呂錫平,張榮利,李善強(qiáng)
(1.廣東省公路建設(shè)有限公司,廣州 510623;2.佛開高速公路南段改擴(kuò)建項(xiàng)目管理處,廣東 江門 529000;3.廣東華路交通科技有限公司,廣州 510420)
目前,我國(guó)高速公路建設(shè)的重點(diǎn)工作向養(yǎng)護(hù)及改擴(kuò)建方向發(fā)展的特點(diǎn)日趨明顯。就廣東省來說,由于交通量增長(zhǎng)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)預(yù)期,重車比例多,路網(wǎng)通行服務(wù)水平逐年降低,再加之土地資源寶貴,交通基建工程需要“節(jié)約用地”,既有高速公路擴(kuò)容改造工程也隨之提上日程。而早期修建的高速公路大多為水泥砼路面,后續(xù)改造多以“白改黑”,甚至“白改黑”后再加鋪的路面為主,這種路面存在剛?cè)嵯嘟拥膯栴},極易出現(xiàn)水泥砼板底脫空、松散、錯(cuò)臺(tái)及反射裂縫等病害[1]。
琚曉輝[2]通過對(duì)比研究表明采取大粒徑瀝青混合料和纖維瀝青混合料等加鋪層材料,對(duì)防治反射裂縫具有較好的效果;馬祥輝[3]通過室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)比研究了應(yīng)力吸收層、土工布及夾層的處治效果,表明應(yīng)力吸收層防治效果較好,但價(jià)格較高;池垂文[4]介紹了高分子注漿在改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用,但是缺乏現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。
綜上所述,現(xiàn)有研究更多集中于復(fù)合式路面反射裂縫防治方面,而對(duì)于改擴(kuò)建工程的反射裂縫處治研究尚不多見。因此,本文分析了復(fù)合式路面病害特點(diǎn)及成因,并結(jié)合工程實(shí)例探索,為高速公路改擴(kuò)建工程復(fù)合式路面病害處治提供了一種快速、可行的解決方法。
佛開高速公路南段改擴(kuò)建工程共和互通以北段全長(zhǎng)14.5km,雙向車道“四改八”,既有舊路路面結(jié)構(gòu)形式為:(4cm+6cm+8cm)瀝青面層+26cm水泥砼面板+18cm水泥穩(wěn)定石屑+15cm水泥穩(wěn)定顆粒。瀝青面層于2008年進(jìn)行加鋪,本次改擴(kuò)建擬再直接加鋪4cm SMA-13上面層。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析2016年及2018年舊路面行車道病害調(diào)查數(shù)據(jù),以裂縫、坑槽等病害為主要表現(xiàn)形式,各類病害分布占比見表1。
表1 各類病害分布占比(單位:%)
可見,該段復(fù)合式路面經(jīng)過10余年行車荷載作用,路面病害以橫向開裂為主,單道路面反射開裂在路面病害中為主要病害。該段路面橫向裂縫集中分布于行車道,貫穿整個(gè)行車道寬度,且連續(xù)橫縫間距多在5m或5m以內(nèi),如圖1所示。
圖1 連續(xù)橫縫分布特點(diǎn)
受擴(kuò)建開挖施工影響,舊路土路肩挖除形成臨空面導(dǎo)致舊路面失去側(cè)向約束作用,在行車、雨水、施工擾動(dòng)等不利因素綜合作用下,路面裂縫類病害出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)??v裂大都集中于填方段及填挖交界處,沿行(超)車道分界線發(fā)展,縫長(zhǎng)較長(zhǎng),如圖2所示。
圖2 縱縫分布特點(diǎn)
佛開高速公路路面屬于11年前加鋪18cm瀝青砼(分3層)的典型“白改黑”性質(zhì)的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)。由于通車運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)、車流量大(交通量達(dá)6.5萬pcu/d)及重超載車輛較多等因素,加之早期修建的高速公路施工水平較低,路面質(zhì)量參差不齊,原剛性基層板間布設(shè)的傳力桿及拉桿出現(xiàn)部分失效,路面應(yīng)力集中在水泥砼剛性板切縫處,板塊之間產(chǎn)生豎向滑動(dòng)。隨著氣溫的變化及長(zhǎng)年累月的行車荷載作用,由接縫料損壞、邊角剝落開始,慢慢發(fā)展導(dǎo)致上層瀝青砼底面開裂,繼而向上擴(kuò)展至表面出現(xiàn)“反射裂縫”[5]。
另一方面,佛開高速公路所處珠三角地區(qū)氣候濕熱,水泥板置身于濕度與溫度的交替作用下,水泥板被動(dòng)性地收縮,并因?qū)娱g粘結(jié)致使瀝青路面結(jié)構(gòu)層一起產(chǎn)生收縮,水泥板接縫及裂縫位置頂面的瀝青砼面層區(qū)域發(fā)生拉應(yīng)力集中的狀況,拉應(yīng)力逐漸增大直至破壞瀝青上面層,出現(xiàn)開裂。一旦裂縫出現(xiàn),就為路表水下滲提供了通道,水分進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部,車輛經(jīng)過時(shí),將會(huì)在剛性板底形成高壓水,在板底接縫處及板縫之間反復(fù)高速流動(dòng),不斷沖刷路面基層,基層粒料從板縫處被帶出,致使剛性板底脫空范圍不斷加大(圖3),繼而發(fā)展為水泥砼剛性板斷裂,甚至破碎,路表出現(xiàn)束狀橫縫、網(wǎng)裂等嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性病害[6]。
