范宏建:地聚合物注浆加固技术在拓建后道路路基加固养护的应用研究 ・199・ DOI:10.13379/j.issn.1003—8825.2015.04.43 地聚合物注浆加固技术在拓建后道路 路基加固养护的应用研究 范宏建 (上海力阳道路加固科技股份有限公司,上海201599) 摘要:随着我国社会经济的快速发展,原有道路已不能满足现有交通量的要求。因此,通过 道路拓建改造以增加其通行能力,而拓建后新老道路间易出现不均匀沉降,导致路面出现开裂等病 害。结合实际工程,采用地聚合物注浆加固技术对拓建道路路基进行加固,取得了良好的工程应用 效果。通过现场检测发现,此技术可显著改善拓建道路中新老路基抵抗不均匀变形的能力,提高拓 建后道路的整体性和稳定性,具有广阔的应用推广价值。 关键词:地聚合物;注浆技术;道路拓建;路基加固;路基沉降 中图分类号:TU472.5 文献标志码:B 文章编号:1003—8825(2015)04—0199—06 0 引言 1地聚合物材料特性 随着经济的快速发展,我国道路担负着繁重的 1.1地聚合物材料组成结构 交通运输任务,再加上交通流量急剧增长,重载、 地聚合物是以黏土等低钙si—Al质材料和碱性 超载交通日益严重,促使路面形成病害,服务水平 溶液为主要原料,经适当工艺处理,在20~120 ̄C的 逐渐下降,阻碍了正常道路通行能力,严重制约了 条件下化学反应得到的一种由三维铝硅酸盐化学键 我国经济的快速发展。 合的无机聚合材料,物理形态上呈现含有多种非晶 我国大多数城市进行了道路拓建改造工程,而 质至半晶质相,化学结构与沸石相近,具有有机聚 扩建加宽后,总会因新老路基不均匀沉降,出现路 合物、陶瓷、水泥等的优良性能,早期强度高、低 面开裂等病害问题。因此,针对道路拓建后的加固 收缩率、抗冻融、耐硫酸盐侵蚀和耐酸碱腐蚀性 应用研究尤为迫切需要。 等 ]。地聚合物材料广泛应用于航空、冶金、建 地聚合物注浆加固技术在拓建后道路的加固应 筑、道路、塑料等领域,其分子结构组成,见图1~ 用,其实质是通过其非开挖方式,利用注浆管在外 图3。 加压力作用下,将地聚合物浆液注人路基土体中, l I 通过浆液与路基中土发生物理化学反应,提高路基 o o l …I 土体密度、增大路基土体粘结力,提升路基土体内 (一0一Si—O—A1一O一)l J ‘‘ 0 0 摩阻力,从而形成具有高强度、高模量、高密实度、 稳定性好、抗渗性能强的新结构路基体,增强其整 图1单硅铝地聚合物 体稳定性,以到达抵抗其不均匀沉降的能力,减缓 l l l O O O 道路扩建后因新老路基的不均匀沉降而发生病害, I …I l 延长道路的使用寿命u 。 ‘一0一sI i一0 一。一SI 1I i-0--). 0 0 0 本文结合某扩建道路路基注浆加固工程展开应 l l I 用研究。 图2双硅铝地聚合物 II I l 0 0 0 0 l收稿日期:2015—04—15 c一。一s Ii_o_L:作者简介:范宏建(1986一),男,河北景县人。工程师,硕士, 。0 jo }I 1-0-{o I i一。一{o I ;一。一 主要从事道路加固与养护方面研究工作。E—mail: II l I hongiian7678@126.corn。 图3三硅铝地聚合物 ・200・ 路基工程 Subgrade Engineering 2015年第4期(总第181期) 地聚合物材料不存在水泥的水化反应,其反应 过程分为4个阶段: (1)低钙si—Al质原料在碱性溶液中溶解; (2)溶解的si—AJ配合物由固体颗粒表面向间 隙扩散; (3)碱硅酸盐溶液和si—Al配合物发生聚合 反应; 酸盐材料更加优异的工程性能。 1.2 地聚合物材料工程物理力学性能 (1)高强度:地聚合物材料抗压强度≥15 MPa,抗折强度/>5 MPa,通过改进制备工艺,抗压 强度可达20—100 MPa,满足建筑结构材料的要求, 具有更为广泛的应用范围。在其成型硬化前4小时, 所获得的强度即可达最终强度的70%,类似于快硬 (4)固结硬化成地聚合物块体,其产物是以离 水泥,但物理性能却优于水泥,其物理力学性能对 比,见表1。 