地聚合物道路注漿加固技術(shù)研究與應(yīng)用

劉江波

（上海城西城建工程勘測設(shè)計(jì)院，上海市 201100）

1 概述

隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，道路的通車?yán)锍桃苍陲w速地增加。目前我國投入運(yùn)營的道路路面中有相當(dāng)一部分接近或超過了設(shè)計(jì)年限，有的雖然未到設(shè)計(jì)年限，但在重交通荷載、自然環(huán)境等外部條件的作用下，有的道路出現(xiàn)了不同程度的破壞，特別是在交叉口附近及橋接坡段較為明顯，大批的道路急待改造修復(fù)。如果不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，其使用性能迅速下降，影響車輛快速、舒適、安全行駛。但是，如果大規(guī)模地翻挖原有路面，則存在著保養(yǎng)周期長，資金投入多，也嚴(yán)重影響車輛的行車安全。處于城區(qū)的政治經(jīng)濟(jì)敏感地帶的城市道路，交通流量大，地下管線復(fù)雜，受各方觀注度高的特點(diǎn)，因此這就更要求在施工上必須做到快速有效，安全環(huán)保，經(jīng)濟(jì)適用，干擾小。為此我們需要積極探索一些切實(shí)可行的施工方法，采用道路非開挖快速搶修加固技術(shù)可謂是解決此類問題一種有效的方案。其中水泥壓漿技術(shù)在水泥混凝土路面修復(fù)中還在推廣使用，但尚存在較之明顯的不足之處，新材料地聚物壓密注漿技術(shù)在路面的修復(fù)中尚未廣泛應(yīng)用，該壓漿工藝環(huán)保低耗，經(jīng)濟(jì)高效，無障礙、全天候、并可迅速開放交通，能有效解決基礎(chǔ)和基層承載力不足的問題，這使得該項(xiàng)技術(shù)在路面養(yǎng)護(hù)維修中有著廣闊的運(yùn)用前景，值得推廣。

地聚合物最早是由法國科學(xué)家Joseph Davidovits于1985年提出、并應(yīng)用。目前，世界上有許多專門研究機(jī)構(gòu)如法國的“Geopolymer Institute”和美國的“Waterways Experiment Station”等和許多科學(xué)家們正在致力于地聚合物材料的研究工作，有關(guān)地聚合物科學(xué)的理論和應(yīng)用科研成果正在快速增長。

我國在這方面研究較晚，上世紀(jì)八十年代有人開始用外加劑來改變超早強(qiáng)注漿水泥的工藝性能，并有了嘗試性的應(yīng)用。上世紀(jì)九十年代上海市政工程研究所研制出一種快速注漿材料在實(shí)際工程中得到了一定的試點(diǎn)應(yīng)用。

鑒于施工材料注漿技術(shù)廣闊的運(yùn)用發(fā)展前景，分別從加固材料及加固工藝二方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和研究，改變傳統(tǒng)道路維修方法的缺點(diǎn)，達(dá)到滿足養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)要求的路面強(qiáng)度。目前已投入生產(chǎn)的主要產(chǎn)品有：（1）LY-Ⅰ型路基及基層聚合物（普通型）。（2）LYⅡ型路基及基層地聚合物（早強(qiáng)型）。（3）LY-Ⅲ土路基地聚合物。在上海大葉公路、蘆五公路、新四平公路、環(huán)城西路、龍吳路、龍華西路等工程項(xiàng)目道路及橋梁養(yǎng)護(hù)維修中，取得了良好的使用及環(huán)保效果，并經(jīng)過一定的時(shí)間周期考驗(yàn)，通過對(duì)路面的強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)。

2 壓密注漿的原理和作用

地聚物壓密注漿材料是針對(duì)道路的基層缺損補(bǔ)強(qiáng)開發(fā)研制的，該材料自身強(qiáng)度高流動(dòng)度大，滲透性好，具有粘結(jié)性。

