半剛性基層裂縫修補灌漿材料與工藝研究

摘 要：對公路裂縫修補工藝進行研究可發現，現有的技術較少涉及對公路半剛性基層裂縫的灌漿修補。比較各類道路修補用灌漿材料可知，水泥類灌漿材料環保高效，且價廉易得。該文提出一種快硬早強的水泥基灌漿材料，并輔以早強型減水劑和膨脹劑對其膨脹不穩定、收縮開裂等問題進行改善，其各項性能指標檢測均滿足灌漿要求。同時，對公路半剛性基層裂縫灌漿施工工藝和設備進行全面研究，優化鉆孔壓力灌漿技術，制定出最佳施工方案，供公路基層裂縫修補人員選用。

關鍵詞：公路;半剛性基層;裂縫;水泥基灌漿材料;鉆孔壓力灌漿

中圖分類號：U41 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0148-04

Abstract： Research on the road crack repair technology shows that the existing technology rarely involves grouting repair of road semi-rigid base cracks. Comparing various grouting materials for road repair， we can see that cement grouting materials are environmentally friendly and efficient， and are cheap and easily available. In this paper， a cement-based grouting material with rapid hardening and early strength is proposed， which is supplemented by early strength water reducing agent and expansion agent to improve its expansion instability， shrinkage cracking and other problems. All performance indicators of the material meet the grouting requirements. At the same time， a comprehensive study was carried out on the construction technology and equipment of highway semi-rigid base crack grouting， optimized drilling pressure grouting technology， and formulated the best construction plan for highway base crack repair personnel.

Keywords： highway; semi-rigid base; crack; cement-based grouting material; borehole pressure grouting

公路工程作為交通運輸工程中的基礎設施，在經濟社會和民生事業中發揮著重要的作用。然而，隨著公路交通流量的增加、汽車荷載的增大及使用年限的增加，公路病害日益顯現。在公路的諸多病害中，裂縫是最常見的一種，包括面層開裂和基層隱含裂縫。公路基層裂縫的出現與擴展，會引發路面反射裂縫，造成基層與面層的功能減弱。因此，公路基層隱含裂縫修補技術的研究，對提高公路行車舒適度、延長公路的使用壽命都具有極其重要的意義。

1 半剛性基層隱含裂縫形成機理

基層是路面結構的持力層，采用無機結合料穩定土鋪筑的半剛性基層具有強度高、承載力強、整體性好和剛性大的優點。但半剛性基層對應變很敏感，在施工或運行時容易產生裂縫，這類裂縫通常成直線，裂縫寬度約4 mm，縫長和間距不等，一般在基層頂面沿橫向開裂[1]。有的基層裂縫在養生期間就開始出現，有的裂縫是通車后因承受荷載過重而產生。基層裂縫的產生會降低基層的強度，并且會自下而上擴展，反射到面層，使路面相應出現有規則的橫向裂縫。此外，裂縫內會滲透進雨水而導致自由水充滿面層和基層縫隙中，車輛荷載反復作用下面層會被剝離，使路面松散、碎裂，同時基層的細集料形成泥漿被擠出路面，造成路面產生早期破損，影響整個路面的運行。

根據半剛性基層裂縫形成的主要原因，可將其分為3類：第一類是路基不均勻沉降產生裂縫;第二類是環境作用的結果，包括干縮和溫縮裂縫2種;第三類是荷載作用下產生裂縫。各類裂縫的產生機理如下所述。

路基不均勻沉降裂縫。通常路基施工完成后，應及時進行沉降觀測，沉降速率連續2個月小于5 mm/月時方可進行路面的施工。然而，有些公路由于工期緊張，路基工程結束后馬上進行路面工程的大規模施工，后續由于路基出現不均勻沉降，容易導致基層產生裂縫。

干縮裂縫。干縮主要是水分從無機結合料穩定土基層蒸發，隨著空隙和毛細管孔中的水不斷散失，在毛細管張力作用下使得管孔徑變細，引起收縮。如果施工期間天氣多變，無機結合料穩定土基層經多次風吹日曬雨淋，反復經受潮濕、干燥過程后，會使基層出現比較嚴重的拉裂現象。

溫縮裂縫。因熱脹冷縮的作用破壞固相顆粒間的結構而產生的裂縫統稱為溫縮裂縫。半剛性基層內部的不同礦物顆粒組成的固相、液相和氣相體，均具有熱脹冷縮性質，隨著氣溫的降低，穩定土的收縮變形受到約束，從而引起溫縮性裂縫[2]。

