季冻区干线公路半刚性基层地聚物注浆补强技术研究

常 利

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

季冻区即季节性冻土区域，约占我国国土面积的53%[1]，区域内气候条件严酷，常表现为冬严寒、夏酷暑，区域重载交通干线公路沥青路面病害频发，常见形式有荷载型、高低温型、疲劳型等。国内路面结构在“强基础、薄面层、稳土基”的设计思想指导下，形成了一套符合国情的以半刚性基层为主体的路面设计体系，具有承载能力强、造价低等特点的半刚性基层在干线公路中得到广泛应用。季冻区沥青路面的损坏往往与基层病害有直接关系，尤其是存在先天性隐性微裂缝的半刚性基层[2]，经过一定时间的服役运营，很快发展成为显性的横向反射裂缝，并诱发各类层间及路表病害。在交通荷载的长期作用下，横向反射裂缝及纵向疲劳裂缝不断发展，路表水沿裂缝渗入并在路面结构层间聚集，在荷载动水压力作用下，产生由层间松散、脱空等结构病害引起的唧浆、冻胀等表观病害，并不断发展扩大，导致路面结构承载能力大幅度降低直至丧失。

基于公路全寿命周期理念，在设计使用寿命周期内，有针对性、有计划性地对半刚性基层采取养护措施，最大限度地发挥其结构使用价值显得尤为重要。地聚合物因独特的类胶凝材料结构，使得它拥有快硬早强、体积稳定性好、材料界面结合力强、抗渗性好、耐久性好等优点，独特的性能和优良的环保性使其在季冻区干线公路基层病害处治及预防性补强等方向具有广阔的应用研究前景。基于季冻区干线公路路面病害特征及地聚合物上述独特性能分析，同时结合工程实际应用效果评价，对地聚物注浆补强技术在季冻区干线公路半刚性基层中的应用进行论述分析。

1 半刚性基层疲劳损伤特性

疲劳损伤是指在循环载荷过程中的损伤累积，由重复荷载作用而引起的结构材料承力性能衰减过程，即疲劳裂纹的产生、发展、扩展为宏观裂纹、发生破坏的全过程。材料模量的衰减反映了材料力学性能的衰退过程。根据国内众多学者的研究成果[3-5]，我国半刚性基层材料在服役期模量衰减可分为三个阶段：迅速衰减阶段、稳定降低阶段、破坏阶段，各阶段模量及损伤特征如图1所示。

图1 国内半刚性基层材料模量衰变及损伤规律特征

在气候和循环荷载作用下的初始阶段，由于半刚性基层材料先天缺陷，在早期预裂阶段弹性模量迅速衰减，进入有效疲劳期。随着服役期的增长，在有效模量阶段材料性能及弹性模量趋于稳定并有缓慢的衰减，当疲劳累积损伤达到一定程度，处于有效疲劳后期时，对应半刚性基层裂缝位置的沥青层底成为薄弱区，在行车荷载和温度应力的作用下，裂缝逐渐扩展到面层，并向上发展直至穿透面层，路面将产生有规则的反射裂缝，路面滞留水沿裂缝渗透到路面结构层中，在渗水、荷载等因素重复作用下，使该处半刚性基层弹性模量迅速降低，造成板体局部松散、失效，加速了路面结构破坏。

2 地聚合物注浆补强技术

2.1 地聚合物

地聚合物是一种新型的碱激活地聚物胶凝材料，硅铝质原材料活性无序空间层状玻璃体结构在Na2SiO4.nH2O等碱性反应介质环境下，发生下式的聚合反应，形成具有致密空间网络体系结构的地聚合物凝胶[6-7]，粉煤灰基地聚合物微观典型SEM扫描电镜图如图2所示。

图2 粉煤灰基地聚合物断裂面微观SEM扫描电镜图

2.2 工作机理

路面注浆加固补强技术一般采用压密注浆方式，将注浆材料通过注浆管压入补强对象松散、裂缝、层间孔洞等病害内，同时浆液固化取代并排出结构层原有孔隙水及其他自由水，浆液形成类网状结构浆脉，实现结构病害修复。

渗透、填充、压密和扩张，这四种地聚合物注浆加固补强机理既互相区分，又同时存在。活性地聚物浆液通过与基层结构界面的渗透胶结、离子交换和注浆时的压密、填充作用把原来松散的半刚性材料或裂隙胶结成一个整体，同时，部分惰性硅铝氧化物被激活，地聚合物浆液和半刚性基层结构及土体中的矿物活性组分发生新的缩聚反应，生成化学稳定性好、材料强度大、结构承载力高的立体网状固结体[8]，上述作用起到补强加固和预防病害进一步发生的功效，从而提高结构承载力，延长使用寿命。

2.3 浆体流动度

基层注浆加固补强主要依靠浆液的渗透、填充作用，因此地聚合物注浆液需要具有较好的流动度和渗透性，同时在压力下具有较好的保水性能及体积稳定性。浆体流动度试验可参照T 0508-2005水泥浆体流动度试验方法(倒锥法)[9]，文献[10]研究表明，注浆施工效果与浆体的流动度尤为关键，当注浆材料的流动度大于12s时，浆液的扩散和渗透性能较低，效果很差，浆液的流动度在10s左右时，方可实现较佳的浅层注浆效果；上海市市政工程管理局专业标准《公路路基与基层地聚合物注浆加固技术规程》(SZ-G-B04—2007)规定路面基层加固用地聚合物注浆材料流动度应≤20s，路基加固用流动度应≤17s；河南省地方标准《道路非开挖式地聚合物注浆加固处治技术规范》(DB 41/T 1165—2015)规定适用于交通量一般、重载比例不大的国省道公路的普通型及适用于高速公路、交通量大或重载交通的快凝早强型地聚合物注浆材料流动度均应不大于20s。

