广泛应用于国外公路、城市道路、工业与民用建筑的非开挖地基加固及沉降区调平，并取得了良好的工程效果[4-8]。然而由于机场道面承受荷载大、安全性要求高以及不停航施工等特殊要求，在机场场道工程领域该技术一直未能得到应用。

因此本文选定某种高聚物材料作为场道地基加固材料，采用室内试验对其物理力学性质进行研究，为后续高聚物注浆技术在场道地基加固及道面平整性恢复技术的研究提供基本参数，为机场道面高聚物加固处理技术的应用提供有益参考。

1 压缩性能试验

1.1 模具及试样制备

制备内径50 mm，外径100 mm，高220 mm环氧树脂圆柱体并沿径向线性切割为2个对称的半圆柱①。在环氧树脂半圆柱体①上下面圆弧中部钻孔植入螺栓⑥，同时加工厚10 mm，直径100 mm环氧树脂盖帽②，并在螺栓⑥对应位置打孔，如图1所示。

图1 试件制作模具示意图Fig.1 Schematic diagram of test piece

为方便脱模，在环氧树脂圆柱体①内壁均匀涂抹凡士林，将试件制作模具各部件进行组装，为保证模具气密性在对称圆柱体①对接位置增加长方形软体塑胶垫片⑦以及环氧树脂盖帽②与圆柱体①之间增加塑胶垫片④。沿模具竖向高度均匀布置5个加强管箍③对模具进行约束，用盖帽②及塑胶垫片④封闭模具底面，由蝴蝶型螺母⑤拧紧固定。

为获得不同的试件密度，根据模具体积计算高聚物AB料总质量，并按1：1重量比例单独秤量高聚物AB料。本次试验计划制取6组不同密度的试件，如表1所示。

表1 高聚物试件控制密度Tab.1 Control density of polymer sample

试件制备前，将高聚物AB料在烧杯中混合并搅拌均匀，直至混合浆液泛白后注入模具，然后迅速用盖帽②及塑胶垫片④封闭模具顶面，由蝴蝶型螺母⑤拧紧固定。模具内高聚物浆液膨胀固化体冷却后约半小时，拆除模具取出圆柱形试件。将长约220 mm的圆柱体切割成4个尺寸为50 mm×50 mm的试件，并对试件两端精细打磨平整，然后在标准条件下养护3天。由于高聚物浆液搅拌后呈粘流态，注入模具过程中，烧杯内有浆液残留，导致高聚物固化体试件密度比计划控制密度低，因此在无侧限抗压实验前需用游标卡尺精确测量试件直径和高度，秤其重量，重新计算试件密度。

1.2 抗压强度和弹性模量

对6种密度高聚物固化体试件进行平行试验，利用电子万能试验机对进行无侧限抗压强度实验并记录其应力-应变发展过程，其应力-应变的关系曲线如图2所示。

图2 高聚物固化浆体应力-应变关系曲线Fig.2 Stress-strain curve of polymer solidified slurry

从图2看出高聚物固化体试件在5%轴向应变范围内，存在一个较好的线弹性阶段。当轴向应变超过5%左右应力-应变曲线开始呈现非线性性质。当轴向应变超过7.5%～10%后轴向变形迅速增大，随着固化体密度的增大，该轴向应变界限有增大趋势。

从图2还可以看出，高聚物固化体线性变形阶段末（5%轴向应变）所对应的轴向应力值约在1.05 MPa～7.3 MPa之间，这一参数对高聚物用于机场道面的地基加固及平整性恢复处理具有重要参考价值。根据相关研究，机场刚性道面结构下土基顶面所承受的飞机荷载附加应力一般不超过100 kPa[9-10]。因此，根据上述试验结果，场道加固处理时若将本高聚物材料加注于基层与土基之间，在飞机荷载作用下高聚物固化体完全处于线性变形段内且变形极小。

此外可以看出，高聚物固化体应力-应变曲线并不存在明显的线性与非线性变形分界点，而是某一阶段，该阶段对应某一应变范围区间，试件密度越大该转换阶段越窄，且当试件密度达到一定值后，应力应变曲线存在峰值，试件的破坏呈现一定脆性。之所以呈现上述特征，从微观结构分析，高聚物固化体是一种三维网络空腔结构[11]，当其受压时均匀密闭的内部腔体结构压缩变形，初始阶段腔体未破坏，随加压荷载的增大，应变持续增加，内部封闭腔体逐渐出现破裂，应力增长速度放缓，应力-应变关系呈现曲线增长。鉴于高聚物应力应变曲线的上述特征，为方便取值，破坏标准取10%轴向应变所对应的轴向应力值。

考虑到场道结构加固的目的以及土体破坏一般取5%轴线应变标准，此外高聚物应力应变曲线在5%轴向应变范围内具有良好的线性性质，因此将5%轴向应变范围内的割线斜率作为其高聚物材料的弹性模量值。

根据以上高聚物固化体破坏和弹性模量取值标准，将6组密度、每组4个试件的试验数据算术平均，整理数据，得到密度与抗压强度、弹性模量对应关系，如表2所示。

表2 材料的密度与屈服抗压强度对应关系Tab.2 Density and yield compressive strength of materials

由表2可以看出，当固化体的密度ρ从86.72 kg/m3增大到290.66 kg/m3，抗压强度q则由1.55 MPa增大至11.61 MPa，弹性模量E由21.25 MPa增大至106.17 MPa。