圖3 復(fù)合式路面水泥砼剛性板脫空演化
道路高聚物注漿的技術(shù)原理是將溶液型A、B兩種高聚物材料,按一定配比由加壓設(shè)備經(jīng)鉆孔同時(shí)注入至路面不同深度的結(jié)構(gòu)層中。A、B兩種材料相遇時(shí)在路面內(nèi)部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),體積迅速膨脹形成發(fā)泡體(強(qiáng)度約0.7~10MPa,受密度影響較大),產(chǎn)生很大的膨脹壓力(介于0.5~10MPa之間),填充基層脫空區(qū)域[7],如圖4所示。隨著漿液的持續(xù)注入及膨脹壓力的不斷增大,周邊土體及松散水穩(wěn)料被壓縮發(fā)生屈服破壞并產(chǎn)生劈裂縫隙,高聚物漿液進(jìn)一步沿著裂縫進(jìn)入周邊介質(zhì)并擠密周圍松散介質(zhì)[8]。反應(yīng)完成后,實(shí)現(xiàn)抬升路面沉陷,填充脫空區(qū)域,增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)整體性及承載能力的目的。
圖4 道路高聚物注漿機(jī)理
道路高聚物注漿技術(shù)的特點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面。一方面是高聚物材料,其具有以下典型特征:(1)早強(qiáng)及高膨脹,反應(yīng)后15min內(nèi)即可達(dá)終強(qiáng)的90%,自由膨脹比可達(dá)20:1;(2)反應(yīng)后形成的發(fā)泡狀固體自身具有良好的韌性、彈性以及強(qiáng)度特性,耐久性良好,能夠承受較大的車輛荷載作用;(3)高聚物注漿材料不含水且形成的發(fā)泡體不溶于水,因此不存在干縮病害問題;(4)高聚物注漿材料具有良好的抗?jié)B性,能夠有效阻止路面水下滲,防止水毀病害[9]。
另一方面,道路高聚物注漿技術(shù)本身又具備以下技術(shù)優(yōu)勢(shì):(1)非開挖注漿加固,對(duì)路面損傷微小,注漿孔徑僅16mm;(2)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝簡(jiǎn)單,施工速度快;(3)施工完成后無需特別養(yǎng)生,質(zhì)量控制難度相對(duì)較?。?4)一次鉆孔,即可實(shí)現(xiàn)多層修復(fù),擴(kuò)散半徑達(dá)0.4~0.6m;(5)施工過程對(duì)路面及周邊環(huán)境污染極小,便于清理;(6)擠水、防水效果好,預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效果顯著。
目前針對(duì)復(fù)合式路面尤其是高速公路改擴(kuò)建工程復(fù)合式路面維修的有效對(duì)策并不多,偏向于挖補(bǔ)、銑刨重鋪、注水泥漿等措施,從工藝成熟度、工期、質(zhì)量控制效果、造價(jià)等方面綜合衡量,每種措施都難以契合復(fù)合式路面病害處治的特點(diǎn)。道路高聚物注漿作為近年來興起的一種新型路面維修加固措施,其與傳統(tǒng)的路面鉆孔注水泥漿這種較為類似的加固方式相比較見表2。
表2 路面鉆孔注水泥漿及道路高聚物注漿比較
由表2可見,道路高聚物注漿較傳統(tǒng)鉆孔注水泥漿相比,具有更好的適用性與實(shí)用價(jià)值。結(jié)合前文分析,針對(duì)該段復(fù)合式路面的現(xiàn)狀病害尚未發(fā)展到嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性病害的程度,尚處于反射裂縫(特別是新增反射裂縫)較多、剛性砼板低脫空加速發(fā)展的階段,解決脫空、松散、排除板底積水及阻塞路面水下滲為首要處治目標(biāo),加之改擴(kuò)建工程工期緊、行車干擾大的共性不利因素,道路高聚物注漿技術(shù)具備良好的適用性與預(yù)期處治效果。
佛開高速公路南段改擴(kuò)建工程舊路行、超車道路面為“白改黑”后再次加鋪4cm瀝青層的典型復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)。本次加鋪罩面前,結(jié)合前文分析及該項(xiàng)目邊通車邊施工、施工車輛干擾大、工期緊等特點(diǎn),采取道路高聚物注漿+抗裂貼方案處治舊路病害。本文僅對(duì)高聚物注漿應(yīng)用效果進(jìn)行分析,以YK52+680~YK52+750為試驗(yàn)段,進(jìn)行高聚物注漿應(yīng)用研究。
