基于沥青混凝土路面不同病害的地聚合物注浆防治应对措施技术分析研究

基于沥青混凝土路面不同病害的地聚合物注浆防治应对措施技术分析研究

郭震宇1姚坤2

1.上海市路政局上海200023；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司上海200092

摘要：就是通过吸收目前国内外关于公路沥青路面地聚合物注浆维修养护技术研究的最新成果和最新理念，分析了沥青路面不同病害的成因以及地聚合物注浆技术特征，提出了基于沥青混凝土路面不同病害的地聚合物注浆防治应对措施，并通过工程应用验证了其具有十分重要的现实意义，对全面提高沥青路面养护质量，延长路面使用寿命具有积极的作用。

关键词：沥青路面；路面病害；地聚合物注浆；形成原因；防治措施

前言

改革开放以来的30年，是中国的公路发展速度最快，规模最大，最具活力的时期。在大规模公路建设中，沥青路面以其表面平整度好、无渗缝、振动小、噪声低、行车舒适、养护维修方便等优良性能而得到广泛应用。但随着交通量的不断增长，很多公路沥青路面均呈现出一定的早期破坏，如开裂、泛油、松散、沉陷、水破坏等。针对这种现状，为了总结各地公路建设的成功经验，分析调查公路早期破坏的原因及基于沥青混凝土路面不同病害的地聚合物注浆维修应对措施，提高我国公路的建设水平和整体形象，已经非常必要。

1.沥青路面病害分析

1.1病害

沥青路面面层是位于路面基层上最重要的路面结构层，它直接承受车轮荷载和大气自然因素的作用，应具有平整、坚实、耐久及抗车辙、抗裂、抗滑、抗水害等多方面的综合性能，所以在沥青路面厩层施工中应对施工技术和施工工艺进行优化，在施工过程中应严格控制质量，确保沥青路面面层的施工质量。目前沥青路面病害主要有裂缝、水损坏、坑槽、车辙、路面沉陷等等。

1.1.1裂缝

裂缝主要表现为横向裂缝、纵向裂缝、网状裂缝和反射裂缝等等。横向裂缝这种病害比较普遍，主要由于沥青面层温度收缩和半刚性基层的干缩引起或路基压实度不足引起的病害。

纵向裂缝是由于路基压实度不均匀，路面不均匀沉陷而引起的裂缝，也有可能是沥青面层分幅摊铺时，两幅接茬未处理好，在行车载荷作用下，易形成纵缝；网状裂缝主要表现为缝宽1mm以上，缝距40cm以下，1.2m以上纵横交锚裂缝。反射裂缝主要因基层产生裂缝后，在温度和行车荷载作用下，裂缝将逐渐反射到沥青表面。半刚性基层以横向裂缝居多，柔性路面上加罩的沥青结构层，裂缝形式不一，取决于下卧层。

1.1.2水损坏

所谓水损坏即降水透人路面结构层后使路面产生早期破坏的现象，它是目前沥青混凝土路面早期病害中最常见也是破坏力最大的一种病害。水破坏的主要破坏形式有：网裂、坑洞、唧浆、辙槽等。水破坏的产生往往是由于施工中沥青混凝土配合比控制不严、沥青混合料拌和不均、碾压效果不良等导致的沥青路面空隙率过大所造成的。采用半开式(Ⅱ型)沥青混凝土表面层时，产生的水破坏尤为严重。

形成水损坏的原因除沥青混合料不均匀、空隙率过大有关外，还与沥青和碎石间的粘结性能或有无抗剥落剂、交通量大小、重载车比重及公路沿线降雨量等因素有关。尤其在南方潮湿地区，沥青路面的水损坏破坏较为严重。

1.1.3坑槽

坑槽主要表现为压实不足性坑槽和厚度不够性坑槽。压实度不足性坑槽是施工时混合料温度太高，使沥青老化，粘结力降低，脆性增加，导致压实不够，粘结不牢，在行车载荷作用下，形成坑槽或混合料温度太低，摊铺不均匀，压实不充分，导致压实度不够形成坑槽。

厚度不够性坑槽路面下面层局部标高控制不严，导致沥青上面层个别地方厚度不够，在行车作用下，部分混合料易被“带走”，形成坑槽。

1.1.4车辙

车辙主要表现为结构性车辙、磨损性车辙和流动性车辙。

结构性车辙由于荷载的作用，发生在沥青面层以下包括路基在内的各结构层的永久变形。这种车辙宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面成凹字形。磨损性车辙由于车辆不断地磨损路面，特别是大量重型超载车辆渠化行驶在主车道上，磨损路面也会形成车辙。流动性车辙在高温条件下，车轮碾压反复作用，荷载应力超过沥青混合料的稳定度极限，使流动变形不断积累形成车辙。

