早強型地聚物注漿加固技術在公路病害治理中的應用探討

韋聯飛

【摘要：】文章針對城市主干道公路病害治理問題，提出采用早強型地聚物注漿加固方法對病害路段進行結構補強，并通過室內試驗和現場應用，確定了地聚物的最佳配合比和最佳注漿工藝參數。經注漿加固補強后，該病害路段的承載力得到明顯提升。

【關鍵詞：】公路病害治理;早強型地聚物;注漿加固;配合比;工藝參數

U418.6A240733

0 引言

城市道路交通量大，道路負荷重，容易造成骨料粘結力喪失從而導致道路產生脫空、塌陷、裂縫等一系列病害，使承載力大大降低。隨著城鎮化進程的不斷加速，很多城市道路均需要進行養護和修補，據不完全統計，我國的公路養護里程超過了500萬km，因此，研究公路養護和病害治理技術，對于城市建設和發展具有重要意義[1-4]。

傳統的銑刨加鋪補強工藝雖然技術成熟，能夠治理各種公路病害，但是施工周期長、施工成本高，而且施工期間對道路通行影響較大[5]。為此，一些專家學者提出了采用注漿加固法對病害道路進行養護和修補。注漿加固作為一種“非開挖”補強技術，環境污染小，對路面原有結構的損傷小。然而，常規注漿材料在路面修補過程中存在早期強度低、收縮量大等缺點，對于交通量繁重的城市道路修補而言實用性不高[6-10]。為了盡可能減小注漿施工對交通的影響，有必要采用早強型注漿材料以達到盡早開放交通的目的。

本文設計配制了早強型地聚物注漿材料，將其應用到城市道路的病害治理中，為城市道路的修補加固提供新的思路和方法。

1 路面病害調查情況

某市政公路改擴建工程屬于城市主干道，位于交通較為繁重的城市路段，工程竣工時間為2001年，設計通行時速為40 km/h，道路整幅寬度為27.5 m。營運20年至今，其機動車道路面總體狀況較差，平均彎沉值達到了37.2 mm，部分路段出現層間脫空現象，同時還存在不同程度的橫向裂縫、沉陷裂縫、網裂、坑槽等破壞特征。

2 路面處置施工方案設計

針對已經出現明顯裂縫、沉陷、脫空、坑槽等路面病害，且彎沉值不合格的路段，擬采取如下處置措施：先銑刨掉12 cm厚的原瀝青路面，再對原路面結構的石灰土底基層（22 cm）和二灰穩定碎石基層（20 cm）進行補強注漿，待基層滿足工程要求后，再對裂縫進行灌縫處理，同時在基層上鋪設高性能聚酯布，由下向上依次施工瀝青透層、瀝青封層、8 cm厚的AC-20C瀝青混凝土以及4 cm厚的AC-13C瀝青混合料。針對未出現明顯病害但是彎沉值不合格的路段，除了不進行灌縫處理，以及不鋪設高性能聚酯布之外，其余的工程措施與病害路段基本一致。路面處置施工方案如圖1所示。

3 注漿材料制備

3.1 注漿原材料

由于整改路段位于市區，交通壓力繁重，為減少施工對交通造成的影響，應首選凝結硬化快、早期強度高的注漿材料，因此，設計了早強型地聚合物注漿材料對病害路段進行注漿加固。早強型地聚物注漿材料主要由礦渣、粉煤灰、偏高嶺土以及堿激發劑按照一定比例配置而成。其中礦渣的主要化學成分為CaO、SiO2和Al2O 占比分別為42.4%、28.72%和11.4%，顆粒直徑為8～32 μm;粉煤灰的主要成分為SiO2和Al2O 占比分別為48.5%和28%，顆粒直徑<10 μm;偏高嶺土的主要化學成分也為SiO2和Al2O 占比分別為54.1%和41.1%;堿激發劑為水玻璃，Na2O與SiO2的摩爾比為3. 固含量值為34%。

