高聚物注漿在高速公路唧漿病害處治中的應(yīng)用

張 迅， 劉至飛， 劉 旭， 陳宇亮， 賀陶安

(1. 湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.湖南省醴潭高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 株洲 412000)

0 引言

截至2020年底，我國(guó)高速公路總里程超15萬(wàn)km，無(wú)論是修建速度還是通車(chē)?yán)锍叹邮澜缡孜?。隨著路網(wǎng)逐漸完善，新建速度勢(shì)必放緩。但在如此大的里程基數(shù)下，養(yǎng)護(hù)和維修工作量逐年增長(zhǎng)。我國(guó)高速公路的發(fā)展主要集中在近二十年，而高速公路瀝青路面的設(shè)計(jì)年限通常為15 a，因此近年來(lái)瀝青路面的養(yǎng)護(hù)與維修越來(lái)越受到重視。

瀝青路面的破壞主要可分為環(huán)境因素和人為因素，其中環(huán)境因素與地理位置緊密相關(guān)。我國(guó)南方地區(qū)天氣潮濕炎熱、降水量大、雨季時(shí)間長(zhǎng)，因此水損害是南方地區(qū)瀝青路面破壞的主要原因之一。而唧漿病害則是一種典型的瀝青路面水損害破壞形式，主要是由于滲水在行車(chē)載荷的作用下對(duì)基層或路基不斷沖刷造成的翻漿現(xiàn)象，是一種表現(xiàn)在面層、破壞在深層的病害[1]。因此，其處治方式有“治標(biāo)”的面層處治和“治本”的深層處治。面層處治包括補(bǔ)縫、填縫等[2]，深層處治包括開(kāi)挖式和非開(kāi)挖式兩種，其中非開(kāi)挖式主要為注漿。根據(jù)注漿材料的不同，又可分為水泥壓漿、高聚物注漿等。

高聚物注漿技術(shù)發(fā)展于上世紀(jì)70年代，國(guó)外最早用其作為一種工程維修技術(shù)來(lái)加固地基或修復(fù)地板，到現(xiàn)在已經(jīng)成為國(guó)際上道路非開(kāi)挖維修技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)高聚物注漿處治唧漿病害的應(yīng)用仍較少，但已經(jīng)逐漸開(kāi)始受到重視。黃傳武等[3]發(fā)現(xiàn)高聚物注漿在舊路處治中能夠有效處治底板脫空，應(yīng)用效果較好；趙子璞[4]驗(yàn)證了高聚物注漿技術(shù)修補(bǔ)瀝青路面裂縫的可行性；李聰鑫[5]通過(guò)漳州廈蓉高速的具體實(shí)施，驗(yàn)證了高聚物注漿的處治效果。本文提供了一種結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)的高聚物注漿深層處治瀝青路面唧漿病害技術(shù)，并在醴潭高速公路中進(jìn)行了成功應(yīng)用。

1 唧漿病害常規(guī)處治方式

1.1 面層處治

面層處治的核心思路是封水。通過(guò)對(duì)面層病害處理，防止水繼續(xù)滲入造成破壞。一般適用于瀝青路面裂縫處翻白漿，按普通裂縫修補(bǔ)方法處理。常見(jiàn)的方法有灌縫、貼縫等。面層處治主要是起到一個(gè)延緩破壞的抑制作用。面層處治快速簡(jiǎn)單，適合緊急或臨時(shí)處治，能夠略微延遲大修時(shí)間點(diǎn)。

1.2 深層處治

深層處治，即從根源上進(jìn)行處治，對(duì)基層或路基進(jìn)行修補(bǔ)，可分為開(kāi)挖式和非開(kāi)挖式兩種。其中開(kāi)挖式為開(kāi)挖至受到破壞的基層或路基進(jìn)行處治，相當(dāng)于要重新鋪設(shè)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)。該方法能夠從根源上解決病害問(wèn)題，極大延長(zhǎng)了路面的使用壽命，適合路面破壞非常嚴(yán)重的路段。非開(kāi)挖式目前主要是注漿處治，即通過(guò)鉆孔至一定深度后注入固結(jié)材料，填補(bǔ)深層脫空及裂縫、固結(jié)松散結(jié)構(gòu)。目前唧漿處治最常見(jiàn)的措施是采用摻早強(qiáng)劑和膨脹劑的水泥漿注漿，并根據(jù)病害表現(xiàn)情況鉆孔。唧白漿考慮為基層破壞，鉆孔至路基頂面；唧黃泥考慮為路基破壞，壓漿孔布置通常以唧泥點(diǎn)位中心、四周250 cm為間距布孔，鉆孔深度3 m[6]。

