張光勇， 劉建均， 王海朋

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 611130；2.公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，四川 成都 611130；3.四川省路面結(jié)構(gòu)材料及養(yǎng)護工程實驗室，四川 成都 611130； 4.成都嘉新科技集團有限公司， 四川 成都 610042)

0 引言

道路建成通車以后，路面在交通荷載、環(huán)境、溫度等綜合作用下，會出現(xiàn)基層脫空、沖刷、局部強度不足等病害。當前，處理這些病害常用的方式主要包括開挖重鋪和注漿加固等。開挖重鋪具有施工周期長、交通干擾大、費用高的缺點；而注漿加固維修由于成本低、工藝簡單和開放交通快等優(yōu)點，在道路非開挖補強維修中的應(yīng)用日趨廣泛，成為路面基層病害補強常用的方法[1-3]。注漿加固法是在非開挖條件下，通過施壓的方式將注漿材料注入到路面基層病害部位形成強度，來提高路面基層的承載能力和耐久性能。注漿材料的性能是影響該技術(shù)的關(guān)鍵，目前主要的注漿材料有水泥基、高聚物和地聚物3種[4]。相關(guān)研究表明，3種材料中，地聚物由于具有氧化物三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在高溫下亦能保持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性，具有比水泥基和高聚物注漿材料更高的強度、硬度、韌性、高溫穩(wěn)定性和抗凍性，與基層材料界面能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而與基層形成整體[5-6]。

但是，地聚物注漿材料的性能受材料配比影響較大，材料過濕會影響材料凝結(jié)時間、強度等性能，過干則會影響材料的流動和滲透效果。因此，本文首先從地聚物注漿材料性能的影響因素出發(fā)確定地聚物材料配比，然后在實體工程中分析材料的應(yīng)用效果，為地聚物注漿技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面半剛性基層非開挖補強中提供技術(shù)依據(jù)。

1 原材料及試驗

1.1 原材料

1) 礦渣粉。Al2O3含量15%～20%和CaO含量40%～50%的礦渣粉激發(fā)效果最佳，本試驗采用的礦渣粉Al2O3含量為15.6%，CaO含量為42.4%。

2) 堿激發(fā)劑。采用粉體硅酸鈉和NaOH，其中：SiO2含量21.8%，Na2O含量61.5%，模數(shù)3.04，NaOH的有效含量99%。

3) 膨脹劑。采用發(fā)泡劑，發(fā)泡劑有效成分98%，發(fā)氣量為210 mL/g。

4) 防沉劑。采用一種具有優(yōu)異的抗浮水和離析能力的黏度改性劑，摻量為膠凝材料的0.05%。

5)消泡劑。采用有機硅消泡劑，由聚硅氧烷、特種乳化劑、高活性聚醚消泡劑經(jīng)特殊工藝聚合而成。試驗采用的消泡劑能不受介質(zhì)的pH值和電解質(zhì)影響，穩(wěn)定性高，能有效地抑泡和消泡，摻量為材料總質(zhì)量的0.1%。

6) 保水劑。采用的低黏度保水劑為纖維素，中等取代度(1.40～1.70)，活性成分≥94%，具有良好的保水性和流變性，摻量為材料總質(zhì)量的0.05%。

7) 表面活性劑。采用聚羧酸系高效減水劑，其中氯離子含量0.026%，總堿量0.91%，減水率28%，摻量為材料總質(zhì)量的0.2%。

1.2 試驗方案

影響地聚物注漿材料應(yīng)用效果的主要因素為堿激發(fā)劑模數(shù)和摻量、水膠比摻量和膨脹劑摻量，因此在固定其他原材料摻量的基礎(chǔ)上，首先研究這幾項參數(shù)對注漿效果的影響規(guī)律，最終確定地聚物注漿材料的最佳配比，然后在實體工程中應(yīng)用，分析應(yīng)用效果。

堿激發(fā)劑的模數(shù)是影響堿激發(fā)劑使用效果的關(guān)鍵。通過NaOH調(diào)整硅酸鈉的模數(shù)，形成不同模數(shù)的硅酸鈉，硅酸鈉模數(shù)的計算如式(1)所示，在7%固定摻量下分析堿激發(fā)劑對注漿材料性能的影響，外加劑摻量均為其最佳摻量，水膠比固定為0.4(激發(fā)劑與礦渣粉均視為膠凝材料)，得出堿激發(fā)劑的最佳模數(shù)，在最佳模數(shù)下變化堿激發(fā)劑的摻量，分析堿激發(fā)劑摻量對地聚物注漿材料性能的影響規(guī)律。

