非开挖修补沥青路面半刚性基层地聚物材料研究

张光勇， 刘建均， 王海朋

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 611130；2.公路建设与养护技术材料及装备交通运输行业研发中心，四川 成都 611130；3.四川省路面结构材料及养护工程实验室，四川 成都 611130； 4.成都嘉新科技集团有限公司， 四川 成都 610042)

0 引言

道路建成通车以后，路面在交通荷载、环境、温度等综合作用下，会出现基层脱空、冲刷、局部强度不足等病害。当前，处理这些病害常用的方式主要包括开挖重铺和注浆加固等。开挖重铺具有施工周期长、交通干扰大、费用高的缺点；而注浆加固维修由于成本低、工艺简单和开放交通快等优点，在道路非开挖补强维修中的应用日趋广泛，成为路面基层病害补强常用的方法[1-3]。注浆加固法是在非开挖条件下，通过施压的方式将注浆材料注入到路面基层病害部位形成强度，来提高路面基层的承载能力和耐久性能。注浆材料的性能是影响该技术的关键，目前主要的注浆材料有水泥基、高聚物和地聚物3种[4]。相关研究表明，3种材料中，地聚物由于具有氧化物三维网络结构，在高温下亦能保持网络结构的完整性，具有比水泥基和高聚物注浆材料更高的强度、硬度、韧性、高温稳定性和抗冻性，与基层材料界面能发生化学反应而与基层形成整体[5-6]。

但是，地聚物注浆材料的性能受材料配比影响较大，材料过湿会影响材料凝结时间、强度等性能，过干则会影响材料的流动和渗透效果。因此，本文首先从地聚物注浆材料性能的影响因素出发确定地聚物材料配比，然后在实体工程中分析材料的应用效果，为地聚物注浆技术应用于沥青路面半刚性基层非开挖补强中提供技术依据。

1 原材料及试验

1.1 原材料

1) 矿渣粉。Al2O3含量15%～20%和CaO含量40%～50%的矿渣粉激发效果最佳，本试验采用的矿渣粉Al2O3含量为15.6%，CaO含量为42.4%。

2) 碱激发剂。采用粉体硅酸钠和NaOH，其中：SiO2含量21.8%，Na2O含量61.5%，模数3.04，NaOH的有效含量99%。

3) 膨胀剂。采用发泡剂，发泡剂有效成分98%，发气量为210 mL/g。

4) 防沉剂。采用一种具有优异的抗浮水和离析能力的黏度改性剂，掺量为胶凝材料的0.05%。

5)消泡剂。采用有机硅消泡剂，由聚硅氧烷、特种乳化剂、高活性聚醚消泡剂经特殊工艺聚合而成。试验采用的消泡剂能不受介质的pH值和电解质影响，稳定性高，能有效地抑泡和消泡，掺量为材料总质量的0.1%。

6) 保水剂。采用的低黏度保水剂为纤维素，中等取代度(1.40～1.70)，活性成分≥94%，具有良好的保水性和流变性，掺量为材料总质量的0.05%。

7) 表面活性剂。采用聚羧酸系高效减水剂，其中氯离子含量0.026%，总碱量0.91%，减水率28%，掺量为材料总质量的0.2%。

1.2 试验方案

影响地聚物注浆材料应用效果的主要因素为碱激发剂模数和掺量、水胶比掺量和膨胀剂掺量，因此在固定其他原材料掺量的基础上，首先研究这几项参数对注浆效果的影响规律，最终确定地聚物注浆材料的最佳配比，然后在实体工程中应用，分析应用效果。

碱激发剂的模数是影响碱激发剂使用效果的关键。通过NaOH调整硅酸钠的模数，形成不同模数的硅酸钠，硅酸钠模数的计算如式(1)所示，在7%固定掺量下分析碱激发剂对注浆材料性能的影响，外加剂掺量均为其最佳掺量，水胶比固定为0.4(激发剂与矿渣粉均视为胶凝材料)，得出碱激发剂的最佳模数，在最佳模数下变化碱激发剂的掺量，分析碱激发剂掺量对地聚物注浆材料性能的影响规律。

(1)

式中：mNaOH为氢氧化钠的质量，g；P为氢氧化钠的纯度，%；ω为原水玻璃中的质量分数，%；Ms’为改性后水玻璃模数；M为摩尔质量，g /mol。

地聚合物的流动度和泌水率与水胶比有着直接关系，而膨胀率则与膨胀剂掺量有直接关系，通过标准确定水胶比与外加剂的掺量，从而确定地聚物注浆材料的配合比。

1.3 试验方法

1) 材料搅拌工艺。将矿渣粉、碱激发剂、膨胀剂、消泡剂、保水剂和表面活性剂按照配比加入容器中，加入所需水量的80%，搅拌机以750 r /min转速搅拌1 min；然后加入剩余用水，搅拌30 s后出机检测。

