早强型地聚物注浆加固技术在公路病害治理中的应用探讨

韦联飞

【摘要：】文章针对城市主干道公路病害治理问题，提出采用早强型地聚物注浆加固方法对病害路段进行结构补强，并通过室内试验和现场应用，确定了地聚物的最佳配合比和最佳注浆工艺参数。经注浆加固补强后，该病害路段的承载力得到明显提升。

【关键词：】公路病害治理;早强型地聚物;注浆加固;配合比;工艺参数

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0 引言

城市道路交通量大，道路负荷重，容易造成骨料粘结力丧失从而导致道路产生脱空、塌陷、裂缝等一系列病害，使承载力大大降低。随着城镇化进程的不断加速，很多城市道路均需要进行养护和修补，据不完全统计，我国的公路养护里程超过了500万km，因此，研究公路养护和病害治理技术，对于城市建设和发展具有重要意义[1-4]。

传统的铣刨加铺补强工艺虽然技术成熟，能够治理各种公路病害，但是施工周期长、施工成本高，而且施工期间对道路通行影响较大[5]。为此，一些专家学者提出了采用注浆加固法对病害道路进行养护和修补。注浆加固作为一种“非开挖”补强技术，环境污染小，对路面原有结构的损伤小。然而，常规注浆材料在路面修补过程中存在早期强度低、收缩量大等缺点，对于交通量繁重的城市道路修补而言实用性不高[6-10]。为了尽可能减小注浆施工对交通的影响，有必要采用早强型注浆材料以达到尽早开放交通的目的。

本文设计配制了早强型地聚物注浆材料，将其应用到城市道路的病害治理中，为城市道路的修补加固提供新的思路和方法。

1 路面病害调查情况

某市政公路改扩建工程属于城市主干道，位于交通较为繁重的城市路段，工程竣工时间为2001年，设计通行时速为40 km/h，道路整幅宽度为27.5 m。营运20年至今，其机动车道路面总体状况较差，平均弯沉值达到了37.2 mm，部分路段出现层间脱空现象，同时还存在不同程度的横向裂缝、沉陷裂缝、网裂、坑槽等破坏特征。

2 路面处置施工方案设计

针对已经出现明显裂缝、沉陷、脱空、坑槽等路面病害，且弯沉值不合格的路段，拟采取如下处置措施：先铣刨掉12 cm厚的原沥青路面，再对原路面结构的石灰土底基层（22 cm）和二灰稳定碎石基层（20 cm）进行补强注浆，待基层满足工程要求后，再对裂缝进行灌缝处理，同时在基层上铺设高性能聚酯布，由下向上依次施工沥青透层、沥青封层、8 cm厚的AC-20C沥青混凝土以及4 cm厚的AC-13C沥青混合料。针对未出现明显病害但是弯沉值不合格的路段，除了不进行灌缝处理，以及不铺设高性能聚酯布之外，其余的工程措施与病害路段基本一致。路面处置施工方案如图1所示。

3 注浆材料制备

3.1 注浆原材料

由于整改路段位于市区，交通压力繁重，为减少施工对交通造成的影响，应首选凝结硬化快、早期强度高的注浆材料，因此，设计了早强型地聚合物注浆材料对病害路段进行注浆加固。早强型地聚物注浆材料主要由矿渣、粉煤灰、偏高岭土以及碱激发剂按照一定比例配置而成。其中矿渣的主要化学成分为CaO、SiO2和Al2O 占比分别为42.4%、28.72%和11.4%，颗粒直径为8～32 μm;粉煤灰的主要成分为SiO2和Al2O 占比分别为48.5%和28%，颗粒直径<10 μm;偏高岭土的主要化学成分也为SiO2和Al2O 占比分别为54.1%和41.1%;碱激发剂为水玻璃，Na2O与SiO2的摩尔比为3. 固含量值为34%。

3.2 注浆材料配制

在注浆材料搅拌之前，需要先将矿渣、粉煤灰和偏高岭土研磨成地聚物粉体，然后利用NaOH、Na2SiO3和蒸馏水配制碱激发剂，将地聚物粉体和碱激发剂通过慢搅和快搅最终配制成地聚物。地聚物制备流程如图2所示。通过室内试验，确定最佳的注浆材料配合比为矿渣∶粉煤灰∶偏高岭土=3∶5∶2，水灰比=0.32，碱激发剂的模数=1.6，碱激发剂掺量为8%。注浆材料搅拌时间为3 min。

