地聚物压密注浆在道路基层补强中的应用研究
摘 要
为解决传统水泥注浆材料膨胀性小，脆性大等问题，本文依托实际工程，分别利用地聚物和水泥对道路基层裂缝以及脱空部位进行压密注浆修复，注浆前后，通过FWD弯沉仪以及地质雷达对注浆效果进行评价。研究结果表明，地聚物和水泥注浆后，道路弯沉代表值均下降明显，地聚物注浆弯沉代表值下降比水泥注浆多16.7%，路面承载力明显增强，地质雷达显示两种注浆后脱空裂缝同向轴中断处的地质雷达同相轴连续性变好，但地聚物注浆后同向轴连续性更好，并且雷达波更加均匀，表明地聚物注浆效果更好。
关键词
地聚物 | 注浆 | FWD弯沉仪 | 地质雷达 | 承载力
随着我国投入运营的道路中有相当一部分接近或超过了设计年限，导致路面结构陆续出现不同程度的病害，在原有病害基础上，在车辆荷载和动水压力反复循环作用下，造成路面结构病害的进一步扩展，陆续出现路面沉陷、坑洞或基层脱空等病害，已不能满足路面使用要求，需及时进行养护维修，针对此类病害，传统的处治方式是大规模地翻挖原有路面，路面进行重铺，但此类处治方案存在保养周期长，资金投入多的缺点，尤其城市道路交通流量大，地下管线复杂，因此在养护过程中必须保证施工的快速有效，安全环保，经济适用以及干扰小，为此需要积极探索一些切实可行的施工方法，采用道路非开挖快速抢修加固技术可谓是解决此类问题的一种有效方案。注浆加固技术作为此类加固方案，可在不破坏旧路面结构的情况下，通过注浆管道直接将灌浆材料注入路基和基层，使原来松散或开裂的土体材料凝聚成板块，增大密实度，从而起到加固土体的作用，因此，越来越多的被应用到路面加固技术中。
目前，水泥注浆技术在道路基层修复中还在广泛使用，但水泥注浆尚存在明显的不足之处，首先，水泥浆的膨胀力很小，而且硬化后为脆性材料，在长期交通荷载作用下注浆效果并不理想，其次，水泥浆的养生时间过长，影响施工进度。地聚物压密注浆技术作为一种新的注浆工艺，其性能因较传统水泥注浆材料有流动性好、强度高、凝结时间短、无泌水性和收缩性好等特点而得到推广应用。
本文分别利用地聚物和水泥作为注浆材料，注浆方式采用压密注浆，2种材料注浆前后利用FWD弯沉仪、地质雷达技术对注浆效果进行检测评价对比，进而凸显出地聚物注浆的优势，为地聚物在路面病害修复的工程应用中提供参考。
工程概况
某市政沥青混凝土道路路面结构为10cm沥青砼+18cm水泥稳定碎石基层，道路宽度为32m，道路全长4.5cm，中间设有中央分隔带。道路修筑时间较早，路面相继出现网裂、沉陷等较为严重病害，道路状况较差，为满足日益增长的道路交通需求，拟对该路段进行改造升级，路面升级改造前，对路面进行了前期调查，调查结果显示，所测路面总体弯沉偏大，且弯沉变异系数大，路面强度离散性过大，需对道路进行补强修复。本工程在相同段落的左半福和右半幅分别进行水泥和地聚物注浆，以对有裂缝、网裂沉陷等病害存在且弯沉值偏大区域进行补强修复。
注浆原理
地聚物材料作为碱激活胶凝材料，该材料具有自身强度高、流动度大，渗透性好，粘结性好的特点。地聚物的硬化过程，是碱性催化剂作用下的硅氧键和铝氧键的断裂—重组反应过程，地聚反应过程中，溶胶的形成和脱水速度比较快，骨架网格结构易于形成，所以可以快速得到高强度硬化物，地聚反应完成后，体系中的硅元素和铝元素都是和氧以四配位形式存在，体系中存在硅氧四面体和铝氧四面体两种基本单元地聚物，结构单元通过侧链上的不饱和氧与其他硅、铝四面体结合，架构向三维方向伸展，具有一定的结晶形态。
水泥注浆中水泥水化反应使水泥混合液凝结和硬化，进而填充脱空和裂缝处。水泥注浆一般在混合液中加入一定量的水玻璃，加快水泥的凝固时间。