子键和共价键为主,范德华力为辅,具有比普通硅 表1物理力学性能对比 (2)耐酸碱腐蚀:地聚合物材料能经受硫酸盐 侵蚀,相比于硅酸盐水泥,在各种酸溶液、碱溶液、 盐水以及各种有机溶剂中都表现了良好的稳定性, 其在酸性条件下的质量损失率比较,见表2。 (5)耐高温和低导热率:与有机高分子材料相 比,地聚合物材料耐高温,隔热效果好,阻燃,在 高温下不分解放出有毒气体,耐火度>1 000℃,熔 融温度达1 050~1 250 qC,在高温下保持较高的结 构性能,导热系数为0.24~0.38 w/(m・K),可与 (3)低渗透率:以氯离子扩散系数来表征混凝 土的抗渗性,其氯离子扩散系数为10 am /s,与 花岗岩相近,渗透率对比,见表3。 表2在酸性条件下质量损失率对比 % 导热系数为0.3~0.438 W/(in・K)的轻质耐火黏土 砖相媲美,可满足消防要求。 (6)耐久性优良:地聚合物由于具有稳定的网 络结构,耐久性能远优于硅酸盐水泥;还具有优良 的抗氧化性能,抗碳化性能,因而与硅酸盐水泥相 比,地聚合物更能经受环境的影响,具有较强抵抗 自然破坏的能力。 (7)原料来源广,成本低廉:生产地聚合物材 料所用的主要原料,主要来自地表广泛存在的硅铝 氧化物等低钙si—Al质材料,如黏土,高岭土等, 黏土 10一 l0一 O 10—8 1O—i0 10—9 其原料来源广,成本低。 (8)有效固定有毒金属离子:地聚合物材料具 花岗岩 粉煤灰水泥 硅酸盐水泥 地聚合物材料基体相 有类沸石的三维牢笼微观结构,能将有毒金属离子 有效固定在牢笼结构中,可用做核放射元素、重金 属离子的固封材料及制成可用于废水处理薄膜吸附 材料。 (9)绿色环保:地聚合物材料反应得到产物接 近于天然矿物,不会对自然造成污染。与硅酸盐水 泥的生产相比,地聚合物材料制备工艺简单,无生 (4)低收缩率:与硅酸盐水泥相比,其材料的 收缩率明显较低,见表4。 表4收缩率对比 材料名称 在不同时间的收缩率 7d 28d % 产硅酸盐水泥“两磨一烧”工艺,不会产生资源与 能源大量消耗,减轻环境负荷,是一种新型绿色环 保材料。 地聚合物作为注浆材料,克服了水泥注浆材料 泌水、固结收缩、结石率低的缺点,具有强度高, 范宏建:地聚合物注浆加固技术在拓建后道路路基加固养护的应用研究 ・201・ 固结时间可调,可根据需要有效地控制浆液的流动 范围,浆材耐久性好,不受水侵蚀,及良好的流动 度性能,渗透性能,稳定性能和黏结性能,在显著 提高路基承载能力的同时,可使路基获得较好水稳 定性能,抗干湿循环能力,抗冻融循环能力和抗硫 酸盐侵蚀能力,具有理想的工程物理力学性能。 2技术原理 2.1技术特点 地聚合物注浆加固技术是通过注浆压力对土体 产生劈裂作用形成浆脉,将地聚合物浆液通过浆脉 注入土体中,由于地聚合物材料粒径较小,可在浆 脉内对土体发生渗透作用,使其大范围扩散,将土 体缝隙中水与空气挤出,通过与土体发生离子交换、 化学结晶、物理充填等物理化学作用,产生网络状 结石结构,形成具有强度高、密度高、水稳定性能 好的新结构路基体注浆加固技术。地聚合物注浆加 固技术具有以下技术特点: (1)从根本上对道路基础进行加固,改变传统 方法治标不治本的缺陷; (2)采用非开挖,无障碍施工,作业面影响范 围小,可缓解交通压力; (3)工期短,施工效率高,可迅速开放交通, 可为后续工程的进行赢得时间; (4)施工方便,易于控制,有利于施工技术人 员的精细化管理,全面保障施工质量; (5)注浆工艺成熟,施工造价费用低。 2.2作用原理 道路拓建后,老路基沉降已基本稳定,而新路 基的固结沉降尚未完成,在自重及行车荷载作用下, 新路基势必会产生附加沉降,造成新老路基的不均 匀沉降。再加上新老路基结合部强度相对较弱,地 基顶面的附加应力沿横向的分布不均匀,使得侧向 约束不足而产生水平位移,若水平位移过大,则会 造成拉裂破坏。同时,不均匀沉降造成的竖向变形 也会诱发新老路基结合部拉应力的增大。 