基于半刚性基层脱空的热沥青注浆效果评价

黄琴龙，袁 远，余 路

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092）

在行车荷载反复作用下，沥青路面半刚性基层的路基土将产生过量的残余变形或被水流冲刷流失，使得基层底部失去支撑而形成凹陷空腔。若不及时处理，将导致路面产生反射裂缝、局部沉陷及坑槽碎裂等损坏，大大缩短道路寿命［1］。

针对半刚性基层脱空的修复，常用的水泥基注浆和高聚物注浆加固技术尚有诸多不足。水泥基注浆存在浆液凝固时间长、强度增长缓慢、易沉降析水及凝固前易被水稀释等问题［2］；高聚物注浆材料价格昂贵，大规模使用成本高，且具有一定程度的毒性，易引起环境污染［3］。采用热沥青进行注浆修复具有周期短和注浆体性能稳定等优点［4］。

注浆效果评价可以通过室内试验和现场效果测试。作者拟通过多种工况条件下的注浆修复室内试验，通过小梁弯拉强度等试验，全面分析热沥青注浆修复半刚性基层脱空的效果和影响因素，并与传统水泥基注浆效果进行对比分析。

1 注浆材料

选择湖沥青作为热沥青注浆材料，选用325普通硅酸盐水泥作为水泥基注浆材料，分别用热沥青注浆材料和水泥基注浆材料制成φ40×40mm圆柱体试件，进行无侧限抗压试验，得到两者的应力－应变曲线。在典型沥青路面结构下，由于半刚性基层底面竖向应变为200με，注浆材料的工作抗压模量取0～200με时的抗压模量平均值，注浆材料的抗压强度和工作抗压模量等力学性能指标见表1。

表1 注浆材料力学性能Table 1 Mechanical properties of grouting materials

2 试验设计

2.1 基层脱空受力特征

半刚性基层的破坏主要是因为材料不能承受其在行车荷载反复作用下产生的弯拉应力。当基层出现脱空时，脱空区域上方基层板体可视为简支梁受力模式［1］，如图1所示。基层底部支撑不均匀，在路面自重和行车荷载作用下，半刚性基层底面将受到附加弯拉应力作用。若附加弯拉应力长期作用，会加剧基层疲劳开裂，最终导致路面结构破坏［5］。

图1 基层脱空状态受力模式Fig.1 Force mode of voids of semi－rigid base

2.2 试件成型

对道路脱空进行室内试验模拟。李文彧［6－7］等人均采用规则长方体形状空洞模拟实际脱空病害；魏宏［5］等人在沥青路面半刚性基层底脱空力学响应分析时，用矩形脱空模型模拟道路脱空，并认为脱空面积比脱空高度对弯沉的影响更为明显。因此，本研究选择长方体空洞来表征道路脱空，并通过改变脱空面积来表征脱空程度。

选用325普通硅酸盐水泥、0～31.5mm悬浮密实级配的碎石集料及掺量为3.5%的水泥，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51－2009）［8］，制成100mm×100mm×400mm脱空梁试件。试件脱空高度和宽度均为20mm，脱空长度选择200mm和100mm 2种，分别对应10%和5%的脱空率（脱空率＝脱空宽度×脱空长度÷试件平剖面面积），如图2所示。试件梁脱空部位分别注入不同情况的沥青浆或水泥浆，热沥青注浆材料选用特立尼达湖沥青，水泥基注浆材料选用325普通硅酸盐水泥浆液，水灰比为0.5∶1。

2.3 弯拉强度试验

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51－2009），利用MTS材料试验机，对复合梁试件进行弯拉强度试验，试验采用三分点加载模式，如图3所示。

2.3.1 试验条件

1）干燥和潮湿2种注浆层位接触条件

因注浆层位接触面条件会直接影响沥青浆液与基层粒料的粘结，进而影响注浆效果，故试验模拟干燥和潮湿2种实际工作条件。

①干燥条件：先将脱空梁试件在自然条件下风干24h，然后放入70℃烘箱中，干燥2h后取出，再对脱空部位注入热沥青浆液。

②潮湿条件：用水壶将脱空梁试件脱空处洒满水，24h后注入热沥青浆液。

2）沥青老化程度条件

图2 复合梁试件（单位：mm）Fig.2 Composite specimen（unit：mm）

图3 复合梁加载模式（单位：mm）Fig.3 Loading mode of composite specimen（unit：mm）

对于热沥青注浆材料，在注入路面以后，不接触紫外线，环境温度也较低，可忽略它的长期老化，而注入前的沥青加热、持续保温可能导致短期老化。为了研究沥青短期老化对热沥青注浆修复性能的影响，试验对沥青浆液的抗热老化能力进行测试，对沥青进行持续5h保持199℃高温的老化处理。

2.3.2 试验工况

弯拉试验分8种工况，每种工况进行了3组平行试验。

3 试验结果与分析

弯拉试验过程中同时读取了不同阶段施加的荷载强度和梁中段处产生的挠度，试验结果见表2和如图4所示。

表2 不同试件的弯拉强度及最大中点挠度Table 2 Flexural tensile strength and maximum midpoint deflection of composite specimen

3.1 未修复试件的弯拉强度

通过分析不同脱空率的未修复试件试验结果发现，5%脱空率的未修复试件的平均弯拉强度为0.43MPa，而10%脱空率的未修复试件的平均弯拉强度仅为0.31MPa，弯拉强度下降为原来的72%。这表明脱空程度越高，半刚性基层的弯拉强度越低。