地聚物壓密注漿技術(shù)是利用注漿管把漿液均勻的注入地層中，漿液在周圍的土體中，通過裂縫滲透、填充、壓密、擴(kuò)張擠走基層結(jié)構(gòu)土體縫隙內(nèi)的積水和空氣，形成漿脈。由于壓漿材料本身穩(wěn)定性好，強(qiáng)度大，加上漿體的流動(dòng)性能好，在壓力作用下，有較強(qiáng)的滲透力，經(jīng)采用LY型注漿材料使基層和路基的密實(shí)度和水穩(wěn)定性，使道路結(jié)構(gòu)致密，缺損得到彌補(bǔ)。從而增加路基及基層的穩(wěn)定性，增強(qiáng)道路結(jié)構(gòu)的使用壽命。承受力得到提高，該材料最大的特點(diǎn)是快凝早強(qiáng)，流動(dòng)度大，滲透性好。因此在道路結(jié)構(gòu)層注漿加固后經(jīng)過短時(shí)間的養(yǎng)護(hù)后迅速開放交通具有良好的經(jīng)濟(jì)，技術(shù)和社會(huì)效益。

3 地聚物壓密注漿和傳統(tǒng)水泥注漿的異同點(diǎn)

3.1 性能異同點(diǎn)

傳統(tǒng)的水泥注漿是-水泥及水玻璃雙液注漿材料凝膠快，抗水分散性好，但不耐水溶性；雖然堿激發(fā)硅鋁質(zhì)膠材料早期有較好效果，但在長期地下水液下很難凝膠，造成抗水分散性差。故不宜作注漿材料。

水泥-水玻璃雙液水泥注漿材料通過了大量實(shí)驗(yàn)，在360 d后強(qiáng)度損失很快。下表是一組試件的測試資料，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24 h拆模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室和有流動(dòng)的水養(yǎng)護(hù)下至1 d、7 d、28 d、90 d、360 d 齡期，測定其抗壓強(qiáng)度;強(qiáng)度損失為流動(dòng)水養(yǎng)護(hù)下和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下強(qiáng)度損失值，見表1。

表1 水泥-水玻璃雙液水泥注漿材料強(qiáng)度測試表

由實(shí)驗(yàn)可知水泥-水玻璃雙液注漿材料（C-S）在較短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生水化凝膠反應(yīng)，可以較好的抗水分散，但是在360 d齡期限、流水溶蝕條件下的強(qiáng)度損失達(dá)到93.9%水溶蝕較大，抗水溶性能較差，這是由于其本身性質(zhì)決定。在堿性條件下水里中富含的C3S和C2S迅速水化凝結(jié)，生成CSH凝膠，產(chǎn)生早期強(qiáng)度但在長期的水溶條件下Ca2+不斷溶出，強(qiáng)度不斷降低。水泥-水玻璃雙液水泥注漿能進(jìn)入地基土體結(jié)構(gòu)受到破壞而形成的空洞或裂縫中，僅起到填充和包裹界面的物理黏結(jié)，起不到防滲灌漿的作用，難以提高地基的抗?jié)B性能，360 d強(qiáng)度已損失93.8%，故使用范圍受限（僅作用于臨時(shí)堵封）。

因此需研制一種膠凝材料漿體微結(jié)構(gòu)將能大幅度提高膠體的抗沖，抗磨性能材料。我院利用聚合物設(shè)計(jì)制備成高性能抗沖磨的材料漿體，該材料漿體既有耐磨的集料又有高強(qiáng)地聚合物膠凝體，較好的漿體抗沖磨性能表現(xiàn)優(yōu)異，水泥石的密度增加且具有微膨脹性，鈣礬石恒定，該安全機(jī)理是采用“有機(jī)-無機(jī)復(fù)合”的技術(shù)將實(shí)際增強(qiáng)抗裂區(qū)分于有機(jī)堿水保塑組合進(jìn)行優(yōu)化復(fù)合材料，簡稱LF材料既能補(bǔ)償膠凝體的收縮，達(dá)到抗裂的目的，又能提高LF膠體工作性能和抗?jié)B性，能配置或抗裂防滲高性能材料。

地聚物壓密注漿流動(dòng)度大、滲透性好，其最大的特點(diǎn)是能滲透到被加固土體及道路基層路基或具有一定活性礦物材料(如砂、石)的界面內(nèi)，并與界面內(nèi)的礦物活性進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成一種新的無機(jī)有機(jī)膠凝體，從而達(dá)到牢固地與被加固體緊密連成一體的效果。因此，與普通水泥注漿水玻璃雙漿相比，其物理、力學(xué)性能和水穩(wěn)性更好、更穩(wěn)定。適用于各級(jí)公路與城市道路路基與基層加固工程,故使用范圍廣泛。

3.2 地聚合物注漿材料優(yōu)點(diǎn)

