地聚合物道路注浆加固技术研究与应用

刘江波

（上海城西城建工程勘测设计院，上海市 201100）

1 概述

随着我国交通建设事业的快速发展，道路的通车里程也在飞速地增加。目前我国投入运营的道路路面中有相当一部分接近或超过了设计年限，有的虽然未到设计年限，但在重交通荷载、自然环境等外部条件的作用下，有的道路出现了不同程度的破坏，特别是在交叉口附近及桥接坡段较为明显，大批的道路急待改造修复。如果不及时进行养护维修，其使用性能迅速下降，影响车辆快速、舒适、安全行驶。但是，如果大规模地翻挖原有路面，则存在着保养周期长，资金投入多，也严重影响车辆的行车安全。处于城区的政治经济敏感地带的城市道路，交通流量大，地下管线复杂，受各方观注度高的特点，因此这就更要求在施工上必须做到快速有效，安全环保，经济适用，干扰小。为此我们需要积极探索一些切实可行的施工方法，采用道路非开挖快速抢修加固技术可谓是解决此类问题一种有效的方案。其中水泥压浆技术在水泥混凝土路面修复中还在推广使用，但尚存在较之明显的不足之处，新材料地聚物压密注浆技术在路面的修复中尚未广泛应用，该压浆工艺环保低耗，经济高效，无障碍、全天候、并可迅速开放交通，能有效解决基础和基层承载力不足的问题，这使得该项技术在路面养护维修中有着广阔的运用前景，值得推广。

地聚合物最早是由法国科学家Joseph Davidovits于1985年提出、并应用。目前，世界上有许多专门研究机构如法国的“Geopolymer Institute”和美国的“Waterways Experiment Station”等和许多科学家们正在致力于地聚合物材料的研究工作，有关地聚合物科学的理论和应用科研成果正在快速增长。

我国在这方面研究较晚，上世纪八十年代有人开始用外加剂来改变超早强注浆水泥的工艺性能，并有了尝试性的应用。上世纪九十年代上海市政工程研究所研制出一种快速注浆材料在实际工程中得到了一定的试点应用。

鉴于施工材料注浆技术广阔的运用发展前景，分别从加固材料及加固工艺二方面进行了实验和研究，改变传统道路维修方法的缺点，达到满足养护设计要求的路面强度。目前已投入生产的主要产品有：（1）LY-Ⅰ型路基及基层聚合物（普通型）。（2）LYⅡ型路基及基层地聚合物（早强型）。（3）LY-Ⅲ土路基地聚合物。在上海大叶公路、芦五公路、新四平公路、环城西路、龙吴路、龙华西路等工程项目道路及桥梁养护维修中，取得了良好的使用及环保效果，并经过一定的时间周期考验，通过对路面的强度检验评价。

2 压密注浆的原理和作用

地聚物压密注浆材料是针对道路的基层缺损补强开发研制的，该材料自身强度高流动度大，渗透性好，具有粘结性。

地聚物压密注浆技术是利用注浆管把浆液均匀的注入地层中，浆液在周围的土体中，通过裂缝渗透、填充、压密、扩张挤走基层结构土体缝隙内的积水和空气，形成浆脉。由于压浆材料本身稳定性好，强度大，加上浆体的流动性能好，在压力作用下，有较强的渗透力，经采用LY型注浆材料使基层和路基的密实度和水稳定性，使道路结构致密，缺损得到弥补。从而增加路基及基层的稳定性，增强道路结构的使用寿命。承受力得到提高，该材料最大的特点是快凝早强，流动度大，渗透性好。因此在道路结构层注浆加固后经过短时间的养护后迅速开放交通具有良好的经济，技术和社会效益。

3 地聚物压密注浆和传统水泥注浆的异同点

3.1 性能异同点

传统的水泥注浆是-水泥及水玻璃双液注浆材料凝胶快，抗水分散性好，但不耐水溶性；虽然碱激发硅铝质胶材料早期有较好效果，但在长期地下水液下很难凝胶，造成抗水分散性差。故不宜作注浆材料。

