高速公路瀝青路面裂縫非開挖注漿技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用

■文｜江蘇寧靖鹽高速公路有限公司 朱新春 周金強(qiáng) 朱連照 陳欣 吳騫

半剛性基層瀝青路面是目前我國(guó)公路建設(shè)中路面基層的基本結(jié)構(gòu)類型，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)高等級(jí)公路的建設(shè)中。但多年的應(yīng)用情況表明，半剛性基層材料固有的干縮、溫縮特性容易導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，且針對(duì)半剛性基層裂縫的修復(fù)，并沒有行之有效的處治措施，而廣泛采用的灌縫、局部挖補(bǔ)、連續(xù)銑刨等處治方法并不能根治路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫，病害容易復(fù)發(fā)。因此,如何有效處治半剛性基層瀝青路面開裂問題正成為工程研究領(lǐng)域的重要課題之一。

裂縫非開挖注漿技術(shù)是一項(xiàng)為解決瀝青路面裂縫發(fā)展速度快、常規(guī)處治技術(shù)效果欠佳問題而研發(fā)出的非開挖注漿修補(bǔ)技術(shù)，其通過高滲透、高強(qiáng)度、耐水型、早強(qiáng)型化學(xué)擴(kuò)張凝膠注漿材料，利用專業(yè)化配套施工裝備和標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝，采用壓力注漿形式，對(duì)松散、裂縫部位進(jìn)行黏結(jié)修復(fù)，可提升路面結(jié)構(gòu)的板體性并有效修復(fù)路面隱性病害。

依托鹽城至靖江高速公路和江海高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修工程，江蘇寧靖鹽高速公路有限公司（以下簡(jiǎn)稱“寧靖鹽公司”）通過開展“雷達(dá)檢測(cè)+非開挖注漿修復(fù)”專項(xiàng)設(shè)計(jì)，先使用探地雷達(dá)設(shè)備檢測(cè)裂縫發(fā)展程度及深度，在利用配套的注漿壓力設(shè)備將滲透性好、強(qiáng)度高、黏性強(qiáng)的雙組分耐水型高聚物注漿材料注入路面裂縫與缺陷中，最終對(duì)裂縫與缺陷進(jìn)行充分填充與強(qiáng)度修復(fù)，上述兩條高速公路經(jīng)過應(yīng)用裂縫非開挖注漿至今已通車一年半時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)無裂縫復(fù)發(fā)，注漿處治效果耐久性良好。

非開挖注漿原理

非開挖注漿技術(shù)作為一項(xiàng)綜合性處治技術(shù)，首先需要明確裂縫成因，再根據(jù)裂縫規(guī)律及特征建立科學(xué)合理的檢測(cè)方法，進(jìn)一步細(xì)化裂縫診斷精度，最終為處治對(duì)象開發(fā)針對(duì)性較強(qiáng)的修復(fù)材料并建立一套標(biāo)準(zhǔn)化處治工藝及質(zhì)量驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)。

注漿技術(shù)適用性

據(jù)研究得知，瀝青路面裂縫類型主要包括不均勻沉降型裂縫、溫度型裂縫及荷載型裂縫。通過綜合分析瀝青路面不同類型裂縫形成機(jī)理，確定以溫度型及荷載型的自下而上發(fā)展的基層橫向裂縫為非開挖注漿處治對(duì)象。

溫度型裂縫在較高溫度條件下，瀝青材料具有良好的應(yīng)力松馳性能，溫度升降產(chǎn)生的變形不致于產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，但當(dāng)氣溫大幅度下降時(shí)，瀝青材料會(huì)逐漸發(fā)硬并開始收縮。此時(shí)，半剛性基層底部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力瀝青混合料的應(yīng)力松馳趕不上溫度應(yīng)力增長(zhǎng)時(shí)，混合料勁度急劇增大。由于瀝青面層在路面中受到約束，其所產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力或拉應(yīng)變一旦超過瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，則會(huì)導(dǎo)致瀝青面層開裂。當(dāng)該情況在瀝青面層與基層附著力不夠好、允許有一定的自由收縮時(shí)，裂縫就更容易產(chǎn)生。由于瀝青路面寬度有限，收縮受路面結(jié)構(gòu)的相互約束小，故低溫裂縫主要為橫向形態(tài)。因此，病害發(fā)展至基層的溫度型裂縫宜采用非開挖注漿技術(shù)處治。

