高聚物注浆技术在复合式路面改扩建工程病害处治中的应用

吕锡平,张荣利,李善强

(1.广东省公路建设有限公司，广州 510623；2.佛开高速公路南段改扩建项目管理处，广东 江门 529000；3.广东华路交通科技有限公司,广州 510420)

0 引言

目前，我国高速公路建设的重点工作向养护及改扩建方向发展的特点日趋明显。就广东省来说，由于交通量增长远超设计预期，重车比例多，路网通行服务水平逐年降低，再加之土地资源宝贵，交通基建工程需要“节约用地”，既有高速公路扩容改造工程也随之提上日程。而早期修建的高速公路大多为水泥砼路面，后续改造多以“白改黑”，甚至“白改黑”后再加铺的路面为主，这种路面存在刚柔相接的问题，极易出现水泥砼板底脱空、松散、错台及反射裂缝等病害[1]。

琚晓辉[2]通过对比研究表明采取大粒径沥青混合料和纤维沥青混合料等加铺层材料，对防治反射裂缝具有较好的效果；马祥辉[3]通过室内试验，对比研究了应力吸收层、土工布及夹层的处治效果，表明应力吸收层防治效果较好，但价格较高；池垂文[4]介绍了高分子注浆在改扩建工程中的应用，但是缺乏现场观测数据。

综上所述，现有研究更多集中于复合式路面反射裂缝防治方面，而对于改扩建工程的反射裂缝处治研究尚不多见。因此，本文分析了复合式路面病害特点及成因，并结合工程实例探索，为高速公路改扩建工程复合式路面病害处治提供了一种快速、可行的解决方法。

1 复合式路面病害成因机理分析

佛开高速公路南段改扩建工程共和互通以北段全长14.5km，双向车道“四改八”，既有旧路路面结构形式为：(4cm+6cm+8cm)沥青面层+26cm水泥砼面板+18cm水泥稳定石屑+15cm水泥稳定颗粒。沥青面层于2008年进行加铺，本次改扩建拟再直接加铺4cm SMA-13上面层。

1.1 病害特点

根据统计分析2016年及2018年旧路面行车道病害调查数据，以裂缝、坑槽等病害为主要表现形式，各类病害分布占比见表1。

表1 各类病害分布占比(单位：%)

可见，该段复合式路面经过10余年行车荷载作用，路面病害以横向开裂为主，单道路面反射开裂在路面病害中为主要病害。该段路面横向裂缝集中分布于行车道，贯穿整个行车道宽度，且连续横缝间距多在5m或5m以内，如图1所示。

图1 连续横缝分布特点

受扩建开挖施工影响，旧路土路肩挖除形成临空面导致旧路面失去侧向约束作用，在行车、雨水、施工扰动等不利因素综合作用下，路面裂缝类病害出现爆发式增长。纵裂大都集中于填方段及填挖交界处，沿行(超)车道分界线发展，缝长较长，如图2所示。

图2 纵缝分布特点

1.2 典型病害成因机理分析

佛开高速公路路面属于11年前加铺18cm沥青砼(分3层)的典型“白改黑”性质的复合式路面结构。由于通车运营时间较长、车流量大(交通量达6.5万pcu/d)及重超载车辆较多等因素，加之早期修建的高速公路施工水平较低，路面质量参差不齐，原刚性基层板间布设的传力杆及拉杆出现部分失效，路面应力集中在水泥砼刚性板切缝处，板块之间产生竖向滑动。随着气温的变化及长年累月的行车荷载作用，由接缝料损坏、边角剥落开始，慢慢发展导致上层沥青砼底面开裂，继而向上扩展至表面出现“反射裂缝”[5]。