3.3 注浆材料性能

按照上述配合比和流程配制注浆材料后，进行室内试验，对凝结时间、流动度、泌水率、膨胀率、抗压强度等参数进行测试，结果如表1所示。从表1中可以看到：本工程配制的早强型地聚物注浆材料凝结时间早，早期强度大，流动性、泌水率、膨胀率等参数均满足规范设计要求，因此，该注浆材料可用于该工程病害路段的注浆加固施工。

4 注浆施工工艺

4.1 施工流程

本工程设计的注浆加固是对基层和路基的双层加固，且由于使用的地聚物具有快凝早强的特点，注浆施工流程与传统注浆流程存在一些差异。为了提升整体施工效率和施工质量，对早强型地聚物注浆加固施工流程进行了优化，优化之后的注浆施工流程可简化为：施工准备→布孔→钻孔→清孔→制浆→注浆→拔管→封孔→养生→检测→验收。具体如图3所示。

4.2 注浆参数

在施工现场进行了注浆工艺参数试验。试验共包括9个注浆断面，通过钻孔取芯确定最佳的注浆加固施工参数。试验结果如表2所示。从表2中可知：当注浆压力为0.4 MPa时，三个试验断面的加固效果（2差+1良）均不是很好，当注浆压力为0.6 MPa时，注浆效果（2优+1良）有较大提升，当注浆压力为0.8 MPa时，注浆效果（1差+1良+1优）没有明显提升。因为在低注浆压力下，地聚物无法充分扩散到路基深处的裂缝和脱空位置;而当注浆压力较高时，可能对原有结构产生逆向损伤破坏。因此，本工程选择注浆压力适中的0.6 MPa。相同注浆压力下，随着注浆量的增加，注浆效果有明显提升，但是在0.6 MPa注浆压力下，注浆量从120 kg/m2增加

至170 kg/m2的效果并不是很明显，因此，本工程选择120 kg/m2作为注浆量，以达到注浆加固和节约工程造价的目的。通过现场注浆加固试验确定本工程的注浆工藝参数如下：注浆压力为0.6 MPa，孔距为150 cm，注浆量为120 kg/m2，注浆深度为0.8～1.2 m。

4.3 关键技术

钻孔和注浆是整个注浆加固施工流程中最为重要的步骤，必须对这些关键施工技术进行重点把控。

（1）钻孔施工：路面基层宜采用冲击钻，基层以下宜采用液压钻或者振动钻;所有钻孔的位置与设计位置的偏差应≤0.2 m，钻孔的倾斜率必须控制在1.5%以内;钻孔需要分序布置、交错施工，后续钻孔应在前序钻孔注浆材料强度达到5 MPa之后才可以继续施工。

（2）地聚物拌和：矿渣、粉煤灰、偏高岭土、NaOH、Na2SiO3等采用重量称量法进行材料计量，每种材料用量偏差≤3%，水采用体积法称量，偏差≤1.5%;浆液拌和好后，需要在30 min内使用，且注浆施工期间，环境温度应控制在5 ℃～40 ℃。

（3）注浆施工：当注浆压力达到注浆设计压力时或者注浆量达到3倍注浆设计量时，应停止注浆;当出现串孔或者横缝冒浆时，应停止注浆10～20 s，再继续注浆;当整治路段表面出现隆起且达到5 mm以上时，需要立即停止注浆。

（4）养护施工：对道路进行注浆加固施工后，应采取封闭养护措施，养护时间≥1 d。

4.4 注浆加固效果

为了评估本次注浆加固施工效果，采用动态弯沉仪对病害注浆加固路段进行弯沉值检测，结果如图4所示。从图4中可以看到：在注浆加固前，病害路段弯沉值普遍较大，其中弯沉值达到35 mm以上的点位占比达到了68%，平均弯沉值为37.2 mm;当采用早强型地聚物进行注浆加固（1 d）后，弯沉值超过35 mm的点位占比由68.4%下降至10.5%，平均弯沉值为28.4 mm;当采用早强型地聚物进行注浆加固（7 d）后，弯沉值超过35 mm的点位占比为5.3%，平均弯沉值为25.3 mm。通过弯沉值检测结果可以看出：经注浆加固之后，病害路段的承载力

