地质聚合物在道路大修工程中得应用

地质聚合物在道路大修工程中得应用

章祯

上海市政交通设计研究院有限公司上海市200000

随着中国交通运输业的快速发展，道路的使用率越来越高，使得许多城市道路进入大修和维护期。城市道路中往往采用铣刨加罩、翻挖新建和压密注浆的形式进行大修养护，大多数注浆使用水泥作为原料，少数使用地质聚合物。“地质聚合物——Geopolymer”这个术语最早是由着名的法国教授JosphDavidovits于1978年提出的，它主要是通过均匀混合偏高岭土，钢渣，矿渣，高钙粉煤灰和某些碱活化剂等工业废料而形成的胶凝材料；它不仅具有良好的早期性能，良好的体积稳定性和良好的耐久性，而且具有制备工艺简单，易得材料的优点；并且在制备过程中无污染，进而达到废弃资源再利用，这也使得国内外对地质聚合物的研究日益增多。本文研究如何在道路基层和路基大修维护中使用地质聚合物。

地质聚合物压密注浆技术作为一种新的注浆工艺，其性能和传统与水泥压密注浆技术相比，地质聚合物压密注浆技术具有流动性好、强度高、凝固时间短和收缩性好等优点。同时该技术与水泥压密注浆技术都可以在不对路面结构进行大面积开挖的情况下，以注浆的形式快速填充并粘合破坏的基层和路基，从而达到加固补强的目的。近年来，地质聚合物压密注浆技术已在实际道路工程中多次应用，同时，上海公路管理局于2007年发布了SZ-G-B04-2007《公路路基与基层地质聚合物注浆加固技术规程》，为地质聚合物压密注浆技术提供全面的基础。下面讨论了地质聚合物注浆材料在道路基层和路基大修工程中的应用。

一、地质聚合物压密注浆技术在路基和基层加固中的应用

1地质聚合物压密注浆机理

地质聚合物压密注浆是使用浆料设备将浆料通过钻孔注入路基或路基中以使其扩散，凝胶或凝固，以达到加固或防渗堵漏的目的。根据注浆的压力，注浆可以分为高压喷射注浆和静压注浆。在道路加固工程中，通常使用静压注浆，静压注浆可以根据注浆的压力和作用机理分为灌浆、渗透、压实和劈裂注浆四种类型。

在实际施工的过程中，渗透、充填、劈裂和压密四种注浆类型既互相的区分，又同时的存在。劈裂土体的时候，注浆管出口的浆料对周围地层施加了额外的压应力，使土壤产生剪切裂缝，料沿着面向土壤的裂缝表面渗透，进入土体中的浆液形成了增强土体的骨架或脉络。在劈裂注浆的过程中产生了超孔隙水压力，在分裂和灌浆过程中产生超孔隙水压力，孔隙水压力的消散导致土壤固结，劈裂浆液的硬化和土壤的固结增加了土壤的强度和刚性。因此，注浆具有挤压效应、填充效应、骨架效应、扩散效应、离子交换效应、抗渗效应等特点。一段时间后，浆液通过化学胶结、离子交换、惰性填充和压实作用将原本松散的土壤颗粒或裂隙胶结成一整体，形成一个结构新颖、强度高、防水性能好和化学稳定性好的“结石体”，达到加固路基、充填空隙、预防病害、提高道路承载能力的目的。

2地质聚合物压密注浆施工工艺

2.1注浆材料的选取

对工程中路基及基层材料特性以及破损程度进行分析，选取地质聚合物注浆加固料的设计基于如下考虑:

1）注浆材料可以更好地粘结在三渣材料、砾石砂结构层上，将松散的基层材料重新粘结，增强结构层强度；将注浆材料注入路基可以更好地与土壤结合，提高了软土的承载能力。

2）浆液流动性好，注浆材料具有较好的保水性能和压力下的体积稳定性。

3）由于道路基层及路基含水量较大，所以注浆材料须具有较好的耐水性能。

4）浆液固化时，没有收缩现象，固化后有一定的黏结性，可牢固地粘结土壤、砾石和砂子等。

5）浆体的结石率高，结石体有一定的抗压强度和抗拉强度，不开裂，抗渗性好。

2.2注浆钻孔布置

由于道路基层较弱且强度较低，因此在使用地质聚合物注浆时优先采用较低的注浆压力对基层注浆。通过注浆，较弱的基层得到加固，形成一个完整的整体，完整的基层封闭对路基加固是十分重要的：一方面，它可以减少路基注浆，避免有缺陷的路面上产生冒浆和注浆压力的损失；另一方面，它也为加固后及时的开放交通打下良好的基础。注浆结束养护2天后，再进行路基注浆。

