呂錫平,張榮利,李善強

(1.廣東省公路建設有限公司，廣州 510623；2.佛開高速公路南段改擴建項目管理處，廣東 江門 529000；3.廣東華路交通科技有限公司,廣州 510420)

0 引言

目前，我國高速公路建設的重點工作向養(yǎng)護及改擴建方向發(fā)展的特點日趨明顯。就廣東省來說，由于交通量增長遠超設計預期，重車比例多，路網(wǎng)通行服務水平逐年降低，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，這種路面存在剛柔相接的問題，極易出現(xiàn)水泥砼板底脫空、松散、錯臺及反射裂縫等病害[1]。

琚曉輝[2]通過對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，對防治反射裂縫具有較好的效果；馬祥輝[3]通過室內試驗，對比研究了應力吸收層、土工布及夾層的處治效果，表明應力吸收層防治效果較好，但價格較高；池垂文[4]介紹了高分子注漿在改擴建工程中的應用，但是缺乏現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。

綜上所述，現(xiàn)有研究更多集中于復合式路面反射裂縫防治方面，而對于改擴建工程的反射裂縫處治研究尚不多見。因此，本文分析了復合式路面病害特點及成因，并結合工程實例探索，為高速公路改擴建工程復合式路面病害處治提供了一種快速、可行的解決方法。

1 復合式路面病害成因機理分析

佛開高速公路南段改擴建工程共和互通以北段全長14.5km，雙向車道“四改八”，既有舊路路面結構形式為：(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年進行加鋪，本次改擴建擬再直接加鋪4cm SMA-13上面層。

1.1 病害特點

根據(jù)統(tǒng)計分析2016年及2018年舊路面行車道病害調查數(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，貫穿整個行車道寬度，且連續(xù)橫縫間距多在5m或5m以內，如圖1所示。

圖1 連續(xù)橫縫分布特點

受擴建開挖施工影響，舊路土路肩挖除形成臨空面導致舊路面失去側向約束作用，在行車、雨水、施工擾動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?？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，縫長較長，如圖2所示。

圖2 縱縫分布特點

1.2 典型病害成因機理分析

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”性質的復合式路面結構。由于通車運營時間較長、車流量大(交通量達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，路面質量參差不齊，原剛性基層板間布設的傳力桿及拉桿出現(xiàn)部分失效，路面應力集中在水泥砼剛性板切縫處，板塊之間產生豎向滑動。隨著氣溫的變化及長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)展導致上層瀝青砼底面開裂，繼而向上擴展至表面出現(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，水泥板被動性地收縮，并因層間粘結致使瀝青路面結構層一起產生收縮，水泥板接縫及裂縫位置頂面的瀝青砼面層區(qū)域發(fā)生拉應力集中的狀況，拉應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，水分進入路面結構層內部，車輛經(jīng)過時，將會在剛性板底形成高壓水，在板底接縫處及板縫之間反復高速流動，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)裂等嚴重的結構性病害[6]。

圖3 復合式路面水泥砼剛性板脫空演化

2 道路高聚物注漿機理及適應性分析

2.1 注漿機理

道路高聚物注漿的技術原理是將溶液型A、B兩種高聚物材料，按一定配比由加壓設備經(jīng)鉆孔同時注入至路面不同深度的結構層中。A、B兩種材料相遇時在路面內部發(fā)生劇烈的化學反應，體積迅速膨脹形成發(fā)泡體(強度約0.7～10MPa，受密度影響較大)，產生很大的膨脹壓力(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)生屈服破壞并產生劈裂縫隙，高聚物漿液進一步沿著裂縫進入周邊介質并擠密周圍松散介質[8]。反應完成后，實現(xiàn)抬升路面沉陷，填充脫空區(qū)域，增強路面結構整體性及承載能力的目的。

圖4 道路高聚物注漿機理

2.2 技術特點及適應性分析

道路高聚物注漿技術的特點主要包括兩個方面。一方面是高聚物材料，其具有以下典型特征：(1)早強及高膨脹，反應后15min內即可達終強的90%，自由膨脹比可達20:1；(2)反應后形成的發(fā)泡狀固體自身具有良好的韌性、彈性以及強度特性，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本身又具備以下技術優(yōu)勢：(1)非開挖注漿加固，對路面損傷微小，注漿孔徑僅16mm；(2)現(xiàn)場施工工藝簡單，施工速度快；(3)施工完成后無需特別養(yǎng)生，質量控制難度相對較小；(4)一次鉆孔，即可實現(xiàn)多層修復，擴散半徑達0.4～0.6m；(5)施工過程對路面及周邊環(huán)境污染極小，便于清理；(6)擠水、防水效果好，預防性養(yǎng)護效果顯著。

