改性地聚物注漿在DZX-03標(biāo)中的應(yīng)用

張 楊 陳 濤 韓 超 黃九達(dá)

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國(guó)家工程研究中心，江蘇 南京 211112）

0 引言

半剛性基層作為瀝青路面的典型結(jié)構(gòu)層，車輛荷載作用和自身的收縮特性使得路面橫向裂縫頻發(fā)，路面防水性降低，基層與土基之間的沖刷嚴(yán)重，影響道路的使用壽命［1］。非開挖注漿工藝作為瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的重要技術(shù)，具有交通影響小、環(huán)境友好、節(jié)約資源等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在瀝青路面養(yǎng)護(hù)工程中得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)非開挖注漿工藝，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。地聚物注漿最早由法國(guó)科學(xué)家Joseph Davidovits 于1985 年提出并應(yīng)用［2］。林占鋒［3］采用DJZ型地聚物注漿材料有效改善了舊水泥混凝土板的脫空，并調(diào)研了水泥基材料、高聚物、地聚物等注漿材料在非開挖注漿加固補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用，提出了道路注漿材料在非開加固補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)用中亟須研究的方向［4-5］。楊振海等［6］針對(duì)高速公路出現(xiàn)的裂縫類病害采用非開挖注漿工藝進(jìn)行處治，通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)和鉆芯驗(yàn)證了注漿的填充效果。田坤等［7］采用MIP、XRD、SEM 研究了堿激發(fā)工業(yè)廢渣雙液注漿材料的水化機(jī)理和水化產(chǎn)物，研究表明，水泥—水玻璃雙液注漿材料的水化產(chǎn)物主要為CH、C—S—H 凝膠。為此，本研究基于改性地聚物注漿材料和工藝研究，依托S356江北沿江公路路面改造DZX-03標(biāo)進(jìn)行改性地聚物注漿施工，并采用彎沉、雷達(dá)以及取芯室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 改性地聚物注漿原理和特點(diǎn)

利用一體化注漿平臺(tái)，如圖1 所示，以合適的壓力將改性地聚合物漿液經(jīng)過(guò)鉆孔通過(guò)擠密、滲透、擴(kuò)散及劈裂作用壓入基層和路基中，排出其中的水和空氣，填充并黏結(jié)基層的脫空、松散部位，擠密路基土，同時(shí)通過(guò)堿性激發(fā)劑激活基層或路基中的惰性SiO2和Al2O3，與礦物活性成分發(fā)生聚合反應(yīng)生成均勻致密黏結(jié)性好的結(jié)石體，并形成改性地聚合物漿脈框架。改性地聚物注漿可有效解決基層松散、脫空和路基沉降，降低路基彎沉，修復(fù)和提升基層的回彈模量，進(jìn)而改善道路整體剛度和水穩(wěn)定性，提升路面結(jié)構(gòu)的綜合承載能力和抗變形能力。改性地聚物注漿的特點(diǎn)主要有以下4個(gè)。

圖1 改性地聚合物注漿技術(shù)

①高流動(dòng)性。在注漿設(shè)備作用下，漿液可以滲透、填充到路面結(jié)構(gòu)中，填充結(jié)構(gòu)孔隙，提高路面結(jié)構(gòu)的整體性。

②堿激發(fā)反應(yīng)。地聚物材料和路面結(jié)構(gòu)中惰性材料在堿性環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鹽或者水化鋁酸鹽，使得路面結(jié)構(gòu)形成均勻致密的整體。

③力學(xué)性能優(yōu)異。地聚物注漿材料發(fā)生水化反應(yīng)后抗壓強(qiáng)度高，耐久性好。

④環(huán)保節(jié)能。充分利用原有道路面層與基層材料，綠色施工，環(huán)保節(jié)能。

2 注漿材料和儀器設(shè)備

2.1 注漿材料

注漿材料選用上海可弘新型建筑材料有限公司生產(chǎn)的地聚物注漿料KH-LG，該地聚物材料的配比為水泥∶粉煤灰∶粒化高爐礦渣=35∶35∶30。注漿材料的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 地聚物注漿料KH-LG主要性能指標(biāo)