水泥-水玻璃双液水泥注浆材料通过了大量实验，在360 d后强度损失很快。下表是一组试件的测试资料，在标准养护条件下养护24 h拆模，然后放入标准养护室和有流动的水养护下至1 d、7 d、28 d、90 d、360 d 龄期，测定其抗压强度;强度损失为流动水养护下和标准养护下强度损失值，见表1。

表1 水泥-水玻璃双液水泥注浆材料强度测试表

由实验可知水泥-水玻璃双液注浆材料（C-S）在较短的时间内就发生水化凝胶反应，可以较好的抗水分散，但是在360 d龄期限、流水溶蚀条件下的强度损失达到93.9%水溶蚀较大，抗水溶性能较差，这是由于其本身性质决定。在碱性条件下水里中富含的C3S和C2S迅速水化凝结，生成CSH凝胶，产生早期强度但在长期的水溶条件下Ca2+不断溶出，强度不断降低。水泥-水玻璃双液水泥注浆能进入地基土体结构受到破坏而形成的空洞或裂缝中，仅起到填充和包裹界面的物理黏结，起不到防渗灌浆的作用，难以提高地基的抗渗性能，360 d强度已损失93.8%，故使用范围受限（仅作用于临时堵封）。

因此需研制一种胶凝材料浆体微结构将能大幅度提高胶体的抗冲，抗磨性能材料。我院利用聚合物设计制备成高性能抗冲磨的材料浆体，该材料浆体既有耐磨的集料又有高强地聚合物胶凝体，较好的浆体抗冲磨性能表现优异，水泥石的密度增加且具有微膨胀性，钙矾石恒定，该安全机理是采用“有机-无机复合”的技术将实际增强抗裂区分于有机碱水保塑组合进行优化复合材料，简称LF材料既能补偿胶凝体的收缩，达到抗裂的目的，又能提高LF胶体工作性能和抗渗性，能配置或抗裂防渗高性能材料。

地聚物压密注浆流动度大、渗透性好，其最大的特点是能渗透到被加固土体及道路基层路基或具有一定活性矿物材料(如砂、石)的界面内，并与界面内的矿物活性进行化学反应，生成一种新的无机有机胶凝体，从而达到牢固地与被加固体紧密连成一体的效果。因此，与普通水泥注浆水玻璃双浆相比，其物理、力学性能和水稳性更好、更稳定。适用于各级公路与城市道路路基与基层加固工程,故使用范围广泛。

3.2 地聚合物注浆材料优点

采用快凝早强型地聚物注浆，仅需要8 h封闭养生时间，而普通水泥注浆一般需要3 d养生；采用地聚物注浆后的抗压强度也比普通水泥注浆高得多，可见采用地聚物压密注浆可实现高效、无障碍、全天候、迅速开放交通并可达到快速、高效加固道路的目的。现将地聚物注浆与水泥注浆二者效果比较见表2。

表2 地聚物注浆及水泥注浆效果比较表

4 地聚物压密注浆技术措施

4.1 注浆材料的选用

地聚合物注浆材料目前选用如下三种：

由多矿物组成的聚集体及超塑化剂等以一定比例混合而成。

以上根据道路的不同部分采用不同的配比推荐选用以下三种类型：

（1）LY-Ⅰ：路基及基层加固用（普通型）；

（2）LY-Ⅱ：路基及基层加固用（快凝早强型）；

（3）LY-Ⅲ上路基加固注浆料（桥台接坡）。

4.2 主要技术措施

4.2.1 孔位布置

一般道路注浆加固分为两层进行加固，即结构层加固（一般在路面下1 m以内）和路基加固（一般加固深度1.2～1.5 m,高速公路在1.5 m以内）。布孔位置见图1、图2。