另一方面，佛开高速公路所处珠三角地区气候湿热，水泥板置身于湿度与温度的交替作用下，水泥板被动性地收缩，并因层间粘结致使沥青路面结构层一起产生收缩，水泥板接缝及裂缝位置顶面的沥青砼面层区域发生拉应力集中的状况，拉应力逐渐增大直至破坏沥青上面层，出现开裂。一旦裂缝出现，就为路表水下渗提供了通道，水分进入路面结构层内部，车辆经过时，将会在刚性板底形成高压水，在板底接缝处及板缝之间反复高速流动，不断冲刷路面基层，基层粒料从板缝处被带出，致使刚性板底脱空范围不断加大(图3)，继而发展为水泥砼刚性板断裂，甚至破碎，路表出现束状横缝、网裂等严重的结构性病害[6]。

图3 复合式路面水泥砼刚性板脱空演化

2 道路高聚物注浆机理及适应性分析

2.1 注浆机理

道路高聚物注浆的技术原理是将溶液型A、B两种高聚物材料，按一定配比由加压设备经钻孔同时注入至路面不同深度的结构层中。A、B两种材料相遇时在路面内部发生剧烈的化学反应，体积迅速膨胀形成发泡体(强度约0.7～10MPa，受密度影响较大)，产生很大的膨胀压力(介于0.5～10MPa之间)，填充基层脱空区域[7]，如图4所示。随着浆液的持续注入及膨胀压力的不断增大，周边土体及松散水稳料被压缩发生屈服破坏并产生劈裂缝隙，高聚物浆液进一步沿着裂缝进入周边介质并挤密周围松散介质[8]。反应完成后，实现抬升路面沉陷，填充脱空区域，增强路面结构整体性及承载能力的目的。

图4 道路高聚物注浆机理

2.2 技术特点及适应性分析

道路高聚物注浆技术的特点主要包括两个方面。一方面是高聚物材料，其具有以下典型特征：(1)早强及高膨胀，反应后15min内即可达终强的90%，自由膨胀比可达20:1；(2)反应后形成的发泡状固体自身具有良好的韧性、弹性以及强度特性，耐久性良好，能够承受较大的车辆荷载作用；(3)高聚物注浆材料不含水且形成的发泡体不溶于水，因此不存在干缩病害问题；(4)高聚物注浆材料具有良好的抗渗性，能够有效阻止路面水下渗，防止水毁病害[9]。

另一方面，道路高聚物注浆技术本身又具备以下技术优势：(1)非开挖注浆加固，对路面损伤微小，注浆孔径仅16mm；(2)现场施工工艺简单，施工速度快；(3)施工完成后无需特别养生，质量控制难度相对较小；(4)一次钻孔，即可实现多层修复，扩散半径达0.4～0.6m；(5)施工过程对路面及周边环境污染极小，便于清理；(6)挤水、防水效果好，预防性养护效果显著。

目前针对复合式路面尤其是高速公路改扩建工程复合式路面维修的有效对策并不多，偏向于挖补、铣刨重铺、注水泥浆等措施，从工艺成熟度、工期、质量控制效果、造价等方面综合衡量，每种措施都难以契合复合式路面病害处治的特点。道路高聚物注浆作为近年来兴起的一种新型路面维修加固措施，其与传统的路面钻孔注水泥浆这种较为类似的加固方式相比较见表2。

表2 路面钻孔注水泥浆及道路高聚物注浆比较

由表2可见，道路高聚物注浆较传统钻孔注水泥浆相比，具有更好的适用性与实用价值。结合前文分析，针对该段复合式路面的现状病害尚未发展到严重结构性病害的程度，尚处于反射裂缝(特别是新增反射裂缝)较多、刚性砼板低脱空加速发展的阶段，解决脱空、松散、排除板底积水及阻塞路面水下渗为首要处治目标，加之改扩建工程工期紧、行车干扰大的共性不利因素，道路高聚物注浆技术具备良好的适用性与预期处治效果。

3 实体工程应用

佛开高速公路南段改扩建工程旧路行、超车道路面为“白改黑”后再次加铺4cm沥青层的典型复合式路面结构。本次加铺罩面前，结合前文分析及该项目边通车边施工、施工车辆干扰大、工期紧等特点，采取道路高聚物注浆+抗裂贴方案处治旧路病害。本文仅对高聚物注浆应用效果进行分析，以YK52+680～YK52+750为试验段，进行高聚物注浆应用研究。

