基于半剛性基層脫空的熱瀝青注漿效果評價

黃琴龍，袁 遠，余 路

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 200092）

在行車荷載反復作用下，瀝青路面半剛性基層的路基土將產(chǎn)生過量的殘余變形或被水流沖刷流失，使得基層底部失去支撐而形成凹陷空腔。若不及時處理，將導致路面產(chǎn)生反射裂縫、局部沉陷及坑槽碎裂等損壞，大大縮短道路壽命［1］。

針對半剛性基層脫空的修復，常用的水泥基注漿和高聚物注漿加固技術尚有諸多不足。水泥基注漿存在漿液凝固時間長、強度增長緩慢、易沉降析水及凝固前易被水稀釋等問題［2］；高聚物注漿材料價格昂貴，大規(guī)模使用成本高，且具有一定程度的毒性，易引起環(huán)境污染［3］。采用熱瀝青進行注漿修復具有周期短和注漿體性能穩(wěn)定等優(yōu)點［4］。

注漿效果評價可以通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場效果測試。作者擬通過多種工況條件下的注漿修復室內(nèi)試驗，通過小梁彎拉強度等試驗，全面分析熱瀝青注漿修復半剛性基層脫空的效果和影響因素，并與傳統(tǒng)水泥基注漿效果進行對比分析。

1 注漿材料

選擇湖瀝青作為熱瀝青注漿材料，選用325普通硅酸鹽水泥作為水泥基注漿材料，分別用熱瀝青注漿材料和水泥基注漿材料制成φ40×40mm圓柱體試件，進行無側限抗壓試驗，得到兩者的應力－應變曲線。在典型瀝青路面結構下，由于半剛性基層底面豎向應變?yōu)?00με，注漿材料的工作抗壓模量取0～200με時的抗壓模量平均值，注漿材料的抗壓強度和工作抗壓模量等力學性能指標見表1。

表1 注漿材料力學性能Table 1 Mechanical properties of grouting materials

2 試驗設計

2.1 基層脫空受力特征

半剛性基層的破壞主要是因為材料不能承受其在行車荷載反復作用下產(chǎn)生的彎拉應力。當基層出現(xiàn)脫空時，脫空區(qū)域上方基層板體可視為簡支梁受力模式［1］，如圖1所示?；鶎拥撞恐尾痪鶆?，在路面自重和行車荷載作用下，半剛性基層底面將受到附加彎拉應力作用。若附加彎拉應力長期作用，會加劇基層疲勞開裂，最終導致路面結構破壞［5］。

圖1 基層脫空狀態(tài)受力模式Fig.1 Force mode of voids of semi－rigid base

2.2 試件成型

對道路脫空進行室內(nèi)試驗模擬。李文彧［6－7］等人均采用規(guī)則長方體形狀空洞模擬實際脫空病害；魏宏［5］等人在瀝青路面半剛性基層底脫空力學響應分析時，用矩形脫空模型模擬道路脫空，并認為脫空面積比脫空高度對彎沉的影響更為明顯。因此，本研究選擇長方體空洞來表征道路脫空，并通過改變脫空面積來表征脫空程度。

選用325普通硅酸鹽水泥、0～31.5mm懸浮密實級配的碎石集料及摻量為3.5%的水泥，參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51－2009）［8］，制成100mm×100mm×400mm脫空梁試件。試件脫空高度和寬度均為20mm，脫空長度選擇200mm和100mm 2種，分別對應10%和5%的脫空率（脫空率＝脫空寬度×脫空長度÷試件平剖面面積），如圖2所示。試件梁脫空部位分別注入不同情況的瀝青漿或水泥漿，熱瀝青注漿材料選用特立尼達湖瀝青，水泥基注漿材料選用325普通硅酸鹽水泥漿液，水灰比為0.5∶1。

2.3 彎拉強度試驗

參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51－2009），利用MTS材料試驗機，對復合梁試件進行彎拉強度試驗，試驗采用三分點加載模式，如圖3所示。