4.2.2 加固范围

平面加固范围：依据设计文件指定范围,具体注浆部位先后顺序根据设计要求。

图1 孔位矩形布置法

图2 孔位梅花布置法

4.2.3 技术要求

（1）道路基层加固

现有路面凹凸不平、沉降、龟裂、裂缝等缺陷表明了该路面道路基层可能已产生变形和位移，LY型地聚合物注浆材料必须满足《公路路基与基层地聚合物注浆技术规程》即是针对道路的基层缺陷补强开发研制的，该材料除了自身强度高、流动度大、可注性好之外，还具有良好的黏结性，特别是对于各类碱性材料其黏结性能更为突出。经与砂性、粘质黏土、二灰土、水泥稳定碎石、三渣结合后试验结果表明，开挖样洞及弯沉测试均为取得较为理想的工程物理力学性能，实施工程经验是对基层加固较为理想的材料，经采用LY型地聚合物注浆材料注浆加固后结构层致密，缺损得到了补强，承载能力得到提高。该材料的最明显的特点是快凝早强、流动度大、渗透性好，因此在注浆加固后只要经过短时间的养护后就能迅速开放交通，具有良好的经济、技术和社会效益。加固深度从现有的面层顶至基层层底之间约1 m范围以内（具体深度取决于道路的原始资料和现场取样）。

（2）道路路基加固

根据现有道路结构层缺陷相当部分是由于土路基的承载能力低、压缩变形大所致。路基注浆的目的就是通过高压注浆使现有土路基内的孔隙充满浆液，土内的多余水份被挤出并形成较为稳定的土体固结层，从而达到土路基的稳定。土路基加固可采用LY型地聚合物注浆材料，该材料与土体结合后能显著提高土体的水稳定性和承载能力。

（3）桥接坡加固

桥接坡注浆分为两层进行加固，即桥接坡结构层加固和桥接坡土基加固。

a.结构层注浆加固

结构层加固就是针对缺陷部位进行加固。桥接坡结构层注浆加固深度为0.8 m，通过注浆使该部位结构层得到补强形成较为完整的整体（硬壳层），因此结构层注浆是桥接坡加固中的一个重要环节。结构层注浆加固将采用LY-Ⅰ型地聚合物注浆材料。

b.土基注浆加固

土基注浆的目的就是通过高压注浆使现有土路基内的孔隙充满浆液，土内的多余水分被挤出并形成较为稳定的土体固结层，从而达到土路基的稳定。桥接坡基础注浆加固分为2次注，深度分别为2.5 m、1.8 m，本基础加固将采用LY-Ⅱ型地聚合物注浆材料，该材料与土体结合后能提高土体的水稳定性和承载能力。

4.4.4 注浆加固工艺

（1）具体工序如下：

布孔—钻孔—清孔—埋浆管—注浆—冒浆孔封堵（或补浆）—拔管—注浆孔封堵—养护—土基注浆（步骤同上）—1 d养护开放交通。

（2）布孔及孔径

孔位布置见图1、图2，孔径采用Φ50 mm。

（3）注浆泵的工作压力

注浆泵的工作压力控制不大于0.3 MPa(土基注浆不大于1.0 MPa)。当压力达0.3 MPa（或1.0 MPa）时，停止注浆静压3～5 min。若压力下降则继续注浆，直至邻孔出浆为止。

5 工程实例

我院实施过的项目包括：大叶公路，芦五公路，龙华西路，新四平公路、龙吴路（石龙路～龙漕路）、环城西路等道路，注浆后的弯沉值，均能符合设计要求。

5.1 大叶公路(松江区界～南汇区界)

大叶公路是奉贤区一条东西向的重要道路，第一段自金闸公路（K0-200～第二段里程K0+000）起，向西至望西路（K3+598），路段全长3.798 km；第二段西起金闸公路（K0+000），东至浦星公路（K1+400），路段全称1.4 km；两段总计长5.198 km。上述道路路面结构由于建成年代较长，道路通行车型、车辆较多，故路面沉陷，网裂、碎裂较多，路况调查发现，砾石砂和土路基比较潮湿。对道路损坏原因进行分析，提出了对该路段进行注浆处治。

由注浆前后弯沉值对比图表可看出：注浆后的弯沉值均远小于注浆前弯沉值且小于设计弯沉值，注浆后的弯沉值接近于一恒值，由注浆前后弯沉对比图可看出：注浆后的路面强度提高幅度最小35%，最大值91%，且普遍提高幅度在50%～80%之间，见图3～图8和表3。