3.1 注浆方案

注浆孔沿裂缝两侧采用梅花形布设，间距1.2～1.5m，孔径为16mm，具体布设如图5所示。钻孔深度以穿透路面结构层进入路基顶面为宜，清孔后沿钻孔垂直打入PVC套管，以防止高聚物浆液进入沥青结构层。注浆压力控制在7MPa左右，以浆液在注浆管里失去流动性无法继续注入而通过注浆帽往外溢出时为停止注浆标准。静置15s后分离注浆枪跟注浆帽，完成注浆施工。

图5 注浆孔布设

3.2 注浆效果评价

借助无损检测设备落锤式弯沉仪(FWD)，其中FWD采用7t荷载，对试验段裂缝位置注浆前后沿裂缝两侧30cm左右处进行弯沉测试(图6)，测试结果见表3。

图6 FWD现场检测

表3 高聚物注浆前后裂缝两侧弯沉对比

由表3FWD检测数据可知，注浆后FWD测值较注浆前整体呈现下降趋势，下降幅度较大。除参照点K52+688位置裂缝两侧弯沉差下降幅度在5%以内，其余各处工后弯沉差下降幅度在25%～50%之间，平均下降幅度达36%。可见，高聚物注浆后路面结构承载能力显著提高。同时，采用探地雷达(GPR)现场检测(图7)。图8为试验段路面探地雷达工前及工后扫描对比结果，GPR图形数据反映高聚物注浆后该段路面结构层深度约50cm以下范围(对应路面结构层为刚性砼板以下)，基本无脱空、松散及含水率异常等病害。

图7 GPR现场检测

图8 试验段高聚物注浆后雷达扫描图

为进一步验证高聚物注浆后的填充效果及形成发泡体和发泡体-泥石混合物的强度，利用高速公路改扩建项目交通转换实施后的有利条件，于工后1个月，随机于K52+683、K52+718两处裂缝位置进行了抽芯检测，如图9所示。

图9 K52+683、K52+718位置注浆后1个月芯样

两处抽芯结果表明，裂缝位置下路面结构层间存在显著脱空，且脱空区域均被高聚物材料填充。K52+683裂缝处底基层潮湿，脱空发生在基层与底基层之间，且底基层底部材料松散并被较好地胶结成一个整体。K52+718裂缝处板底脱空明显，注浆后于脱空区域形成一个高聚物材料薄层，水泥砼板被裂缝贯穿，缝隙间可见高聚物材料渗透其中。

因脱空区域形成高聚物材料发泡体形状不规则且偏薄的限制，难以制作标准试件测试其抗压及抗弯拉强度，仅能对K52+718位置芯样中约3cm厚、直径10cm的高聚物发泡固体进行无侧限抗压强度测试(图10)，经过磨平处理后的接触面积等效为一个约3cm×3cm的正方形，试件破坏时的抗压强度约为4.4MPa。且从K52+718裂缝处板底的高聚物材料发泡体来看，其在经历了约1个月的施工重载车辆作用下，所取芯样仍旧完整、固结良好且并无缝隙，间接说明高聚物材料在实体路面注浆工程中所形成的强度能够满足路面注浆材料的施工技术要求。

图10 现场高聚物芯样强度测试

4 结语

道路高聚物注浆技术无论从材料上，还是施工工艺方面，较传统注浆方法均具有较大优势，较好地平衡了造价、质量及工期三者的关系。

道路高聚物注浆技术较好地解决了“白改黑”后再加铺沥青层前的复合式路面病害处治问题，具备聚合物凝固时间短、渗透性好、填充物强度较高、抗行车干扰能力强等特点。FWD、探地雷达及芯样强度试验结果表明，高聚物注浆可以减小弯沉、提高结构承载力，填充脱空区域、使松散材料形成整体、提高强度，整体处治效果良好。工程实践经验可为复合式路面病害维修决策提供参考和借鉴。