图3 密度与抗压强度关系曲线Fig.3 Relationship between density and yield compressive strength

图4 密度与弹性模量关系曲线Fig.4 Relationship between density and elastic modulus

根据表2实验数据，拟合密度与抗压强度、密度与弹性模量关系曲线，得到密度与抗压强度关系式（1）、密度与弹性模量关系式（2）。

2 高聚物浆液膨胀性能试验

2.2 试验装置

采用电阻应变测量方法对高聚物材料膨胀力学性能进行试验。

其中：P为内压力；ε为环向应变；μ为泊松比；E为弹性模量；R为镀锌钢管内径。

根据薄壁圆筒内压力-应变计算公式（3）设计膨胀力测试装置，其主要由3部分组成：壁厚1 mm，内径25 mm，高150 mm镀锌钢管，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3；灵敏度系数2.08，阻值为350 Ω高精度电阻式应变片；静态应变仪。

为防止偏心对测试结果的影响，在钢管两侧对称环向粘贴2个工作应变片R1和R2，采用半桥线路对臂连接，如图5所示。

图5 膨胀力测试装置及桥路连接示意图Fig.5 Schematic diagram of expansion force test device and bridge road connection

试验时，按1∶1重量比例分别秤取一定质量高聚物AB料在烧杯内混合搅拌均匀，由注浆孔注入封闭钢管，螺栓拧紧封闭注浆孔。采用逐点测量逐点记录方式，即使用数字按钮测点切换开关，每5 s手动测量并记录下测量值。60 s后测量完毕，关闭电源，并对钢管内高聚物固化体尺寸精确测量，秤取质量，计算其密度。整理静态应变仪记录数据，根据式（3）计算钢管内高聚物浆液膨胀作用内压力。

2.2 膨胀力特性

本次试验共得到9种密度高聚物膨胀力性能试验数据，选取其中3种密度分析60 s内随时间增长的高聚物浆液膨胀力变化规律，得到高聚物浆液膨胀力的增长曲线，如图6所示。

图6 高聚物混合浆液膨胀力-时间曲线Fig.6 Relationship between swelling force and time of polymer mixture

从图6中可以看出密度越大，浆液膨胀力对钢管开始作用越早，增长速率越快，持续时间越久。钢管内高聚物浆液化学反应体积膨胀的过程基本可以分为三个阶段：第一阶段，高聚物浆液膨胀首先对钢管内部填充，这一阶段持续时间较短（前10 s以内），而且浆液膨胀作用力对钢管管壁的作用并不明显。第二阶段，高聚物浆液体积膨胀充满整个钢管内部空间后继续反应膨胀，由于受到封闭钢管限制，膨胀力直接作用于管壁，引起管壁形变，这一阶段一般持续时间较长（从10 s持续到30 s），膨胀作用力快速增长，而且能够增长达到最大膨胀力的90%左右。钢管内高聚物浆液注入质量越大，浆液化学反应越激烈，体积膨胀速度越快，膨胀作用力的增长持续时间越长。第三阶段，虽然高聚物浆液内部化学反应仍在继续，但膨胀力-时间曲线趋于平缓，膨胀作用力随时间缓慢增长，而且这一阶段持续时间最长，一般高密度时膨胀作用力在这一阶段仍有少量增长，而密度较低时膨胀力多保持不变。

表3 高聚物固化浆体密度与最大膨胀力对应表Tab.3 Density and corresponding maximum expansion force of polymer solidified slurry

高聚物浆液在封闭钢管内膨胀结束时，膨胀力会达到最大值。由于试验装置钢管体积固定，膨胀力的最大值与高聚物浆液注入总质量有关，即与浆液膨胀固化后密度有关。根据国外公布试验结果，最大膨胀力可达到10 MPa[5]。由于实验条件有限，本次试验获取高聚物固化浆体密度92.13 kg/m3＜ρ＜420.36 kg/m3，最大膨胀力0.11 MPa＜P＜1.12 MPa。

图7 密度与最大膨胀力关系曲线Fig.7 Relationship between density and maximum expansion force

根据表3试验数据拟合密度和最大膨胀力关系曲线图7，得到密度与最大膨胀力的关系为

3 结语

通过对某种作为场道地基加固材料的高聚物材料性质进行室内试验，主要研究成果与结论如下：

1）当机场加固高聚物注浆材料固化体的密度ρ从86.72 kg/m3增大到290.66 kg/m3，抗压强度q由1.55 MPa增大至11.61 MPa，弹性模量E由21.25 MPa增大至106.17 MPa，而且随密度的增大固化体的破坏性状逐渐呈现出脆性，其密度和抗压强度、弹性模量试验数据拟合公式分别为

2）当机场加固高聚物注浆材料固化体密度ρ介于92.13 kg/m3和420.36 kg/m3之间，最大膨胀作用力P介于0.11 MPa和1.12 MPa。其密度越大，最大膨胀力越大，膨胀力增长速率越快，一般60 s内，膨胀力就能够增长达到最大膨胀力的90%左右，其密度与最大膨胀力试验数据拟合公式为

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（责任编辑：黄月）

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

程国勇（1971—），男，河北衡水人，教授，博士，研究方向为机场工程、岩土工程.