高聚物注浆技术在补强路面结构性能中的应用

【摘要】高聚物注浆技术通过填充、劈裂及挤密作用加固补强路面结构性能，具有快速、无损、早强、工期短等特点。在白改黑路面大修工程中，贝克曼梁板角及板中弯沉结果表明板角比板中更容易出现脱空病害，对于弯沉在0.2mm～0.5mm之间的板角及板中采用板底注浆加固方式；对于弯沉超过0.5mm之间的板角及板中采用基层注浆加固方式。工后检测结果显示，弯沉超过0.2mm的板中及板角不足4%，表明高聚物注浆技术能够有效处治水泥混凝土板底脱空病害，加固补强路面结构性能。

【关键词】路面；高聚物注浆；结构性能；弯沉

近年来我国交通事业迅速发展，交通量急剧增大，大量的高速如今都是满负荷甚至超负荷运营，再加上集卡比例不断增大，重载、超载现象普遍存在，导致路面出现大量的裂缝、车辙、沉陷等病害[1]。路面水及雨水沿着裂缝下渗，引发水毁、唧泥等病害，导致基层甚至路基破坏，大大降低路面结构性能，影响行车的舒适性及安全性[2]。此外，由于我国大部分公路建于上世纪末，设计要求较低，再加上施工技术水平不高，导致部分基层及路基强度已不能满足如今的运营要求，加剧了路面的破坏，缩短路面使用寿命[3]。因此，如何对旧路面结构性能进行补强设计，延长路面使用寿命，是如今研究的热点问题。高聚物注浆技术采用一定的注浆压力，将浆液注入路面结构下部，能够起到加固补强路面性能的目的[4]。 本文对高聚物注浆材料技术的材料特征、技术特点及施工工艺进行分析，并结合白改黑路面大修工程具体介绍注浆方案设计的依据及流程，为以后的工程设计提供参考依据。

1高聚物注浆材料及技术介绍

1.1高聚物注浆材料特性

（1）膨胀性

高聚物注浆材料由于双组分高聚物聚酯材料组成，是双组分聚氨酯的一种，通常采用蓝色和红色两种不同颜色的组分，反应前各自装在不同的密闭容器中，在空气中不会发生任何化学反应。把两种材料混合后能够迅速发生化学反应，释放出巨大的膨胀力，体积会迅速膨胀数倍。混合液的迅速膨胀能够有效防止注浆材料的在地下流失。因此树脂材料总是向阻力较小的方向膨胀，将地基或者路基结构强度最弱的地方挤密、补强。注浆施工时应注意浆液的膨胀方向，防止施工现场周围的土地或河流收到污染[5]。

（2）化学特性

高聚物注浆材料不溶于一般溶剂，但可溶于煤油、汽油等油类物质；一般的酸性、碱性或者盐溶液都不会影响注浆材料的性能；同时还不受真菌腐蚀、结实有弹性；但注浆材料不能够收到强紫外线的照射，不然会导致材料变黄、发脆。因此，在注浆施工前，注浆材料宜保存在密闭、阴暗的环境中。但注浆材料注入地下，并不会影响其性能。

1.2高聚物注浆技术特征

高聚物注浆材料由两种组分发生化学反应迅速膨胀而形成强度，起到补强地基、路基强度的作用，主要具有以下技术特点：

（1）密度小：实际工程应用中所采用的高聚物注浆材料的密度通常在250kg/m3左右，仅为普通水泥混凝土密度的10%左右，而且强度形成后不会出现收缩变形，维修后由于注浆材料自重产生的附加应力较小。

（2）早强、施工速度快，养护时间短：高聚物注浆材料的反应速度非常快，两种材料混合料反应充分后，15分钟即可达到设计抗压强度的90%以上，工后不需要要封闭交通养护，对交通的干扰性较小。

（3）膨胀大、挤密效果好：两种组分混合后迅速发生化学反应而膨胀，其膨体体积可到液体体积的15倍左右，膨胀所对周围土体或材料产生的挤密应力最大可大10MPa，而且反应形成的高聚物注浆材料具有优良的物理力学性能。

