来源:BIM新看点
以某公路工程为依托,对该工程养护施工中高聚物注浆技术的应用进行研究。首先结合工程实际情况制定高聚物注浆施工方案,并在注浆前利用FWD弯沉仪和探地雷达法对公路情况加以检测,其次给出注浆材料的选择及检测要求以及注浆孔设计布置方法,然后结合施工方案及注浆孔布置要求进行钻孔注浆施工,最后为保证公路养护施工质量对其弯沉值进行检测,希望能够通过对该工程高聚物注浆养护处理,保证工程的使用寿命。 引言
以某公路工程为依托,对该工程养护施工中高聚物注浆技术的应用进行研究。首先结合工程实际情况制定高聚物注浆施工方案,并在注浆前利用FWD弯沉仪和探地雷达法对公路情况加以检测,其次给出注浆材料的选择及检测要求以及注浆孔设计布置方法,然后结合施工方案及注浆孔布置要求进行钻孔注浆施工,最后为保证公路养护施工质量对其弯沉值进行检测,希望能够通过对该工程高聚物注浆养护处理,保证工程的使用寿命。
引言
公路行车过程中因车辆荷载及外界环境的反复作用,路面极易产生各类病害问题,包括但不限于车辙、裂缝、沉陷等,当路面发生病害问题时,若没能采取养护措施处理,则病害会进一步发展从而导致路面基层空洞、路基下沉等结构性问题,针对此类病害可采用高聚物注浆养护技术,通过向病害区域内填充、渗透高聚物材料,将路面空洞中的空气及水分排出,以起到补强路面结构的目的。
工程概况
某高速公路工程路线全长24.3km,于2012年初施工完成并正式通车。该工程路面结构包括面层、基层与底基层,其中面层为沥青混凝土结构,总厚度为16cm,基层为水泥稳定碎石半刚性结构,总厚度为36cm,底基层为石灰稳定土结构,总厚度为20cm。该公路作为省内的重要出行方式,在投入使用后其行车数量日益增加,伴随当地自然环境的侵蚀,在公路养护检测中发现该工程部分路段存在基层脱空以及翻浆问题,严重威胁公路的行车安全,因此,经研究后决定采取高聚物注浆方法进行养护处理,本文对此展开分析。
高聚物注浆技术养护技术
高聚物注浆方案
高聚物注浆养护技术主要利用新型非水反应类的注浆材料,将两种不敏感的高分子聚合物液体混合在一起,使聚合物发生聚合反应,从而形成混合物。利用钻孔注浆的方式将高聚物材料注入路面下方空洞、翻浆位置,当高聚物注入后,会在短时间内发生化学固化反应,使高聚物材料本身发生膨胀并形成固体,最终达到养护加固的目的。
本工程采用高聚物注浆养护方案处理路面病害问题,施工前先利用 FWD 和探地雷达对工程病害情况全面调查,依据调查结果制定针对性的养护方案,包括注浆材料的选择要求、检测要求;注浆孔的设计数量、尺寸、位置,钻孔注浆的方式、压力大小等。
旧路注浆前检测
弯沉仪检测
落锤式弯沉仪检测简称为FWD检测,其检测原理是利用落锤的方式对路面施加脉冲荷载,以模拟车辆荷载作用。具体的荷载大小可通过对落锤质量、下落高度进行调节,并采用计算机控制的液压系统操作。该检测技术能精确获取路面弯沉值,反映路面的结构情况:本次路面FWD检测中设计的落锤荷载为10t,根据检测初期的勘测结果布置测点数量及位置,在裂缝、车辙病害位置应增加测点数量。经过路面的FWD检测结果得知,路面所有测点中弯沉值最大可达到986.5mm,已经超出设计要求值,表明当前公路路面病害问题严重,需要采用高聚物注浆养护措施[1]。
探地雷达检测
在利用FWD检测技术的同时,还应用了探地雷达检测技术明确病害的具体情况。该技术是利用无载波高速脉冲的探测路面下的病害情况,选取的脉冲参数可结合工程实际情况确定,脉冲在路面下方传播过程中,如遭遇不同介质则脉冲的传播路径、强度和波形均会发生变化,检测人员可根据测量的时间、幅值和波形判断介质的不同结构特性和深度,从而判断路面下方病害的具体情况。在检测工作中路面下方情况复杂,可能遭遇多种反射干扰事物,需要检测人员全部详细记录并明确干扰物的性质、距离、位置关系,以确保路面的检测质量。经检测,该工程路面局部空洞情况严重,但大部分路段病害较轻。