2) 试验方法。流动度采用倒锥法试验，以流完规定体积的地聚合物注浆料所需时间来表征。测定时，先将漏斗调整放平，关上底口法兰，将搅拌均匀的地聚物注浆料倒入测定仪直至体积为(1725±5)mL；打开法兰，同时开始记录时间，至注浆料完全流出，测得的流秒数即为注浆料流动度。

凝结时间采用维卡仪检测。测定时，将制成的地聚合物净浆装入圆模内，振动数次后刮平，放入养护箱内；测定前，将圆模放在维卡仪上，使用初凝试针，降低试针与水泥净浆表面接触。拧紧螺丝1～2 s后，突然放松，试针垂直自由地沉入地聚合物，观察试针停止下沉或释放试针30 s时指针的读数。当试针沉至距底板(4±1)mm时，即达到初凝状态，从地聚合物加入水中至初凝状态的时间为初凝时间。在完成初凝时间测定后，立即将试模连同浆体以平移的方式从玻璃板取下，翻转180°，直径大端向上，小端向下放在玻璃板上，同时换上终凝试针，当试针沉入试体0.5 mm时，即环形附件开始不能在试体上留下痕迹时，即达到终凝状态，从地聚合物加入水中至终凝状态的时间为终凝时间。

泌水率与膨胀率使用同一仪器测定，试验仪器用有机玻璃制成，高120 mm，带有密封盖，放于水平面上。测定时，往容器内填灌地聚合物注浆料约100 mm深，记录液面高度，然后盖严。放置3h和24 h后，测量其离析水面与膨胀面，并分别按式(2)和式(3)计算泌水率与膨胀率。

(2)

(3)

式中：a1为最初填灌的基材浆面；a2为泌水面；a3为膨胀后的基材浆面。

耐水性测定时，将地聚合物制成40 mm×40mm×160 mm的试样，把其中一部分放入标准养护室养护28 d测定其强度。另一部分在28 d养护周期后放在水中浸泡30 d，测定试件的强度。耐水性按式(4)计算。

(4)

式中：L为耐水性，%；P1为30 d强度，MPa;P0为标养强度，MPa。

采用尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的三联模成型试件，测定地聚合物1、7、28 d龄期的抗压强度。

2 地聚物材料性能的影响因素分析及配比确定

2.1 激发剂模数对地聚物注浆材料性能的影响

激发剂模数对地聚物注浆材料凝结时间、流动度和抗压强度的影响如图1所示。可以看出，在相同的矿渣粉和激发剂掺量下，凝结时间与激发剂模数成负相关，即模数越小，凝结时间越快；在模数低于1.2时，地聚合物的凝结时间开始明显减小；尤其当模数为0.6时，地聚物发热量大，凝结时间大大减小，导致流动度无法检测，成型困难。产生这种现象的原因一方面因激发剂不同模数下的激发能力不同引起，还有一方面是由于模数降低，需要NaOH的量增大，溶解时放出大量的热量。激发剂模数对于地聚合物出机的流动度影响较小，其值保持在14～16 s。激发剂模数越低对于地聚合物早期1 d强度的激发越有利，而对28 d的强度影响较小，对于本地聚物注浆材料，激发剂模数存在最佳的范围，为0.8～1.4。

(a) 凝结时间

2.2 激发剂掺量对地聚物注浆材料性能的影响

将激发剂的模数固定为1.0进行试验，激发剂的掺量对于地聚物注浆材料凝结时间、流动度和抗压强度的影响如图2所示。可以看出，地聚物注浆材料的凝结时间随激发剂掺量的增长逐渐降低，呈指数模型规律变化。激发剂掺量小于3%时，地聚合物注浆料的凝结时间较长，1 d强度较低；随着激发剂掺量增加，凝结时间开始迅速缩短，强度开始提高。当掺量达到11%时，凝结时间过短，不利于施工操作。因此激发剂掺量在5%～9%时较为合适。激发剂掺量对地聚物注浆材料的流动度并没有实质性影响。

(a) 凝结时间

2.3 水胶比对地聚物注浆材料性能的影响

将激发剂的模数固定为1.0，掺量固定为7%，不同水胶比对于地聚物注浆材料凝结时间、流动度、泌水率和抗压强度的影响如图3所示。可以看出，地聚物注浆材料的性能对水胶比都非常敏感，当水胶比超过0.42后，浆体出现沉降和泌水现象，抗压强度明显下降，凝结时间明显过长；而水胶比低于0.38时，流动度增加，无法正常进行灌注施工。因此水胶比应控制为0.38～0.42。

(a) 凝结时间

2.4 膨胀剂掺量对地聚物注浆材料性能的影响

膨胀剂可防止地聚物注浆材料收缩，并通过膨胀性保证浆体的密实性。将激发剂的模数固定为1.0，掺量为7%，水胶比为0.4，进行试验，不同膨胀剂掺量对地聚物注浆料凝结时间、流动度、泌水率和抗压强度的影响如图4所示。可以看出，随膨胀剂掺量增多，凝结时间缓慢增长，地聚物注浆材料由收缩逐渐变为膨胀，当掺量超过0.02%时，注浆材料的膨胀率达到标准要求。膨胀剂掺量在0.04%以下时，对于注浆材料的强度和流动度没有明显影响。