（4）无损：通常注浆孔的直径不超过20mm，不会破坏原结构的性能。

（5）注浆材料具有良好的抗渗性能，通常渗水系数不超过10mL/min，能够有效防止雨水或者路面水沿着注浆孔下渗，导致路面结构出现水毁破坏。

（6）注浆材料耐酸、耐碱、耐盐，受环境影响较好；且自身为环保型材料，不会造成环境污染。

2 加固补强机理及解决问题

2.1 加固补强机理

高聚物注浆技术指利用一定的注浆压力将分别装在不同密封容器中的两种液体材料注入路基或地基下，两种液体混合后发生剧烈的化学反应。反应后形成的温度较高、流塑状混合料在注浆压力及体积膨胀应力的共同作用下，不断填充周围材料间及材料内部的空隙，挤密周围材料；同时将路基及土基中的积水排出，从而起到加固、补强道路结构性能的作用。其加固补强形式主要存在以下几种：

（1）加固补强路基时，如果路基土为粘结力较小的散体状颗粒，高聚物注浆材料会不断填充颗粒间的空隙，将原土体从新排列黏结成一种具有良好物理力学性能的聚合体，同时膨胀应力的挤密、压实作用下，聚合物强度越来越大。此时注浆材料发挥填充于挤密的作用。

（2）当加固补强的路基为粘性土体时，高聚物注浆材料并不能完全填充土体间隙，而是在膨胀应力与注浆压力作用下流动形成类似植物根系的条状格栅，同时对材料周围的土体起到挤密作用。带强度形成后，形成具有良好结构性能的块体。此时高聚物发挥着劈裂与挤密作用。

（3）当加固补强对象为基层时，在膨胀应力与注浆压力作用下注浆材料将不断填充基层内部的裂缝与空隙，基层与面层间、基层与路基以及基层之间的脱空层；同时充分发挥黏结剂的作用，将散体状的基层材料粘结成块体结构；待高聚物注浆材料形成后，形成稳定的路面结构。此时高聚物注浆材料发挥着填充、劈裂及挤密的作用。

2.2 解决问题

高聚物注浆技术在道路维修工程中主要发挥脱空填充、稳定作用、抬升作用和密封作用。

（1）脱空填充 在冻融循环及温度剧烈变化的作用下，路面极易出现裂缝和水坑等病害。若不及时处理，路面水及雨水将会下渗，导致路面下出现不同程度的脱空，尤其是水泥混凝土路面，板底脱空是最为常见的病害。脱空将会引发路面沉陷、坑洞及不均匀沉降等病害，影响整个路面结构的稳定。采用高聚物注浆技术能够利用材料的膨胀应力及注浆压力将路面结构内部积水迅速排出，同时填充补强脱空，达到强化、加固、补强路面结构的作用。

（2）稳定路面结构 由于高聚物注浆材料具有良好的防渗性能，通过填充路面结构下部脱空与裂缝能够有效阻止路面水及雨水下渗，防止唧泥、翻浆病害发生；同时还能进一步挤密、压实下部及周围路基土。这种集快速修复、密封及稳定作用于一体的维修技术，可以快速维修路面结构破坏，并迅速开放交通。

（3）抬升路面高度 对于出现路面沉陷或不均匀沉降的沥青或水泥混凝土路面，都可通过高聚物注浆技术进行快速修复，而且由于高聚物具有高膨胀性、耐腐蚀性、防水性及耐久性，该技术对于路面抬升高度的控制较为准确。

（4）密封裂缝 裂缝是沥青及水泥路面最为常见的病害形式，采用具有良好密封性能及防水性能的注浆材料能够有效填补裂缝，且流塑状的注浆液，在膨胀应力及注浆压力作用下能够有效填充表面下的裂缝、漏洞、脱空、接缝及材料间空隙，从而形成坚固、稳定和耐久的防水层。

