背景知识

随着我国城市化进程和交通基础设施的快速发展，道路病害问题日益突出，如路面沉降、裂缝、空洞、翻浆等，严重影响道路通行能力与使用寿命。传统的道路注浆材料多为水泥基浆液，存在早期强度低、收缩大、耐久性差、施工效率低等问题，难以满足现代道路快速修复与绿色低碳的发展需求。同时，我国每年产生大量工业固废，如粉煤灰、矿渣、煤矸石、钢渣等，其中部分固废具有潜在胶凝活性，可作为地聚合物（Geopolymer）注浆材料的基础原料。地聚合物是一类由富含硅铝的无机材料在碱性活化剂作用下形成的三维网状结构聚合物，具有早期强度高、耐腐蚀、低收缩、低碳排放等优点，是制备注浆材料的理想选择。

因此，开展“固废地聚合物注浆材料研发与道路智慧注浆技术”，对于推动道路养护材料绿色化、智能化发展具有重要意义。

案例正文

本案例围绕“固废地聚合物注浆材料研发与道路智慧注浆技术”的研发与工程应用展开，旨在帮助学生理解地聚合物材料的基本原理与制备方法，掌握道路病害智能识别与注浆修复技术，并了解绿色建材与智能建造在现代交通工程中的融合应用。

一、固废地聚合物注浆材料设计与制备技术

项目组以粉煤灰、矿渣为主要原料，辅以碱性活化剂（如NaOH、Na₂SiO₃）和添加剂（如硅灰、早强剂），通过正交试验优化配合比，制备出适用于道路注浆的固废地聚合物浆液。主要技术路线如下：

原材料选择与活性激发

选择高活性粉煤灰与矿渣作为主要胶凝组分，采用碱激发技术提高其反应活性；

浆液性能调控

控制浆液流动性（≥200 mm）、凝结时间（初凝≥15 min，终凝≤60 min）、抗压强度（7天≥15 MPa）等关键指标；

环境友好性提升

减少水泥用量，提高固废利用率，降低碳排放；

浆液可泵性优化

通过添加流变改性剂，提升浆液的流动性和泵送性能，满足长距离注浆需求。

二、道路病害识别与智慧注浆系统开发

为实现注浆修复的精准化与智能化，项目组开发了一套“道路病害识别+注浆路径规划+施工过程监控”一体化的智慧注浆系统，主要包括：

探地雷达（GPR）+三维激光扫描联合检测技术

实现对道路内部空洞、脱空、松散等病害的高精度识别；

AI病害识别与注浆路径规划算法

基于深度学习模型自动识别病害区域，并智能生成注浆路径与注浆量；

注浆施工全过程监控平台

集成压力、流量、时间等数据采集模块，实现注浆过程可视化与质量可追溯；

远程调度与数据管理平台

支持移动端与PC端同步查看施工进度、病害分布及修复效果，提升管理效率。

三、关键性能测试与工程验证

项目组对所研发的地聚合物注浆材料进行了系统测试，验证其关键性能指标如下：

该材料已在某城市主干道道路修复工程中成功应用，共修复病害路段约2公里，注浆点位约300处。

工程应用结果表明：

注浆材料渗透性好，能有效填充道路空洞与脱空区域；施工效率提升约30%，注浆质量可控性显著提高；病害识别准确率超过90%，注浆路径规划合理；道路修复后无明显沉降反弹，使用效果良好。