常規(guī)處治方式面臨如下問(wèn)題： ①面層處治“治標(biāo)不治本”，通常只能略微延遲大修時(shí)間。因?yàn)闆](méi)有解決根本問(wèn)題，維修頻率較高，經(jīng)常面臨一月一次，甚至兩次、三次的情況，嚴(yán)重影響高速公路運(yùn)營(yíng)，養(yǎng)護(hù)成本也較高；②采用開(kāi)挖式處治，對(duì)路面破壞大、施工時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響交通，且成本極高，還會(huì)產(chǎn)生大量道路垃圾，對(duì)于破壞并非十分嚴(yán)重的路段來(lái)說(shuō)，性價(jià)比極低；③注漿技術(shù)處治病害對(duì)路面破壞較小，能夠從根源上進(jìn)行處治。但是目前注漿采用的材料多為摻有早強(qiáng)劑和膨脹劑的水泥漿，材料用量較大，成本較高。該方法主要利用水泥漿的固結(jié)效果，有養(yǎng)生要求，依舊可能受到水的二次損害，耐水性較差，且目前注漿施工工藝依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，與雷達(dá)檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)結(jié)合較差。

2 高聚物注漿原理與優(yōu)勢(shì)

高聚物注漿材料通常由兩種材料組成，混合后能夠快速發(fā)生反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的發(fā)泡體。發(fā)泡體具有較高的膨脹比，能夠給周?chē)乃缮⒔Y(jié)構(gòu)施加較大壓力，抬升沉陷區(qū)域。其疏水特性可形成層間防水層，阻止路面水下滲破壞基層及路基。

高聚物注漿用于唧漿病害處治有著其獨(dú)特的優(yōu)越性：①高聚物注漿材料具有高膨脹性，自由膨脹可達(dá)20倍；②高聚物注漿材料具有防水性，發(fā)泡后可有效防止水分滲入，防止水的二次損害；③注漿成型快，無(wú)需養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度可在15 min內(nèi)達(dá)到要求；④微損修復(fù)，注漿孔徑小，對(duì)路面破壞很??；⑤經(jīng)濟(jì)效益顯著，可延緩大修時(shí)間，節(jié)約大量后期養(yǎng)護(hù)維修成本[7]。

3 高聚物注漿技術(shù)在醴潭高速唧漿處治中的應(yīng)用

湖南省醴陵至湘潭高速公路是國(guó)家規(guī)劃的“五縱七橫”十二條國(guó)道主干線的上瑞國(guó)道主干線湘境中的一段，于2007年10月開(kāi)通運(yùn)行，至今已通車(chē)13 a，部分路段出現(xiàn)了較為嚴(yán)重唧漿病害。

醴潭高速公路主線路面結(jié)構(gòu)為：4 cm(改性瀝青AK-13A上面層)+6 cm(改性AC-20I中面層)+7 cm(AC-25I下面層)+下封層1 cm(乳化瀝青稀漿)+38 cm(水泥穩(wěn)定碎石基層)+18 cm(水泥穩(wěn)定砂礫底基層)。

針對(duì)醴潭高速公路唧漿病害，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，采用高聚物注漿方式進(jìn)行處治，具體流程如圖1所示。

圖1 高聚物注漿技術(shù)處治流程

3.1 處治方案設(shè)計(jì)

3.1.1路況調(diào)查

對(duì)醴潭高速公路下行K997、上行K1007、上行K1036進(jìn)行唧漿病害調(diào)查。具體情況如表1、圖2所示。

表1 唧漿病害高聚物注漿處治點(diǎn)方向序號(hào)樁號(hào)路面病害下行第1段K99 7+6101處唧漿點(diǎn)上行第2段K100 7+4261處唧漿點(diǎn)上行第3段K103 6+385～K103 6+4055處唧漿點(diǎn)

圖2 唧漿病害現(xiàn)場(chǎng)照片

3.1.2雷達(dá)檢測(cè)

根據(jù)路況調(diào)查情況，對(duì)病害路段采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，主要檢測(cè)流程如下：

圖3 雷達(dá)檢測(cè)流程圖

根據(jù)路況調(diào)查，唧漿點(diǎn)所唧為白漿，考慮為基層的破壞引起。醴潭高速公路面層+基層厚度為74 cm，據(jù)此選用美國(guó)勞雷公司SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)。雷達(dá)配置900 MHz雷達(dá)天線，與測(cè)距編碼輪配套使用，采集模式為距離觸發(fā)方式(Distance)，有效探測(cè)深度1.1 m。雷達(dá)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及檢測(cè)深度剖面見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

圖5 雷達(dá)檢測(cè)深度剖面圖(單位： m)

3.1.3處治方案設(shè)計(jì)

3.1.3.1 材料選擇

采用的高聚物為聚氨酯材料，分為A、B兩種，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2～4。

表2 聚氨酯材料A組分技術(shù)要求檢測(cè)項(xiàng)目粘度(25 ℃)/ Pa·s比重(25 ℃)/(g·cm-3)-NCO含量/%技術(shù)要求≤0.6001.22～1.2530.2～32.0檢測(cè)結(jié)果0.3071.2331.5

表3 聚氨酯材料B組分技術(shù)要求檢測(cè)項(xiàng)目粘度(25 ℃)/Pa·s 比重(25 ℃)/(g·cm-3) 技術(shù)要求≤1.0001.12檢測(cè)結(jié)果0.4061.0～1.2