压密注浆技术则是钻杆通过注浆孔自下而上注浆时，在注浆压力作用下，地聚物浆液通过钻孔挤向土体，在注浆处形成球形浆泡，浆体的扩散靠对周围土体的压缩，浆体完全取代了注浆范围的土体，在注浆邻近区存在大的塑性变形带，离浆泡较远的区域土体发生弹性变形，空隙得到填充，基层材料密度明显增加，从而提高了基层强度。
注浆方案
注浆原材料
地聚物注浆材料采用公路专用CD-1型路基及基层加固用(快凝早强型)地聚合物注浆材料，主要物理力学性能见表1。水泥浆液水灰比为1∶1.05，水泥标号P.O42.5，主要物理力学性能见表2。
注浆孔布置
注浆过程中为了尽可能地减少无效作用面积，同时又保证每一个点都在浆液扩散范围之内，取得最优搭接以获得最佳的加固效果，结合浆液影响半径，注浆泵的工作压力控制不大于0.3MPa，当压力达0.3MPa时，停止注浆静压3~5min。注浆孔以孔距为1.5m，排距为1.50m的间距按梅花形布置，若压力下降则继续注浆，直至邻孔出浆为止。具体注浆孔布置示意图如图1所示。
结果与分析
弯沉检测
本文利用FWD落锤式弯沉仪对2种注浆前后的弯沉进行检测，检测结果如下:
从表3和图2、图3中可以看出，道路左半幅水泥注浆前道路测点弯沉代表值是146.1，而注浆后测点弯沉代表值变为76.3，弯沉值减小了47.8%;道路右半幅注浆前的弯沉代表值为138.9，而注浆后弯沉代表值变为49.3，弯沉值降低了64.5%，地聚物注浆后弯沉值降低比水泥注浆多16.7%，地聚物注浆后路面强度系数比水泥注浆高出0.17，由此可以判断，水泥注浆和地聚物注浆对填充脱空和加固道路基层是有效的，并且地聚物注浆比水泥注浆效果更好。
由弯沉检测结果可以判断，地聚物注浆后，填充了基层裂缝脱空，增大了基层材料密实度，从而起到加固基层的作用，而且地聚物会将基层内部分惰性二氧化硅和氧化铝激活，与注浆材料产生化学反应，最终注浆材料与将存在病害的水泥稳定基层形成一个整体，从而消除水泥稳定基层原有的病害，提高路面整体承载能力，实现基层渗透加固补强。
地质雷达检测
地质雷达作为一种探测地表结构、埋设物性能情况的新型无损探测仪器，利用从地表向地下发射的电磁波在地下不同介质特性的界面上变化，从而根据接收的反射波信号的不同形状、频率再加上时间特性等参数，解译出地下介质深度、结构和性质[5]。
本文为保证在无损条件下，了解注浆前后路面基层裂缝以及脱空的变化情况，注浆前选取特定脱空位置对基层进行了900MHZ频率下的地质雷达探测，注浆完成后，相同频率下通过地质雷达对相同位置进行注浆效果检测，得到注浆前后的地质雷达探测图如下:
由图4和图5可以看出，所圈定异常地质雷达同相轴出现中断，推断为裂隙发育区;测线所圈定异常较裂缝发育区异常稍深处，推断存在脱空，地聚物注浆后相轴出现连续性好，且信号整体较均匀，水泥注浆前雷达信号相对整齐，有局部同相轴断裂，注浆后脱空处得到修补。
可以推断浆液在注浆压力的作用下，注入基层结构中，通过裂缝渗透、填充、压密、扩张挤走基层脱空以及裂缝的积水和空气，形成浆脉，由于地聚物浆液本身稳定性好，强度大，加上浆体的流动性能好，在压力作用下，有较强的渗透力，进而使基层和路基的密实度和水稳定性有较高的提升，使道路结构致密，缺损得到较好修补。说明水泥注浆和地聚物注浆都对病害有治理，但地聚物注浆比水泥注浆处理效果好。
结论
(1)地聚物注浆技术作为一种快速无损的道路维修技术，具有注浆孔直径小，对道路结构影响小，材料养护时间短，施工速度快，浆液影响范围大的特点;
(2)利用FWD以及地质雷达无损检测技术对地聚物注浆技术和水泥注浆技术维修后的道路进行评价，评价结果显示地聚物注浆效果良好，说明地聚物注浆压力作用下，通过挤走基层结构中缝隙脱空部分的的积水和空气，增大了基层材料密实度，提高了基层承载力，有效的解决了道路基层裂缝脱空现象，防止道路病害进一步的扩展。