采用快凝早強(qiáng)型地聚物注漿，僅需要8 h封閉養(yǎng)生時(shí)間，而普通水泥注漿一般需要3 d養(yǎng)生；采用地聚物注漿后的抗壓強(qiáng)度也比普通水泥注漿高得多，可見采用地聚物壓密注漿可實(shí)現(xiàn)高效、無障礙、全天候、迅速開放交通并可達(dá)到快速、高效加固道路的目的?，F(xiàn)將地聚物注漿與水泥注漿二者效果比較見表2。

表2 地聚物注漿及水泥注漿效果比較表

4 地聚物壓密注漿技術(shù)措施

4.1 注漿材料的選用

地聚合物注漿材料目前選用如下三種：

由多礦物組成的聚集體及超塑化劑等以一定比例混合而成。

以上根據(jù)道路的不同部分采用不同的配比推薦選用以下三種類型：

（1）LY-Ⅰ：路基及基層加固用（普通型）；

（2）LY-Ⅱ：路基及基層加固用（快凝早強(qiáng)型）；

（3）LY-Ⅲ上路基加固注漿料（橋臺(tái)接坡）。

4.2 主要技術(shù)措施

4.2.1 孔位布置

一般道路注漿加固分為兩層進(jìn)行加固，即結(jié)構(gòu)層加固（一般在路面下1 m以內(nèi)）和路基加固（一般加固深度1.2～1.5 m,高速公路在1.5 m以內(nèi)）。布孔位置見圖1、圖2。

4.2.2 加固范圍

平面加固范圍：依據(jù)設(shè)計(jì)文件指定范圍,具體注漿部位先后順序根據(jù)設(shè)計(jì)要求。

圖1 孔位矩形布置法

圖2 孔位梅花布置法

4.2.3 技術(shù)要求

（1）道路基層加固

現(xiàn)有路面凹凸不平、沉降、龜裂、裂縫等缺陷表明了該路面道路基層可能已產(chǎn)生變形和位移，LY型地聚合物注漿材料必須滿足《公路路基與基層地聚合物注漿技術(shù)規(guī)程》即是針對(duì)道路的基層缺陷補(bǔ)強(qiáng)開發(fā)研制的，該材料除了自身強(qiáng)度高、流動(dòng)度大、可注性好之外，還具有良好的黏結(jié)性，特別是對(duì)于各類堿性材料其黏結(jié)性能更為突出。經(jīng)與砂性、粘質(zhì)黏土、二灰土、水泥穩(wěn)定碎石、三渣結(jié)合后試驗(yàn)結(jié)果表明，開挖樣洞及彎沉測試均為取得較為理想的工程物理力學(xué)性能，實(shí)施工程經(jīng)驗(yàn)是對(duì)基層加固較為理想的材料，經(jīng)采用LY型地聚合物注漿材料注漿加固后結(jié)構(gòu)層致密，缺損得到了補(bǔ)強(qiáng)，承載能力得到提高。該材料的最明顯的特點(diǎn)是快凝早強(qiáng)、流動(dòng)度大、滲透性好，因此在注漿加固后只要經(jīng)過短時(shí)間的養(yǎng)護(hù)后就能迅速開放交通，具有良好的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)效益。加固深度從現(xiàn)有的面層頂至基層層底之間約1 m范圍以內(nèi)（具體深度取決于道路的原始資料和現(xiàn)場取樣）。

（2）道路路基加固

根據(jù)現(xiàn)有道路結(jié)構(gòu)層缺陷相當(dāng)部分是由于土路基的承載能力低、壓縮變形大所致。路基注漿的目的就是通過高壓注漿使現(xiàn)有土路基內(nèi)的孔隙充滿漿液，土內(nèi)的多余水份被擠出并形成較為穩(wěn)定的土體固結(jié)層，從而達(dá)到土路基的穩(wěn)定。土路基加固可采用LY型地聚合物注漿材料，該材料與土體結(jié)合后能顯著提高土體的水穩(wěn)定性和承載能力。