显著提升，注浆完成1 d后，弯沉值平均降幅就达到了23.7%，表明本工程配制的早强型地聚物注浆材料能够在短时间内达到病害路段的加固強化效果。注浆施工1 d后，病害路段表面没有出现明显的裂缝，也没有地聚物浆液从路面冒出。利用探坑观测法发现在脱空区域和底基层均渗透进了大量地聚物注浆材料，并与周围松散岩体呈固态联结状态，表明本次注浆加固施工起到了很好的结构补强作用。

5 经济及社会效益

早强型地聚物注浆加固施工技术不仅能起到较好的结构补强作用，而且在经济和社会效益上表现出相对于传统公路病害路段整治方法所不具备的优势，具体表现为：

（1）在经济效益方面：采用传统的铣刨加铺方案时，基层铣刨费用为24元/m2，基层加铺费用为176元/m2，中面层（8 cm AC-20C）铣刨加铺费用为120元/m2，上面层（4 cm AC-13C）铣刨加铺费用为65元/m2，总费用为385元/m2。采用新型地聚物注浆加固方案时，注浆费用为188元/m2，再加上中面层和上面层的铣刨加铺费用，总费用为373元/m2，相比传统施工方案节约工程造价约12元/m2。此外，采用早强型地聚物注浆加固技术，设备更加简单，能够灵活进出场，加固之后的早期强度更高，能更早地开放交通，避免交通堵塞所带来的经济损失。

（2）在社会效益方面：早强型地聚物注浆加固技术施工周期短，对交通干扰更小，大大节约了养护成本，而且极大地解决了工业废料的问题。同时，注浆加固技术实行不开挖施工，避免了路面扬尘和最大程度减小噪声，对于社会生态环境有利。

6 结语

（1）为减少施工对交通造成的影响，决定采用早强型地聚物注浆加固方法对依托工程的病害路段进行加固治理，并通过试验确定了地聚物的最佳配比为矿渣∶粉煤灰∶偏高岭土=3∶5∶2，水灰比=0.32，碱激发剂的模数=1.6，碱激发剂掺量为8%，注浆材料搅拌时间为3 min。

（2）对早强型地聚物的注浆加固流程进行了详细分析，并通过试验路段确定了最佳的注浆工艺参数：注浆压力为0.6 MPa，孔距为150 cm，注浆量为120 kg/m2，注浆深度为0.8～1.2 m。

（3）采用早强型地聚物进行注浆加固1 d后，弯沉值降幅达到23.7%，注浆加固7 d后，弯沉值降低32%，起到了很好的结构补强作用，同时还兼具良好的社会经济效益，相关施工经验可为类似工程提供借鉴。

参考文献：

[1]程俊夕，周茗如.聚合物注浆技术在某二级公路水泥混凝土路面脱空病害治理中的应用[J].公路工程，2019，44（4）：174-177，194.

[2]林道力.公路工程路基路面病害治理措施[J].黑龙江交通科技，202 44（3）：59-60，62.

[3]陈 林.公路隧道衬砌裂损病害检测与治理对策[J].西部交通科技，2020（7）：94-96.

[4]付国志，韦金城，赵延庆，等.沥青路面结构的动态效应对验收弯沉值的影响[J].华南理工大学学报（自然科学版），202 49（4）：90-96.

[5]米建华.铣刨填补技术在沥青路面车辙养护中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2017，13（11）：85-86.

[6]高 勇.道路非开挖注浆加固技术研究综述[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），202 39（1）：13-19.

[7]林有贵，周德存，易 强，等.路面基层注浆加固质量评价的无损检测方法应用研究[J].西部交通科技，2021（2）：8-1 184.

[8]林有贵，栗 晖，易 强，等.在役沥青路面基层地聚物注浆补强技术研究[J].中外公路，2020，40（2）：46-52.

[9]高昊鹏，朱苦竹.地聚物砂浆在道路加固中的应用与研究[J].粉煤灰综合利用，2019（6）：89-92.

[10]王志兵，黄亚琴，冒 娟.地聚物压密注浆在道路基层补强中的应用研究[J].公路交通科技（应用技术版），2018，14（5）：97-99.