1.1.5路面沉陷

路面沉陷是由于软土地基沉降产生的路面沉陷、路基填料选择不当或路基压实度不够导致路面沉陷。

1.2.成因分析

按病害程度可为二类。一类是功能性破坏，即沥青路面面层出现小微裂缝、麻面、脱皮、泛油、沥青老化、路面渗水等轻微病害，造成路面的不平整和抗滑性能的下降。使其不再具有预期的功能。另一类是结构性破坏，即沥青路面面层出现严重裂缝、坑槽、沉陷，它是路面结构的整体或其某一个或几个组成部分的破坏，严重时可达到不能支承车辆的荷载。这二类破坏不一定同时发生，一般是先发生功能性破坏，而后出现结构性破坏。

1.2.1内在因素

(1)地基沉降

公路建设中，不可避免地有部分路段要穿过水田、沼泽、淤泥地段等软土地基，路基修筑在软土地基上时，对软基的处理不彻底，或软基地段处理后没有沉降稳定就进行修筑沥青路面，往往就会发生路基失稳或过量沉陷，从而导致沥青路面破坏或不能正常使用。

(2)路基压实不足

路基压实是路基施工过程中的重要工序，亦是提高路基路面强度与稳定性技术的技术措施之一。土是三相体，土粒为骨架，颗粒之间的孔隙为水分和气体所占据。压实的目的在于使土粒重新组合，彼此挤紧，孔隙缩小，土的密度提高，形成密实整体，最终导致强度增加，稳定性提高。由于路基压实度不足，出现不均匀沉陷，导致沥青路面出现裂缝。

(3)由于水产生的破坏

由沥青面层本身的原因引起的路面早期破坏有：沥青面层松散、坑洞、泛油等。沥青面层破坏的一个很重要的原因是水。沥青面层中水的来源有地面降水和路基中挤上来的水，或者大气降水渗到沥青面层中而排不出去，这样在汽车荷载及温度变化的作用下，沥青面层容易产生破坏。同时由于施工时压实度达不到要求，使沥青混合料空隙率过大，沥青面层中的水无法排出，沥青混合料在饱水后石料与沥青粘附力降低，易发生剥落、松散、从而降低沥青路面的抗剪强度。

1.2.2外界因素

(1)超限运输。

随着我国经济的迅速发展，高速公路的货车交通量增长非常快，某些部门如运输公司、矿场等在汽车改装厂的推波助澜下，从自身利益出发，超载严重。

(2)气候因素。

由于高速公路路面直接暴露在空气中，受气候因素的影响大。

(3)人为因素。

交通事故及车辆漏油、千斤顶引起的路面破坏。

2地聚合物注浆防治技术措施

2.1材料特性

地聚合物材料是低钙Si-Al质材料和碱性溶液为主要原料，在20-120℃温度条件下化学反应形成的一种含有多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐的无机聚合物。其化学组成与沸石相近，物理形态上呈现三维网络结构，其具有有机聚合物、陶瓷、水泥的优良险能，表现为早期强度高、低收缩率、抗冻融、耐硫酸盐侵蚀和耐酸碱腐蚀性等。

地聚合物的聚合反应完全不同于硅酸盐水泥的水化反应，同时与高分子聚合物相比，地聚合物聚合反应开始前，不存在绝对意义上的单体。一般条件下，地聚合物聚合反应后的生成物是一种无定形的硅铝酸盐化合物，在较高的温度下，可生成类沸石型的微晶体结构。其终产物以离子键和共价键为主，范德瓦尔斯键为辅，此类材料的基体相的化学组成与沸石类似，而结构上呈非晶质至半晶质。

聚合反应得出的地聚合物三维网络是由聚合的硅一氧四面体与铝一氧四面体网络结构构成，其中的硅氧四面体和铝氧四面体通过共用所有的氧原子交替键合。一般将地聚合物终产物的结构形态分为3个类别，其分子结构组成如图1，2和3所示。

硅元素存在稳定的+4价态，因此硅氧四面体呈电中性；阳离子(Na+，K+，Li+，Ca2+，Ba2+，NH4+，H3O+)必须存在于三维网状结构的空腔中以平衡W配位的Al3+的负电荷，总的结果使体系显电中性。