2.2 儀器設(shè)備

儀器設(shè)備主要有落錘式彎沉檢測(cè)車1 輛，二維探地 雷達(dá)1 臺(tái)，SEM-EDS 能 譜 儀1 臺(tái)，液 壓鉆 機(jī)2 臺(tái)，雙液注漿機(jī)1臺(tái)，隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)2臺(tái)，注漿泵2 臺(tái)，卡車2 輛，灑水車1 臺(tái)，鼓風(fēng)機(jī)1 臺(tái)，電鎬2把，鐵鍬若干，卷尺2把。

3 DZX-03標(biāo)改性地聚物注漿具體施工事項(xiàng)

DZX-03 標(biāo)原路面出現(xiàn)深車轍、橫向裂縫等病害，車載FWD 落錘彎沉儀檢測(cè)其彎沉值較大，雷達(dá)檢測(cè)路面結(jié)構(gòu)層存在脫空的問(wèn)題，為保證盡量縮短工期以及施工的便捷性，改性地聚物注漿技術(shù)在DZX-03標(biāo)大中修工程中得到應(yīng)用。

3.1 改性地聚物注漿材料施工參數(shù)

施工時(shí)，水灰比控制在0.37；注漿順序由外向內(nèi)，隔孔跳注；注漿壓力為0.7 MPa；攪拌時(shí)間為8 min。

3.2 注漿布孔設(shè)置

注漿孔以梅花形布置，孔徑為50 mm，鉆孔深度為1 m，孔排距為1.5 m，孔間距為1.8 m。

3.3 鉆孔施工

施工采用液壓鉆機(jī)鉆孔，孔深、孔徑一次性到位，成孔時(shí)同步清孔，及時(shí)做好鉆渣回收工作，鉆孔設(shè)備上配備除塵裝置，以防止粉塵污染。

3.4 注漿施工

3.4.1 設(shè)備進(jìn)場(chǎng)。注漿前對(duì)注漿設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確定注漿參數(shù)。

3.4.2 現(xiàn)場(chǎng)注漿。注漿順序?yàn)橛赏庀騼?nèi)，并分序進(jìn)行，隔孔跳注。注漿施工應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。停止注漿控制情況有以下4 種。第一，注漿工作壓力達(dá)到注漿設(shè)計(jì)壓力的上限時(shí)，停止注漿靜壓3～5 min；若壓力下降則繼續(xù)注漿，直至鄰孔冒漿為止。第二，在工作壓力下單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的3倍以上時(shí)，停止注漿。第三，當(dāng)鄰孔、道路表面縱橫縫發(fā)生串漿或冒漿、冒積水時(shí)，繼續(xù)注漿10～20 s后停止注漿。第四，道路表面單次抬升量超過(guò)5 mm 或累計(jì)抬升量超過(guò)15 mm時(shí)停止注漿。注漿量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定，在注漿壓力為0.5～1.0 MPa 時(shí)一般正常用量為25～40 kg，施工中發(fā)現(xiàn)在連續(xù)注漿過(guò)程中，開始注漿不動(dòng)的情況，后瞬時(shí)壓力上升，又瞬時(shí)壓力降為0，此時(shí)注漿量無(wú)法控制，總結(jié)后調(diào)整注漿方案，進(jìn)行洞底二次封堵，再重新注漿，能基本滿足注漿壓力要求；現(xiàn)場(chǎng)以流量表讀數(shù)記錄每孔注漿量。

3.4.3 現(xiàn)場(chǎng)路面高程的監(jiān)測(cè)。注漿過(guò)程中漿液會(huì)致使路面起拱，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)高程控制來(lái)調(diào)節(jié)注漿的壓力和注漿量，進(jìn)而保證原路面的平整度。

3.4.4 現(xiàn)場(chǎng)漿液留樣檢測(cè)。注漿現(xiàn)場(chǎng)須見證取樣，委托第三方檢測(cè)，作為交竣工驗(yàn)收的依據(jù)。

