2024世界交通运输大会 投稿须知     典型人物
高速公路沥青路面裂缝非开挖注浆技术创新应用
作者:|江苏宁靖盐高速公路有限公司 朱新春 周金强 朱连照 陈欣 吴骞 来源:《中国公路》 时间:2023-08-22

半刚性基层沥青路面是目前我国公路建设中路面基层的基本结构类型,被广泛应用于我国高等级公路的建设中。但多年的应用情况表明,半刚性基层材料固有的干缩、温缩特性容易导致裂缝产生,且针对半刚性基层裂缝的修复,并没有行之有效的处治措施,而广泛采用的灌缝、局部挖补、连续铣刨等处治方法并不能根治路面结构内部裂缝,病害容易复发。因此,如何有效处治半刚性基层沥青路面开裂问题正成为工程研究领域的重要课题之一。

裂缝非开挖注浆技术是一项为解决沥青路面裂缝发展速度快、常规处治技术效果欠佳问题而研发出的非开挖注浆修补技术,其通过高渗透、高强度、耐水型、早强型化学扩张凝胶注浆材料,利用专业化配套施工装备和标准化施工工艺,采用压力注浆形式,对松散、裂缝部位进行黏结修复,可提升路面结构的板体性并有效修复路面隐性病害。依托盐城至靖江高速公路和江海高速公路沥青路面养护维修工程,江苏宁靖盐高速公路有限公司(以下简称“宁靖盐公司”)通过开展“雷达检测+非开挖注浆修复”专项设计,先使用探地雷达设备检测裂缝发展程度及深度,在利用配套的注浆压力设备将渗透性好、强度高、黏性强的双组分耐水型高聚物注浆材料注入路面裂缝与缺陷中,最终对裂缝与缺陷进行充分填充与强度修复,上述两条高速公路经过应用裂缝非开挖注浆至今已通车一年半时间,现场无裂缝复发,注浆处治效果耐久性良好。

QQ截图20230822084338.png

非开挖注浆原理

非开挖注浆技术作为一项综合性处治技术,首先需要明确裂缝成因,再根据裂缝规律及特征建立科学合理的检测方法,进一步细化裂缝诊断精度,最终为处治对象开发针对性较强的修复材料并建立一套标准化处治工艺及质量验评标准。

注浆技术适用性

据研究得知,沥青路面裂缝类型主要包括不均匀沉降型裂缝、温度型裂缝及荷载型裂缝。通过综合分析沥青路面不同类型裂缝形成机理,确定以温度型及荷载型的自下而上发展的基层横向裂缝为非开挖注浆处治对象。

温度型裂缝 在较高温度条件下,沥青材料具有良好的应力松驰性能,温度升降产生的变形不致于产生过大的温度应力,但当气温大幅度下降时,沥青材料会逐渐发硬并开始收缩。此时,半刚性基层底部会产生拉应力,当拉应力沥青混合料的应力松驰赶不上温度应力增长时,混合料劲度急剧增大。由于沥青面层在路面中受到约束,其所产生的收缩拉应力或拉应变一旦超过沥青混合料的抗拉强度,则会导致沥青面层开裂。当该情况在沥青面层与基层附着力不够好、允许有一定的自由收缩时,裂缝就更容易产生。由于沥青路面宽度有限,收缩受路面结构的相互约束小,故低温裂缝主要为横向形态。因此,病害发展至基层的温度型裂缝宜采用非开挖注浆技术处治。

荷载型裂缝 该类型裂缝主要由行车荷载引起。在车轮荷载作用下,大于半刚性基层材料的抗拉强度时,半刚性基层底部就会很快开裂,在行车荷载反复作用下,底部裂缝会逐渐扩展到上部,并使沥青面层也产生开裂破坏。一方面,影响拉应力的主要因素包括面层厚度、基层本身厚度、基层回弹模量和下承层回弹模量;另一方面,轮胎荷载产生的路表竖向剪应力易造成“Top-Down”(纵向裂缝),这种裂缝也是沥青路面常见裂缝之一。病害发展至基层的荷载型裂缝宜采用非开挖注浆技术进行处治。

裂缝检测方法

肉眼一般仅能区分沥青路面表面裂缝,无法识别基层内部深层次的裂缝病害,故需要借助精度较高的探地雷达设备识别。

探地雷达利用高频电磁波(主频为数十兆赫、数百兆赫乃至千兆赫)以宽频带短脉冲形式,由地面通过发射天线T送入地下,经地下地层或目标体反射后返回地面,由地面接收天线R接收,通过对接收波场进行成像分析,获取地下目标的探测图像。

注浆技术设计理念

传统的无机注浆材料一般属于颗粒型浆体,因此渗透性存在一定局限性,对于沥青路面裂缝的修补效果难以保证,同时由于其需要较长的养生时间,因此对道路交通影响较为显著,因此无机注浆材料对于沥青路面裂缝修补存在一定的局限性。而高聚物等有机注浆材料虽然其渗透性能优异,能够对路面微小裂缝进行填充、黏接,但由于其养生时间短、材料强度高等特点,存在发泡倍数过高、遇水敏感等重要问题,因此迫切需要开发一种微膨胀、渗透性好、强度形成快、黏结力强、耐久性高的高性能有机注浆材料。