荷載型裂縫該類型裂縫主要由行車荷載引起。在車輪荷載作用下，大于半剛性基層材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，半剛性基層底部就會(huì)很快開裂，在行車荷載反復(fù)作用下，底部裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展到上部，并使瀝青面層也產(chǎn)生開裂破壞。一方面，影響拉應(yīng)力的主要因素包括面層厚度、基層本身厚度、基層回彈模量和下承層回彈模量；另一方面，輪胎荷載產(chǎn)生的路表豎向剪應(yīng)力易造成“Top-Down”（縱向裂縫），這種裂縫也是瀝青路面常見裂縫之一。病害發(fā)展至基層的荷載型裂縫宜采用非開挖注漿技術(shù)進(jìn)行處治。

裂縫檢測(cè)方法

肉眼一般僅能區(qū)分瀝青路面表面裂縫，無法識(shí)別基層內(nèi)部深層次的裂縫病害，故需要借助精度較高的探地雷達(dá)設(shè)備識(shí)別。

反射探測(cè)原理

有機(jī)膠凝材料設(shè)計(jì)理念示意圖（時(shí)間為估計(jì)值）

探地雷達(dá)利用高頻電磁波（主頻為數(shù)十兆赫、數(shù)百兆赫乃至千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過發(fā)射天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，由地面接收天線R接收，通過對(duì)接收波場(chǎng)進(jìn)行成像分析，獲取地下目標(biāo)的探測(cè)圖像。

注漿技術(shù)設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)的無機(jī)注漿材料一般屬于顆粒型漿體，因此滲透性存在一定局限性，對(duì)于瀝青路面裂縫的修補(bǔ)效果難以保證，同時(shí)由于其需要較長(zhǎng)的養(yǎng)生時(shí)間，因此對(duì)道路交通影響較為顯著，因此無機(jī)注漿材料對(duì)于瀝青路面裂縫修補(bǔ)存在一定的局限性。而高聚物等有機(jī)注漿材料雖然其滲透性能優(yōu)異，能夠?qū)β访嫖⑿×芽p進(jìn)行填充、黏接，但由于其養(yǎng)生時(shí)間短、材料強(qiáng)度高等特點(diǎn)，存在發(fā)泡倍數(shù)過高、遇水敏感等重要問題，因此迫切需要開發(fā)一種微膨脹、滲透性好、強(qiáng)度形成快、黏結(jié)力強(qiáng)、耐久性高的高性能有機(jī)注漿材料。

寧靖鹽公司設(shè)計(jì)的有機(jī)無水反應(yīng)型膠凝材料借鑒高聚物注漿原理，在常規(guī)聚氨酯等材料優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際需求，重點(diǎn)解決了高聚物發(fā)泡速度過快、膨脹比例過大、基層黏結(jié)差等問題。具體設(shè)計(jì)理念為：首先，采用雙組分設(shè)計(jì)方法，由于高聚物發(fā)泡反應(yīng)迅速，壓力滲透和化學(xué)擴(kuò)張過程同時(shí)進(jìn)行，在極短時(shí)間內(nèi)需要完成漿液對(duì)裂縫的填充，同時(shí)考慮到漿液反應(yīng)時(shí)間過短不利于漿液流動(dòng)，反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)又會(huì)影響漿液與裂縫破損面黏結(jié)，因此將時(shí)間初步設(shè)定在20秒以內(nèi)；其次，改性聚氨酯注漿材料強(qiáng)度形成比無機(jī)注漿類材料更快，因此要求15分鐘內(nèi)即達(dá)到早期強(qiáng)度，滿足開放強(qiáng)度需求；再次，通過加入增韌劑，在提供較高強(qiáng)度的同時(shí)，提高材料的柔韌性及拉伸伸長(zhǎng)率，此外擬選用能與水穩(wěn)碎石發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)的基體材料，提升有機(jī)注漿材料與水穩(wěn)材料間的黏結(jié)強(qiáng)度；最后，考慮到高速公路裂縫發(fā)展寬度一般均較小，為了確保注漿飽滿度，要求材料應(yīng)具有高滲透性。