（3）橋接坡加固

橋接坡注漿分為兩層進(jìn)行加固，即橋接坡結(jié)構(gòu)層加固和橋接坡土基加固。

a.結(jié)構(gòu)層注漿加固

結(jié)構(gòu)層加固就是針對(duì)缺陷部位進(jìn)行加固。橋接坡結(jié)構(gòu)層注漿加固深度為0.8 m，通過注漿使該部位結(jié)構(gòu)層得到補(bǔ)強(qiáng)形成較為完整的整體（硬殼層），因此結(jié)構(gòu)層注漿是橋接坡加固中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)層注漿加固將采用LY-Ⅰ型地聚合物注漿材料。

b.土基注漿加固

土基注漿的目的就是通過高壓注漿使現(xiàn)有土路基內(nèi)的孔隙充滿漿液，土內(nèi)的多余水分被擠出并形成較為穩(wěn)定的土體固結(jié)層，從而達(dá)到土路基的穩(wěn)定。橋接坡基礎(chǔ)注漿加固分為2次注，深度分別為2.5 m、1.8 m，本基礎(chǔ)加固將采用LY-Ⅱ型地聚合物注漿材料，該材料與土體結(jié)合后能提高土體的水穩(wěn)定性和承載能力。

4.4.4 注漿加固工藝

（1）具體工序如下：

布孔—鉆孔—清孔—埋漿管—注漿—冒漿孔封堵（或補(bǔ)漿）—拔管—注漿孔封堵—養(yǎng)護(hù)—土基注漿（步驟同上）—1 d養(yǎng)護(hù)開放交通。

（2）布孔及孔徑

孔位布置見圖1、圖2，孔徑采用Φ50 mm。

（3）注漿泵的工作壓力

注漿泵的工作壓力控制不大于0.3 MPa(土基注漿不大于1.0 MPa)。當(dāng)壓力達(dá)0.3 MPa（或1.0 MPa）時(shí)，停止注漿靜壓3～5 min。若壓力下降則繼續(xù)注漿，直至鄰孔出漿為止。

5 工程實(shí)例

我院實(shí)施過的項(xiàng)目包括：大葉公路，蘆五公路，龍華西路，新四平公路、龍吳路（石龍路～龍漕路）、環(huán)城西路等道路，注漿后的彎沉值，均能符合設(shè)計(jì)要求。

5.1 大葉公路(松江區(qū)界～南匯區(qū)界)

大葉公路是奉賢區(qū)一條東西向的重要道路，第一段自金閘公路（K0-200～第二段里程K0+000）起，向西至望西路（K3+598），路段全長3.798 km；第二段西起金閘公路（K0+000），東至浦星公路（K1+400），路段全稱1.4 km；兩段總計(jì)長5.198 km。上述道路路面結(jié)構(gòu)由于建成年代較長，道路通行車型、車輛較多，故路面沉陷，網(wǎng)裂、碎裂較多，路況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礫石砂和土路基比較潮濕。對(duì)道路損壞原因進(jìn)行分析，提出了對(duì)該路段進(jìn)行注漿處治。

由注漿前后彎沉值對(duì)比圖表可看出：注漿后的彎沉值均遠(yuǎn)小于注漿前彎沉值且小于設(shè)計(jì)彎沉值，注漿后的彎沉值接近于一恒值，由注漿前后彎沉對(duì)比圖可看出：注漿后的路面強(qiáng)度提高幅度最小35%，最大值91%，且普遍提高幅度在50%～80%之間，見圖3～圖8和表3。

圖3 大葉公路（金閘公路-望園路K0+019～K3+473）代表彎沉值對(duì)比（右1車道）

圖4 大葉公路（金閘公路-望西路K0+004～K3+464）代表彎沉值對(duì)比（右2車道）

圖5 大葉公路（金閘公路-望園路K0+010～K3+470）注漿前后彎沉值對(duì)比（左1車道）

圖6 大葉公路（金閘公路-望西路K0+009～K3+465）代表彎沉值對(duì)比（左2車道）

圖7 右幅車道（金閘公路-浦星公路K0+000～K1+400）注漿前后彎沉值對(duì)比

圖8 大葉公路注漿加固前后強(qiáng)度分析

表3 大葉公路（松江區(qū)界～南匯區(qū)界）注漿加固效果分析

由圖9可以看出，經(jīng)過灌漿加固以后，代表彎沉值降低約56%～62%，路面強(qiáng)度評(píng)級(jí)由中提高到優(yōu)，路面強(qiáng)度系數(shù)增大為注漿前2倍多。