3 注浆方案设计及施工工艺

注浆方案的设计主要包括原路面结构性能检测、注浆孔及注浆压力设计、施工工艺等方面。

3.1 旧路面结构性能检测及评价

进行注浆加固设计之前必须对道路的破损状况进行检测及评估，路况调研内容主要包括：路面破损状况调研、路面结构检测机评价、交通量调查等。根据《公路水泥混凝土路面养护技术规范》JTJ 073.1-2001 [6]采用弯沉测定法确定水泥混凝土路面出现板底脱空病害，当板角或者板中静态弯沉超过0.2mm时，即可确定为板底脱空，需进行注浆加固补强；并根据具体弯沉大小及路面破损情况确定注浆深度、注浆压力等参数。对于沥青混凝土路面，同样根据静态弯沉大小，并结合路表破坏状况确定注浆深度及注浆压力等参数。部分研究采用落锤式弯沉仪获取原路面的动态弯沉盆数据，通过反算各结构层模量，确定各结构层的破损状况，由此确定注浆深度及注浆压力等参数。对于仅基层破坏或水泥混凝土板底脱空采用基层注浆，对于路基出现不均匀沉陷的路段则进行路基注浆。

3.2 注浆孔布设

注浆孔的布置及孔径大小宜根据路面破损面积或面板尺寸、路面沉陷严重程度、裂缝破损状况及注浆机械等多方面因素确定；注浆孔的大小必须与机械注浆嘴大小一致，不宜超过50mm；注浆孔距板边间距不宜小于50cm。注浆孔通常采用梅花桩形式布置，一般一块水泥混凝土板布设5孔，但对于破坏严重的面板也可适当增加。

3.3 施工工艺

高聚物注浆技术的施工工艺主要包括：布孔、钻孔、清孔、埋浆管、注浆、注浆孔封堵、冒浆孔封堵（或补浆）、拔管等环节。

（1）钻孔，钻孔时必须保证注浆孔竖直，且严格控制孔深。

（2）注浆孔钻好后，应采用压缩空气将空中的碎屑、杂物清除干净，并保持干燥，然后埋注浆管并对管口周围密封。

（3）严格按照配比进行浆料拌制，浆料应随拌随用，现场应及时做好取样试验工作。

（4）用压力注浆机或压力泵注注浆材料，注浆压力应控制为1.5MPa～2.0MPa，并根据现场情况控制，记录每块板块注浆压力及注浆材料用量。

（5）注浆作业应从沉陷量大或脱空大的地方开始，逐步由大到小，先下后上，当相邻孔或接缝中冒浆，可停止泵送注浆材料，每注完一孔应用木锲堵孔；

4 实体工程研究

结合某旧沥青路面大中修工程对高聚物注浆技术进行研究。

4.1 工程概况

该路段高速公路为双向四车道高速公路，设计车速为100km/h，路基28米。目前年平均日交通量已达28106pcu/d，饱和度达到0.51，已经进入二级服务水平，且年平均交通量增长率达到16.3%左右。该路段集卡比例大、且超载重载现象严重，目前路面已出现了大量的裂缝、坑槽、车辙、沉陷等病害，严重影响行车的舒适性及安全性。该路段为典型的白改黑沥青路面，各结构层材料及厚度如下：10cm沥青混凝土（4cm SMA-13+6cm AC-20）、30cm水泥混凝土板、30cm水泥稳定碎石、15cm二灰土，路面结构形式如图1所示。

在车辆荷载及环境共同作用下，沥青路面表面出现了大量的反射裂缝，通常裂缝间距与水泥混凝土板长一致，均为5m，板底脱空现象严重；路面水及雨水沿裂缝下渗进而引发唧泥、翻浆病害。