2.3.1 試驗條件

1）干燥和潮濕2種注漿層位接觸條件

因注漿層位接觸面條件會直接影響瀝青漿液與基層粒料的粘結，進而影響注漿效果，故試驗模擬干燥和潮濕2種實際工作條件。

①干燥條件：先將脫空梁試件在自然條件下風干24h，然后放入70℃烘箱中，干燥2h后取出，再對脫空部位注入熱瀝青漿液。

②潮濕條件：用水壺將脫空梁試件脫空處灑滿水，24h后注入熱瀝青漿液。

2）瀝青老化程度條件

圖2 復合梁試件（單位：mm）Fig.2 Composite specimen（unit：mm）

圖3 復合梁加載模式（單位：mm）Fig.3 Loading mode of composite specimen（unit：mm）

對于熱瀝青注漿材料，在注入路面以后，不接觸紫外線，環(huán)境溫度也較低，可忽略它的長期老化，而注入前的瀝青加熱、持續(xù)保溫可能導致短期老化。為了研究瀝青短期老化對熱瀝青注漿修復性能的影響，試驗對瀝青漿液的抗熱老化能力進行測試，對瀝青進行持續(xù)5h保持199℃高溫的老化處理。

2.3.2 試驗工況

彎拉試驗分8種工況，每種工況進行了3組平行試驗。

3 試驗結果與分析

彎拉試驗過程中同時讀取了不同階段施加的荷載強度和梁中段處產(chǎn)生的撓度，試驗結果見表2和如圖4所示。

表2 不同試件的彎拉強度及最大中點撓度Table 2 Flexural tensile strength and maximum midpoint deflection of composite specimen

3.1 未修復試件的彎拉強度

通過分析不同脫空率的未修復試件試驗結果發(fā)現(xiàn)，5%脫空率的未修復試件的平均彎拉強度為0.43MPa，而10%脫空率的未修復試件的平均彎拉強度僅為0.31MPa，彎拉強度下降為原來的72%。這表明脫空程度越高，半剛性基層的彎拉強度越低。

3.2 不同脫空率下試件瀝青修復的效果

通過分析不同脫空率下的瀝青修復試件試驗結果發(fā)現(xiàn)，5%脫空率的試件平均彎拉強度為0.80MPa，而10%脫空率的試件平均彎拉強度為0.75MPa，彎拉強度略有下降，為原來的94%。這表明脫空程度越低，經(jīng)瀝青修復的半剛性基層彎拉強度越高。

圖4 復合梁試件荷載與中點撓度的關系Fig.4 Relationship between load and midpoint deflection of composite specimen

3.3 瀝青修復時試件脫空面狀態(tài)影響

通過分析10%脫空率下瀝青修復試件的試驗結果發(fā)現(xiàn)，修復時脫空面干燥狀態(tài)下的平均彎拉強度為0.75MPa，而潮濕狀態(tài)下的平均彎拉強度為0.57MPa，下降為原來的76%。這表明脫空面潮濕會降低瀝青修復效果，干燥的環(huán)境有利于瀝青修復。

3.4 修復前瀝青老化對修復效果的影響

通過分析10%脫空率下瀝青修復試件的試驗結果發(fā)現(xiàn)，用未經(jīng)過老化的瀝青修復后的平均彎拉強度為0.75MPa，而經(jīng)老化后的平均彎拉強度為0.41MPa，下降為原來的55%。這表明瀝青修復性能會隨著漿材的老化而降低。

3.5 瀝青修復前、后的彎拉強度

對于10%脫空率下的試件，瀝青修復前的平均彎拉強度僅為0.31MPa，瀝青修復后的平均彎拉強度大幅提高到0.75MPa，為原來的2.42倍；對于5%脫空率下的試件，瀝青修復前的平均彎拉強度僅為0.43MPa，瀝青修復后的平均彎拉強度大幅提高到0.80MPa，為原來的1.86倍。這表明熱瀝青注漿對脫空半剛性基層的修復效果顯著。

