高聚物注漿在舊路處治中的應用效果研究

黃傳武， 李善強， 呂錫平， 羅雪平

(1.廣東交科檢測有限公司， 廣東 廣州 510420； 2.廣東華路交通科技有限公司， 廣東 廣州 510420；3.佛開高速公路南段改擴建項目管理處， 廣東 江門 529000； 4.廣州大學 土木工程學院, 廣東 廣州 510006)

0 引言

在交通量快速增長和重載、超載屢見不鮮的交通條件下，反射裂縫是影響復合式路面使用壽命的常見病害之一。反射裂縫在動水壓力的耦合作用下，進一步形成唧泥、脫空等病害，導致路面使用性能下降。因此，在復合式路面大修或者再次加鋪前，需對板底脫空、局部薄弱等位置進行有效處治，以確保復合式路面再次加鋪后的使用性能。

武書華等[1]對瀝青混凝土路面高分子聚合物注漿技術進行研究，分析了高聚物注漿技術的技術原理，提出了注漿施工方案，證明了高聚物注漿技術在瀝青混凝土路面維修和養(yǎng)護中的可行性；季曉麗等[2]研究了地聚合物注漿材料在道路養(yǎng)護工程中的應用效果，對注漿效果進行了評估，證明了采用地聚合物材料的注漿技術可以顯著提升路基和路面基層強度；郭成超等[3]開展了高聚物注漿技術對水泥混凝土路面脫空的快速修復試驗，運用注漿前、后的彎沉差和路基綜合模量及接縫傳荷能力等指標評價了注漿修復效果；王革[4]采用聚氨酯發(fā)泡材料，并結合探地雷達檢測技術，分析了高聚物注漿材料和注漿技術處治板底脫空的可行性；楊冬韻[5]對高聚物注漿材料在瀝青路面內(nèi)部的擴散機理和施工工藝進行了研究分析；張銀超[6]在室內(nèi)研究了橡膠粉水泥砂漿材料的注漿效果；童申家等[7]通過建立水泥混凝土路面板底脫空和壓漿處治的有限元模型，模擬不同形式和程度的脫空和處治，對比分析了壓漿材料處治前、后路面板彎沉和彎拉應力的變化規(guī)律；李夢媛[8]開展了高聚物注漿材料的性能試驗，分析了高聚物注漿技術的適用條件和效果；劉初平等[9]研究了乳化瀝青注漿處治脫空病害的機理，并對乳化瀝青注漿的實施效果進行了量化評價。

綜上所述，現(xiàn)有研究中關于復合式路面板底脫空病害的處治方法較多，高聚物注漿技術是近年來使用頻率最高的技術之一。然而，關于高聚物注漿技術的研究主要集中于可行性、評價指標、適用條件和施工工藝等方面，關于高聚物注漿的強度特性和實際應用效果的研究較少。

本文依托佛開改擴建項目的行車道脫空病害處治和路肩碎石盲溝的補強工程，對比行車道路面板底脫空和碎石盲溝補強區(qū)域注漿前、后的彎沉和結構內(nèi)部缺陷情況，結合現(xiàn)場鉆芯取樣，對高聚物-碎石結合體進行外觀分析和室內(nèi)強度試驗，進而對高聚物注漿處治效果進行評價，研究成果可為復合式路面維修處治工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

佛開高速公路三堡至水口段路線全長33.264km，于1996年12月建成通車，通車時為水泥混凝土路面；于2008年完成白加黑罩面處治，加鋪的3層瀝青層共18cm。加鋪并通車10a后，行車道路面損壞較為嚴重，出現(xiàn)的病害主要為縱、橫裂縫和板底脫空。

經(jīng)現(xiàn)場檢測，開平方向的縱、橫向裂縫長度分別為6.484、9.461km；廣州方向的縱、橫向裂縫長度分別為7.621、6.907km。在路面橫向裂縫處出現(xiàn)明顯板底脫空病害的概率約占76.9%。

早期修筑的佛開高速公路硬路肩的水穩(wěn)碎石底基層厚度比行車道的薄，且硬路肩設置了排水碎石盲溝，結構薄弱。改擴建工程最大程度利用硬路肩的前提便是對碎石盲溝處進行補強處理。