(1)

式中：mNaOH為氫氧化鈉的質(zhì)量，g；P為氫氧化鈉的純度，%；ω為原水玻璃中的質(zhì)量分數(shù)，%；Ms’為改性后水玻璃模數(shù)；M為摩爾質(zhì)量，g /mol。

地聚合物的流動度和泌水率與水膠比有著直接關(guān)系，而膨脹率則與膨脹劑摻量有直接關(guān)系，通過標準確定水膠比與外加劑的摻量，從而確定地聚物注漿材料的配合比。

1.3 試驗方法

1) 材料攪拌工藝。將礦渣粉、堿激發(fā)劑、膨脹劑、消泡劑、保水劑和表面活性劑按照配比加入容器中，加入所需水量的80%，攪拌機以750 r /min轉(zhuǎn)速攪拌1 min；然后加入剩余用水，攪拌30 s后出機檢測。

2) 試驗方法。流動度采用倒錐法試驗，以流完規(guī)定體積的地聚合物注漿料所需時間來表征。測定時，先將漏斗調(diào)整放平，關(guān)上底口法蘭，將攪拌均勻的地聚物注漿料倒入測定儀直至體積為(1725±5)mL；打開法蘭，同時開始記錄時間，至注漿料完全流出，測得的流秒數(shù)即為注漿料流動度。

凝結(jié)時間采用維卡儀檢測。測定時，將制成的地聚合物凈漿裝入圓模內(nèi)，振動數(shù)次后刮平，放入養(yǎng)護箱內(nèi)；測定前，將圓模放在維卡儀上，使用初凝試針，降低試針與水泥凈漿表面接觸。擰緊螺絲1～2 s后，突然放松，試針垂直自由地沉入地聚合物，觀察試針停止下沉或釋放試針30 s時指針的讀數(shù)。當試針沉至距底板(4±1)mm時，即達到初凝狀態(tài)，從地聚合物加入水中至初凝狀態(tài)的時間為初凝時間。在完成初凝時間測定后，立即將試模連同漿體以平移的方式從玻璃板取下，翻轉(zhuǎn)180°，直徑大端向上，小端向下放在玻璃板上，同時換上終凝試針，當試針沉入試體0.5 mm時，即環(huán)形附件開始不能在試體上留下痕跡時，即達到終凝狀態(tài)，從地聚合物加入水中至終凝狀態(tài)的時間為終凝時間。

泌水率與膨脹率使用同一儀器測定，試驗儀器用有機玻璃制成，高120 mm，帶有密封蓋，放于水平面上。測定時，往容器內(nèi)填灌地聚合物注漿料約100 mm深，記錄液面高度，然后蓋嚴。放置3h和24 h后，測量其離析水面與膨脹面，并分別按式(2)和式(3)計算泌水率與膨脹率。

(2)

(3)

式中：a1為最初填灌的基材漿面；a2為泌水面；a3為膨脹后的基材漿面。

耐水性測定時，將地聚合物制成40 mm×40mm×160 mm的試樣，把其中一部分放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d測定其強度。另一部分在28 d養(yǎng)護周期后放在水中浸泡30 d，測定試件的強度。耐水性按式(4)計算。

(4)

式中：L為耐水性，%；P1為30 d強度，MPa;P0為標養(yǎng)強度，MPa。

采用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模成型試件，測定地聚合物1、7、28 d齡期的抗壓強度。

2 地聚物材料性能的影響因素分析及配比確定

2.1 激發(fā)劑模數(shù)對地聚物注漿材料性能的影響

激發(fā)劑模數(shù)對地聚物注漿材料凝結(jié)時間、流動度和抗壓強度的影響如圖1所示?？梢钥闯?，在相同的礦渣粉和激發(fā)劑摻量下，凝結(jié)時間與激發(fā)劑模數(shù)成負相關(guān)，即模數(shù)越小，凝結(jié)時間越快；在模數(shù)低于1.2時，地聚合物的凝結(jié)時間開始明顯減?。挥绕洚斈?shù)為0.6時，地聚物發(fā)熱量大，凝結(jié)時間大大減小，導(dǎo)致流動度無法檢測，成型困難。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面因激發(fā)劑不同模數(shù)下的激發(fā)能力不同引起，還有一方面是由于模數(shù)降低，需要NaOH的量增大，溶解時放出大量的熱量。激發(fā)劑模數(shù)對于地聚合物出機的流動度影響較小，其值保持在14～16 s。激發(fā)劑模數(shù)越低對于地聚合物早期1 d強度的激發(fā)越有利，而對28 d的強度影響較小，對于本地聚物注漿材料，激發(fā)劑模數(shù)存在最佳的范圍，為0.8～1.4。

