改性地聚物注浆在DZX-03标中的应用

张 杨 陈 涛 韩 超 黄九达

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.新型道路材料国家工程研究中心，江苏 南京 211112）

0 引言

半刚性基层作为沥青路面的典型结构层，车辆荷载作用和自身的收缩特性使得路面横向裂缝频发，路面防水性降低，基层与土基之间的冲刷严重，影响道路的使用寿命［1］。非开挖注浆工艺作为沥青路面养护中的重要技术，具有交通影响小、环境友好、节约资源等优势，近年来在沥青路面养护工程中得到了广泛应用。针对非开挖注浆工艺，国内外学者进行了大量研究。地聚物注浆最早由法国科学家Joseph Davidovits 于1985 年提出并应用［2］。林占锋［3］采用DJZ型地聚物注浆材料有效改善了旧水泥混凝土板的脱空，并调研了水泥基材料、高聚物、地聚物等注浆材料在非开挖注浆加固补强中的应用，提出了道路注浆材料在非开加固补强应用中亟须研究的方向［4-5］。杨振海等［6］针对高速公路出现的裂缝类病害采用非开挖注浆工艺进行处治，通过雷达检测和钻芯验证了注浆的填充效果。田坤等［7］采用MIP、XRD、SEM 研究了碱激发工业废渣双液注浆材料的水化机理和水化产物，研究表明，水泥—水玻璃双液注浆材料的水化产物主要为CH、C—S—H 凝胶。为此，本研究基于改性地聚物注浆材料和工艺研究，依托S356江北沿江公路路面改造DZX-03标进行改性地聚物注浆施工，并采用弯沉、雷达以及取芯室内试验对注浆效果进行评价。

1 改性地聚物注浆原理和特点

利用一体化注浆平台，如图1 所示，以合适的压力将改性地聚合物浆液经过钻孔通过挤密、渗透、扩散及劈裂作用压入基层和路基中，排出其中的水和空气，填充并黏结基层的脱空、松散部位，挤密路基土，同时通过碱性激发剂激活基层或路基中的惰性SiO2和Al2O3，与矿物活性成分发生聚合反应生成均匀致密黏结性好的结石体，并形成改性地聚合物浆脉框架。改性地聚物注浆可有效解决基层松散、脱空和路基沉降，降低路基弯沉，修复和提升基层的回弹模量，进而改善道路整体刚度和水稳定性，提升路面结构的综合承载能力和抗变形能力。改性地聚物注浆的特点主要有以下4个。

图1 改性地聚合物注浆技术

①高流动性。在注浆设备作用下，浆液可以渗透、填充到路面结构中，填充结构孔隙，提高路面结构的整体性。

②碱激发反应。地聚物材料和路面结构中惰性材料在碱性环境中发生化学反应，生成水化硅酸盐或者水化铝酸盐，使得路面结构形成均匀致密的整体。

③力学性能优异。地聚物注浆材料发生水化反应后抗压强度高，耐久性好。

④环保节能。充分利用原有道路面层与基层材料，绿色施工，环保节能。

2 注浆材料和仪器设备

2.1 注浆材料

注浆材料选用上海可弘新型建筑材料有限公司生产的地聚物注浆料KH-LG，该地聚物材料的配比为水泥∶粉煤灰∶粒化高炉矿渣=35∶35∶30。注浆材料的主要性能指标如表1所示。

表1 地聚物注浆料KH-LG主要性能指标

2.2 仪器设备

仪器设备主要有落锤式弯沉检测车1 辆，二维探地 雷达1 台，SEM-EDS 能 谱 仪1 台，液 压钻 机2 台，双液注浆机1台，隔爆型三相异步电动机2台，注浆泵2 台，卡车2 辆，洒水车1 台，鼓风机1 台，电镐2把，铁锹若干，卷尺2把。

3 DZX-03标改性地聚物注浆具体施工事项

DZX-03 标原路面出现深车辙、横向裂缝等病害，车载FWD 落锤弯沉仪检测其弯沉值较大，雷达检测路面结构层存在脱空的问题，为保证尽量缩短工期以及施工的便捷性，改性地聚物注浆技术在DZX-03标大中修工程中得到应用。