因此，為確保路面在未來重載、超載交通荷載下維持較高的服務水平，本文應用聚氨酯高聚物注漿技術對板底脫空和碎石盲溝區(qū)域進行處治，研究其對板底脫空病害處治和局部薄弱處的補強效果。

聚氨酯高聚物材料是由聚醚多元醇A與異氰酸酯B這2種原料混合反應后形成的。反應溫度為25℃，反應開始、結束時間分別為(12±4)、(40±10)s，材料本身形成抗壓強度不小于0.6MPa。

佛開高速公路的路面結構型式見表1；碎石盲溝見圖1。

表1 路面結構型式結構層位行車道硬路肩結構層位行車道硬路肩上面層4 cm改性瀝青SMA-134 cm改性瀝青SMA-13中面層6 cm改性瀝青AC-206 cm改性瀝青AC-20下面層8 cm普通瀝青ATB-258 cm普通瀝青ATB-25基層26 cm C35水泥砼面層26 cm C35水泥砼面層底基層33 cm水泥穩(wěn)定碎石21 cm水泥穩(wěn)定碎石總厚度77 cm65 cm

圖1 碎石盲溝圖

2 研究方案

2.1 脫空區(qū)處治效果研究方案

為研究高聚物注漿對板底脫空病害的處治效果，主要從以下2個方面進行對比分析:

1) 采用落錘式彎沉儀(Falling weight deflectometer，簡稱FWD)實測注漿前、后路面板底脫空位置處的路表彎沉值，選取具有代表性的脫空處治位置，分析注漿前、后的彎沉大小、彎沉差和彎沉降低百分比的差異性。其中，彎沉測試點位為反射裂縫前、后位置。

2) 采用探地雷達(GPR)掃描注漿前、后行車道的斷面圖像，對比分析高聚物注漿前、后行車道的內(nèi)部結構缺陷情況。

2.2 碎石盲溝補強效果研究方案

硬路肩下方設置的碎石盲溝屬于結構薄弱區(qū)，在分析高聚物注漿對碎石盲溝的填充補強效果時，主要從以下2個方面進行對比:

1) 彎沉對比分析。

利用FWD實測注漿前、后硬路肩路面的彎沉，選取具有代表性的點位，對比注漿前、后的彎沉大小、彎沉差、彎沉降低百分比的差異性。FWD彎沉測試點位為碎石盲溝正上方。

2)鉆芯取樣。

在碎石盲溝正上方鉆芯取樣，對取得的高聚物與碎石結合體芯樣進行常規(guī)抗壓和劈裂強度試驗。其中，取芯時間為注漿24 h后，鉆芯取樣至土基。對鉆取的芯樣分別按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》中的T0554-2005、T0561-2005方法進行圓柱體軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度測試。

3 處治效果對比分析

3.1 板底脫空的處治效果分析

1) 注漿前、后彎沉對比。

板底脫空區(qū)域注漿前、后彎沉測試數(shù)據(jù)如表2所示。全線路段長、數(shù)據(jù)量大，因篇幅限制，本節(jié)僅給出部分數(shù)據(jù)以說明情況。

表2 注漿前后彎沉對比點位注漿前彎沉/(0.01 mm)注漿后彎沉/(0.01 mm)縫前縫后彎沉差縫前縫后彎沉差彎沉差降低百分比/%116.48.08.412.37.15.238.3226.619.67.117.110.17.01.4319.711.48.218.514.34.249.3426.719.67.121.115.25.917.6530.812.218.621.717.93.879.7630.723.86.917.013.33.746.4716.09.36.617.913.34.630.2812.07.14.819.411.58.0-64.9915.07.87.216.410.75.721.4平均值21.5 13.2 8.3 17.9 12.6 5.3 24.4

由表2可知，高聚物注漿治前、后路表彎沉有較明顯的變化。注漿前各病害處平均彎沉差為0.083mm，注漿后降至0.053mm，降低了24.4%。注漿前點位5的彎沉差最大，高達0.0186mm，說明此處脫空病害嚴重；注漿后彎沉差降至0.038mm，降低了79.7%，處治效果明顯。點位2和點位4注漿后的彎沉差降低百分比較小，可能是因為該區(qū)域脫空量較小，本身強度大，所以處治效果不明顯。點位8注漿后的彎沉差降低百分比為負值，可能是因為此處高聚物注漿量過多，破壞了原路面結構，增大了原路面板與基層的脫空量，導致路表彎沉差比注漿前大。