3.2 注漿材料配制

在注漿材料攪拌之前，需要先將礦渣、粉煤灰和偏高嶺土研磨成地聚物粉體，然后利用NaOH、Na2SiO3和蒸餾水配制堿激發劑，將地聚物粉體和堿激發劑通過慢攪和快攪最終配制成地聚物。地聚物制備流程如圖2所示。通過室內試驗，確定最佳的注漿材料配合比為礦渣∶粉煤灰∶偏高嶺土=3∶5∶2，水灰比=0.32，堿激發劑的模數=1.6，堿激發劑摻量為8%。注漿材料攪拌時間為3 min。

3.3 注漿材料性能

按照上述配合比和流程配制注漿材料后，進行室內試驗，對凝結時間、流動度、泌水率、膨脹率、抗壓強度等參數進行測試，結果如表1所示。從表1中可以看到：本工程配制的早強型地聚物注漿材料凝結時間早，早期強度大，流動性、泌水率、膨脹率等參數均滿足規范設計要求，因此，該注漿材料可用于該工程病害路段的注漿加固施工。

4 注漿施工工藝

4.1 施工流程

本工程設計的注漿加固是對基層和路基的雙層加固，且由于使用的地聚物具有快凝早強的特點，注漿施工流程與傳統注漿流程存在一些差異。為了提升整體施工效率和施工質量，對早強型地聚物注漿加固施工流程進行了優化，優化之后的注漿施工流程可簡化為：施工準備→布孔→鉆孔→清孔→制漿→注漿→拔管→封孔→養生→檢測→驗收。具體如圖3所示。

4.2 注漿參數

在施工現場進行了注漿工藝參數試驗。試驗共包括9個注漿斷面，通過鉆孔取芯確定最佳的注漿加固施工參數。試驗結果如表2所示。從表2中可知：當注漿壓力為0.4 MPa時，三個試驗斷面的加固效果（2差+1良）均不是很好，當注漿壓力為0.6 MPa時，注漿效果（2優+1良）有較大提升，當注漿壓力為0.8 MPa時，注漿效果（1差+1良+1優）沒有明顯提升。因為在低注漿壓力下，地聚物無法充分擴散到路基深處的裂縫和脫空位置;而當注漿壓力較高時，可能對原有結構產生逆向損傷破壞。因此，本工程選擇注漿壓力適中的0.6 MPa。相同注漿壓力下，隨著注漿量的增加，注漿效果有明顯提升，但是在0.6 MPa注漿壓力下，注漿量從120 kg/m2增加

至170 kg/m2的效果并不是很明顯，因此，本工程選擇120 kg/m2作為注漿量，以達到注漿加固和節約工程造價的目的。通過現場注漿加固試驗確定本工程的注漿工藝參數如下：注漿壓力為0.6 MPa，孔距為150 cm，注漿量為120 kg/m2，注漿深度為0.8～1.2 m。

4.3 關鍵技術

鉆孔和注漿是整個注漿加固施工流程中最為重要的步驟，必須對這些關鍵施工技術進行重點把控。

（1）鉆孔施工：路面基層宜采用沖擊鉆，基層以下宜采用液壓鉆或者振動鉆;所有鉆孔的位置與設計位置的偏差應≤0.2 m，鉆孔的傾斜率必須控制在1.5%以內;鉆孔需要分序布置、交錯施工，后續鉆孔應在前序鉆孔注漿材料強度達到5 MPa之后才可以繼續施工。

（2）地聚物拌和：礦渣、粉煤灰、偏高嶺土、NaOH、Na2SiO3等采用重量稱量法進行材料計量，每種材料用量偏差≤3%，水采用體積法稱量，偏差≤1.5%;漿液拌和好后，需要在30 min內使用，且注漿施工期間，環境溫度應控制在5 ℃～40 ℃。