雙組份改性聚氨酯在槍頭充分混合后，會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)、產(chǎn)生氣體，并迅速乳化，膨脹，在設(shè)備高壓及氣體壓力雙重作用下將改性聚氨酯材料擠入裂縫深處，從而對(duì)裂縫進(jìn)行充分滲透。在前期反應(yīng)的初始階段，通過添加特種助劑，使得改性聚氨酯材料具有很低的黏度和極好的流動(dòng)性，在壓力作用下能夠充分滲透到細(xì)微裂縫的深處，充分對(duì)裂縫進(jìn)行封堵修復(fù)。雙組份改性聚氨酯灌縫材料原料具有高強(qiáng)活性基團(tuán)，能夠與很多材料的活潑氫發(fā)生快速而激烈的反應(yīng)，并在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度。注漿材料主劑和固化劑反應(yīng)生成的改性聚氨酯材料，具有優(yōu)異的柔韌性、強(qiáng)度與黏結(jié)性，同時(shí)，固化劑中的-NCO基團(tuán)會(huì)與半剛性基層中的活性氫基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步增加黏結(jié)強(qiáng)度。

注漿材料開發(fā)思路

有機(jī)注漿材料開發(fā)采用雙組份改性聚氨酯注漿材料，分為A組份（主劑）和B組份（固化劑）。其中主劑主要成分包括多元醇和助劑，助劑則包括增韌劑、催化劑、勻泡劑等。固化劑是異氰酸酯，在材料中作為硬段，使得材料保持較高的強(qiáng)度，其種類繁多，常用異氰酸酯油MDI、TDI、HDI、PAPI、IPDI，以及M/T(MDI/TDI)體系等。通過室內(nèi)試驗(yàn)，明確了主劑中復(fù)合多元醇的配比（m多元醇1/m，多元醇2=80：20）和主機(jī)與固化劑的比例（固化劑為PAPI-2，主劑/固化劑=1：0.85），增韌劑用量為8%，活性分子篩A3在主劑中的摻量為30%，勻泡劑用量為0.8%，催化劑用量為3.2%。

開發(fā)過程中，寧靖鹽公司重點(diǎn)解決了聚氨酯水敏感型封端關(guān)鍵技術(shù)。即傳統(tǒng)聚氨酯材料遇水十分敏感，少量處水汽即會(huì)導(dǎo)致材料膨脹數(shù)倍，性能迅速衰減，而基層裂縫內(nèi)部不可避免地會(huì)存在大量水，傳統(tǒng)聚氨酯注漿材料進(jìn)入裂縫深處，遇水之后迅速膨脹，在裂縫狹小的空間內(nèi)會(huì)導(dǎo)致周邊路面被頂起，同時(shí)膨脹過度的聚氨酯材料黏結(jié)性、耐水性及強(qiáng)度會(huì)大幅下降，導(dǎo)致裂縫修補(bǔ)效果不明顯，因此在傳統(tǒng)的聚氨酯材料基礎(chǔ)上進(jìn)行水敏感型封端技術(shù)研究，通過加入高活性胺基改性硅鋁分子篩，優(yōu)先與環(huán)境中的水反應(yīng)，避免固化劑中的-NCO活性基團(tuán)與水反應(yīng)而控制材料發(fā)泡倍率。

注漿材料技術(shù)要求

此外，基于漿體擴(kuò)散模型及COMSOL有限元，通過深淺孔結(jié)合的鉆孔方式，可以起到空間排氣引流、控制注漿材料擴(kuò)散路徑的作用，提升注漿面積40%，有效保證了裂縫修復(fù)效果。