高聚物注浆材料选择
材料要求
(1)本工程采用的高聚物材料应具有以下特点:首先,材料的密度宜控制在150.80kg/m3,且无收缩可附加应力问题;材料本身应具备较高的膨胀性,发生聚合反应时材料体积可以快速膨胀,自由膨胀比宜达到20∶1[1];其次,材料要具有良好的早强和耐久性,早强是指高聚物可在短时间内迅速固化,要求15min内达到材料本身强度的90%,耐久性是指高聚物材料的稳定性较强,可以实现长期使用;最后,采用的高聚物施工速度要求快,对环境不得造成污染,以实现文明绿色施工的工程理念。
(2)按照上述对高聚物材料的要求并结合工程实际情况,本次养护施工采用的高聚物材料可分为2大类:第1类为聚氨酯白料,包括催化剂、泡沫稳定剂等;第2类为聚氨酯黑料,通过2种类型的材料结合反应形成高聚物。在正式注浆施工前,设计得到的高聚物材料应在实验室中检测其性能,检测标准参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG/E20—2011)规范要求,检测项目包括材料的吸水率、抗压强度。
注浆材料检测
(1)吸水率:高聚物的吸水率大小可以反映养护后路面的防水性能,材料的吸水率越小则养护后的防水性能就越好,在吸水率检测时所用的试件尺寸为40mm×40mm,检测后利用公式计算得到材料的吸水率大小,具体计算公式如式(1):
式(1)中,C%为高聚物的吸水率大小(%),m1为试件经过24h浸泡后的总质量(g),m0为试件经浸泡前的总质量(g)。
吸水率经试验分析得知,本次施工采用的材料内部在注浆中会形成封闭的气泡,长期在水中浸泡水分子也难以进入气泡内部。因此,材料的吸水率较小,满足要求[3]。
(2)抗压强度:材料的抗压强度与路面的承载能力存在直接的关系,其抗压强度越大则路面承载力越高,反之路面的承载能力就越差。针对高聚物抗压强度的检测共采用9组尺寸为40mm×40mm的试件,各试件的密度均不相同。经过对检测结果的分析得知,高聚物材料存在一个弹性变形阶段,即受到压力后试件会出现一定程度的变形,所能承受的极限应力在0.25~7.0MPa。当应力超过极限应力后,试件会发生受压变形直至完全破坏,同时依据检测结果试件的抗压强度会伴随材料密度的减小而增大,材料密度保持在要求的范围时,其抗压强度完全满足设计要求。
注浆孔设计及布置
注浆孔设计
注浆材料性能检测合格后,在正式施工前应通过试验施工,设计注浆孔的尺寸、间距、注浆压力及孔位的布置方式。结合工程实际情况,本工程注浆孔的直径设计为1.6cm,纵向间距设计在1.5m,横向间距设计在1.25m,存在严重裂缝、车辙的路段应在两侧增加注浆孔的数量,孔位距离裂缝的距离控制在0.3m。所有的注浆孔交叉布置,注浆深度以达到石灰土底基层与路基交界处,待注浆孔设计完成后确定注浆压力,设计的注浆压力越大则注浆速度越快,越小则注浆速度越慢。设计时宜综合考虑孔隙率、注浆土体积、填充系数因素并结合工程实际情况进行调整。本次注浆压力采用公式计算,见式(2):
式(2)中,PG为注浆压力的大小(MPa),P为注浆机械枪口的压力大小(MPa),△P为高聚材料本身的膨胀压力大小(MPa)。
通过上述公式计算得知,注浆压力应控制在7MPa,以保证整个注浆过程的安全进行。
注浆孔布置
确定注浆孔的尺寸、间距等参数后,按照参数要求在施工场地布置注浆孔。本次注浆孔布置采用满堂布置、沿裂缝布置和沿唧泥点布置3种布设方式。其中满堂布置应用于病害程度较轻的路段,主要目的是预防性养护,以增加公路结构的稳定性[4];沿裂缝布置应用于公路裂缝病害区域,注浆孔距离裂缝的距离保持在0.3m,呈交叉形状布置;沿唧泥点布置应用于公路唧泥或沉陷路段,呈正方形以相同的间距布设在病害区域四周,待所有注浆孔的位置确定后,利用标记确定孔位的直径及深度,再安排钻机钻孔作业[5]。
钻孔注浆施工
钻孔作业