因此,随着新老路基不均匀沉降的产生,新老 路基结合部拉应力相应增加,直至沿结合面的滑动 破坏,造成路面产生裂缝、破损、坡差等破坏,进 而危害行车安全,降低道路的使用寿命 ]。在拓 建道路路基的加固过程中,在新老路基交界面和新 路基采用地聚合物注浆加固,可有效降低不均匀沉 降,提高路基整体性和稳定性。其作用机理如下: (1)注浆加固后,作为注浆材料的地聚合物, 由于其强度高,以及具有良好流动度性能,渗透性 能,稳定性能和结石性能。在压力作用下形成浆脉, 把土体缝隙中水与空气挤出。该材料与路基中的淤 泥土,黏土混合后,发生离子交换、化学结晶、物 理充填等物理化学作用,在土体中形成网络状结石 结构,使注浆后的土体成为形成具有强度高、密度 高、水稳定性能好的新结构路基体,提高新路基承 载能力,可使新路基获得较好整体稳定性,减小新 老路基的不均匀沉降。 (2)注浆加固后,在新老路基界面之间存在加 固重叠区域,通过此区域老路基会对新路基产生一 个附加的拉力,减少水平位移,约束新路基土体的 侧向变形。 (3)地聚合物与路基土发生物理化学反应后形 成的网络状结石,会对土体形成良好的嵌锁作用, 并充分发挥结石土体的抗剪强度,约束新路基竖向 变形。 在新老路基交界面和新路基进行地聚合物注浆 加固。通过与土界面的嵌锁咬合作用,改变路基土 体的应力应变场,使更多的土体参与到结构受力中, 减少滑动破坏或裂缝的产生,提高新路基土体的整 体稳定性和承载能力,降低新老路基的不均匀沉降, 减缓道路拓建后,因不均匀沉降而产生的病害。注 浆加固示意,见图4。注浆加固后效果示意,见 图5。 原有路面\\ 新 E路面 \\新路基注浆加目 原有路基 \ 酐建路 l \\ l \ l 】\ 1 _、 { P \新老 基交界 面处注浆加固 图4新老路基交界面和新路基地聚合物注浆加固示意 图5新老路基交界面和新路基进行地聚合物注浆 加固后效果示意 3 工程应用 3.1工程概况 本项目为拓建道路路基加固工程,拓建后老路 面层结构厚0.458 m,路基厚0.800 m,路基宽 28.000 m。拓宽后新路面层厚0.458 m,路基厚 0.800 m,拓宽新路基两边各宽8.500 m。 路基工程 Subgrade Engineering 2015年第4期(总第181期) 新路路面结构为4 cm细粒式沥青混凝土+5 cm 中粒式沥青混凝土+6 cm粗粒式沥青混凝土+0.8 cm稀浆封层+30 on水泥(5%)稳定碎石+10 on 层 誓| , 墼 嚣 塾 蜷虫量蚤出 砂砾石,新路路基地面线上采用素土回填。地面线 下采用超挖素土回填,新老道路横断面,见图6。 图6新老道路横断面(单位:In) 本工程采用地聚合物注浆加固技术对拓建道路 路基进行注浆加固,本文取该地聚合物注浆加固养 护工程中6段道路作为应用研究路段,其中每段200 /11',进行数据采集应用分析。 3.2材料 本工程采用LY型地聚物注浆材料,该材料与细 集料和水可直接拌和使用,其浆液的流动性和可灌 性比水泥浆液好,具有活性好、结石体强度高等优 点。其注浆材料性能,见表5。路基注浆加固配合比 (重量比),见表6。 表5 LY型地聚合物注浆材料性能 表6路基注浆加固配合比(重量比J (kg・111。) 3.3施工 3.3.1工艺流程 孔位布置一钻孔一清孔一埋注浆管一管口周围 密封一浆料拌制一路基注浆一冒浆孔封堵一拔管一 养护一交工验收一开放交通。 3.3.2加固范围 注浆加固范围:在新老路基交界面和新路基范 围内进行加固,其中新老路基交界面的老路基加固 宽度范围,应占同侧新路基加固范围的1/2以上。 由于路基承受荷载作用的主要应力工作区深度一般 在路基顶面以下80 cm,对于路基加固注浆深度应深 入路床顶面以下至少80 cm,这样可加固到路基主要 承受荷载的工作区,最大程度加固路基又不造成浪 费。加上面层厚度,本工程加固深度为135 em,见 图7 路基 路基 路基 路基 . 