四、技术效益与推广价值

该技术的成功应用带来了显著的经济社会与环境效益：

经济效益：减少水泥用量，降低材料成本；提高施工效率，缩短工期；

技术效益：提升注浆材料性能与施工智能化水平；

环境效益：提高固废资源化利用率，降低碳排放；

推广价值：适用于城市道路、高速公路、铁路路基等多种场景，具备广泛推广前景。

主要结果如图1-7所示：

图1矿渣和粉煤灰的XRD谱

图2固体材料的颗粒级配曲线

图3实验室SFGGM浆液制备及性能试验

图4注浆性能指标单因素影响分析

图5液固比和水玻璃掺量交互作用对注浆性能指标的影响

图6单因素和多因素对注浆性能整体满意度的影响

图7最优配比与对应的响应量值

使用效果

本案例在教学与工程实践中均展现出良好的使用效果。该案例将材料科学、道路工程与智能建造技术有机融合，帮助研究生深入理解地聚合物材料的制备原理与性能调控方法，掌握了道路病害智能识别与注浆修复的关键技术，提升了综合工程素养与科研实践能力。在工程应用中，所研发的注浆材料表现出优异的流动性、早期强度与低收缩特性，施工效率提升约30%，病害识别准确率超过90%，注浆质量可控性显著增强，修复后道路结构稳定，无明显沉降反弹，同时通过高比例利用粉煤灰、矿渣等工业固废，降低了碳排放和材料成本，体现了良好的环境友好性与经济可行性。该技术已在某城市主干道成功应用，修复病害路段约2公里，注浆点位约300处，施工过程可视化与智能化水平显著提升，技术推广价值高，社会反响良好，为推动道路养护材料绿色化、智能化发展提供了有力支撑。

案例使用说明

教学目的

本案例旨在帮助研究生系统掌握固废地聚合物注浆材料的设计与制备方法，理解道路病害识别与智慧注浆技术的基本原理与工程应用，提升其在绿色建材、智能建造与可持续交通工程方面的综合素养，通过理论与实践相结合的方式，培养学生解决复杂工程问题的能力，增强其科研创新能力与工程实践意识。

教学建议

建议教师在讲授过程中结合实验数据、工程应用案例与图表资料，引导学生围绕地聚合物材料的配比设计、性能测试与智慧注浆系统的开发进行深入讨论，鼓励学生从材料科学、道路工程与信息化技术多角度分析问题，并可组织小组研讨或模拟工程方案设计，提升课堂互动性与学生的参与度，强化理论与实践的融合。

推荐阅读

建议学生在学习本案例前，阅读有关地聚合物材料的基本原理、工业固废资源化利用、注浆加固技术及智能建造在交通工程中应用的相关文献，如《Cement and Concrete Research》《Construction and Building Materials》《Road Materials and Pavement Design》等期刊文章，以及国家关于绿色建材与低碳交通发展的相关政策文件，以拓宽知识视野，提升理解深度。

相关理论

本案例涉及的主要理论包括碱激发胶凝材料反应机理、地聚合物的三维网络结构形成过程、浆液流变学特性、注浆加固的力学作用机制，以及人工智能在道路病害识别与路径规划中的应用原理，同时融合了材料科学、道路工程、智能建造与环境工程等多个学科的基础理论，体现了多领域交叉融合的特点。

关键知识点

本案例的关键知识点包括：固废地聚合物材料的组成设计与性能调控方法、浆液流动度、凝结时间与抗压强度等关键指标的测试与优化、探地雷达与三维激光扫描在道路病害检测中的应用、基于AI的病害识别与注浆路径规划算法、注浆施工全过程监控与数据管理技术，以及绿色低碳材料在交通工程中的可持续发展路径。

案例分析思路

本案例的分析思路围绕“问题导向—材料研发—技术集成—工程验证—效益评估”五个核心环节展开，首先从道路病害频发与传统注浆材料存在的问题切入，引导学生认识工程实践中材料性能与施工效率的瓶颈；继而通过固废地聚合物注浆材料的研发过程，分析其原材料选择、配合比设计与性能优化路径；随后结合智慧注浆系统的开发，探讨人工智能、检测技术与施工管理的融合应用；再通过工程实测数据与现场应用效果，验证材料与技术的可行性与先进性；最后从经济、环境与推广价值等方面综合评估该技术体系的整体效益，帮助学生建立从理论研究到工程实践再到可持续发展评价的系统性思维框架。

案例总结

本案例系统介绍了固废地聚合物注浆材料的研发过程与道路智慧注浆技术的工程应用，展示了传统道路注浆材料向绿色化、智能化方向发展的技术路径。通过理论分析、材料制备、系统开发与工程实践相结合的方式，体现了绿色建材与智能建造技术在现代交通工程中的深度融合。

该技术的成功研发不仅为道路病害修复提供了新材料与新工艺，也为我国交通基础设施绿色低碳、智能高效发展提供了有力支撑。