沥青混凝土路面高分子聚合物注浆技术研究
摘要
鉴于传统的沥青路面裂缝病害维修方法的不足，本文结合高聚物注浆技术的优点在南阳干线公路上的应用介绍了采用非开挖高聚物注浆技术处治沥青路面裂缝病害的一种新的路面养护方法。研究了高聚物注浆技术的技术原理、注浆施工方案、冷补料修补技术及竣工评价方法。实践证明高聚物注浆技术在沥青路面维修和养护中的应用是切实可行的,为今后这种技术在全市公路范围内的推广与应用积累了很多经验和借鉴意义。
关键词
沥青路面；注浆技术；高分子聚合物；公路养护
前言
裂缝病害是沥青路面早期损坏现象之一，裂缝的存在再加上外界环境和荷载的反复作用，加速了路面结构的破坏，早期遏制裂缝的发展并对其进行修补可以延长道路的使用功能和寿命[1-2]。因此，研究人员非常关注裂缝修补技术并对其做了大量研究：例如裂缝贴、沥青灌缝、灌缝胶修补裂缝、溶剂型改性沥青材料灌缝、水泥压浆、挖补、裂缝严重的直接铣刨沥青面层等技术，但是使用效果不理想[3-6]。本文研究了高聚物注浆技术的技术原理、注浆施工方案、冷补料修补技术及竣工评价方法并在S103郑新线新野宛城交界至龙背段公路进行实践。本路段作为南阳市南北方向的主要干线通道及南阳城区的主要出入市口道路，是新野县与南阳市的主要连通道路，由于近几年交通量和超限车辆的日益增多，路面病害每年都呈上升趋势，路面的强度已达不到要求，平整度、抗滑性极差，通行能力低。为此，尽快修复此段公路，使其正常发挥其所担负的省道公路路网功能，对区域内运输效益的提高和当地经济的发展，完善地方公路网有着十分重要的意义。
1.病害调查及历史教训
1.1路面病害调查
近年由于交通量和超限车辆的日益增多，个别路段路基变形严重，路面裂缝、坑槽、翻浆挖补段随处可见，见图1所示。
图1 路面病害
上述公路病害若不及时处治，路面表面的水经过裂缝渗入到道路结构层中，在源源不断车流的辗压下，路面出现泥浆，泥浆使路基土流失，导致道路底脱空，并小范围沉陷。随着脱空部的扩大，路面沉陷部位网裂，紧接着出现小坑槽，形成破坏，在病害路段出现连续小坑槽，造成道路破坏影响道路正常运营，并危及行车安全。
1.2历史教训
S103线南阳市宛城区大修竣工段，又在短时间内出现裂缝，原因是没有彻底治理病因，导致病害的重复发生，见图2所示。
图2 重复发生的路面病害
1.3路面病害检测方法
判断公路的强度检测路面弯沉值，用地质雷达设备对路面厚度、路基空洞、缺损与路面含水量等指标进行检测，观测纵向裂缝变形发展状况，判断是否是由于新老路基不均沉陷造成的路面裂缝，对路基进行土工试验，确认是否存在特殊土，诸如膨胀土等。
通过上述对病害的调查及检测，可以准确地判断病害的原因及地点，选用相应的治理方案，防止病害治理不彻底或处理方法有误而导致治理病害后又在短时间内重新发生。
2.路面病害治理方案选择
传统治理方案为：挖除路面结构层，挖除7cm沥青面层，挖除原18cm水泥稳定砂砾上基层，再回填20cm水泥稳定碎石基层+5cm中粒式改性沥青混凝土；两侧老路局部病害严重的挖除7cm沥青面层+18cm水泥稳定砂砾上基层，再回填18cm水泥稳定碎石基层+7cm粗粒式沥青混凝土（AC-25C），最后全幅通铺3cm细粒式沥青混凝土（AC-10C）。
高分子聚合物注浆技术治理方案是采取注高聚物和微表处方法，既能加强路基土基，根除病害又能恢复公路功能。较传统压注水泥浆方法可节约维修费用45%左右。非开挖注浆技术较传统的治理方法对路面损害小，操作简单，施工速度快，经济性高。
通过以上分析，公路病害路面段路基采用非开挖高聚物注浆治理，路面采用沥青混凝土罩面方案。
3.高分子聚合物注浆技术作用原理