荷載裂縫。公路路基在高強度荷載重復作用下，容易使土基產生再壓實的剪切變形，這時需要路面底基層、基層來消耗荷載的剪切力。無機結合料穩定土抗折強度較低，在基層受到剪切力時容易發生變形從而引起開裂。因此，裂縫的發展主要是車輛荷載反復作用的結果，裂縫隨基層材料應力增大而不斷擴展。

2 半剛性基層裂縫水泥基灌漿材料研究

2.1 現有公路灌漿修補材料分析對比

對于已通車公路半剛性基層中的裂縫，應及早修補及治理。選用合適的灌漿材料對基層裂縫進行灌漿加固，可大大提高路面的承載能力和使用耐久性，有望從根本上解決路面的裂縫病害。

道路維修灌漿材料大體可分為3大類：有機灌漿材料、無機灌漿材料及復合灌漿材料。有機化學漿材主要有環氧樹脂類、聚氨酯類、丙烯酰胺類等，其黏度低、可注性好、滲透力強，但是有機材料通常有毒，并且強度相對較低、價格貴、耐久性差。無機灌漿材料包括水泥凈漿、水泥砂漿類等，雖然凝結強度高，但粒徑大，可注性差。超細水泥灌漿材料的出現，使無機漿材的可灌性得到了改良。為使有機、無機材料優勢互補，復合灌漿材料也取得了較大的發展，如水泥-水玻璃類、聚合物改性水泥類等。此類灌漿材料配合難度大，與單純的有機漿液相比，可灌性不佳。

綜合比較以上3類灌漿材料的優缺點可知，無機水泥類灌漿材料高效環保且實際工程應用方便。用于修補半剛性基層裂縫的水泥基灌漿材料應當具有較高的抗壓與抗折強度，尤其早期強度高，能盡早恢復公路正常通車;凝結硬化過程中體積應適當膨脹，能將裂縫填滿;應具有良好的流動性和可灌性，并能與無機結合料穩定土基層之間黏結性良好。

2.2 單液水泥基灌漿材料設計

水泥的品種有很多，通用硅酸鹽系列的水泥作為灌漿材料而言，凝結時間過長，早期強度不高，無法完全滿足裂縫修補的灌漿要求。鋁酸鹽、硫鋁酸鹽水泥屬于特性水泥，在緊急搶修工程中應用較多，其特點是凝結時間快、早期強度高，但對灌漿工程而言，其流動性不足，而且后期強度增長不明顯。膨脹水泥在凝結硬化過程中不僅不會產生體積收縮，反而會有一定程度的體積膨脹，可以應用于道路工程的修補或堵漏等。

在外加劑材料方面，減水劑可用于改善灌漿材料的流動性，早強劑可用于提高漿材的早期強度，而早強減水劑同時具有兩者的特點。膨脹劑可使水泥基灌漿材料在水化、硬化過程中產生一定膨脹，減少結石體干縮裂縫，提高抗裂性和抗滲性能。

本文將硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥進行組合設計，并加入早強減水劑與膨脹劑，以使其同時具有較高的早期與后期強度，良好的流動性和可膨脹性，滿足灌漿材料要求。根據試驗指標及經驗確定的初始配合比范圍為水泥∶水∶外加劑=1∶0.25～0.59∶0.01～0.015，水泥基灌漿材料中各成分的摻量通過試驗來確定。應考慮實際施工不同的要求及現場情況，對復配后的灌漿材料分別進行凝結時間測定、流動度測定、抗折與抗壓強度測定、干縮性試驗、膨脹性能試驗，以及與半剛性基層材料的黏結強度試驗[3]。其相關性能指標檢測應滿足現行規范要求（表1）。

3 半剛性基層裂縫灌漿施工工藝

公路在施工和投入使用后，要定期對路面結構進行檢測，發現基層開裂要及時采取措施，防止其繼續擴展或反射到面層。公路的養護工作可分為預防性養護和治理性養護。針對公路出現的早期破壞或病害發展趨勢進行的養護維修工作是預防性養護，可以減緩病害發展速度，從而延長公路使用壽命;治理性養護是對已經產生的局部病害及時進行維修處治。本文中的半剛性基層裂縫修補灌漿工藝屬于治理性養護。

3.1 現有公路裂縫修補技術研究

目前，公路工程中大多數灌漿修補工藝僅針對路面面層裂縫，包括瀝青混凝土面層、水泥混凝土面層和復合式路面面層，而用于修補基層裂縫的方法并不多[4]。現有的公路路面裂縫修補技術主要有以下4種。