宁靖盐公司设计的有机无水反应型胶凝材料借鉴高聚物注浆原理,在常规聚氨酯等材料优势的基础上,结合实际需求,重点解决了高聚物发泡速度过快、膨胀比例过大、基层黏结差等问题。具体设计理念为:首先,采用双组分设计方法,由于高聚物发泡反应迅速,压力渗透和化学扩张过程同时进行,在极短时间内需要完成浆液对裂缝的填充,同时考虑到浆液反应时间过短不利于浆液流动,反应时间过长又会影响浆液与裂缝破损面黏结,因此将时间初步设定在20秒以内;其次,改性聚氨酯注浆材料强度形成比无机注浆类材料更快,因此要求15分钟内即达到早期强度,满足开放强度需求;再次,通过加入增韧剂,在提供较高强度的同时,提高材料的柔韧性及拉伸伸长率,此外拟选用能与水稳碎石发生化学交联反应的基体材料,提升有机注浆材料与水稳材料间的黏结强度;最后,考虑到高速公路裂缝发展宽度一般均较小,为了确保注浆饱满度,要求材料应具有高渗透性。

双组份改性聚氨酯在枪头充分混合后,会发生剧烈反应、产生气体,并迅速乳化,膨胀,在设备高压及气体压力双重作用下将改性聚氨酯材料挤入裂缝深处,从而对裂缝进行充分渗透。在前期反应的初始阶段,通过添加特种助剂,使得改性聚氨酯材料具有很低的黏度和极好的流动性,在压力作用下能够充分渗透到细微裂缝的深处,充分对裂缝进行封堵修复。双组份改性聚氨酯灌缝材料原料具有高强活性基团,能够与很多材料的活泼氢发生快速而激烈的反应,并在短时间内产生强度。注浆材料主剂和固化剂反应生成的改性聚氨酯材料,具有优异的柔韧性、强度与黏结性,同时,固化剂中的-NCO基团会与半刚性基层中的活性氢基团发生反应,进一步增加黏结强度。

注浆材料开发思路

有机注浆材料开发采用双组份改性聚氨酯注浆材料,分为A组份(主剂)和B组份(固化剂)。其中主剂主要成分包括多元醇和助剂,助剂则包括增韧剂、催化剂、匀泡剂等。固化剂是异氰酸酯,在材料中作为硬段,使得材料保持较高的强度,其种类繁多,常用异氰酸酯油MDI、TDI、HDI、PAPI、IPDI,以及M/T(MDI/TDI)体系等。通过室内

试验,明确了主剂中复合多元醇的配比(m多元醇1/m,多元醇2=80:20)和主机与固化剂的比例(固化剂为PAPI-2,主剂/固化剂=1:0.85),增韧剂用量为8%,活性分子筛A3在主剂中的掺量为30%,匀泡剂用量为0.8%,催化剂用量为3.2%。

开发过程中,宁靖盐公司重点解决了聚氨酯水敏感型封端关键技术。即传统聚氨酯材料遇水十分敏感,少量处水汽即会导致材料膨胀数倍,性能迅速衰减,而基层裂缝内部不可避免地会存在大量水,传统聚氨酯注浆材料进入裂缝深处,遇水之后迅速膨胀,在裂缝狭小的空间内会导致周边路面被顶起,同时膨胀过度的聚氨酯材料黏结性、耐水性及强度会大幅下降,导致裂缝修补效果不明显,因此在传统的聚氨酯材料基础上进行水敏感型封端技术研究,通过加入高活性胺基改性硅铝分子筛,优先与环境中的水反应,避免固化剂中的-NCO活性基团与水反应而控制材料发泡倍率。

此外,基于浆体扩散模型及COMSOL有限元,通过深浅孔结合的钻孔方式,可以起到空间排气引流、控制注浆材

料扩散路径的作用,提升注浆面积40%,有效保证了裂缝修复效果。

非开挖注浆工艺

基于盐靖、江海高速公路沥青路面裂缝非开挖注浆工程项目,宁靖盐公司针对裂缝非开挖注浆施工各个关键节点,制定出包括雷达探测、布孔、钻孔、清孔、预埋密封圈、注浆、封孔稳压、恢复路面等在内的注浆工艺流程及标准化施工工艺,极大优化了裂缝处治修复效果。