3.2 不同脱空率下试件沥青修复的效果

通过分析不同脱空率下的沥青修复试件试验结果发现，5%脱空率的试件平均弯拉强度为0.80MPa，而10%脱空率的试件平均弯拉强度为0.75MPa，弯拉强度略有下降，为原来的94%。这表明脱空程度越低，经沥青修复的半刚性基层弯拉强度越高。

图4 复合梁试件荷载与中点挠度的关系Fig.4 Relationship between load and midpoint deflection of composite specimen

3.3 沥青修复时试件脱空面状态影响

通过分析10%脱空率下沥青修复试件的试验结果发现，修复时脱空面干燥状态下的平均弯拉强度为0.75MPa，而潮湿状态下的平均弯拉强度为0.57MPa，下降为原来的76%。这表明脱空面潮湿会降低沥青修复效果，干燥的环境有利于沥青修复。

3.4 修复前沥青老化对修复效果的影响

通过分析10%脱空率下沥青修复试件的试验结果发现，用未经过老化的沥青修复后的平均弯拉强度为0.75MPa，而经老化后的平均弯拉强度为0.41MPa，下降为原来的55%。这表明沥青修复性能会随着浆材的老化而降低。

3.5 沥青修复前、后的弯拉强度

对于10%脱空率下的试件，沥青修复前的平均弯拉强度仅为0.31MPa，沥青修复后的平均弯拉强度大幅提高到0.75MPa，为原来的2.42倍；对于5%脱空率下的试件，沥青修复前的平均弯拉强度仅为0.43MPa，沥青修复后的平均弯拉强度大幅提高到0.80MPa，为原来的1.86倍。这表明热沥青注浆对脱空半刚性基层的修复效果显著。

3.6 不同材料的修复效果

从弯拉强度和变形能2方面对热沥青与水泥基注浆修复能力进行比较。

1）弯拉强度

在10%脱空率下，热沥青复合梁的平均弯拉强度为0.75MPa，而水泥复合梁的平均弯拉强度为0.68MPa，热沥青复合梁的平均弯拉强度比水泥复合梁的略高出10%；在5%脱空率下，热沥青复合梁的平均弯拉强度为0.80MPa，而水泥复合梁的平均弯拉强度为0.71MPa，热沥青复合梁的平均弯拉强度比水泥复合梁的略高出13%。这表明热沥青和水泥基注浆在提升脱空半刚性基层的弯拉强度上效果接近，热沥青注浆略好。

2）变形能

材料在荷载作用下会发生变形，荷载在相应的位移上做的功称为应变功［9］。材料在达到破坏状态前所能承受的最大应变功称之为变形能。材料的变形能越大，承受变形的能力越强。因此，变形能可以充分地说明材料承受变形的能力。复合梁试件变形能如图5所示。从图5中可以看出，脱空试件经注浆后的变形能显著提高，且热沥青注浆对脱空试件变形能的提升作用大于水泥基注浆的。对比不同脱空率下复合梁试件的变形能发现，10%脱空率试件的变形能明显大于5%脱空率试件的，这表明脱空程度越高，注浆材料的变形能越大，经注浆修复的半刚性基层承受弯拉变形的能力也越强。

图5 复合梁试件变形能Fig.5 Deformation energy of composite specimen

经分析可知，热沥青注浆技术在提高半刚性基层的弯拉强度和抗变形能力均优于水泥基注浆技术的，是一种更好的半刚性基层修复技术。在进行半刚性基层脱空修复时，可优先使用热沥青注浆加固技术。

4 结论

1）基于半刚性基层受力特征，设计了热沥青注浆加固技术室内试验方法，通过以长方体表征脱空、脱空率作为参数的道路脱空模拟方法，对热沥青注浆加固技术修复半刚性基层脱空的能力进行了试验。研究结果表明：热沥青注浆加固技术能对半刚性基层脱空进行有效的修复，将大幅提高半刚性基层的工作性能。

2）通过对热沥青注浆加固技术在不同脱空率、脱空界面接触条件及沥青老化程度时的半刚性基层脱空修复能力试验，发现其修复效果与脱空界面接触条件和沥青老化程度等因素有关。潮湿的接触界面会制约热沥青注浆对半刚性基层脱空的修复，而沥青的短期老化将使热沥青注浆的修复能力大幅下降。为保障热沥青注浆修复半刚性基层脱空的效果，施工时应对脱空处进行排水和干燥处理，并尽量减少热沥青注浆材料在高温下的储藏、运输和施工时间，尽可能降低接触界面潮湿和沥青短期老化对其修复性能的影响。

3）通过弯拉强度、变形能的对比，表明了热沥青注浆加固技术对半刚性基层脱空的修复效果优于水泥基注浆加固技术的，热沥青注浆加固技术更加符合现代交通快速修复的需求，可在今后的道路养护中推广应用。

热沥青注浆加固技术尚存在着一些问题，如：热沥青注浆扩散机理不明确、热沥青注浆施工工艺尚不完善及施工关键参数有待进一步确定等，需要进一步试验研究。

（References）：

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［7］廉向东，付其林，陈拴发，等.基于板底脱空的水泥混凝土路面动水压力试验研究［J］.武汉理工大学学报，2011，33（5）：100－103.（LIAN Xiang－dong，FU Qilin，CHEN Shuan－fa，et al.Research on hydrodynamic pressure of void under concrete pavement［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2011，33（5）：100－103.（in Chinese））

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［9］符佳.乳化沥青水泥稳定碎石的力学及路用性能的研究［D］.上海：同济大学，2014.（FU Jia.Research on mechanical and pavement performance of emulsified asphalt cement－stabilized macadam［D］.Shanghai：Tongji University，2014.（in Chinese））