3.4.5 洞口封口和養(yǎng)護(hù)。孔位注漿完成，液位穩(wěn)定后，對(duì)注漿口進(jìn)行臨時(shí)封堵，初凝后及時(shí)采用地聚物凈漿進(jìn)行封口，并對(duì)封口后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

4 改性地聚物注漿效果評(píng)價(jià)

4.1 彎沉檢測(cè)

改性地聚物注漿3 d 后，采用落錘式彎沉儀對(duì)施工斷面進(jìn)行檢測(cè)，注漿前后的彎沉值對(duì)比具體如圖2所示。

由圖2 可知，改性地聚物注漿后的彎沉值降低率平均值為25.7%，滿足彎沉值降低率不小于20%的技術(shù)要求，應(yīng)用效果顯著。

4.2 雷達(dá)檢測(cè)

采用二維探地雷達(dá)對(duì)地聚物注漿前后路面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)圖譜如圖3 所示。注漿前，基層與土基之間存在明顯的脫空，雷達(dá)反射波譜出現(xiàn)明暗相間和凸起的波峰。注漿后，相同的位置，基層與土基之間沒有介質(zhì)，較為密實(shí)，路面整體性更好，基層與土基之間的介電常數(shù)差異較小，驗(yàn)證了地聚物材料填充到脫空層中，漿液對(duì)結(jié)構(gòu)層材料的黏結(jié)效果較好，注漿材料的填充性好。

4.3 取芯及室內(nèi)試驗(yàn)

4.3.1 鉆芯取芯驗(yàn)證。改性地聚物注漿后鉆探取芯驗(yàn)證其注漿效果，現(xiàn)場(chǎng)鉆探如圖4 所示。現(xiàn)場(chǎng)鉆探取芯結(jié)果表明，改性地聚物注漿可有效改善路基的彎沉，漿液對(duì)空隙處進(jìn)行滲透充填，并對(duì)路基空洞裂縫處填充，改善了路面基層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，一定程度上能提高基層和路基的整體強(qiáng)度。

圖4 K84+200處鉆芯取樣

4.3.2 地聚物注漿材料試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)層填充處取芯進(jìn)行SEM-EDS 檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖5至圖7 所示。由圖5 至圖7 可以看出，注漿3 d 后，地聚物材料水化產(chǎn)物主要為片狀Ca（OH）2、柱狀A(yù)Ft 等產(chǎn)物，Ca/Si 為4.5；注漿14 d 后，水化產(chǎn)物C—S—H凝膠增加，AFt減少，SEM圖中未發(fā)現(xiàn)板狀Ca（OH）2，水化產(chǎn)物較為致密，其中Ca/Si 為2.25。分析原因可知，在堿性環(huán)境中，地聚物材料在堿性激發(fā)劑中大量溶解出OH-，形成堿金屬陽(yáng)離子和OH-的膠體溶液，離子鍵力將地聚物中的Si—O、Al—O 等共價(jià)鍵解體，水化產(chǎn)物為致密的C—S—H凝膠，漿體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高［8］。

圖5 注漿后SEM圖

圖6 注漿3 d后能譜圖

圖7 注漿14 d后能譜圖

5 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)改性地聚物注漿材料和注漿工藝的研究，以及對(duì)該工藝在DZX-03 標(biāo)養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出以下3個(gè)結(jié)論。

①基于DZX-03 標(biāo)養(yǎng)護(hù)工程，明確了改性地聚物注漿的相關(guān)施工參數(shù)和施工工藝。

②改性地聚物注漿可降低路面彎沉值的25.7%，雷達(dá)和鉆探檢測(cè)發(fā)現(xiàn)地聚物的填充效果較好。

③改性地聚物材料注漿14 d 后，堿激發(fā)反應(yīng)顯著，Ca/Si 由4.5 降低為2.25，水化產(chǎn)物為致密的C—S—H凝膠，漿體強(qiáng)度較高。