半刚性基层裂缝修补灌浆材料与工艺研究

摘 要：对公路裂缝修补工艺进行研究可发现，现有的技术较少涉及对公路半刚性基层裂缝的灌浆修补。比较各类道路修补用灌浆材料可知，水泥类灌浆材料环保高效，且价廉易得。该文提出一种快硬早强的水泥基灌浆材料，并辅以早强型减水剂和膨胀剂对其膨胀不稳定、收缩开裂等问题进行改善，其各项性能指标检测均满足灌浆要求。同时，对公路半刚性基层裂缝灌浆施工工艺和设备进行全面研究，优化钻孔压力灌浆技术，制定出最佳施工方案，供公路基层裂缝修补人员选用。

关键词：公路;半刚性基层;裂缝;水泥基灌浆材料;钻孔压力灌浆

中图分类号：U41 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）30-0148-04

Abstract： Research on the road crack repair technology shows that the existing technology rarely involves grouting repair of road semi-rigid base cracks. Comparing various grouting materials for road repair， we can see that cement grouting materials are environmentally friendly and efficient， and are cheap and easily available. In this paper， a cement-based grouting material with rapid hardening and early strength is proposed， which is supplemented by early strength water reducing agent and expansion agent to improve its expansion instability， shrinkage cracking and other problems. All performance indicators of the material meet the grouting requirements. At the same time， a comprehensive study was carried out on the construction technology and equipment of highway semi-rigid base crack grouting， optimized drilling pressure grouting technology， and formulated the best construction plan for highway base crack repair personnel.

Keywords： highway; semi-rigid base; crack; cement-based grouting material; borehole pressure grouting

公路工程作为交通运输工程中的基础设施，在经济社会和民生事业中发挥着重要的作用。然而，随着公路交通流量的增加、汽车荷载的增大及使用年限的增加，公路病害日益显现。在公路的诸多病害中，裂缝是最常见的一种，包括面层开裂和基层隐含裂缝。公路基层裂缝的出现与扩展，会引发路面反射裂缝，造成基层与面层的功能减弱。因此，公路基层隐含裂缝修补技术的研究，对提高公路行车舒适度、延长公路的使用寿命都具有极其重要的意义。

1 半刚性基层隐含裂缝形成机理

基层是路面结构的持力层，采用无机结合料稳定土铺筑的半刚性基层具有强度高、承载力强、整体性好和刚性大的优点。但半刚性基层对应变很敏感，在施工或运行时容易产生裂缝，这类裂缝通常成直线，裂缝宽度约4 mm，缝长和间距不等，一般在基层顶面沿横向开裂[1]。有的基层裂缝在养生期间就开始出现，有的裂缝是通车后因承受荷载过重而产生。基层裂缝的产生会降低基层的强度，并且会自下而上扩展，反射到面层，使路面相应出现有规则的横向裂缝。此外，裂缝内会渗透进雨水而导致自由水充满面层和基层缝隙中，车辆荷载反复作用下面层会被剥离，使路面松散、碎裂，同时基层的细集料形成泥浆被挤出路面，造成路面产生早期破损，影响整个路面的运行。

根据半刚性基层裂缝形成的主要原因，可将其分为3类：第一类是路基不均匀沉降产生裂缝;第二类是环境作用的结果，包括干缩和温缩裂缝2种;第三类是荷载作用下产生裂缝。各类裂缝的产生机理如下所述。

路基不均匀沉降裂缝。通常路基施工完成后，应及时进行沉降观测，沉降速率连续2个月小于5 mm/月时方可进行路面的施工。然而，有些公路由于工期紧张，路基工程结束后马上进行路面工程的大规模施工，后续由于路基出现不均匀沉降，容易导致基层产生裂缝。

干缩裂缝。干缩主要是水分从无机结合料稳定土基层蒸发，随着空隙和毛细管孔中的水不断散失，在毛细管张力作用下使得管孔径变细，引起收缩。如果施工期间天气多变，无机结合料稳定土基层经多次风吹日晒雨淋，反复经受潮湿、干燥过程后，会使基层出现比较严重的拉裂现象。

温缩裂缝。因热胀冷缩的作用破坏固相颗粒间的结构而产生的裂缝统称为温缩裂缝。半刚性基层内部的不同矿物颗粒组成的固相、液相和气相体，均具有热胀冷缩性质，随着气温的降低，稳定土的收缩变形受到约束，从而引起温缩性裂缝[2]。