2.2防治技术原理

地聚合物注浆加固技术是通过注浆压力对道路结构体产生劈裂作用形成浆脉，将地聚合物浆液通过浆脉注入结构体中，由于地聚合物材料粒径较小，可在浆脉内对结构体发生渗透作用，使其大范围扩散，将结构体缝隙中水与空气挤出，通过与结构体发生离子交换、化学结晶、物理充填等物理化学作用，产生网络状结石结构，形成具有强度高、密度高、水稳定性能好的新结构体注浆加固技术。地聚合物作为注浆材料，克服了水泥注浆材料泌水、固结收缩、结石率低的缺点，同时采用非开挖，无障碍施工，作业面影响范围小，可缓解交通压力，工期短，施工效率高，可迅速开放交通，可为后续工程的进行赢得时间，地聚合物注浆加固技术防治技术原理如下：

1）路基加固作用

加固土体的作用，从根本上对道路基础进行加固，具有高强度，提高承载力，可有效防治因地基沉降和路基压实不足引起路面沉陷、结构性车辙等沥青路面病害；

2）防水作用

浆材耐久性好，不受水侵蚀，防水性能好，形成一层防水层可使路基和基层获得较好水稳定性能，可有效防治因水损害引起路基软弱和路面沉陷、坑槽、叽浆，等沥青路面病害；

3）基层修复

可注性好，及良好的流动度性能，良好的渗透性能和黏结性能，实现基层材料通过注浆加固修复裂缝，加固基层，并能起到防水作用，可有效防治因基层引起路面反射裂缝、龟裂沉陷、坑槽等沥青路面病害；

3工程应用

3.1工程概况

某沥青路面工程路段路面结构为4cm细粒式沥青混凝土+5cm中粒式沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+0.8cm稀浆封层+30cm水泥稳定碎石（5%）基层+10cm砂砾石垫层，路基土为红粘土，具有含水量高、高压缩性、高灵敏度、低强度，物理力学性质差等特点，属于典型的软土路基，同时路面出现大量反射裂缝、叽浆和路面沉陷。本工程采用地聚合物注浆加固技术对道路进行注浆。

3.2材料

本工程采用的地聚合物注浆材料，是LY型地聚物注浆材料，该材料与细集料和水可直接拌合使用，其浆液的流动性和可灌性比水泥浆液好，具有活性好、结石体强度高等优点，其工程性能指标，见表1，其施工混合料配合比，见表2。

表1LY型地聚合物注浆材料设计性能指标

3.3施工

3.3.1孔位放样

根据地聚合物施工要求及注浆孔布置设计，注浆孔孔距宜于1.0-2.0m，同时为保证在此次要求的注浆区域内，注浆浆液在注浆宽度和注浆以下加固深度内浆液分布交叉重叠形成一个整体，注浆方式采用梅花状布孔，每车道三排布孔，排距1m，孔距2m，孔径Φ50mm，若发现布孔位置不适宜，孔位可作适当调整，但调整间距应小于30cm，为了更有效锁定注浆浆液，最大程度发挥注浆在加固区域加固效果，分成两次钻孔完成的方式进行注浆，第一次在钻孔注浆，浆液终凝成型后，在进行第二次钻孔注浆，在其布孔图如图4所示。

由于路基承受荷载作用的主要应力工作区深度一般在路基顶面以下80cm，对于路基加固注浆深度应深入路床顶面以下至少80cm，这样可加固到路基主要承受荷载的工作区，最大程度加固路基又不造成浪费。加上面层厚度，本工程沉管深度为135cm，其注浆加固立面图如图7所示。注浆压力控制在0.3～0.6MPa。

对注浆路面进行清理，施工车辆做好有序撤离技术服务工作区后封闭养护，应该满足3d-7d封闭养生时间后可开放交通或开展后续工作。

3.3注浆效果

注浆后，应在7d龄期后，从抽芯和开挖情况看，浆液填充道路结构层与水稳层间的空隙、水稳层与级配碎石层间的空隙、基层裂缝空隙。从弯沉检测看，注浆后实测弯沉值明显减小，且注浆后实测弯沉值与原完好路段实测弯沉值相接近。这说明注浆可以起补强作用，并且基层顶面反应模量基本都得到不同程度的提高。

4结语

分析了沥青路面不同病害的成因以及地聚合物注浆技术特征，提出了基于沥青混凝土路面不同病害的地聚合物注浆防治应对措施，从抽芯和开挖情况看，浆液填充道路结构层与水稳层间的空隙、水稳层与级配碎石层间的空隙、基层裂缝空隙。从弯沉检测看，注浆后实测弯沉值明显减小，且注浆后实测弯沉值与原完好路段实测弯沉值相接近。这说明注浆可以起补强作用，并且基层顶面反应模量基本都得到不同程度的提高，可显著提高道路的整体性和稳定性，增强道路抵抗变形的能力，取得了良好的养护效果，具有广阔的应用价值。对全面提高沥青路面养护质量，延长路面使用寿命起到积极的作用。

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