高分子聚合物注浆技术是20世纪60年代起源于日本的一项基础工程设施快速维修技术，经过推广于70年代普及到欧美，已经在世界范围内的75,000多个工程中得到应用，主要解决水泥混凝土路面和沥青路面的抬升以及土基层的稳定等问题。其技术原理如图3、图4所示。通过路面钻孔至基层病害处，注入高分子聚合物原料，混合发生反应后，体积迅速增大。反应过程中材料在受阻力较小的方向膨胀更多，因此材料总是流向土基中最软弱的地方，进行膨胀和压密，以此达到解决公路病害问题。
图3 道路病害概念图
图4 新技术维修原理图
3.1高分子聚合物注浆技术特点
高分子聚合物反应后形成的固体材料自重轻，其密度不到水泥浆或沥青材料的10%。高分子聚合物材料的自由膨胀比可达20:1，可以填充脱空和裂缝，同时可以进一步压密周围介质。高分子聚合物材料能够迅速固化，可在15分钟内达到其最终强度的90%。材料具有良好的弹性，并具有较高的抗拉强度。高分子聚合物固化后材料具有良好的防水性能。高分子聚合物材料耐久性达30年以上。高分子聚合物对环境无污染。高分子聚合物注浆过程快捷，不需要养生，极大的缩短了施工时间。高分子聚合物注浆孔约16mm，对结构基本无损坏。高分子聚合物注浆过程可以实时监控。高分子聚合物还可用于建筑物地基加固、地板沉降修复、道路及机场道路维修等。
3.2高分子聚合物注浆技术施工方案
A及B两类高聚物材料和冲击钻、吹风机、切割工具、注射枪、发电机、注浆机及运载卡车等设备准备到位。施工人员包括管理人员2人，技术人员2人，技工6人，普工10人等进场。高分子聚合物注浆技术施工工艺流程为：交通管制→注浆路段定位→注浆孔布置→钻孔→下注浆管→安装注射帽→注浆→封孔→清扫环境→质量验收→开放交通，见图5～7所示。
1）交通管制：依照保通方案对注浆路段进行交通管制，交通管制期间，施工过程中作业人员必须统一穿着规定的醒目橘红色服装，现场负责人，技术员必须挂牌上岗、流动保通员在作业区内来回巡视，对作业区内标志、标牌及锥桶进行巡查，及时解除问题，发现车流量大时，要及时上报负责人，负责人应及时安排开放交通，不得因施工造成堵车现象：遇到政治任务时，积极配合路政交警工作，立刻撤离施工现场。
2）注浆路段定位：按照病害分布平面图及业主、监理指示，确定病害处治路段，合理安排施工方案。
3）注浆孔布置：注浆孔布置沿裂缝方向，间距0.6m。如遇到路面翻浆、唧泥处，找出地下脱空部，多孔注浆填充满地下贯通管，切断渗流管涌。
4）钻孔：把80cm长钻头安装到冲击钻上，钻孔至脱空或软弱地基层，约50cm～70cm。
5）安装注射帽：把注射帽凹型边缘使用专用工具清理干净，以便于与注射枪更好的结合，使用铁锤把已清理注射帽固定在公路上。
6) 注浆：根据施工及高聚物注浆技术要求，使用夹具把注射枪与注射帽夹牢。通过输料管道分别把A及B两类高聚物材料输送到注射枪口，两种材料通过注射枪口输送到路面病害处，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀。
7) 封孔：为防止雨水侵蚀，破坏路面，并保持路面的整体形象，使用水泥浆对注浆孔封孔。
8) 清扫环境及开放交通：使用铁刷对注浆孔及污染路面进行处理，并用笤帚对施工作业区进行清扫，清扫完毕后，施工作业区内车辆要有序地快速撤离施工作业区。
图5 注浆过程(钻孔、安装注射帽、注浆)
图6排出路基、地基地下水
图7 注浆前后，抬升沉降5cm
图8 渗透进入路基层孔隙形成层状防止雨水浸透及翻浆唧泥
4.冷补料修补技术
与高分子聚合物注浆技术配套的冷补料修补技术，是在注浆完成后针对表面不平整及坑槽区域，使用冷补料修补新技术。冷补料是一种高科技道路修补材料，可以全天候使用，适用于在任何天气和环境下补修各种不同类型的道路面层，如沥青混凝土道路、水泥混凝土道路、停车场、机场跑道等。
