高聚物注浆在高速公路唧浆病害处治中的应用

张 迅， 刘至飞， 刘 旭， 陈宇亮， 贺陶安

(1. 湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015；2.湖南省醴潭高速公路建设开发有限公司， 湖南 株洲 412000)

0 引言

截至2020年底，我国高速公路总里程超15万km，无论是修建速度还是通车里程均居世界首位。随着路网逐渐完善，新建速度势必放缓。但在如此大的里程基数下，养护和维修工作量逐年增长。我国高速公路的发展主要集中在近二十年，而高速公路沥青路面的设计年限通常为15 a，因此近年来沥青路面的养护与维修越来越受到重视。

沥青路面的破坏主要可分为环境因素和人为因素，其中环境因素与地理位置紧密相关。我国南方地区天气潮湿炎热、降水量大、雨季时间长，因此水损害是南方地区沥青路面破坏的主要原因之一。而唧浆病害则是一种典型的沥青路面水损害破坏形式，主要是由于渗水在行车载荷的作用下对基层或路基不断冲刷造成的翻浆现象，是一种表现在面层、破坏在深层的病害[1]。因此，其处治方式有“治标”的面层处治和“治本”的深层处治。面层处治包括补缝、填缝等[2]，深层处治包括开挖式和非开挖式两种，其中非开挖式主要为注浆。根据注浆材料的不同，又可分为水泥压浆、高聚物注浆等。

高聚物注浆技术发展于上世纪70年代，国外最早用其作为一种工程维修技术来加固地基或修复地板，到现在已经成为国际上道路非开挖维修技术领域的研究重点。目前国内高聚物注浆处治唧浆病害的应用仍较少，但已经逐渐开始受到重视。黄传武等[3]发现高聚物注浆在旧路处治中能够有效处治底板脱空，应用效果较好；赵子璞[4]验证了高聚物注浆技术修补沥青路面裂缝的可行性；李聪鑫[5]通过漳州厦蓉高速的具体实施，验证了高聚物注浆的处治效果。本文提供了一种结合地质雷达无损检测的高聚物注浆深层处治沥青路面唧浆病害技术，并在醴潭高速公路中进行了成功应用。

1 唧浆病害常规处治方式

1.1 面层处治

面层处治的核心思路是封水。通过对面层病害处理，防止水继续渗入造成破坏。一般适用于沥青路面裂缝处翻白浆，按普通裂缝修补方法处理。常见的方法有灌缝、贴缝等。面层处治主要是起到一个延缓破坏的抑制作用。面层处治快速简单，适合紧急或临时处治，能够略微延迟大修时间点。

1.2 深层处治

深层处治，即从根源上进行处治，对基层或路基进行修补，可分为开挖式和非开挖式两种。其中开挖式为开挖至受到破坏的基层或路基进行处治，相当于要重新铺设整个路面结构。该方法能够从根源上解决病害问题，极大延长了路面的使用寿命，适合路面破坏非常严重的路段。非开挖式目前主要是注浆处治，即通过钻孔至一定深度后注入固结材料，填补深层脱空及裂缝、固结松散结构。目前唧浆处治最常见的措施是采用掺早强剂和膨胀剂的水泥浆注浆，并根据病害表现情况钻孔。唧白浆考虑为基层破坏，钻孔至路基顶面；唧黄泥考虑为路基破坏，压浆孔布置通常以唧泥点位中心、四周250 cm为间距布孔，钻孔深度3 m[6]。

常规处治方式面临如下问题： ①面层处治“治标不治本”，通常只能略微延迟大修时间。因为没有解决根本问题，维修频率较高，经常面临一月一次，甚至两次、三次的情况，严重影响高速公路运营，养护成本也较高；②采用开挖式处治，对路面破坏大、施工时间长，严重影响交通，且成本极高，还会产生大量道路垃圾，对于破坏并非十分严重的路段来说，性价比极低；③注浆技术处治病害对路面破坏较小，能够从根源上进行处治。但是目前注浆采用的材料多为掺有早强剂和膨胀剂的水泥浆，材料用量较大，成本较高。该方法主要利用水泥浆的固结效果，有养生要求，依旧可能受到水的二次损害，耐水性较差，且目前注浆施工工艺依赖于工程经验，与雷达检测等无损检测技术结合较差。

2 高聚物注浆原理与优势

高聚物注浆材料通常由两种材料组成，混合后能够快速发生反应，形成具有一定强度的发泡体。发泡体具有较高的膨胀比，能够给周围的松散结构施加较大压力，抬升沉陷区域。其疏水特性可形成层间防水层，阻止路面水下渗破坏基层及路基。

高聚物注浆用于唧浆病害处治有着其独特的优越性：①高聚物注浆材料具有高膨胀性，自由膨胀可达20倍；②高聚物注浆材料具有防水性，发泡后可有效防止水分渗入，防止水的二次损害；③注浆成型快，无需养护，强度可在15 min内达到要求；④微损修复，注浆孔径小，对路面破坏很小；⑤经济效益显著，可延缓大修时间，节约大量后期养护维修成本[7]。

3 高聚物注浆技术在醴潭高速唧浆处治中的应用

湖南省醴陵至湘潭高速公路是国家规划的“五纵七横”十二条国道主干线的上瑞国道主干线湘境中的一段，于2007年10月开通运行，至今已通车13 a，部分路段出现了较为严重唧浆病害。

醴潭高速公路主线路面结构为：4 cm(改性沥青AK-13A上面层)+6 cm(改性AC-20I中面层)+7 cm(AC-25I下面层)+下封层1 cm(乳化沥青稀浆)+38 cm(水泥稳定碎石基层)+18 cm(水泥稳定砂砾底基层)。