非開挖注漿工藝

基于鹽靖、江海高速公路瀝青路面裂縫非開挖注漿工程項(xiàng)目，寧靖鹽公司針對(duì)裂縫非開挖注漿施工各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，制定出包括雷達(dá)探測(cè)、布孔、鉆孔、清孔、預(yù)埋密封圈、注漿、封孔穩(wěn)壓、恢復(fù)路面等在內(nèi)的注漿工藝流程及標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝，極大優(yōu)化了裂縫處治修復(fù)效果。

雷達(dá)探縫

采用雷達(dá)對(duì)路面裂縫處進(jìn)行檢測(cè)，分析裂縫位置，檢測(cè)方法為垂直裂縫檢測(cè)并在裂縫處做標(biāo)記。

布孔

根據(jù)探地雷達(dá)檢測(cè)基層裂縫所在位置，采用與路面顏色相差較大的噴漆或記號(hào)標(biāo)記打孔位置，相鄰孔間距為25厘米至60厘米，實(shí)際布孔間距應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)段效果確定。

有機(jī)膠凝材料設(shè)計(jì)理念示意圖（時(shí)間為估計(jì)值）

鉆孔及清孔

采用鉆孔機(jī)沿標(biāo)記處進(jìn)行鉆孔，鉆頭直徑為20毫米，鉆孔角度垂直，針對(duì)面層開裂裂縫時(shí)，鉆孔深度應(yīng)達(dá)到下面層底部并超出至少2厘米；針對(duì)基層開裂裂縫時(shí)，鉆孔深度應(yīng)達(dá)到上基層底部并超出至少2厘米，實(shí)際打孔深度應(yīng)根據(jù)路面結(jié)構(gòu)厚度、病害發(fā)展層位及試驗(yàn)段注漿效果確定。在鉆孔過程中，施工人員應(yīng)及時(shí)吸走孔內(nèi)及表面灰塵，待鉆孔結(jié)束后。對(duì)孔洞灰塵進(jìn)行清理，確?？變?nèi)干凈無灰塵。

預(yù)埋密封圈

密封圈應(yīng)為埋入式，可埋入指定深度，具有較好的密封效果。密封圈的埋置深度應(yīng)在瀝青面層中，實(shí)際埋置深度應(yīng)根據(jù)路面面層結(jié)構(gòu)厚度及試驗(yàn)段注漿效果確定。

注漿

為配合密封套件注漿，準(zhǔn)備注漿針頭并采用插入式注漿。注漿順序?yàn)閺牡吞幭蚋咛?，注漿壓力宜為0.3兆帕至0.5兆帕，實(shí)際注漿壓力則根據(jù)試驗(yàn)段注漿效果確定。注漿結(jié)束的判斷依據(jù)為：注漿過程中，密封件當(dāng)彈起、出現(xiàn)溢漿（包括臨孔溢漿、裂縫溢漿、自孔溢漿）、注漿流量顯著下降時(shí)，應(yīng)停止注漿。

穩(wěn)壓

注漿結(jié)束后，應(yīng)立即關(guān)閉注漿閥門，采用軟木塞封孔3分鐘至5分鐘后拔出。

恢復(fù)路面

注漿結(jié)束后，及時(shí)清除路表溢出的耐水型高聚物材料，并采用冷補(bǔ)料將鉆孔遺留孔洞和路面取芯孔洞進(jìn)行修補(bǔ)，將路面恢復(fù)原貌。施工完成后，路面即可開放交通。

其他要求

注漿必須按照一定順序進(jìn)行，應(yīng)先注低處孔，再注高處孔，依次向前推移。注漿時(shí)對(duì)每個(gè)孔位的壓力和時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格把握，并安排專員進(jìn)行旁站記錄注漿時(shí)間。注漿時(shí)，路面如有拱起跡象，應(yīng)立刻停止注漿，并間隔兩個(gè)孔位后繼續(xù)注漿。冬季施工時(shí)，應(yīng)對(duì)注漿材料進(jìn)行加熱保溫。