雷达探缝

采用雷达对路面裂缝处进行检测,分析裂缝位置,检测方法为垂直裂缝检测并在裂缝处做标记。

布孔

根据探地雷达检测基层裂缝所在位置,采用与路面颜色相差较大的喷漆或记号标记打孔位置,相邻孔间距为25厘米至60厘米,实际布孔间距应根据试验段效果确定。

钻孔及清孔

采用钻孔机沿标记处进行钻孔,钻头直径为20毫米,钻孔角度垂直,针对面层开裂裂缝时,钻孔深度应达到下面层

底部并超出至少2厘米;针对基层开裂裂缝时,钻孔深度应达到上基层底部并超出至少2厘米,实际打孔深度应根据路面结构厚度、病害发展层位及试验段注浆效果确定。在钻孔过程中,施工人员应及时吸走孔内及表面灰尘,待钻孔结束后。对孔洞灰尘进行清理,确保孔内干净无灰尘。

预埋密封圈

密封圈应为埋入式,可埋入指定深度,具有较好的密封效果。密封圈的埋置深度应在沥青面层中,实际埋置深度

应根据路面面层结构厚度及试验段注浆效果确定。

注浆

为配合密封套件注浆,准备注浆针头并采用插入式注浆。注浆顺序为从低处向高处,注浆压力宜为0.3兆帕至0.5

兆帕,实际注浆压力则根据试验段注浆效果确定。注浆结束的判断依据为:注浆过程中,密封件当弹起、出现溢浆(包括临孔溢浆、裂缝溢浆、自孔溢浆)、注浆流量显著下降时,应停止注浆。

稳压

注浆结束后,应立即关闭注浆阀门,采用软木塞封孔3分钟至5分钟后拔出。

恢复路面

注浆结束后,及时清除路表溢出的耐水型高聚物材料,并采用冷补料将钻孔遗留孔洞和路面取芯孔洞进行修补,将路面恢复原貌。施工完成后,路面即可开放交通。

其他要求

注浆必须按照一定顺序进行,应先注低处孔,再注高处孔,依次向前推移。注浆时对每个孔位的压力和时间进行严格把握,并安排专员进行旁站记录注浆时间。注浆时,路面如有拱起迹象,应立刻停止注浆,并间隔两个孔位后继续注浆。冬季施工时,应对注浆材料进行加热保温。

非开挖注浆控制要点

雷达探缝

由于裂缝形态走势较为复杂,路表裂缝与结构内部裂缝多存在错位、不对应的情况,为了提升基层裂缝的注浆精准度,宁靖盐公司针对雷达检测设备选择与操作,以及监测环境等方面提出要求。

设备选择上,根据现场路面结构厚度选择不同频率的天线,在满足探测深度的前提下,宜选择较高频率的天线;设备操作上,设置纵向采样点数、水平采样间隔、时窗等参数满足现场检测要求,记录测区、标段、测线号、测量方向、测线的起始桩号、天线类型;放样标记方面,注浆前布孔时利用雷达设备进行逐点放样,将基层裂缝垂直投射至路表并作记号,便于后续精准打孔注浆。

检测环境方面,气温应保持在零下20摄氏度至50摄氏度区间,湿度小于90%,路表保持干燥;当雷达信号干扰强烈,妨碍有效识别时,应暂停检测。结合以往的大量工程实践验证,宁靖盐公司还建立了探地雷达隐性病害图谱及判断病害类型识别标准。

平整度控制

老路面层间存在黏结力不足的问题,注浆过程中,会因层间通道堆积浆液,加之面层自重较轻,引起路面拱起问题。因此,需要采取一些优化措施来保证路面平整度。

压力定制化 明确低压注浆压力0.3兆帕至0.4兆帕,既可以保证较高的注浆效率,又可以减少注浆压力过大对沥青面层顶起的风险。

密封组件埋置深度定制化 通过不断开发升级高压密封组件,根据路面结构层厚度不同,能够自由指定注浆深度并分层实施,实现了浆液引流目标,解决了注浆浆液流向不可控问题,避免了层间浆液堆积过高导致的路面起拱问题,提升了不同位置病害的注浆材料填充饱满度。

平整度时刻监测 注浆作业中,将三米直尺放置于正在注浆孔一侧,仔细观测周边路面变化情况,当塞尺间隙变化大于等于3毫米时,应立即停止注浆,尤其是在铣刨回铺段落内更应注意此类问题,杜绝出现“路面起拱”。

非开挖注浆效果评价

对路面裂缝实施非开挖注浆技术后,工后取芯效果表明,裂缝填充度均大于80%,浆液能够有效填充内部裂缝及层间脱空、松散等病害空隙中,且形成整体有效黏结,实现裂缝修复和提升结构板体性目的。室内试验表明,注浆修复后各项路用性能指标均满足设计要求,芯样无侧限抗压强度恢复率高于70%,注浆前后平整度差值控制基本在3毫米以内。与传统的铣刨回铺双层面层方案相比,非开挖注浆方案预计每米可节省547.7元,节约能耗240900.21兆焦耳,降低二氧化碳排放60.68%,具有显著的经济效益和社会效益。

【编辑: 任 燕】
【审核:余大鹏】
【终审:张波】

24小时热文

欢迎关注中国公路、中国高速公路微信公众号

中国公路

中国高速公路