3.1 改性地聚物注浆材料施工参数

施工时，水灰比控制在0.37；注浆顺序由外向内，隔孔跳注；注浆压力为0.7 MPa；搅拌时间为8 min。

3.2 注浆布孔设置

注浆孔以梅花形布置，孔径为50 mm，钻孔深度为1 m，孔排距为1.5 m，孔间距为1.8 m。

3.3 钻孔施工

施工采用液压钻机钻孔，孔深、孔径一次性到位，成孔时同步清孔，及时做好钻渣回收工作，钻孔设备上配备除尘装置，以防止粉尘污染。

3.4 注浆施工

3.4.1 设备进场。注浆前对注浆设备进行调试，确定注浆参数。

3.4.2 现场注浆。注浆顺序为由外向内，并分序进行，隔孔跳注。注浆施工应连续进行。停止注浆控制情况有以下4 种。第一，注浆工作压力达到注浆设计压力的上限时，停止注浆静压3～5 min；若压力下降则继续注浆，直至邻孔冒浆为止。第二，在工作压力下单孔注浆量达到设计注浆量的3倍以上时，停止注浆。第三，当邻孔、道路表面纵横缝发生串浆或冒浆、冒积水时，继续注浆10～20 s后停止注浆。第四，道路表面单次抬升量超过5 mm 或累计抬升量超过15 mm时停止注浆。注浆量根据现场实际确定，在注浆压力为0.5～1.0 MPa 时一般正常用量为25～40 kg，施工中发现在连续注浆过程中，开始注浆不动的情况，后瞬时压力上升，又瞬时压力降为0，此时注浆量无法控制，总结后调整注浆方案，进行洞底二次封堵，再重新注浆，能基本满足注浆压力要求；现场以流量表读数记录每孔注浆量。

3.4.3 现场路面高程的监测。注浆过程中浆液会致使路面起拱，现场通过高程控制来调节注浆的压力和注浆量，进而保证原路面的平整度。

3.4.4 现场浆液留样检测。注浆现场须见证取样，委托第三方检测，作为交竣工验收的依据。

3.4.5 洞口封口和养护。孔位注浆完成，液位稳定后，对注浆口进行临时封堵，初凝后及时采用地聚物净浆进行封口，并对封口后现场进行养护。

4 改性地聚物注浆效果评价

4.1 弯沉检测

改性地聚物注浆3 d 后，采用落锤式弯沉仪对施工断面进行检测，注浆前后的弯沉值对比具体如图2所示。

由图2 可知，改性地聚物注浆后的弯沉值降低率平均值为25.7%，满足弯沉值降低率不小于20%的技术要求，应用效果显著。

4.2 雷达检测

采用二维探地雷达对地聚物注浆前后路面进行检测，检测图谱如图3 所示。注浆前，基层与土基之间存在明显的脱空，雷达反射波谱出现明暗相间和凸起的波峰。注浆后，相同的位置，基层与土基之间没有介质，较为密实，路面整体性更好，基层与土基之间的介电常数差异较小，验证了地聚物材料填充到脱空层中，浆液对结构层材料的黏结效果较好，注浆材料的填充性好。

4.3 取芯及室内试验

4.3.1 钻芯取芯验证。改性地聚物注浆后钻探取芯验证其注浆效果，现场钻探如图4 所示。现场钻探取芯结果表明，改性地聚物注浆可有效改善路基的弯沉，浆液对空隙处进行渗透充填，并对路基空洞裂缝处填充，改善了路面基层结构的稳定性，一定程度上能提高基层和路基的整体强度。

图4 K84+200处钻芯取样

4.3.2 地聚物注浆材料试验。通过对结构层填充处取芯进行SEM-EDS 检测，检测结果如图5至图7 所示。由图5 至图7 可以看出，注浆3 d 后，地聚物材料水化产物主要为片状Ca（OH）2、柱状AFt 等产物，Ca/Si 为4.5；注浆14 d 后，水化产物C—S—H凝胶增加，AFt减少，SEM图中未发现板状Ca（OH）2，水化产物较为致密，其中Ca/Si 为2.25。分析原因可知，在碱性环境中，地聚物材料在碱性激发剂中大量溶解出OH-，形成碱金属阳离子和OH-的胶体溶液，离子键力将地聚物中的Si—O、Al—O 等共价键解体，水化产物为致密的C—S—H凝胶，浆体的结构强度较高［8］。

图5 注浆后SEM图

图6 注浆3 d后能谱图

图7 注浆14 d后能谱图

5 结论

本研究通过对改性地聚物注浆材料和注浆工艺的研究，以及对该工艺在DZX-03 标养护工程中的应用效果进行评价，得出以下3个结论。

①基于DZX-03 标养护工程，明确了改性地聚物注浆的相关施工参数和施工工艺。

②改性地聚物注浆可降低路面弯沉值的25.7%，雷达和钻探检测发现地聚物的填充效果较好。

③改性地聚物材料注浆14 d 后，碱激发反应显著，Ca/Si 由4.5 降低为2.25，水化产物为致密的C—S—H凝胶，浆体强度较高。