總體來看，高聚物注漿對脫空區(qū)域填充處治效果良好，能顯著降低路面整體彎沉，提高路面整體強度。

2)注漿前、后探地雷達(GPR)掃描圖像對比。

采用探地雷達對廣州方向主車道右輪跡(5.2km)注漿前、后的內(nèi)部病害狀況進行掃描，掃描結果見表3。

由表3可得:

表3 廣州方向主車道內(nèi)部缺陷結果匯總位置不密實脫空含水管線個數(shù)/處面積/m2長度/m個數(shù)/處面積/m2長度/m個數(shù)/處面積/m2長度/m個數(shù)處面積/m2長度/m注漿前285.927.1196173.2555.477.225.91215.8注漿后131.711.22517.841.256.423.11215.8

① 注漿前原路面的主要病害為不密實和脫空；注漿后不密實病害的個數(shù)、面積、長度均有較大幅度下降，下降幅度分別為54%、71%、59%。

② 注漿后脫空病害的個數(shù)、面積、長度也均有較大幅度下降，下降幅度分別為87%、90%、93%?？梢姡呔畚镒{可以較好地處治不密實和脫空病害。

3.2 碎石盲溝的補強效果分析

在碎石盲溝正上方鉆取7個芯樣，現(xiàn)場鉆取的芯樣如圖2所示。由圖可知，高聚物流動性較好，可填充到碎石盲溝中，與碎石緊密結合，形成較好的整體，并能取出完整的芯樣。

在室內(nèi)采用切割機對芯樣進行切割處理，以分離純水泥混凝土試件、高聚物與碎石結合體，分離后的有效芯樣共12個。其中，水泥混凝土芯樣4個，高聚物與碎石結合體芯樣8個，作廢2個。

量取試件高度和質(zhì)量，計算密度，分別對芯樣進行力學性能測試。力學性能試驗方案見表4。

圖2 芯樣圖

表4 力學性能試驗方案設計試件編號試件類型試驗類型1、2 純混凝土試件圓柱體軸心抗壓強度試驗9、10、11、12高聚物與碎石結合體試件3、4純混凝土試件圓柱體劈裂抗拉強度試驗5、6、7、8高聚物與碎石結合體試件

在分析高聚物與碎石結合體填充效果時，采用密度比ω進行評價。密度比按下式計算：

(1)

式中: ρ1為高聚物與碎石結合體試件密度,g/cm3；ρ2為純混凝土試件密度,g/cm3。

圓柱體試件抗壓強度按下式計算：

(2)

式中：fcc為混凝土圓柱體抗壓強度,MPa；F為極限荷載,N；d為圓柱體截面平均直徑,mm。

圓柱體劈裂抗拉強度按下式計算：

(3)

式中：fct為圓柱體劈裂抗拉強度,MPa；F為極限荷載,N；dm為圓柱體截面平均直徑,mm；lm為圓柱體平均高度,mm。

1) 抗壓強度測試結果分析。

按照表4的試驗方案，對處理后的6個試件進行體積指標和抗壓強度試驗，結果見表5。其中，1、2為水泥混凝土試件，9、10、11、12個為碎石與高聚物結合體試件。計算密度比時，純混凝土試件密度ρ2統(tǒng)一取試件1、2、3、4的平均值，即:ρ2=(2.18+2.2+2.18+2.1)/4=2.165g/cm3。

表5 試件體積指標及強度值試件高度/mm直徑/mm體積/cm3干重/g密度/(g·cm-3)密度比/%抗壓抗壓峰值/kN平均值/kN抗壓強度/MPa平均值/MPa水泥混凝土1103.3100811.51 771.12.18100.0192.22203.3024.9726.41297.3100764.31 685.32.2100.0214.3727.85碎石與高聚物結合體989.3100701.41 022.91.4667.438.314.981090.8100713.41 051.01.4767.940.2142.465.125.4511107.4100843.41 298.11.5471.150.276.401299.9100784.51 292.41.6576.241.065.30