目前針對復合式路面尤其是高速公路改擴建工程復合式路面維修的有效對策并不多，偏向于挖補、銑刨重鋪、注水泥漿等措施，從工藝成熟度、工期、質量控制效果、造價等方面綜合衡量，每種措施都難以契合復合式路面病害處治的特點。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用價值。結合前文分析，針對該段復合式路面的現(xiàn)狀病害尚未發(fā)展到嚴重結構性病害的程度，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，加之改擴建工程工期緊、行車干擾大的共性不利因素，道路高聚物注漿技術具備良好的適用性與預期處治效果。

3 實體工程應用

佛開高速公路南段改擴建工程舊路行、超車道路面為“白改黑”后再次加鋪4cm瀝青層的典型復合式路面結構。本次加鋪罩面前，結合前文分析及該項目邊通車邊施工、施工車輛干擾大、工期緊等特點，采取道路高聚物注漿+抗裂貼方案處治舊路病害。本文僅對高聚物注漿應用效果進行分析，以YK52+680～YK52+750為試驗段，進行高聚物注漿應用研究。

3.1 注漿方案

注漿孔沿裂縫兩側采用梅花形布設，間距1.2～1.5m，孔徑為16mm，具體布設如圖5所示。鉆孔深度以穿透路面結構層進入路基頂面為宜，清孔后沿鉆孔垂直打入PVC套管，以防止高聚物漿液進入瀝青結構層。注漿壓力控制在7MPa左右，以漿液在注漿管里失去流動性無法繼續(xù)注入而通過注漿帽往外溢出時為停止注漿標準。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

3.2 注漿效果評價

借助無損檢測設備落錘式彎沉儀(FWD)，其中FWD采用7t荷載，對試驗段裂縫位置注漿前后沿裂縫兩側30cm左右處進行彎沉測試(圖6)，測試結果見表3。

圖6 FWD現(xiàn)場檢測

表3 高聚物注漿前后裂縫兩側彎沉對比

由表3FWD檢測數(shù)據(jù)可知，注漿后FWD測值較注漿前整體呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度較大。除參照點K52+688位置裂縫兩側彎沉差下降幅度在5%以內，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36%。可見，高聚物注漿后路面結構承載能力顯著提高。同時，采用探地雷達(GPR)現(xiàn)場檢測(圖7)。圖8為試驗段路面探地雷達工前及工后掃描對比結果，GPR圖形數(shù)據(jù)反映高聚物注漿后該段路面結構層深度約50cm以下范圍(對應路面結構層為剛性砼板以下)，基本無脫空、松散及含水率異常等病害。

圖7 GPR現(xiàn)場檢測

圖8 試驗段高聚物注漿后雷達掃描圖

為進一步驗證高聚物注漿后的填充效果及形成發(fā)泡體和發(fā)泡體-泥石混合物的強度，利用高速公路改擴建項目交通轉換實施后的有利條件，于工后1個月，隨機于K52+683、K52+718兩處裂縫位置進行了抽芯檢測，如圖9所示。

圖9 K52+683、K52+718位置注漿后1個月芯樣

兩處抽芯結果表明，裂縫位置下路面結構層間存在顯著脫空，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成一個整體。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，難以制作標準試件測試其抗壓及抗彎拉強度，僅能對K52+718位置芯樣中約3cm厚、直徑10cm的高聚物發(fā)泡固體進行無側限抗壓強度測試(圖10)，經(jīng)過磨平處理后的接觸面積等效為一個約3cm×3cm的正方形，試件破壞時的抗壓強度約為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個月的施工重載車輛作用下，所取芯樣仍舊完整、固結良好且并無縫隙，間接說明高聚物材料在實體路面注漿工程中所形成的強度能夠滿足路面注漿材料的施工技術要求。

圖10 現(xiàn)場高聚物芯樣強度測試

4 結語

道路高聚物注漿技術無論從材料上，還是施工工藝方面，較傳統(tǒng)注漿方法均具有較大優(yōu)勢，較好地平衡了造價、質量及工期三者的關系。

道路高聚物注漿技術較好地解決了“白改黑”后再加鋪瀝青層前的復合式路面病害處治問題，具備聚合物凝固時間短、滲透性好、填充物強度較高、抗行車干擾能力強等特點。FWD、探地雷達及芯樣強度試驗結果表明，高聚物注漿可以減小彎沉、提高結構承載力，填充脫空區(qū)域、使松散材料形成整體、提高強度，整體處治效果良好。工程實踐經(jīng)驗可為復合式路面病害維修決策提供參考和借鑒。