（3）注漿施工：當注漿壓力達到注漿設計壓力時或者注漿量達到3倍注漿設計量時，應停止注漿;當出現串孔或者橫縫冒漿時，應停止注漿10～20 s，再繼續注漿;當整治路段表面出現隆起且達到5 mm以上時，需要立即停止注漿。

（4）養護施工：對道路進行注漿加固施工后，應采取封閉養護措施，養護時間≥1 d。

4.4 注漿加固效果

為了評估本次注漿加固施工效果，采用動態彎沉儀對病害注漿加固路段進行彎沉值檢測，結果如圖4所示。從圖4中可以看到：在注漿加固前，病害路段彎沉值普遍較大，其中彎沉值達到35 mm以上的點位占比達到了68%，平均彎沉值為37.2 mm;當采用早強型地聚物進行注漿加固（1 d）后，彎沉值超過35 mm的點位占比由68.4%下降至10.5%，平均彎沉值為28.4 mm;當采用早強型地聚物進行注漿加固（7 d）后，彎沉值超過35 mm的點位占比為5.3%，平均彎沉值為25.3 mm。通過彎沉值檢測結果可以看出：經注漿加固之后，病害路段的承載力

顯著提升，注漿完成1 d后，彎沉值平均降幅就達到了23.7%，表明本工程配制的早強型地聚物注漿材料能夠在短時間內達到病害路段的加固強化效果。注漿施工1 d后，病害路段表面沒有出現明顯的裂縫，也沒有地聚物漿液從路面冒出。利用探坑觀測法發現在脫空區域和底基層均滲透進了大量地聚物注漿材料，并與周圍松散巖體呈固態聯結狀態，表明本次注漿加固施工起到了很好的結構補強作用。

5 經濟及社會效益

早強型地聚物注漿加固施工技術不僅能起到較好的結構補強作用，而且在經濟和社會效益上表現出相對于傳統公路病害路段整治方法所不具備的優勢，具體表現為：

（1）在經濟效益方面：采用傳統的銑刨加鋪方案時，基層銑刨費用為24元/m2，基層加鋪費用為176元/m2，中面層（8 cm AC-20C）銑刨加鋪費用為120元/m2，上面層（4 cm AC-13C）銑刨加鋪費用為65元/m2，總費用為385元/m2。采用新型地聚物注漿加固方案時，注漿費用為188元/m2，再加上中面層和上面層的銑刨加鋪費用，總費用為373元/m2，相比傳統施工方案節約工程造價約12元/m2。此外，采用早強型地聚物注漿加固技術，設備更加簡單，能夠靈活進出場，加固之后的早期強度更高，能更早地開放交通，避免交通堵塞所帶來的經濟損失。

（2）在社會效益方面：早強型地聚物注漿加固技術施工周期短，對交通干擾更小，大大節約了養護成本，而且極大地解決了工業廢料的問題。同時，注漿加固技術實行不開挖施工，避免了路面揚塵和最大程度減小噪聲，對于社會生態環境有利。

6 結語

（1）為減少施工對交通造成的影響，決定采用早強型地聚物注漿加固方法對依托工程的病害路段進行加固治理，并通過試驗確定了地聚物的最佳配比為礦渣∶粉煤灰∶偏高嶺土=3∶5∶2，水灰比=0.32，堿激發劑的模數=1.6，堿激發劑摻量為8%，注漿材料攪拌時間為3 min。

（2）對早強型地聚物的注漿加固流程進行了詳細分析，并通過試驗路段確定了最佳的注漿工藝參數：注漿壓力為0.6 MPa，孔距為150 cm，注漿量為120 kg/m2，注漿深度為0.8～1.2 m。

（3）采用早強型地聚物進行注漿加固1 d后，彎沉值降幅達到23.7%，注漿加固7 d后，彎沉值降低32%，起到了很好的結構補強作用，同時還兼具良好的社會經濟效益，相關施工經驗可為類似工程提供借鑒。

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