荷载裂缝。公路路基在高强度荷载重复作用下，容易使土基产生再压实的剪切变形，这时需要路面底基层、基层来消耗荷载的剪切力。无机结合料稳定土抗折强度较低，在基层受到剪切力时容易发生变形从而引起开裂。因此，裂缝的发展主要是车辆荷载反复作用的结果，裂缝随基层材料应力增大而不断扩展。

2 半刚性基层裂缝水泥基灌浆材料研究

2.1 现有公路灌浆修补材料分析对比

对于已通车公路半刚性基层中的裂缝，应及早修补及治理。选用合适的灌浆材料对基层裂缝进行灌浆加固，可大大提高路面的承载能力和使用耐久性，有望从根本上解决路面的裂缝病害。

道路维修灌浆材料大体可分为3大类：有机灌浆材料、无机灌浆材料及复合灌浆材料。有机化学浆材主要有环氧树脂类、聚氨酯类、丙烯酰胺类等，其黏度低、可注性好、渗透力强，但是有机材料通常有毒，并且强度相对较低、价格贵、耐久性差。无机灌浆材料包括水泥净浆、水泥砂浆类等，虽然凝结强度高，但粒径大，可注性差。超细水泥灌浆材料的出现，使无机浆材的可灌性得到了改良。为使有机、无机材料优势互补，复合灌浆材料也取得了较大的发展，如水泥-水玻璃类、聚合物改性水泥类等。此类灌浆材料配合难度大，与单纯的有机浆液相比，可灌性不佳。

综合比较以上3类灌浆材料的优缺点可知，无机水泥类灌浆材料高效环保且实际工程应用方便。用于修补半刚性基层裂缝的水泥基灌浆材料应当具有较高的抗压与抗折强度，尤其早期强度高，能尽早恢复公路正常通车;凝结硬化过程中体积应适当膨胀，能将裂缝填满;应具有良好的流动性和可灌性，并能与无机结合料稳定土基层之间黏结性良好。

2.2 单液水泥基灌浆材料设计

水泥的品种有很多，通用硅酸盐系列的水泥作为灌浆材料而言，凝结时间过长，早期强度不高，无法完全满足裂缝修补的灌浆要求。铝酸盐、硫铝酸盐水泥属于特性水泥，在紧急抢修工程中应用较多，其特点是凝结时间快、早期强度高，但对灌浆工程而言，其流动性不足，而且后期强度增长不明显。膨胀水泥在凝结硬化过程中不仅不会产生体积收缩，反而会有一定程度的体积膨胀，可以应用于道路工程的修补或堵漏等。

在外加剂材料方面，减水剂可用于改善灌浆材料的流动性，早强剂可用于提高浆材的早期强度，而早强减水剂同时具有两者的特点。膨胀剂可使水泥基灌浆材料在水化、硬化过程中产生一定膨胀，减少结石体干缩裂缝，提高抗裂性和抗渗性能。

本文将硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥进行组合设计，并加入早强减水剂与膨胀剂，以使其同时具有较高的早期与后期强度，良好的流动性和可膨胀性，满足灌浆材料要求。根据试验指标及经验确定的初始配合比范围为水泥∶水∶外加剂=1∶0.25～0.59∶0.01～0.015，水泥基灌浆材料中各成分的掺量通过试验来确定。应考虑实际施工不同的要求及现场情况，对复配后的灌浆材料分别进行凝结时间测定、流动度测定、抗折与抗压强度测定、干缩性试验、膨胀性能试验，以及与半刚性基层材料的黏结强度试验[3]。其相关性能指标检测应满足现行规范要求（表1）。

3 半刚性基层裂缝灌浆施工工艺

公路在施工和投入使用后，要定期对路面结构进行检测，发现基层开裂要及时采取措施，防止其继续扩展或反射到面层。公路的养护工作可分为预防性养护和治理性养护。针对公路出现的早期破坏或病害发展趋势进行的养护维修工作是预防性养护，可以减缓病害发展速度，从而延长公路使用寿命;治理性养护是对已经产生的局部病害及时进行维修处治。本文中的半刚性基层裂缝修补灌浆工艺属于治理性养护。

3.1 现有公路裂缝修补技术研究

目前，公路工程中大多数灌浆修补工艺仅针对路面面层裂缝，包括沥青混凝土面层、水泥混凝土面层和复合式路面面层，而用于修补基层裂缝的方法并不多[4]。现有的公路路面裂缝修补技术主要有以下4种。