一般修补应将带修补的坑槽及四周的碎石、废渣清理干净，坑槽内不得存有泥浆、冰块等杂物。被修补的坑槽、沟槽应有整齐的切边，废渣的清除要见到固体坚固面为止。把足够的冷补材料添进坑槽，直到高出地面1.5cm 左右，高速公路和一般公路修补，其冷补料的投人量可增加10%左右。填满后坑槽中央应高于四周路面并呈弧形。如路面破损深度在5cm 以上时，填补工作应以 4cm为一层，分层填补，逐层压实，铺设均匀后，根据实地修补环境、修补面积大小和深度，选择适当的压实工具和方法进行压实。压实完成后可在表面均匀的撒上一层石粉或细砂，使用清扫工具来回清扫，以使细砂填满表面空隙。修补玩的坑槽表面应光洁、平整、无轮迹，坑槽四周和边角一定要压实、无松散等现象，普通修补压实度要达到93%以上。高速公路修补压实度要达到95%以上。冷补料修补技术施工过程见图9所示。
冷补料修补技术具有如下的优点：①低碳节能环保：在常温下拌和，没有或很少有二氧化碳排放。符合交通部建设低碳交通的要求。粉尘少、毒气小，对环境无污染。②造价低：拌和成本低，拌和成本只有热拌站的六分之一，施工结束时，多余材料可储存，无浪费。③施工方便：施工不受时间、温度条件的限制。它可以使用机械摊铺，也可使用人工摊铺，摊铺技术简单，一学就会，不需大型机械。④寿命长：即铺即通，其温稳性、回弹性好，塑性高、粘附性强，不车辙、不推移、不拥包、不龟裂，是热沥青混凝土路面寿命的2-3倍。
图9 冷补料修补坑槽
5.竣工评价方法
对工前、工后的弯沉值、地质雷达检测结果及锤击式路基路面强度检测仪进行比对，以此确定施工效果。特别是雨后是否出现翻浆、唧泥现象。
见图6～8所示，工程实例表明：
1）高聚物的膨胀性和防水性可以排开积水并填充脱空，同时强化土基以阻止脱空的延伸以及新的裂缝的形成。即能排出路基底部积水，填充脱空部。
2）高聚物注浆方法可以起到稳定作用，阻止唧泥进一步的沉降发生，还可以压密和稳定数米深的土基层。即能加固地基，提高道路承载力。
3）高聚物膨胀性不仅填充脱空，向上的膨胀力可以将凹陷的路面抬升，提升精度可以控制在毫米为单位，保证了精确性。即能修复路面平整度。
4）公路的破坏往往和水有着关系，如何防止水进入基层是防止路面破损的根本问题。注浆后材料会膨胀，搜寻并填充表面下的裂缝、漏洞、脱空和接缝，形成坚固、稳定和持久的防水层。即能防止水浸透，使膨胀土与水隔离。
6.结论
（1）应用高聚物注浆处治南阳干线公路沥青路面唧浆、脱空、裂缝等病害，效果良好，表明该技术能有效排导路面内部泥浆，填充脱空与裂隙，并挤密周围松散基层，提高路面结构强度，是处治路面深层病害的较好方法。
（2）高聚物注浆技术是一种快速高效的道路无损维修技术，其注浆孔直径小,注浆后采用沥青封孔，对道路组成结构影响十分微小，与此同时具有施工迅速，对交通影响小等优点。
（3）高分子聚合物注浆技术作为一种新型的加固技术，在填充脱空、提高路面强度、排出下层积水等方面有良好的效果并且对路面破坏小，精确可控，维修过程方便快捷，对交通运营影响很小。
（4）从现场施工情况和后期的发展来看,高聚物注浆技术在填充材料之间的空隙的同时,能够排出路面以下的积水，并由于高聚物材料渗透系数较小的特点使其起到防渗的功能.较为有效地解决了沥青路面的渗水问题。
（5）高聚物注浆技术是一种方便快捷和高效的方法,其有着许多传统方法所不具备的优点，在旧路改扩建及其他基础工程设施的维修领域有着广阔的应用前景。
参考文献
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注：本文发表在《公路》杂志2015年第4期。