注漿孔沿裂縫兩側(cè)采用梅花形布設(shè),間距1.2~1.5m,孔徑為16mm,具體布設(shè)如圖5所示。鉆孔深度以穿透路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)入路基頂面為宜,清孔后沿鉆孔垂直打入PVC套管,以防止高聚物漿液進(jìn)入瀝青結(jié)構(gòu)層。注漿壓力控制在7MPa左右,以漿液在注漿管里失去流動(dòng)性無法繼續(xù)注入而通過注漿帽往外溢出時(shí)為停止注漿標(biāo)準(zhǔn)。靜置15s后分離注漿槍跟注漿帽,完成注漿施工。
圖5 注漿孔布設(shè)
借助無損檢測(cè)設(shè)備落錘式彎沉儀(FWD),其中FWD采用7t荷載,對(duì)試驗(yàn)段裂縫位置注漿前后沿裂縫兩側(cè)30cm左右處進(jìn)行彎沉測(cè)試(圖6),測(cè)試結(jié)果見表3。
圖6 FWD現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
表3 高聚物注漿前后裂縫兩側(cè)彎沉對(duì)比
由表3FWD檢測(cè)數(shù)據(jù)可知,注漿后FWD測(cè)值較注漿前整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),下降幅度較大。除參照點(diǎn)K52+688位置裂縫兩側(cè)彎沉差下降幅度在5%以內(nèi),其余各處工后彎沉差下降幅度在25%~50%之間,平均下降幅度達(dá)36%??梢姡呔畚镒{后路面結(jié)構(gòu)承載能力顯著提高。同時(shí),采用探地雷達(dá)(GPR)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)(圖7)。圖8為試驗(yàn)段路面探地雷達(dá)工前及工后掃描對(duì)比結(jié)果,GPR圖形數(shù)據(jù)反映高聚物注漿后該段路面結(jié)構(gòu)層深度約50cm以下范圍(對(duì)應(yīng)路面結(jié)構(gòu)層為剛性砼板以下),基本無脫空、松散及含水率異常等病害。
圖7 GPR現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
圖8 試驗(yàn)段高聚物注漿后雷達(dá)掃描圖
為進(jìn)一步驗(yàn)證高聚物注漿后的填充效果及形成發(fā)泡體和發(fā)泡體-泥石混合物的強(qiáng)度,利用高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目交通轉(zhuǎn)換實(shí)施后的有利條件,于工后1個(gè)月,隨機(jī)于K52+683、K52+718兩處裂縫位置進(jìn)行了抽芯檢測(cè),如圖9所示。
圖9 K52+683、K52+718位置注漿后1個(gè)月芯樣
兩處抽芯結(jié)果表明,裂縫位置下路面結(jié)構(gòu)層間存在顯著脫空,且脫空區(qū)域均被高聚物材料填充。K52+683裂縫處底基層潮濕,脫空發(fā)生在基層與底基層之間,且底基層底部材料松散并被較好地膠結(jié)成一個(gè)整體。K52+718裂縫處板底脫空明顯,注漿后于脫空區(qū)域形成一個(gè)高聚物材料薄層,水泥砼板被裂縫貫穿,縫隙間可見高聚物材料滲透其中。
因脫空區(qū)域形成高聚物材料發(fā)泡體形狀不規(guī)則且偏薄的限制,難以制作標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)試其抗壓及抗彎拉強(qiáng)度,僅能對(duì)K52+718位置芯樣中約3cm厚、直徑10cm的高聚物發(fā)泡固體進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試(圖10),經(jīng)過磨平處理后的接觸面積等效為一個(gè)約3cm×3cm的正方形,試件破壞時(shí)的抗壓強(qiáng)度約為4.4MPa。且從K52+718裂縫處板底的高聚物材料發(fā)泡體來看,其在經(jīng)歷了約1個(gè)月的施工重載車輛作用下,所取芯樣仍舊完整、固結(jié)良好且并無縫隙,間接說明高聚物材料在實(shí)體路面注漿工程中所形成的強(qiáng)度能夠滿足路面注漿材料的施工技術(shù)要求。
圖10 現(xiàn)場(chǎng)高聚物芯樣強(qiáng)度測(cè)試
道路高聚物注漿技術(shù)無論從材料上,還是施工工藝方面,較傳統(tǒng)注漿方法均具有較大優(yōu)勢(shì),較好地平衡了造價(jià)、質(zhì)量及工期三者的關(guān)系。
道路高聚物注漿技術(shù)較好地解決了“白改黑”后再加鋪瀝青層前的復(fù)合式路面病害處治問題,具備聚合物凝固時(shí)間短、滲透性好、填充物強(qiáng)度較高、抗行車干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。FWD、探地雷達(dá)及芯樣強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明,高聚物注漿可以減小彎沉、提高結(jié)構(gòu)承載力,填充脫空區(qū)域、使松散材料形成整體、提高強(qiáng)度,整體處治效果良好。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可為復(fù)合式路面病害維修決策提供參考和借鑒。