(a) 凝结时间

2.5 配比确定

综上确定地聚物注浆材料的配比如表1所示，其中水料比固定为0.4，性能检测结果如表2所示。

表1 地聚物注浆材料配比矿渣粉碱激发剂(n=1.0)膨胀剂消泡剂保水剂表面活性剂防沉剂920800.210.520.5

表2 地聚物注浆材料性能流动度/s初凝时间/min终凝时间/min泌水率/%膨胀率/%耐水性/%抗压强度/MPa1 d7 d28 d14.719300.10.189918.332.638.4

3 地聚物注浆技术应用效果分析

为了分析地聚物注浆技术的应用效果，采用上述配比在成南(成都-南充)高速上某试验段(40 m)进行了地聚物注浆补强，路面结构为：罩面层为3 cm厚的SMA-10，上面层为4 cm厚的AK-13，中面层为5 cm厚的AC-20I，下面层为6 cm厚的AC-25Ⅱ，基层为30 cm厚的水泥稳定碎石，底基层为20 cm厚的水泥稳定碎石。为直观地观察注浆效果，补强位置为明显唧浆点。对注浆前后路面进行弯沉、地质雷达检测和观察，分析了地聚物注浆技术的应用效果。

3.1 落锤式弯沉仪(FWD)动态弯沉检测结果

图5为试验段近车道中心线与近路肩处，注浆前、注浆后养护4 h、7 d和28 d龄期的动态弯沉实测曲线。可以看出，近道路中心线、近路肩处注浆后4 h和7 d的动态弯沉相较于注浆前有一定程度增大，到28 d明显降低，表明地聚物注浆后期强度较高，对提高路面整体刚度效果显著。

(a) 近车道中心线位置处

3.2 地质雷达探测结果

注浆前后近路中心线和近路肩处地质雷达探测图像分别如图6和图7所示。可以看出，注浆前，路面结构层和路基结构层的地质雷达图像较为清晰且均匀，单从地质雷达图像上看，路面及路基结构未发现相关病害。但从注浆后地质雷达图像可以看出，路表面以下1.5～2 m范围内，图像波动较为剧烈，波动范围有一定程度的增大，尤其是近路中心线处地质雷达测试图像。这主要是由于浆液注入，一方面在挤出路基空洞中的水分并填充的同时渗透入了周围土体当中，并形成一体，改变了空洞周围土体的介电常数，使得图像波动的范围有所增大；另一方面，浆液沿路基深度方向进行渗透时也会渗透到周围土体当中，改变了周围土体的介电常数，使得图像波动的范围增大。但从另一角度来看，注浆后，地质雷达图像的变化也是浆液是否注入以及注入后的填充深度和影响范围的另一个有效说明。

(a) 注浆前

3.3 注浆后路面状况后评价

注浆3 d后，通过开挖检查注浆效果，发现地聚物的分散性较好，与原松散基层的碎石胶结较好，如图8所示。钻取两块芯样(直径150，高径比1∶1)，一块自然养生，一块标准养生，进行7 d无侧限抗压强度：自然养护为16.4 MPa，标准养护为18.0 MPa。注浆路面经4个月服役后，路面整体状态良好，且未发现唧浆现象，如图9所示。这表明浆液的注入使松散的路面基层很好地板结为一体，阻断了上部雨水的渗入通道，进而消除了唧浆现象的发生。

图8 现场开挖注浆板结效果明显

图9 4个月后路面状态

4 经济效益分析

在路面改建中，采用传统的铣刨重铺技术，每处基层病害处治直接费用约2万余元，如果单次处治，费用可达5万余元。而采用本项目中的技术对路面的补强造价一般为100～150元 /m2。从技术经济角度比较，造价大幅降低。

5 结论

1) 激发剂模数越大，地聚物注浆材料凝结速度越慢，强度呈现降低趋势，流动度没有显著的影响规律，激发剂模数存在最佳范围，为0.8～1.4；随激发剂掺量增大，地聚物注浆材料的凝结速度显著加快，强度提高，流动度没有显著的影响规律，最佳掺量范围为5%～9%。

2) 水胶比越大，地聚物注浆材料的凝结速度越慢，流动性越大，泌水率越大，抗压强度有降低趋势。水胶比大于0.42后，泌水率急剧增大。水胶比的最佳范围为0.38～0.42。

3) 膨胀剂掺量越大，地聚物注浆材料的凝结速度越慢，抗压强度略微降低，由收缩逐步变为膨胀。最佳掺量范围为0.02%～0.04%。

4) 采用地聚物注浆后，沥青路面的表面弯沉随养生龄期先增大后降低，28 d龄期弯沉显著低于未注浆路面弯沉，补强效果显著。注浆前后，地质雷达图像发生显著变化，注浆渗入深度达路表以下1.5～2 m范围内。开挖路面，注浆材料板结效果好，路面表面状态良好。

5) 经济效益：本技术应用于高速公路的路面基层预防性养护，能够及时对路面基层进行处治，具有极高的经济效益。