普通或改性瀝青灌縫技術。對路面裂縫進行封填是一種傳統的路面裂縫修補方法，常采用的材料有乳化瀝青、改性瀝青等。該法適用于封堵寬度小于5 mm的輕微縱向裂縫，即對裂縫產生的早、中期成效較大。但此類修補材料的耐久性、抗老化性、耐熱性等不足，修補后的裂縫容易再次開裂，無法滿足基層裂縫灌漿施工要求。

開槽灌縫修補技術。該技術適用于基層裂縫已反射到面層的情況。首先采用路面開槽機對裂縫處進行開槽，開槽寬度一般以將裂縫兩側的松動部分全部除去為準，開槽深度不小于1 cm，然后加熱、清理裂縫及周圍，再將灌縫材料灌入縫中，最后修復路面并貼封，路表貼封寬度不小于5 cm，厚度不小于1～2 mm。此法針對的是裂縫擴展較嚴重的情況，其灌漿效果良好，且比較環保。

密封膠封縫技術。當公路基層出現裂縫時，為防止病害的進一步擴展可采用密封膠封縫技術。在灌縫之前用切縫機對裂縫進行切縫處理，裂縫寬度超過3 mm處均應進行切縫。為了降低密封膠的黏度，提高可注性，需要把密封膠加熱到180 ℃以上，灌進裂縫后，密封膠滲透到裂縫兩側的混合料中并將其黏結到一起。因為密封膠在常溫和低溫下均有較高的彈性，能適應裂縫的脹縮變形，因此可保持其密封作用。

壓力注漿技術。壓力注漿是在灌漿過程中，采用灌漿增壓設備，把能固化的漿液注入裂縫或孔隙中，實現對裂縫進行修補或處治的技術措施。注漿技術應用非常廣泛，可用于加固軟弱地基、提高巖土地基承載力、填充混凝土板底脫空、防止邊坡滑塌、防止路基滑坡、糾正結構物偏斜、填充天然地基穴洞，以及混凝土砌體縫隙等[5]。

在公路工程中，壓力注漿技術可用于路面深度灌縫及水泥混凝土路面板底脫空處治等。本文采用壓力注漿法來解決水泥基灌漿材料灌注半剛性基層隱含裂縫這一問題。

3.2 鉆孔壓力注漿施工方法

半剛性基層瀝青路面是我國當前主要的公路結構形式。瀝青面層總厚度通常為18～20 cm，一般的注漿工藝無法達到透過面層對基層裂縫灌漿的深度，因此，本文在現有道路注漿技術的基礎上，提出一種針對基層裂縫的鉆孔壓力注漿方法。

鉆孔壓力注漿所用的最基本的設備包括鉆孔機、漿體攪拌機、壓漿泵。鉆孔壓力施工工藝流程主要包括裂縫定位及清理、鉆芯布孔、埋設孔口管、壓力注漿、封孔及養生等作業[6]，如圖1所示。

3.2.1 灌漿時機選擇

裂縫修補時機與裂縫修補的效果有很大關系，選擇合適的灌漿時機非常重要。裂縫的灌注受天氣的影響較大。比如，陜西地區的氣候特點是夏季多雨、冬季寒冷，裂縫修補宜選擇春季（3、4月份）或秋季（10、11月份）。根據每年氣候的變化情況，修補時機也應隨之做適當調整。灌漿施工時應選在連續晴朗、日照充足的天氣狀況下進行，以避免降水對灌縫施工及養生不利。

3.2.2 灌漿施工工藝

本文在現有的壓漿裂縫修補技術上優化改進，以灌注半剛性基層隱含裂縫為目的，擬出鉆孔壓力注漿技術的施工要點，供后續研究及實際工程參考選用。鉆孔壓力注漿施工工藝流程具體如下。

1）裂縫定位及清理。首先應對公路半剛性基層裂縫進行定位，可使用短脈沖地質雷達等無損檢測技術對道路進行檢測。定位后需用毛刷或紗布將路面裂縫周圍清掃干凈，并用壓縮空氣將灰塵吹干凈。