图3 大叶公路（金闸公路-望园路K0+019～K3+473）代表弯沉值对比（右1车道）

图4 大叶公路（金闸公路-望西路K0+004～K3+464）代表弯沉值对比（右2车道）

图5 大叶公路（金闸公路-望园路K0+010～K3+470）注浆前后弯沉值对比（左1车道）

图6 大叶公路（金闸公路-望西路K0+009～K3+465）代表弯沉值对比（左2车道）

图7 右幅车道（金闸公路-浦星公路K0+000～K1+400）注浆前后弯沉值对比

图8 大叶公路注浆加固前后强度分析

表3 大叶公路（松江区界～南汇区界）注浆加固效果分析

由图9可以看出，经过灌浆加固以后，代表弯沉值降低约56%～62%，路面强度评级由中提高到优，路面强度系数增大为注浆前2倍多。

图9 弯沉测试点数合格率分析

5.2 芦五公路

芦五公路全长2.97 km，大量重车通过，路面损坏较重，路面结构厚度0.45 m，工程量21 000 m2。

设计弯沉值70（0.01mm），经注浆加固后，其强度提高见图10、图11及表4。

图10 芦五公路前后百米弯沉对比（K0-K3）左车道

图11 芦五公路前后百米弯沉对比（K0-K3）右车道

表4 芦五公路注浆加固效果分析

鉴于施工材料注浆技术广阔的运用发展前景，地聚物压浆工艺是一种道路非开挖补强技术，分别从加固材料及加固工艺二方面进行实验和研究，改变传统道路维修方法的缺点，达到满足养护设计要求的路面强度。目前已投入生产的主要产品有：（1）LYⅠ型路基及基层聚合物（普通型）。（2）LYⅡ型路基及基层地聚合物（早强型）。（3）LY-Ⅲ地聚合物。道路梁接坡，这些产品在大叶公路、芦五公路、新四平公路、环城西路等工程项目道路及桥梁养护维修中，取得了良好的使用及环保效果，并经过一定的时间周期考验，通过对路面的强度检验评价，其路面结构强度显著增加，满足了道路养护路面结构的强度设计要求。并得到了用户的好评。该材料是针对道路的基层缺损补强开发研制的。

6 压浆技术应用注意事项

地聚物压浆工艺是一项技术性很强的使用方法，如在施工中控制不当，可能又再次产生新的道路病害，在压浆技术中应注意掌握以下两个方面的施工要点：

6.1 地下资料的掌握

本工程路面下有各类地下管线，如盲目的进行施工，必然会酿成大祸。施工前必须详细调查地下情况，应获得最新的地下综合管线图和周边地下建筑物的详细资料，在施工前对各地下情况在现场进行标识，施工中注意对压浆点周围的管线进行观察，特别是检查井部位，一旦发现有漏浆，需对渗漏处封堵后才能继续压浆。

6.2 施工质量控制

由于地聚物注浆为一项新工艺，国内尚无一套成熟的施工规范，因此，建立一套严格确保工程施工质量的控制程序，是地聚物注浆实施成败的关键，根据本工程施工后的实际效果，总结如下质量控制程序：

6.2.1 质量事前控制

（1）科学合理地选用浆液材料

浆液材料的选用关系到工程处理的效果和造价。浆液原材料必须符合规程要求，浆液强度要满足设计要求，并且应具有良好的流动性，一般水灰比可控制在0.4～0.5。本工程水灰比采0.4（根据气候）。

（2）施工人员必须按技术交底及作业技术指导书组织施工。

（3）地聚物所用原材料及固结体必须满足设计及规程要求。

6.2.2 质量事中控制

（1）施工过程中每一道关键工序必须有施工记录（如孔深、孔间距、等），并由监理签字认可，才能进行下一道工序的施工。

（2）施工过程中必须进行质量跟踪，并通过现场试验，对注浆压力、布孔、孔深根据注浆效果作合适调整，以有针对性地科学合理地确定注浆压力、孔距和孔深。

6.2.3 质量事后控制

（1）对注浆后的效果做弯沉检测评价。

（2）文明环保的施工。

市区城市道路人流、车流量大，敏感度高，在施工中如不能做到文明环保施工，则会给工程施工带来很大的影响，很难使工艺能顺利连续的进行。在施工时对冒出的浆液要及时清理，杜绝出现粉尘和泥浆污染。