由表5可知，純混凝土試件的抗壓強度平均值為26.41MPa，高聚物與碎石結合體的抗壓強度平均值為5.45MPa，約為純混凝土試件抗壓強度的1/5。

高聚物與碎石結合體的抗壓強度與密度比的關系曲線如圖3所示。

圖3 抗壓強度與密度比關系曲線

由圖3可知，隨著密度比的增加，高聚物與碎石結合體的抗壓強度先增加后減小，密度比為71.1%時，結合體的抗壓強度達到最大。主要是因為高聚物填充率較高時，主要受力體系為高聚物，致使結合體強度較低;而高聚物填充率較低時，碎石相應較多，高聚物不足以將其緊密粘結。

2)劈裂抗拉強度測試結果分析。

按照表4的試驗方案，對處理后的6個試件進行體積指標及劈裂強度試驗，結果如表6所示。其中，3、4為水泥混凝土試件，5、6、7、8為碎石與高聚物結合體試件。密度比計算方法與表5相同。

由表6可知，純混凝土試件的劈裂抗拉強度平均值為1.55MPa，高聚物與碎石結合體的抗壓強度平均值為0.72MPa，約為純混凝土試件抗壓強度的1/2。

高聚物與碎石結合體的劈裂強度與密度比的關系曲線見圖4。

圖4 劈裂強度與密度比關系曲線

由圖4可知，高聚物與碎石結合體的劈裂強度與密度比的變化規(guī)律同抗壓強度類似，存在最大值。密度比為65.6%時，高聚物與碎石結合體劈裂強度達到最大值。

綜合抗壓強度的結果可得，密度比為65%～70%時，結合體的力學性能較好。

3)注漿前、后彎沉對比。

碎石盲溝注漿前、后彎沉測試數(shù)據(jù)見表7。

表6 試件體積指標及強度值試件高度/mm直徑/mm體積cm3干重/g密度(g·cm-3)密度比/%劈裂劈裂峰值/kN平均值/kN劈裂強度/MPa平均值/MPa水泥混凝土357.4100450.7982.12.1810014.115.621.561.55471.3100560.21 178.32.110017.21.53555.4100435.1619.51.4265.66.930.80653.4100419.1708.51.6978.16.047.180.720.72碎石與高聚物混合物777.7100610.5915.71.569.38.790.76871.5100561.6724.81.2959.66.940.62

表7 注漿前、后彎沉數(shù)據(jù)測試位置注漿前彎沉/(0.01 mm)注漿后彎沉/(0.01 mm)彎沉差/(0.01 mm)彎沉差降低百分比/%18.357.800.556.6218.0212.535.4930.5311.2610.011.2511.1419.3012.836.4733.5521.7111.7010.0146.1619.9512.277.6838.5711.899.422.4720.887.709.46-1.76-22.9911.339.771.5613.8平均值14.4010.603.7019.8

由表7可知： ① 注漿前、后測試位置的平均彎沉分別為0.144mm和0.106mm，平均彎沉差為0.037mm，注漿后彎沉差降低了19.8%，整體處治效果較好。② 注漿前各測試位置的彎沉值普遍較大，是因為碎石盲溝的局部薄弱造成了結構承載力不足。③ 注漿前彎沉越大，注漿后彎沉差降低的百分比越大。④ 測試位置8的彎沉差降低百分比為負值，通過現(xiàn)場復測、勘察，發(fā)現(xiàn)是因為高聚物注漿量過多，導致原水泥板頂起。

4 結論

依托佛開改擴建項目舊路面處治工程，通過注漿前、后的彎沉對比、雷達掃描、現(xiàn)場鉆芯取樣、室內(nèi)力學試驗，著重分析了行車道板底脫空和路肩碎石盲溝的注漿效果，結果表明：

1) 高聚物流動性好，可以填充空隙，降低路面彎沉，提高路面的結構承載力。

2)高聚物粘結性較好，可與碎石形成具有一定強度的整體，抗壓強度可達到5.45MPa，劈裂抗拉強度可達到0.72MPa。

3) 高聚物填充效果在密度比為65%～70%時，結合體力學性能較好。