(a) 凝結(jié)時間

2.2 激發(fā)劑摻量對地聚物注漿材料性能的影響

將激發(fā)劑的模數(shù)固定為1.0進行試驗，激發(fā)劑的摻量對于地聚物注漿材料凝結(jié)時間、流動度和抗壓強度的影響如圖2所示?？梢钥闯?，地聚物注漿材料的凝結(jié)時間隨激發(fā)劑摻量的增長逐漸降低，呈指數(shù)模型規(guī)律變化。激發(fā)劑摻量小于3%時，地聚合物注漿料的凝結(jié)時間較長，1 d強度較低；隨著激發(fā)劑摻量增加，凝結(jié)時間開始迅速縮短，強度開始提高。當摻量達到11%時，凝結(jié)時間過短，不利于施工操作。因此激發(fā)劑摻量在5%～9%時較為合適。激發(fā)劑摻量對地聚物注漿材料的流動度并沒有實質(zhì)性影響。

(a) 凝結(jié)時間

2.3 水膠比對地聚物注漿材料性能的影響

將激發(fā)劑的模數(shù)固定為1.0，摻量固定為7%，不同水膠比對于地聚物注漿材料凝結(jié)時間、流動度、泌水率和抗壓強度的影響如圖3所示?？梢钥闯?，地聚物注漿材料的性能對水膠比都非常敏感，當水膠比超過0.42后，漿體出現(xiàn)沉降和泌水現(xiàn)象，抗壓強度明顯下降，凝結(jié)時間明顯過長；而水膠比低于0.38時，流動度增加，無法正常進行灌注施工。因此水膠比應(yīng)控制為0.38～0.42。

(a) 凝結(jié)時間

2.4 膨脹劑摻量對地聚物注漿材料性能的影響

膨脹劑可防止地聚物注漿材料收縮，并通過膨脹性保證漿體的密實性。將激發(fā)劑的模數(shù)固定為1.0，摻量為7%，水膠比為0.4，進行試驗，不同膨脹劑摻量對地聚物注漿料凝結(jié)時間、流動度、泌水率和抗壓強度的影響如圖4所示?？梢钥闯?，隨膨脹劑摻量增多，凝結(jié)時間緩慢增長，地聚物注漿材料由收縮逐漸變?yōu)榕蛎?，當摻量超過0.02%時，注漿材料的膨脹率達到標準要求。膨脹劑摻量在0.04%以下時，對于注漿材料的強度和流動度沒有明顯影響。

(a) 凝結(jié)時間

2.5 配比確定

綜上確定地聚物注漿材料的配比如表1所示，其中水料比固定為0.4，性能檢測結(jié)果如表2所示。

表1 地聚物注漿材料配比礦渣粉堿激發(fā)劑(n=1.0)膨脹劑消泡劑保水劑表面活性劑防沉劑920800.210.520.5

表2 地聚物注漿材料性能流動度/s初凝時間/min終凝時間/min泌水率/%膨脹率/%耐水性/%抗壓強度/MPa1 d7 d28 d14.719300.10.189918.332.638.4

3 地聚物注漿技術(shù)應(yīng)用效果分析

為了分析地聚物注漿技術(shù)的應(yīng)用效果，采用上述配比在成南(成都-南充)高速上某試驗段(40 m)進行了地聚物注漿補強，路面結(jié)構(gòu)為：罩面層為3 cm厚的SMA-10，上面層為4 cm厚的AK-13，中面層為5 cm厚的AC-20I，下面層為6 cm厚的AC-25Ⅱ，基層為30 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石。為直觀地觀察注漿效果，補強位置為明顯唧漿點。對注漿前后路面進行彎沉、地質(zhì)雷達檢測和觀察，分析了地聚物注漿技術(shù)的應(yīng)用效果。

3.1 落錘式彎沉儀(FWD)動態(tài)彎沉檢測結(jié)果

圖5為試驗段近車道中心線與近路肩處，注漿前、注漿后養(yǎng)護4 h、7 d和28 d齡期的動態(tài)彎沉實測曲線?？梢钥闯觯缆分行木€、近路肩處注漿后4 h和7 d的動態(tài)彎沉相較于注漿前有一定程度增大，到28 d明顯降低，表明地聚物注漿后期強度較高，對提高路面整體剛度效果顯著。