3.6 不同材料的修復效果

從彎拉強度和變形能2方面對熱瀝青與水泥基注漿修復能力進行比較。

1）彎拉強度

在10%脫空率下，熱瀝青復合梁的平均彎拉強度為0.75MPa，而水泥復合梁的平均彎拉強度為0.68MPa，熱瀝青復合梁的平均彎拉強度比水泥復合梁的略高出10%；在5%脫空率下，熱瀝青復合梁的平均彎拉強度為0.80MPa，而水泥復合梁的平均彎拉強度為0.71MPa，熱瀝青復合梁的平均彎拉強度比水泥復合梁的略高出13%。這表明熱瀝青和水泥基注漿在提升脫空半剛性基層的彎拉強度上效果接近，熱瀝青注漿略好。

2）變形能

材料在荷載作用下會發(fā)生變形，荷載在相應的位移上做的功稱為應變功［9］。材料在達到破壞狀態(tài)前所能承受的最大應變功稱之為變形能。材料的變形能越大，承受變形的能力越強。因此，變形能可以充分地說明材料承受變形的能力。復合梁試件變形能如圖5所示。從圖5中可以看出，脫空試件經(jīng)注漿后的變形能顯著提高，且熱瀝青注漿對脫空試件變形能的提升作用大于水泥基注漿的。對比不同脫空率下復合梁試件的變形能發(fā)現(xiàn)，10%脫空率試件的變形能明顯大于5%脫空率試件的，這表明脫空程度越高，注漿材料的變形能越大，經(jīng)注漿修復的半剛性基層承受彎拉變形的能力也越強。

圖5 復合梁試件變形能Fig.5 Deformation energy of composite specimen

經(jīng)分析可知，熱瀝青注漿技術在提高半剛性基層的彎拉強度和抗變形能力均優(yōu)于水泥基注漿技術的，是一種更好的半剛性基層修復技術。在進行半剛性基層脫空修復時，可優(yōu)先使用熱瀝青注漿加固技術。

4 結論

1）基于半剛性基層受力特征，設計了熱瀝青注漿加固技術室內(nèi)試驗方法，通過以長方體表征脫空、脫空率作為參數(shù)的道路脫空模擬方法，對熱瀝青注漿加固技術修復半剛性基層脫空的能力進行了試驗。研究結果表明：熱瀝青注漿加固技術能對半剛性基層脫空進行有效的修復，將大幅提高半剛性基層的工作性能。

2）通過對熱瀝青注漿加固技術在不同脫空率、脫空界面接觸條件及瀝青老化程度時的半剛性基層脫空修復能力試驗，發(fā)現(xiàn)其修復效果與脫空界面接觸條件和瀝青老化程度等因素有關。潮濕的接觸界面會制約熱瀝青注漿對半剛性基層脫空的修復，而瀝青的短期老化將使熱瀝青注漿的修復能力大幅下降。為保障熱瀝青注漿修復半剛性基層脫空的效果，施工時應對脫空處進行排水和干燥處理，并盡量減少熱瀝青注漿材料在高溫下的儲藏、運輸和施工時間，盡可能降低接觸界面潮濕和瀝青短期老化對其修復性能的影響。

3）通過彎拉強度、變形能的對比，表明了熱瀝青注漿加固技術對半剛性基層脫空的修復效果優(yōu)于水泥基注漿加固技術的，熱瀝青注漿加固技術更加符合現(xiàn)代交通快速修復的需求，可在今后的道路養(yǎng)護中推廣應用。

熱瀝青注漿加固技術尚存在著一些問題，如：熱瀝青注漿擴散機理不明確、熱瀝青注漿施工工藝尚不完善及施工關鍵參數(shù)有待進一步確定等，需要進一步試驗研究。

（References）：

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