基层和路基的地质聚合物注浆孔以按梅花桩的形式布置。地质聚合物注浆孔的横向间距2.0米，纵向间距2.0米，注浆孔直径为50毫米，其中，路基的地质聚合物注浆孔和基层交替分布。基层地质聚合物注浆结束后需要养护2天，然后再进行钻孔对路基实施地质聚合物注浆，注浆钻孔的详细布置见图1。在实际操作进行布孔时，如发现布孔位置不利于进行注浆，可作注浆孔位适当的调整。孔位调整间距应小于30厘米。地质聚合物注浆孔布设后应该留有释放孔，四个注浆孔需要设一个释放孔，如果需要，可以使用相邻的注浆孔作为释放孔。

2.3注浆深度及压力

地质聚合物注浆的加固顺序是先基层，待路基注浆完成养护2d后进行路基注浆。根据原有路基和基层的结构设计选择地质聚合物注浆深度，往往基层加固的深度在70至90cm之间，路基注浆加固深度在110至130cm之间。在地质聚合物注浆过程中，不仅需要对注浆深度进行控制，同时也要对注浆压力进行控制，基层的注浆压力往往控制在0.3～1.0MPa之间。当注浆最大压力大于1.0MPa时，应立即停止地质聚合物注浆，等待15min后再次进行注浆，如果仍然注浆压力大于1.0MPa，则此次地质聚合物注浆结束。路基的地质聚合物注浆压力往往控制在0.5～1.5MPa之间。当注浆的最大压力大于1.5MPa时，应马上停止注浆，15min后再次进行注浆，如果仍然压力大于1.5MPa，则此次注浆结束。

2.4注浆施工流程

具体施工工艺步骤如下:

孔位布置→钻孔→清孔→埋注浆管→管口周围密封→浆料拌制→基层注浆→冒浆孔封堵→拔管→养护2d→路基注浆(步骤同上)→开放交通→弯沉测试(不合格点补浆)→交工验收。

3地质聚合物注浆技术的优点

根据材料本身的特性，地质聚合物浅层注浆用于道路基层加固主要有以下优点。

1)补强效果显著。

由于地质聚合物材料的高流动性、高强度(抗压、拉、弯)及快硬固化3大特点，将地质聚合物材料注入基层结构能有效填充细微的裂缝、松散、脱空等道路病害，并能在较短时间内形成较高的强度，从而达到明显的补强效果。

2)经济效益明显。

基于地质聚合物材料制备成本较低、材料用量小、注浆设备简单、施工速度快等特点，地质聚合物浅层注浆路基加固费用较传统的开挖换填维修费用有较大程度的节约，有关试验研究表明，费用节省在75%以上。

3)交通影响小。

地质聚合物注浆施工设备简单，施工时，可将注浆设备全部装载于一辆货车内，故施工速度快、工作面小，可完全实现单车道、小范围封闭交通施工。且地质聚合物材料快凝早强，施工后能快速开放交通，对交通影响较小，尤其适用于交通量较大的道路环境。

4)环保清洁。

地质聚合物材料本身由钢渣、矿渣、粉煤灰等再生材料制备，材料生产环节节能环保。由于注浆可避免对旧路面材料的开挖、换填、废弃物处理等环节，从而可节约新沥青和石材等资源，且可避免传统开挖换填维修施工期间的碳排放及粉尘污染。

4结语

采用地质聚合物注浆材料，对路基及基层强度不足引起的各种道路病害的加固处理，能显著改善路基及基层的密实度，提高承载力。该工艺工期短、见效快，施工不必挖除旧路的路面结构，施工操作面和影响范围较小，基本上不影响车辆通行，由此带来的经济效益和社会效益非常显著。特别是注浆材料采用预混和预包装的干混料，从而严格保证了注浆材料的质量，且扬尘极少，更环保。