2.4 注浆孔位布设

注浆孔的孔位布设及加固层位应根据补强路段实际情况确定，主要影响因素有原路病害情况、路面强度等级、半刚性基层筑路材料情况及注浆材料在相应筑路材料中的有效作用半径等。半刚性基层补强注浆孔主要有四种布设方式：满堂布设、梅花桩型布设、条带式布设和围点式布设，具体布设形式及特征如图3所示。一般情况下注浆孔径采用50mm，孔距宜为1.0～2.5m。

图3 注浆孔位布设图

3 效果分析

当前，影响半刚性基层注浆补强技术推广的主要难题之一是注浆补强评价体系不健全，注浆效果评价方法具有一定的局限性，难以反映真实的注浆效果。常规无损检测评价方法有两种，一种是探地雷达法，另一种是路面弯沉值法(FWD、贝克曼梁等)。一般评价原则为注浆加固后雷达图谱中拱形突变大量消失或介电常数提高(雷达法)，弯沉值也有了较为显著的下降(弯沉值法)时，说明注浆效果显著。文献[11]采用FWD 落锤弯沉仪对注浆前后裂缝位置附近进行弯沉值检测，检测方式为裂缝处1点及沿行车方向裂缝前后距裂缝0.5m各1点，基层在注浆后，对应注浆裂缝位置处的弯沉值总体呈现明显降低趋势，弯沉极大值平均下降幅度为33.3%，同时注浆后弯沉值离散程度减小；文献[11]采用3D矩阵探地雷达方式，对比注浆前后裂缝附近位置处介电常数计算结果显示注浆后基层的介电常数较注浆前总体上呈增大的趋势，说明注浆材料的填充、压密等作用提高了裂缝附近半刚性基层的密实程度，同时提出,当原路面基层介电常数在6.5以下时，注浆效果较好，当原介电常数在5 及以下时，注浆效果较为明显。

选取某国省干线公路为半刚性基层地聚物注浆补强试验路，试验路原路面结构为：沥青面层(4cmAC-20+6cmAC-25)+基(底基)层(双20cm水泥稳定碎石)，于2012年建成通车，交通量荷载等级为中，该路段行车道路面典型病害为龟裂，同时伴随局部重度纵裂、唧浆等。通过对比分析注浆补强前后弯沉值法(FWD)、雷达法检测结果进行基层加固补强效果分析。

3.1 路面弯沉

上海市市政工程管理局专业标准《公路路基与基层地聚合物注浆加固技术规程》(SZ-G-B04—2007)认为如注浆加固后实测的路面弯沉小于按预测交通量计算得到的路面设计弯沉，则说明注浆效果良好，反之，需采取其他更为有效的加固措施。河南省地方标准《道路非开挖式地聚合物注浆加固处治技术规范》(DB 41/T 1165—2015)要求采用落锤式弯沉仪对注浆处理位置及邻近无病害位置进行弯沉测试，地聚合物注浆后，路表弯沉值达到同路段无病害处路面弯沉值的1.2倍以内，说明注浆效果较好。选取试验路SK1+000～SK1+500段行车道右轮迹带注浆前后相同点位弯沉值(FWD)比对如表1所示，可以看出注浆前路面弯沉平均值为48.3(0.01mm)，注浆后弯沉平均值为40.5(0.01mm)，该路段对应车道整体路面强度有一定提升。

表1 地聚物注浆补强前后弯沉数据统计

3.2 探地雷达

探地雷达法是利用从路表向地下发射的电磁波在地下不同介质特性的界面上变化，从而根据接收的反射波信号的不同形状、频率再加上时间特性等参数，解译出地下介质深度、结构和性质。采用SIR-30E型多通道探地雷达对半刚性基层地聚物注浆加固前后进行扫描，计算得到各单元间隔介电常数值，并计算20m单元基层介电常数平均值，由图4可以看出，试验路注浆后对应区位半刚性基层介电常数较注浆前有一定程度的增长，说明注浆后路面基层结构整体性相对提高，路面基层结构孔隙率下降，密实度提升。但检测数据仍然有一定的离散性，主要原因分析为注浆前后基层含水率相对变化以及检测位置不能完全还原注浆前位置，致使探地雷达检测方式目前仍存在一定的误诊率。

图4 地聚物注浆加固基层区位介电常数变化

4 结论

(1)基于公路全寿命周期理念，在半刚性基层有效疲劳后期(即使用阶段后期)甚至前期，采用非开挖式的浅层注浆加固补强技术，从半刚性基层的病害根源出发，来直接治理基层病害，改善基层现有的工作状况，能够实现快速修复及预防性养护的效果。

(2)地聚合物材料具有凝固时间可调整空间大、可设计性强的优点，同时具有较好的体积稳定性和水稳定性及凝固过程受环境影响小等特点，适用于季冻区半刚性基层病害处治及补强。

(3)路面弯沉、探地雷达两种检测手段均能应用于基层注浆补强效果评价，但同时又都有一定的局限性，注浆补强前后检测评价应采用不同检测手段相结合的方式，先采用路面弯沉值法对被检测路段进行初测，后针对典型路段采用探地雷达法进行复合检测评价，并对比注浆前后的路面弯沉、雷达数据及图谱，综合对注浆补强效果进行效果评价。