4.2 路面结构性能检测及注浆方案设计

采用贝克曼梁检测路表弯沉，弯沉检测时根据沥青混凝土表层裂缝判断水泥混凝土板位置，分别对各水泥混凝土板的板角及板中进行检测。当板角及板中弯沉超过0.2mm时即判定为板底脱空，则需要进行注浆加固。为了防止过多的高聚物注浆材料反应膨胀后过渡太高水泥混凝土板，降低路面平整度。因此，一块水泥混凝土板中若仅板中或板角弯沉超过0.2mm，则只对板角或板中注浆。路面结构检测结果见表1。

从表1中可以看出板角弯沉超过0.2mm的占77.2%，而板中弯沉超过0.2mm的仅占30.1%，说明与水泥混凝土板板中相比，板角更容易发生脱空病害。根据弯沉的大小采用两种注浆加固方式，对于弯沉介于0.2mm～0.5mm之间的板角或板中采用板底注浆方式，其中注浆孔钻入基层以下10cm，因此注浆孔深度为50cm；对于弯沉超过0.5mm的板角或板中采用基层注浆方式，其中注浆孔钻入路基以下10cm，因此注浆孔深度为95cm。注浆孔的布设则根据板角及板中弯沉检测结果进行设计，孔径为40mm，注浆孔距板边距离不得低于5cm，注浆孔布设形式如图2所示。

4.3 检测及评价

注浆施工结束后，同样采用贝克曼梁检测水泥混凝土板板角及板中弯沉，评价注浆加固效果。检测结果见表2。

由表2可知，经过注浆加固处理水泥混凝土板角及板中弯沉超过0.2mm的均不超过4%，与注浆之前相比分别降低了73.6%和27.9%，说明高聚物注浆技术能够有效处治水泥混凝土板底脱空病害，达到加固补强路面结构性能的目的。

至于仍有3%左右的板角或板中弯沉超过0.2mm，排除仪器测量误差外，分析其原因主要存在以下原因：①注浆过程中过多注入高聚物注浆材料，放生化学反应体积多度膨胀，将混凝土过渡板抬高，导致相邻板中或板角出现脱空；②注浆时浆液并没有充分注入到设计深度，导致较深处的病害并没有得到处理。

5 结语

高聚物注浆技术具有快速、无损、早强、工期短等特点，注浆材料具有密度小、耐腐蚀、高膨胀等、抗渗等特征；该技术主要通过填充、劈裂及挤密作用达到加固路面结构性能的目的，通过用于处理脱空病害、抬升路面高度、稳定路面结构、密封裂缝等方面。结合白改黑路面大修工程，采用贝克曼梁检测水泥混凝土板角及板中弯沉，表明板角比板中更容易出现板底脱空病害，对于弯沉在0.2mm～0.5mm之间的板角及板中采用板底注浆加固方式；对于弯沉超过0.5mm之间的板角及板中采用基层注浆加固方式；且注浆孔应钻入下承层10cm以上。施工结束后，贝克曼梁弯沉检测结果显示，弯沉超过0.2mm的板中及板角不足4%，表明高聚物注浆技术能够有效处治水泥混凝土板底脱空病害，加固补强路面结构性能。

参考文献

[1]. 郭成超，王复明，钟燕辉. 水泥混凝土路面脱空高聚物注浆技术研究[J]. 公路，2008，10：232-236.

[2]. 路畅，陶向华，郭积程. 高聚物注浆技术在公路改扩建工程中的应用[J]. 山西建筑，2008，32：259-260.

[3]. 李兴海，钟昕，钟燕辉等. 高聚物注浆技术在湖北京珠高速公路中的应用[J]. 公路交通科技（应用技术版），2009，09：92-93+97.

[4]. 张运会. 高聚物注浆技术在公路养护中的应用[J]. 交通建设与管理，2015，Z2：73-75.

[5]. 刘志远. 高聚物注浆材料工程特性的试验研究[D].郑州大学，2007.

[6]. JTJ 073.1-2001， 公路水泥混凝土路面养护技术规范[S].

作者简介：邢小畅（1973-），男，汉，海南省海口市人，工程师，主要从事公路与桥梁工程的施工工作。单位全称：海南公路工程公司。