针对醴潭高速公路唧浆病害，结合地质雷达无损检测技术，采用高聚物注浆方式进行处治，具体流程如图1所示。

图1 高聚物注浆技术处治流程

3.1 处治方案设计

3.1.1路况调查

对醴潭高速公路下行K997、上行K1007、上行K1036进行唧浆病害调查。具体情况如表1、图2所示。

表1 唧浆病害高聚物注浆处治点方向序号桩号路面病害下行第1段K99 7+6101处唧浆点上行第2段K100 7+4261处唧浆点上行第3段K103 6+385～K103 6+4055处唧浆点

图2 唧浆病害现场照片

3.1.2雷达检测

根据路况调查情况，对病害路段采用地质雷达进行无损检测，主要检测流程如下：

图3 雷达检测流程图

根据路况调查，唧浆点所唧为白浆，考虑为基层的破坏引起。醴潭高速公路面层+基层厚度为74 cm，据此选用美国劳雷公司SIR-3000型地质雷达进行检测。雷达配置900 MHz雷达天线，与测距编码轮配套使用，采集模式为距离触发方式(Distance)，有效探测深度1.1 m。雷达检测现场及检测深度剖面见图4、图5。

图4 雷达现场检测

图5 雷达检测深度剖面图(单位： m)

3.1.3处治方案设计

3.1.3.1 材料选择

采用的高聚物为聚氨酯材料，分为A、B两种，相关技术指标见表2～4。

表2 聚氨酯材料A组分技术要求检测项目粘度(25 ℃)/ Pa·s比重(25 ℃)/(g·cm-3)-NCO含量/%技术要求≤0.6001.22～1.2530.2～32.0检测结果0.3071.2331.5

表3 聚氨酯材料B组分技术要求检测项目粘度(25 ℃)/Pa·s 比重(25 ℃)/(g·cm-3) 技术要求≤1.0001.12检测结果0.4061.0～1.2

表4 聚氨酯材料聚合物技术要求检测项目反应开始时间(25 ℃)/s反应结束时间(25 ℃)/s自由泡密度/(kg·m-3)技术要求10±550±2050±5检测结果66252尺寸稳定性(-30 ℃)/%尺寸稳定性(80 ℃)/%抗拉强度∗(25 ℃)/MPa抗压强度∗/MPa≤0.5≤1.5≥0.40≥0.600.20.60.540.85注: 带∗为密度100 kg/m3时的指标。

3.1.3.2 布孔设计

根据现场雷达检测病害情况，以唧浆点为中心呈梅花形布置，纵横向距离唧浆点0.3 m，钻孔贯穿路面结构，钻孔深度至底基层以下5 cm(醴潭高速公路总钻孔深度为79 cm)，将注浆材料浆液注满唧浆部位。注浆布孔方式见图6、图7。

图6 注浆孔布置示意图

图7 局部位置唧浆病害布孔方式示意图

3.2 注浆处治

高聚物注浆施工步骤与工艺：

1) 交通控制：注浆前务必做好交通管制工作，保证安全有序进行施工。尽量避开车流量较大时间段，防止造成堵车。

2) 注浆定位：根据处治方案中设计好的布孔方式对拟注浆处进行定位。

3) 标记注浆位置：对定位好的注浆孔位置进行标记。

4) 钻孔、下注浆管、安装注浆头：钻孔时注意保持路面清洁，并且及时排渣清渣。根据注浆方案，采用φ16 mm注浆孔，钻至所需深度后，切割约22 cm PVC管，将其通过注浆孔下入至基层中间附近。采用专用工具清理注射帽凹型边缘，并将已清理注射帽敲入PVC注浆管内。

5) 注浆：注浆前，需采用夹具将注射枪及注射帽固定牢靠。注浆压力控制在7 MPa左右，注浆时间一般不小于8 s，如浆液从其他孔洞、路面路基破损处冒出或路面轻微拱起则停止注浆，对路面路基破损处冒出浆液的孔洞应待浆液固化后重新钻孔并补注，直至路面轻微拱起为止。

6) 封孔：注浆完毕后需及时封闭注浆孔，防止雨水等通过注浆孔侵入路面结构，影响注浆效果。封孔时注意保证良好的路面形貌，使用特种水泥基材料(早强、微膨胀、高流动性)封孔。

7) 清扫环境：封孔后及时对孔周边的残渣残液进行清理，并确保整个路面清洁。

8) 开放交通：清扫环境后，有序地快速撤离施工作业区内车辆[8]。

3.3 效果评估

1)外观评判: 在施工过程中，主要通过观察法对注浆施工效果进行检验。注浆期间发现相邻孔有大量泥水浆材料,说明周围区域下含水丰富，一方面证明了高聚物注浆材料具有很好的流动性，另一方面证明了高聚物注浆材料对唧浆病害处治具有较好的效果。

2)雷达检测:根据注浆前对唧浆位置进行的雷达检测可以推测病害处0.15～0.8 m深度范围有不密实或空隙部，0.8～1.1 m深度范围有空洞，含水较丰富。注浆后，0.15～1.1 m深度范围不密实及空洞部有明显改善(如图8所示)。

图8 注浆前后雷达检测结果对比(单位： m)

3)钻芯效果: 注浆后一段时间钻取唧浆点芯样观察注浆效果，所抽取芯样高聚物对裂缝填充饱满，沥青面层和基层之间的脱空层、上基层和下基层之间的脱空层被高聚物填充满，如图9所示。

图9 注浆后唧浆点芯样

4 结语

通过对唧浆点注浆前后进行雷达检测、注浆过程观测和注浆后钻芯检测，结果表明高聚物可排除深层积水、密实深层裂缝，高聚物注浆材料对唧浆病害处治具有较好的效果。高聚物注浆技术相比常规处治技术，效果好、成本低、处治快、交通影响小，具有良好的应用前景。