非開挖注漿控制要點(diǎn)

雷達(dá)探縫

由于裂縫形態(tài)走勢(shì)較為復(fù)雜，路表裂縫與結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫多存在錯(cuò)位、不對(duì)應(yīng)的情況，為了提升基層裂縫的注漿精準(zhǔn)度，寧靖鹽公司針對(duì)雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備選擇與操作，以及監(jiān)測(cè)環(huán)境等方面提出要求。

設(shè)備選擇上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)路面結(jié)構(gòu)厚度選擇不同頻率的天線，在滿足探測(cè)深度的前提下，宜選擇較高頻率的天線；設(shè)備操作上，設(shè)置縱向采樣點(diǎn)數(shù)、水平采樣間隔、時(shí)窗等參數(shù)滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求，記錄測(cè)區(qū)、標(biāo)段、測(cè)線號(hào)、測(cè)量方向、測(cè)線的起始樁號(hào)、天線類型；放樣標(biāo)記方面，注漿前布孔時(shí)利用雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行逐點(diǎn)放樣，將基層裂縫垂直投射至路表并作記號(hào)，便于后續(xù)精準(zhǔn)打孔注漿。

檢測(cè)環(huán)境方面，氣溫應(yīng)保持在零下20攝氏度至50攝氏度區(qū)間，濕度小于90%，路表保持干燥；當(dāng)雷達(dá)信號(hào)干擾強(qiáng)烈，妨礙有效識(shí)別時(shí)，應(yīng)暫停檢測(cè)。結(jié)合以往的大量工程實(shí)踐驗(yàn)證，寧靖鹽公司還建立了探地雷達(dá)隱性病害圖譜及判斷病害類型識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)。

平整度控制

老路面層間存在黏結(jié)力不足的問題，注漿過程中，會(huì)因?qū)娱g通道堆積漿液，加之面層自重較輕，引起路面拱起問題。因此，需要采取一些優(yōu)化措施來保證路面平整度。

壓力定制化明確低壓注漿壓力0.3兆帕至0.4兆帕，既可以保證較高的注漿效率，又可以減少注漿壓力過大對(duì)瀝青面層頂起的風(fēng)險(xiǎn)。

密封組件埋置深度定制化通過不斷開發(fā)升級(jí)高壓密封組件，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)層厚度不同，能夠自由指定注漿深度并分層實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了漿液引流目標(biāo)，解決了注漿漿液流向不可控問題，避免了層間漿液堆積過高導(dǎo)致的路面起拱問題，提升了不同位置病害的注漿材料填充飽滿度。

三米直尺監(jiān)測(cè)塞尺間隙示意圖

平整度時(shí)刻監(jiān)測(cè)注漿作業(yè)中，將三米直尺放置于正在注漿孔一側(cè)，仔細(xì)觀測(cè)周邊路面變化情況，當(dāng)塞尺間隙變化大于等于3毫米時(shí)，應(yīng)立即停止注漿，尤其是在銑刨回鋪段落內(nèi)更應(yīng)注意此類問題，杜絕出現(xiàn)“路面起拱”。

非開挖注漿效果評(píng)價(jià)

對(duì)路面裂縫實(shí)施非開挖注漿技術(shù)后，工后取芯效果表明，裂縫填充度均大于80%，漿液能夠有效填充內(nèi)部裂縫及層間脫空、松散等病害空隙中，且形成整體有效黏結(jié)，實(shí)現(xiàn)裂縫修復(fù)和提升結(jié)構(gòu)板體性目的。室內(nèi)試驗(yàn)表明，注漿修復(fù)后各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率高于70%，注漿前后平整度差值控制基本在3毫米以內(nèi)。與傳統(tǒng)的銑刨回鋪雙層面層方案相比，非開挖注漿方案預(yù)計(jì)每米可節(jié)省547.7元，節(jié)約能耗240900.21兆焦耳，降低二氧化碳排放60.68%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

裂縫非開挖注漿修復(fù)芯樣圖