(a) 近車道中心線位置處

3.2 地質(zhì)雷達探測結(jié)果

注漿前后近路中心線和近路肩處地質(zhì)雷達探測圖像分別如圖6和圖7所示?？梢钥闯觯{前，路面結(jié)構(gòu)層和路基結(jié)構(gòu)層的地質(zhì)雷達圖像較為清晰且均勻，單從地質(zhì)雷達圖像上看，路面及路基結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)相關(guān)病害。但從注漿后地質(zhì)雷達圖像可以看出，路表面以下1.5～2 m范圍內(nèi)，圖像波動較為劇烈，波動范圍有一定程度的增大，尤其是近路中心線處地質(zhì)雷達測試圖像。這主要是由于漿液注入，一方面在擠出路基空洞中的水分并填充的同時滲透入了周圍土體當中，并形成一體，改變了空洞周圍土體的介電常數(shù)，使得圖像波動的范圍有所增大；另一方面，漿液沿路基深度方向進行滲透時也會滲透到周圍土體當中，改變了周圍土體的介電常數(shù)，使得圖像波動的范圍增大。但從另一角度來看，注漿后，地質(zhì)雷達圖像的變化也是漿液是否注入以及注入后的填充深度和影響范圍的另一個有效說明。

(a) 注漿前

3.3 注漿后路面狀況后評價

注漿3 d后，通過開挖檢查注漿效果，發(fā)現(xiàn)地聚物的分散性較好，與原松散基層的碎石膠結(jié)較好，如圖8所示。鉆取兩塊芯樣(直徑150，高徑比1∶1)，一塊自然養(yǎng)生，一塊標準養(yǎng)生，進行7 d無側(cè)限抗壓強度：自然養(yǎng)護為16.4 MPa，標準養(yǎng)護為18.0 MPa。注漿路面經(jīng)4個月服役后，路面整體狀態(tài)良好，且未發(fā)現(xiàn)唧漿現(xiàn)象，如圖9所示。這表明漿液的注入使松散的路面基層很好地板結(jié)為一體，阻斷了上部雨水的滲入通道，進而消除了唧漿現(xiàn)象的發(fā)生。

圖8 現(xiàn)場開挖注漿板結(jié)效果明顯

圖9 4個月后路面狀態(tài)

4 經(jīng)濟效益分析

在路面改建中，采用傳統(tǒng)的銑刨重鋪技術(shù)，每處基層病害處治直接費用約2萬余元，如果單次處治，費用可達5萬余元。而采用本項目中的技術(shù)對路面的補強造價一般為100～150元 /m2。從技術(shù)經(jīng)濟角度比較，造價大幅降低。

5 結(jié)論

1) 激發(fā)劑模數(shù)越大，地聚物注漿材料凝結(jié)速度越慢，強度呈現(xiàn)降低趨勢，流動度沒有顯著的影響規(guī)律，激發(fā)劑模數(shù)存在最佳范圍，為0.8～1.4；隨激發(fā)劑摻量增大，地聚物注漿材料的凝結(jié)速度顯著加快，強度提高，流動度沒有顯著的影響規(guī)律，最佳摻量范圍為5%～9%。

2) 水膠比越大，地聚物注漿材料的凝結(jié)速度越慢，流動性越大，泌水率越大，抗壓強度有降低趨勢。水膠比大于0.42后，泌水率急劇增大。水膠比的最佳范圍為0.38～0.42。

3) 膨脹劑摻量越大，地聚物注漿材料的凝結(jié)速度越慢，抗壓強度略微降低，由收縮逐步變?yōu)榕蛎?。最佳摻量范圍?.02%～0.04%。

4) 采用地聚物注漿后，瀝青路面的表面彎沉隨養(yǎng)生齡期先增大后降低，28 d齡期彎沉顯著低于未注漿路面彎沉，補強效果顯著。注漿前后，地質(zhì)雷達圖像發(fā)生顯著變化，注漿滲入深度達路表以下1.5～2 m范圍內(nèi)。開挖路面，注漿材料板結(jié)效果好，路面表面狀態(tài)良好。

5) 經(jīng)濟效益：本技術(shù)應(yīng)用于高速公路的路面基層預(yù)防性養(yǎng)護，能夠及時對路面基層進行處治，具有極高的經(jīng)濟效益。