表4 聚氨酯材料聚合物技術(shù)要求檢測(cè)項(xiàng)目反應(yīng)開(kāi)始時(shí)間(25 ℃)/s反應(yīng)結(jié)束時(shí)間(25 ℃)/s自由泡密度/(kg·m-3)技術(shù)要求10±550±2050±5檢測(cè)結(jié)果66252尺寸穩(wěn)定性(-30 ℃)/%尺寸穩(wěn)定性(80 ℃)/%抗拉強(qiáng)度?(25 ℃)/MPa抗壓強(qiáng)度?/MPa≤0.5≤1.5≥0.40≥0.600.20.60.540.85注: 帶?為密度100 kg/m3時(shí)的指標(biāo)。

3.1.3.2 布孔設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)檢測(cè)病害情況，以唧漿點(diǎn)為中心呈梅花形布置，縱橫向距離唧漿點(diǎn)0.3 m，鉆孔貫穿路面結(jié)構(gòu)，鉆孔深度至底基層以下5 cm(醴潭高速公路總鉆孔深度為79 cm)，將注漿材料漿液注滿唧漿部位。注漿布孔方式見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 注漿孔布置示意圖

圖7 局部位置唧漿病害布孔方式示意圖

3.2 注漿處治

高聚物注漿施工步驟與工藝：

1) 交通控制：注漿前務(wù)必做好交通管制工作，保證安全有序進(jìn)行施工。盡量避開(kāi)車(chē)流量較大時(shí)間段，防止造成堵車(chē)。

2) 注漿定位：根據(jù)處治方案中設(shè)計(jì)好的布孔方式對(duì)擬注漿處進(jìn)行定位。

3) 標(biāo)記注漿位置：對(duì)定位好的注漿孔位置進(jìn)行標(biāo)記。

4) 鉆孔、下注漿管、安裝注漿頭：鉆孔時(shí)注意保持路面清潔，并且及時(shí)排渣清渣。根據(jù)注漿方案，采用φ16 mm注漿孔，鉆至所需深度后，切割約22 cm PVC管，將其通過(guò)注漿孔下入至基層中間附近。采用專(zhuān)用工具清理注射帽凹型邊緣，并將已清理注射帽敲入PVC注漿管內(nèi)。

5) 注漿：注漿前，需采用夾具將注射槍及注射帽固定牢靠。注漿壓力控制在7 MPa左右，注漿時(shí)間一般不小于8 s，如漿液從其他孔洞、路面路基破損處冒出或路面輕微拱起則停止注漿，對(duì)路面路基破損處冒出漿液的孔洞應(yīng)待漿液固化后重新鉆孔并補(bǔ)注，直至路面輕微拱起為止。

6) 封孔：注漿完畢后需及時(shí)封閉注漿孔，防止雨水等通過(guò)注漿孔侵入路面結(jié)構(gòu)，影響注漿效果。封孔時(shí)注意保證良好的路面形貌，使用特種水泥基材料(早強(qiáng)、微膨脹、高流動(dòng)性)封孔。

7) 清掃環(huán)境：封孔后及時(shí)對(duì)孔周邊的殘?jiān)鼩堃哼M(jìn)行清理，并確保整個(gè)路面清潔。

8) 開(kāi)放交通：清掃環(huán)境后，有序地快速撤離施工作業(yè)區(qū)內(nèi)車(chē)輛[8]。

3.3 效果評(píng)估

1)外觀評(píng)判: 在施工過(guò)程中，主要通過(guò)觀察法對(duì)注漿施工效果進(jìn)行檢驗(yàn)。注漿期間發(fā)現(xiàn)相鄰孔有大量泥水漿材料,說(shuō)明周?chē)鷧^(qū)域下含水豐富，一方面證明了高聚物注漿材料具有很好的流動(dòng)性，另一方面證明了高聚物注漿材料對(duì)唧漿病害處治具有較好的效果。

2)雷達(dá)檢測(cè):根據(jù)注漿前對(duì)唧漿位置進(jìn)行的雷達(dá)檢測(cè)可以推測(cè)病害處0.15～0.8 m深度范圍有不密實(shí)或空隙部，0.8～1.1 m深度范圍有空洞，含水較豐富。注漿后，0.15～1.1 m深度范圍不密實(shí)及空洞部有明顯改善(如圖8所示)。

圖8 注漿前后雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比(單位： m)

3)鉆芯效果: 注漿后一段時(shí)間鉆取唧漿點(diǎn)芯樣觀察注漿效果，所抽取芯樣高聚物對(duì)裂縫填充飽滿，瀝青面層和基層之間的脫空層、上基層和下基層之間的脫空層被高聚物填充滿，如圖9所示。

圖9 注漿后唧漿點(diǎn)芯樣

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)唧漿點(diǎn)注漿前后進(jìn)行雷達(dá)檢測(cè)、注漿過(guò)程觀測(cè)和注漿后鉆芯檢測(cè)，結(jié)果表明高聚物可排除深層積水、密實(shí)深層裂縫，高聚物注漿材料對(duì)唧漿病害處治具有較好的效果。高聚物注漿技術(shù)相比常規(guī)處治技術(shù)，效果好、成本低、處治快、交通影響小，具有良好的應(yīng)用前景。