普通或改性沥青灌缝技术。对路面裂缝进行封填是一种传统的路面裂缝修补方法，常采用的材料有乳化沥青、改性沥青等。该法适用于封堵宽度小于5 mm的轻微纵向裂缝，即对裂缝产生的早、中期成效较大。但此类修补材料的耐久性、抗老化性、耐热性等不足，修补后的裂缝容易再次开裂，无法满足基层裂缝灌浆施工要求。

开槽灌缝修补技术。该技术适用于基层裂缝已反射到面层的情况。首先采用路面开槽机对裂缝处进行开槽，开槽宽度一般以将裂缝两侧的松动部分全部除去为准，开槽深度不小于1 cm，然后加热、清理裂缝及周围，再将灌缝材料灌入缝中，最后修复路面并贴封，路表贴封宽度不小于5 cm，厚度不小于1～2 mm。此法针对的是裂缝扩展较严重的情况，其灌浆效果良好，且比较环保。

密封胶封缝技术。当公路基层出现裂缝时，为防止病害的进一步扩展可采用密封胶封缝技术。在灌缝之前用切缝机对裂缝进行切缝处理，裂缝宽度超过3 mm处均应进行切缝。为了降低密封胶的黏度，提高可注性，需要把密封胶加热到180 ℃以上，灌进裂缝后，密封胶渗透到裂缝两侧的混合料中并将其黏结到一起。因为密封胶在常温和低温下均有较高的弹性，能适应裂缝的胀缩变形，因此可保持其密封作用。

压力注浆技术。压力注浆是在灌浆过程中，采用灌浆增压设备，把能固化的浆液注入裂缝或孔隙中，实现对裂缝进行修补或处治的技术措施。注浆技术应用非常广泛，可用于加固软弱地基、提高岩土地基承载力、填充混凝土板底脱空、防止边坡滑塌、防止路基滑坡、纠正结构物偏斜、填充天然地基穴洞，以及混凝土砌体缝隙等[5]。

在公路工程中，压力注浆技术可用于路面深度灌缝及水泥混凝土路面板底脱空处治等。本文采用压力注浆法来解决水泥基灌浆材料灌注半刚性基层隐含裂缝这一问题。

3.2 钻孔压力注浆施工方法

半刚性基层沥青路面是我国当前主要的公路结构形式。沥青面层总厚度通常为18～20 cm，一般的注浆工艺无法达到透过面层对基层裂缝灌浆的深度，因此，本文在现有道路注浆技术的基础上，提出一种针对基层裂缝的钻孔压力注浆方法。

钻孔压力注浆所用的最基本的设备包括钻孔机、浆体搅拌机、压浆泵。钻孔压力施工工艺流程主要包括裂缝定位及清理、钻芯布孔、埋设孔口管、压力注浆、封孔及养生等作业[6]，如图1所示。

3.2.1 灌浆时机选择

裂缝修补时机与裂缝修补的效果有很大关系，选择合适的灌浆时机非常重要。裂缝的灌注受天气的影响较大。比如，陕西地区的气候特点是夏季多雨、冬季寒冷，裂缝修补宜选择春季（3、4月份）或秋季（10、11月份）。根据每年气候的变化情况，修补时机也应随之做适当调整。灌浆施工时应选在连续晴朗、日照充足的天气状况下进行，以避免降水对灌缝施工及养生不利。

3.2.2 灌浆施工工艺

本文在现有的压浆裂缝修补技术上优化改进，以灌注半刚性基层隐含裂缝为目的，拟出钻孔压力注浆技术的施工要点，供后续研究及实际工程参考选用。钻孔压力注浆施工工艺流程具体如下。

1）裂缝定位及清理。首先应对公路半刚性基层裂缝进行定位，可使用短脉冲地质雷达等无损检测技术对道路进行检测。定位后需用毛刷或纱布将路面裂缝周围清扫干净，并用压缩空气将灰尘吹干净。

2）钻孔布设。定孔位：孔位需沿裂缝开裂方向布置，注浆孔设在缝宽最大处附近，每个注浆孔两侧设2个观察孔，并根据缝长及实际开裂状况选择合适的钻孔间距，如图2所示。

钻孔：施工人员用取芯机在定位处钻孔，孔径大小取决于钻头的直径大小，一般为60～110 mm，垂直偏差应小于1%;孔深应穿透基层到达下基层底部（即土路基上层）。钻孔时通常采用冲击旋转，将孔内的碎屑砂砾挤压到孔的周围壁上，达到钻孔深度要求后，先用布或其他材料封堵孔口，防止杂物落入孔内。