钻孔采用冲击钻完成,开钻前先在钻机上安装50cm的钻头,将钻头与布设的注浆孔中心点位对准,再启动钻机开始钻孔施工。钻进过程中先慢速开钻,当钻深达到50cm后将短钻头更换为80cm的长钻孔。与钻孔中心位置保持一致后,将孔位钻深至设计位置后停止钻孔作业,安排人员检查钻孔质量,包括孔位的垂直度、深度、尺寸等相关参数,其偏差不得超过设计要求的1%,经检查合格后将孔内清理干净。依据相关标准,在注浆孔内安装注浆管,本次施工采用的注浆管为PVC管,安装前依据设计要求切割成指定长度,再将注浆管安装于路面下方(基层中间位置),待PVC管安放完成后在注浆管上安装注射帽,同时利用工具将注射帽凹型边缘清理干净。
注浆作业
(1)注浆孔和注浆管道安装完成后进行注浆作业。本工程注浆采用的浆液为高聚物材料,在浆液配比设计时应保持其合理性,确保浆液的效果。高聚物材料在施工场地周围拌制完成,经拌制得到的高聚物材料会在短期内固化,需要及时进行注浆操作,在注浆施工时主要采用管道将高聚物输送至注射枪内,再利用注射枪根据上述设计的7MPa的注浆压力将高聚物注入基层内部,经注浆后的高聚物材料到达基层空隙的区域后,可在短时间内发生化学固化反应并迅速膨胀体积,以用来填补裂缝、脱空造成的损坏[6]。
(2)本工程注浆施工中,为保证良好注浆效果,施工单位应加强对注浆过程的监督。首先,严格控制注浆量,注浆量过大,由于高聚物浆液体积的膨胀,会导致路面发生隆起现象;如注浆量过小,则会造成空隙区域无法填充密实,影响养护效果,控制好注浆量才能保证良好的注浆效果;其次,注浆时应控制注浆压力大小,避免发生意外事故,如发生注浆压力突然升高、出现反力回弹问题,则施工人员应持续稳压15~30s,待注浆压力稳定后再持续注浆,若仍无法解决,则应及时停止注浆施工,如注浆压力过小导致路面底部出现漏洞或裂缝,则施工人员应根据实际情况补浆施工,保证注浆处理效果[7];最后,做好注浆质量检查工作,若注浆质量不满足公路养护要求,则不得组织验收工作。
注浆效果分析
(1)为明确工程高聚物注浆养护的效果,在公路注浆施工完成后,安排检测人员对养护段的弯沉值进行检测,并与养护前的弯沉值检测结果进行对比,检测方法采用FWD落锤式弯沉仪,检测点与养护前保持一致。
结合工程实际检测情况得知,在所有检测点中,路面的弯沉值均有不同程度的减小,其中检测点55在注浆养护前的检测弯沉值为914.7mm,在注浆养护后已经降低至187.3mm,前后下降差值可达727.4mm;检测点23在注浆养护前的检测弯沉值为214.6mm,在注浆养护后降低至165.5mm,前后下降差值仅为49.1mm。从这2个单点分析,虽然下降差值相差较大,但均呈现下降现象,病害越严重的区域完成值变化越明显,经养护后均满足养护标准要求。
(2)除上述列举的养护检测点外,依据检测结果还可以看出,部分检测点的完成值存在升高的问题,如检测点28在注浆养护前的检测弯沉值为205.2mm,在注浆养护后不但没有发生明显的降低,反而弯沉值升高至208.9mm,升高差值达到3.7mm,虽然升高值相差不大,但完成检测结果与设计要求的200mm以内存在差异。产生此类问题的原因可能包括2点:(1)施工中存在失误,导致注浆量没能满足设计要求,造成高聚物膨胀量较小,路面下方仍存在空洞问题;(2)该区域周围存在严重的病害问题,在检测时没能发现,造成注浆施工存在误差,针对此类问题,经检测发现后需要及时安排人员补浆施工[8]。
结语
注浆中采用的高聚物材料本身具有较高的膨胀性、抗压强度,材料的防水性、安全性较好,在注浆施工后可以快速地将路面下方的空洞区域填充密实,从而增加路面的承载力,保证公路的稳定性能。但由于高聚物材料属于化合物材料,在注浆施工中应安排专业的施工人员,严格按照设计的施工方案、流程作业,注浆中做好施工要点的把控,注浆后及时检测养护加固效果,以充分发挥高聚物注浆养护的效果,实现对公路既有病害的处理,延长公路的使用寿命。