圖9 彎沉測試點(diǎn)數(shù)合格率分析

5.2 蘆五公路

蘆五公路全長2.97 km，大量重車通過，路面損壞較重，路面結(jié)構(gòu)厚度0.45 m，工程量21 000 m2。

設(shè)計(jì)彎沉值70（0.01mm），經(jīng)注漿加固后，其強(qiáng)度提高見圖10、圖11及表4。

圖10 蘆五公路前后百米彎沉對(duì)比（K0-K3）左車道

圖11 蘆五公路前后百米彎沉對(duì)比（K0-K3）右車道

表4 蘆五公路注漿加固效果分析

鑒于施工材料注漿技術(shù)廣闊的運(yùn)用發(fā)展前景，地聚物壓漿工藝是一種道路非開挖補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，分別從加固材料及加固工藝二方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，改變傳統(tǒng)道路維修方法的缺點(diǎn)，達(dá)到滿足養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)要求的路面強(qiáng)度。目前已投入生產(chǎn)的主要產(chǎn)品有：（1）LYⅠ型路基及基層聚合物（普通型）。（2）LYⅡ型路基及基層地聚合物（早強(qiáng)型）。（3）LY-Ⅲ地聚合物。道路梁接坡，這些產(chǎn)品在大葉公路、蘆五公路、新四平公路、環(huán)城西路等工程項(xiàng)目道路及橋梁養(yǎng)護(hù)維修中，取得了良好的使用及環(huán)保效果，并經(jīng)過一定的時(shí)間周期考驗(yàn)，通過對(duì)路面的強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)，其路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著增加，滿足了道路養(yǎng)護(hù)路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。并得到了用戶的好評(píng)。該材料是針對(duì)道路的基層缺損補(bǔ)強(qiáng)開發(fā)研制的。

6 壓漿技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)

地聚物壓漿工藝是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的使用方法，如在施工中控制不當(dāng)，可能又再次產(chǎn)生新的道路病害，在壓漿技術(shù)中應(yīng)注意掌握以下兩個(gè)方面的施工要點(diǎn)：

6.1 地下資料的掌握

本工程路面下有各類地下管線，如盲目的進(jìn)行施工，必然會(huì)釀成大禍。施工前必須詳細(xì)調(diào)查地下情況，應(yīng)獲得最新的地下綜合管線圖和周邊地下建筑物的詳細(xì)資料，在施工前對(duì)各地下情況在現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)識(shí)，施工中注意對(duì)壓漿點(diǎn)周圍的管線進(jìn)行觀察，特別是檢查井部位，一旦發(fā)現(xiàn)有漏漿，需對(duì)滲漏處封堵后才能繼續(xù)壓漿。

6.2 施工質(zhì)量控制

由于地聚物注漿為一項(xiàng)新工藝，國內(nèi)尚無一套成熟的施工規(guī)范，因此，建立一套嚴(yán)格確保工程施工質(zhì)量的控制程序，是地聚物注漿實(shí)施成敗的關(guān)鍵，根據(jù)本工程施工后的實(shí)際效果，總結(jié)如下質(zhì)量控制程序：

6.2.1 質(zhì)量事前控制

（1）科學(xué)合理地選用漿液材料

漿液材料的選用關(guān)系到工程處理的效果和造價(jià)。漿液原材料必須符合規(guī)程要求，漿液強(qiáng)度要滿足設(shè)計(jì)要求，并且應(yīng)具有良好的流動(dòng)性，一般水灰比可控制在0.4～0.5。本工程水灰比采0.4（根據(jù)氣候）。

（2）施工人員必須按技術(shù)交底及作業(yè)技術(shù)指導(dǎo)書組織施工。

（3）地聚物所用原材料及固結(jié)體必須滿足設(shè)計(jì)及規(guī)程要求。

6.2.2 質(zhì)量事中控制

（1）施工過程中每一道關(guān)鍵工序必須有施工記錄（如孔深、孔間距、等），并由監(jiān)理簽字認(rèn)可，才能進(jìn)行下一道工序的施工。

（2）施工過程中必須進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)注漿壓力、布孔、孔深根據(jù)注漿效果作合適調(diào)整，以有針對(duì)性地科學(xué)合理地確定注漿壓力、孔距和孔深。

6.2.3 質(zhì)量事后控制

（1）對(duì)注漿后的效果做彎沉檢測評(píng)價(jià)。

（2）文明環(huán)保的施工。

市區(qū)城市道路人流、車流量大，敏感度高，在施工中如不能做到文明環(huán)保施工，則會(huì)給工程施工帶來很大的影響，很難使工藝能順利連續(xù)的進(jìn)行。在施工時(shí)對(duì)冒出的漿液要及時(shí)清理，杜絕出現(xiàn)粉塵和泥漿污染。