钻孔处理：钻孔完成后需将孔中的碎屑颗粒和泥沙清理干净，孔洞中有积水时需要清除积水。孔洞处理完成后，采用自然风干方式或用高压液化气罐等加热设备将距路表10 cm范围内的孔内壁烘干。

埋设注浆管：为了方便对钻孔进行灌浆，需在钻孔处埋入预制的金属孔口管（也称作灌浆嘴），并使其略低于路表，孔口管需配有大小合适的圆木塞。然后用树脂将孔口管和钻孔壁之间的孔隙填满。

3）压力注浆。水泥基灌浆材料拌合：根据设计配合比在搅拌器中加水搅拌已充分混合的水泥基灌浆材料，在注浆过程中还应不停地缓缓搅拌以防止沉淀。搅拌时间宜控制在15 min以内，最长不应超过浆液初凝时间（30 min），浆体在泵送之前应经过筛网过滤。

压力控制：用压浆泵将搅拌好的水泥基灌浆材料灌入注浆孔中，灌浆初始压力为0.6 MPa，但在灌浆过程中，为达到最大灌缝深度，还应根据实际状况调整，压力控制在0.5～1.5 MPa，直到相邻的观察孔溢出浆液。注意灌浆时间和压力以防止灌缝期间裂缝进一步开裂或面板抬升拱起、翘曲等现象发生。

封孔：灌浆完成后及_{ibJo2Aos41yF1cJNf3O0mw==}时用圆木塞塞住孔口，以防止灌浆压力完全消散以及浆液逆流。所有的封孔塞至少应保持8～10 min后才能被移动。

若灌浆过程中有水泥浆液溢出，应在其终凝之前及时清扫，防止污染路面。

4）养生。在水泥基灌浆材料硬化形成强度之前，不允许车辆碾压灌缝处。待浆体完全达到终凝（注浆后不少于1 h）后再拔出木塞并用混凝土芯样严密封孔。封孔施工完毕后才可完全开放交通。

3.2.3 灌浆质量检测方法

半刚性基层裂缝灌浆完成后，应定期对裂缝的灌浆效果进行检测。可利用抽样调查法进行检测，具体方法有以下2种。

方法一：随机选择灌缝处钻芯取样，据此检验裂缝灌注质量的优劣及压浆的密实情况。检验后再用混凝土芯样严密封孔。

方法二：再次使用短脉冲地质雷达对道路进行无损检测，并将得到的数据与灌浆之前的检测结果对比，从而判断基层密实效果有无改善[7]。

对于灌浆检测结果不合格的裂缝，应对其进行补灌，直到质量合格为止。此外，该钻孔压力注浆技术应在试验路段进行模拟灌浆、验证其可操作性之后，再在实际工程中使用及推广。

4 结束语

为了保证汽车高速、安全、舒适的行驶，公路养护是不可或缺的经常性工作，在提高路面性能方面发挥着极其重要的作用。在公路的病害处治工作中，裂缝的预防与修补是不容忽视的。本文对公路半刚性基层隐含裂缝形成机理及修补技术进行了详细的研究，同时对现有的道路灌浆材料和工艺的优缺点、技术参数、施工工艺等进行了深入的探讨，并提出了一种水泥基灌浆材料配合比以及基层钻孔压力注浆修补方法，供公路养护人员参考与应用。

参考文献：

[1] 刘芳.半刚性基层沥青路面裂缝处治技术研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2020.

[2] 蒋向阳，潘佳，唐华安，等.京新高速梧木段路面温缩裂缝形成机理及处置技术[J].公路，2022，67（10）：89-98.

[3] 王超杰.半刚性基层裂缝快速识别与修补技术的研究[D].兰州：兰州理工大学，2018.

[4] 王勇.公路桥梁裂缝成因及修补加固技术分析[J].交通世界，2023（27）：112-114.

[5] 王婧.压力注浆技术在高速公路路基路面病害处治中的应用[J].砖瓦，2021（5）：169，171.

[6] 张立志.基于半刚性基层养护的裂缝注浆修补技术分析[J].黑龙江交通科技，2023，46（9）：72-74.

[7] 杨美群，邹友泉，刘静.探地雷达在高速公路路面隐性病害检测的应用[J].公路，2022，67（8）：86-91.

基金项目：陕西国防工业职业技术学院科研计划项目（Gfy23-42）

第一作者简介：张征（1990-），女，硕士，讲师。研究方向为道路与桥梁工程技术。