路基 I 图7孔位布置立面示意 3.3.3钻孔布置 为保证在此次要求的注浆区域内,注浆浆液在 注浆宽度和注浆以下加固深度内浆液分布交叉重叠 形成一个整体,注浆方式采用梅花状布孔,布孔孑L 距1.5 m,排距1.5 m,孔径 I50 mm,若发现布孑L 位置不适宜,孑L位可作适当调整,但调整间距应小 于30 cm,其布孑L示意,见图8。 对 图8孔位布置平面不惹【单位:mil1) 3.3.4注浆压力 注浆压力控制在0.5~1.0 MPa,当最大压力超 过1.0 MPa时,应立即停止注浆,若再次注浆,仍 超过1.0 MPa,说明此孔位路基浆液已经饱和,孔 位注浆结束。 4检测 为评定地聚合物注浆加固技术对拓建后道路承 载能力和整体稳定性的改善程度,对上述6处拓建 后新路试验路段注浆加固前后的弯沉、路面结构强 度系数和回弹模量进行了现场检测,并对同桩号内 的老路进行相应项目的现场测试,以对比分析。 4.1弯沉 弯沉检测是路面强度测量的一项关健指标,其 反映了路面各结构层的整体抵抗变形的能力,并与 路面的使用性能存在内在联系。目前,我国路面弯 沉检测一般采用的贝克曼梁法,其使用广泛且已成 熟的使用经验。本文采用贝克曼梁法进行现场弯沉 测试,其结果见图9。 由图9可知:6处拓建后新路试验路段注浆加固 范宏建:地聚合物注浆加固技术在拓建后道路路基加固养护的应用研究 ・203・ 前的平均弯沉值基本都在0.6~0.8 mm之间,与相 对应老路基相比,其弯沉值都较大。这是由于新路 基固结沉降还未结束,承载力还不足,若与老路基 共同承受行车荷载,则会发生不均匀变形。与老路 基相比,其弯沉值都较大。这说明新建道路与老路 之间整体稳定性差以及存在不均匀变形,具有一定 普遍性。 O 路段1路段2路段3路段4路段5路段6 图9弯沉检测结果对比 同时由图9可知:6处拓建后新路试验路段注浆 加固后的弯沉值都明显下降,并都相对应接近于其 老路弯沉值。这是由于,路基通过地聚合物注浆材 料与土发生离子交换、化学结晶、物理充填等物理 化学作用,将其土体缝隙中水与空气挤出,形成具 有强度高、密度高、水稳定性能好的新结构路基体, 从而明显降低了弯沉,减小了新老路弯沉值差距。 这说明地聚合物注浆加固技术在道路拓建后的养护 过程中,通过改变新路基土体结构,进而改善拓建 后道路的整体性和稳定性,增强新老路抵抗不均匀 沉降的能力,减缓拓建路面发生纵、横向裂缝等病 害的概率,延长道路使用寿命。 4.2路面结构强度系数 通过对6处拓建后新路试验路段注浆加固前后 现场检测的弯沉进行计算,得到其加固前后对应路 面结构强度系数,并通过老路的现场弯沉值计算了 老路的路面结构强度系数,以作对比分析。其检测 结果,见图10。 0.9 籁0.8 07 0.6 嘿0.5 霎0.4 姆0.3 暄0.2 留0.1 由图10可知:6处试验路段注浆加固前的路面 结构强度系数,基本都在0.5~0.6之间,与相对应 老路相比,其路面结构强度系数普遍较低。这说明 新建道路与老路之间强度存在较大差异,其原因在 于新路基沉降固结还未结束,自身承载力还不足, 也进一步阐述了引起拓建后新老路间产生不均匀沉 降的本质原因,因此,若要减少拓建后道路产生的 不均匀沉降,应从根本上提升新路路基强度。 同时由图10可知:6段试验道路注浆加固后的 强度系数,皆明显增大,并都接近于其老路的强度 系数,这说明地聚合物注浆加固技术可显著提升拓 建后新路的整体强度,增强新老路间共同承受外界 荷载的能力。其原因是由于地聚合物注浆材料通过 与路基土物理化学作用,形成具有强度高、密度高、 水稳定性能好的新结构路基体,通过改变新路基土 体结构,提高了拓建改造后道路的整体强度,实现 了从根本上加固路基的目的。 4.3回弹模量 瑞利波法由于其在道路工程检测时具有无损、 简易的特点已得到应用,其检测原理是通过测试瑞 利波传递函数的相干特性参数,反推计算道路各结 构层的剪切波速及其模量,进而了解路面结构强度。 本文采用瑞利波进行现场回弹模量检测,其结果, 见图11 目 笔 皿删 慧 匿 图l1 回弹模量检测结果对比 由图11可知:6处拓建后新路试验路段注浆加 固前的平均回弹模量,基本都在300—500 MPa之 间,与相对应老路相比,其平均回弹模量普遍较低。 