2）鉆孔布設。定孔位：孔位需沿裂縫開裂方向布置，注漿孔設在縫寬最大處附近，每個注漿孔兩側設2個觀察孔，并根據縫長及實際開裂狀況選擇合適的鉆孔間距，如圖2所示。

鉆孔：施工人員用取芯機在定位處鉆孔，孔徑大小取決于鉆頭的直徑大小，一般為60～110 mm，垂直偏差應小于1%;孔深應穿透基層到達下基層底部（即土路基上層）。鉆孔時通常采用沖擊旋轉，將孔內的碎屑砂礫擠壓到孔的周圍壁上，達到鉆孔深度要求后，先用布或其他材料封堵孔口，防止雜物落入孔內。

鉆孔處理：鉆孔完成后需將孔中的碎屑顆粒和泥沙清理干凈，孔洞中有積水時需要清除積水。孔洞處理完成后，采用自然風干方式或用高壓液化氣罐等加熱設備將距路表10 cm范圍內的孔內壁烘干。

埋設注漿管：為了方便對鉆孔進行灌漿，需在鉆孔處埋入預制的金屬孔口管（也稱作灌漿嘴），并使其略低于路表，孔口管需配有大小合適的圓木塞。然后用樹脂將孔口管和鉆孔壁之間的孔隙填滿。

3）壓力注漿。水泥基灌漿材料拌合：根據設計配合比在攪拌器中加水攪拌已充分混合的水泥基灌漿材料，在注漿過程中還應不停地緩緩攪拌以防止沉淀。攪拌時間宜控制在15 min以內，最長不應超過漿液初凝時間（30 min），漿體在泵送之前應經過篩網過濾。

壓力控制：用壓漿泵將攪拌好的水泥基灌漿材料灌入注漿孔中，灌漿初始壓力為0.6 MPa，但在灌漿過程中，為達到最大灌縫深度，還應根據實際狀況調整，壓力控制在0.5～1.5 MPa，直到相鄰的觀察孔溢出漿液。注意灌漿時間和壓力以防止灌縫期間裂縫進一步開裂或面板抬升拱起、翹曲等現象發生。

封孔：灌漿完成后及_{ibJo2Aos41yF1cJNf3O0mw==}時用圓木塞塞住孔口，以防止灌漿壓力完全消散以及漿液逆流。所有的封孔塞至少應保持8～10 min后才能被移動。

若灌漿過程中有水泥漿液溢出，應在其終凝之前及時清掃，防止污染路面。

4）養生。在水泥基灌漿材料硬化形成強度之前，不允許車輛碾壓灌縫處。待漿體完全達到終凝（注漿后不少于1 h）后再拔出木塞并用混凝土芯樣嚴密封孔。封孔施工完畢后才可完全開放交通。

3.2.3 灌漿質量檢測方法

半剛性基層裂縫灌漿完成后，應定期對裂縫的灌漿效果進行檢測。可利用抽樣調查法進行檢測，具體方法有以下2種。

方法一：隨機選擇灌縫處鉆芯取樣，據此檢驗裂縫灌注質量的優劣及壓漿的密實情況。檢驗后再用混凝土芯樣嚴密封孔。

方法二：再次使用短脈沖地質雷達對道路進行無損檢測，并將得到的數據與灌漿之前的檢測結果對比，從而判斷基層密實效果有無改善[7]。

對于灌漿檢測結果不合格的裂縫，應對其進行補灌，直到質量合格為止。此外，該鉆孔壓力注漿技術應在試驗路段進行模擬灌漿、驗證其可操作性之后，再在實際工程中使用及推廣。

4 結束語

為了保證汽車高速、安全、舒適的行駛，公路養護是不可或缺的經常性工作，在提高路面性能方面發揮著極其重要的作用。在公路的病害處治工作中，裂縫的預防與修補是不容忽視的。本文對公路半剛性基層隱含裂縫形成機理及修補技術進行了詳細的研究，同時對現有的道路灌漿材料和工藝的優缺點、技術參數、施工工藝等進行了深入的探討，并提出了一種水泥基灌漿材料配合比以及基層鉆孔壓力注漿修補方法，供公路養護人員參考與應用。

參考文獻：

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[5] 王婧.壓力注漿技術在高速公路路基路面病害處治中的應用[J].磚瓦，2021（5）：169，171.

[6] 張立志.基于半剛性基層養護的裂縫注漿修補技術分析[J].黑龍江交通科技，2023，46（9）：72-74.

[7] 楊美群，鄒友泉，劉靜.探地雷達在高速公路路面隱性病害檢測的應用[J].公路，2022，67（8）：86-91.

基金項目：陜西國防工業職業技術學院科研計劃項目（Gfy23-42）

第一作者簡介：張征（1990-），女，碩士，講師。研究方向為道路與橋梁工程技術。