这说明新建道路与老路之间刚度存在较大差异,在 共同承受行车荷载,会因在受力时抵抗变形的能力 不同,而发生不均匀变形从而导路面出现开裂。 同时由图11可知:6处拓建后新路试验路段注 浆加固前后的平均回弹模量,皆明显提高,并都相 对应接近于其老路的回弹模量,这说明地聚合物注 浆加固技术可显著改善新路的整体刚度,其原因是 由于地聚合物注浆材料通过注浆方式与路基土形成 具有强度高、水稳定性能好的新结构路基体,通过 改变新路基土体结构,提高了拓建后道路的整体刚 度,减缓了新老路产生不均匀变形,进而获得良好 的养护效果。 5结语 阐述了地聚合物注浆加固技术在拓建后道路养 ・204・ 路基工程 Subgrade Engineering 2015年第4期(总第181期) 护应用的技术原理,并结合实际工程,对其材料和 施工工艺进行了说明,通过现场检测,发现在道路 拓建工程中应用地聚合物注浆加固技术可显著改善 新老路基抵抗不均匀变形的能力,提高了拓建后道 路的整体性和稳定性,取得了良好的养护效果,具 有广阔的应用价值。 参考文献(References): [1]Davidovits J.Geopolymers and geopolymeric materilas[J].Journal of Thermal Analysis,1989,35(2):429—441. 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Grouting Reinforcement Technique Study on Application of Geopolymer in Subgrade Reinforcement and Maintenance after Widening Road FAN Hongjian (Shanghai Liyang Road Reinforcement Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201599,China) Abstract:As the social economy had been developing rapidly in our country,the existing roads could not satisfy the current trafic volfume;thus it was required to increase the traffic capacity by widening and reconstructing the roads.However,uneven settlement was easily to come out between the new and the old roads after widening,leading to cracks and other diseases on the road surface.Depending on actual conditions,geopolymer grouting reinforcement technique was applied therein,and then good engineering effect was obtained.Through field detection,it was found that this technique may improve the uneven settlement resistance capacity of the new and old subgrade signiifcantly,and enhance the integrity and stability of the wjdeBed r0ad. Key words:geopolymer;grouting technique;road widening;subgrade reinforcement;subgrade settlement