基于压力控制的装配式路面板板底注浆工艺研究*

付夕原 赵鸿铎 蔡爵威 成 可

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

路面装配式修复技术是一种理想的快速修复方法，具有工厂预制、现场装配、快速开放等特点，可作为水泥混凝土路面快速修复与新建的有效手段[1-2]。由于施工精度的限制，装配式路面板板底与基层顶面的几何尺寸无法完全匹配，导致路面板在安装后缺少均匀稳定的支撑[3-4]，因此常采用板底注浆的方式对层间空隙进行填充，从而保障装配式路面的服役性能。

现有工程中的板底注浆常采用注浆孔注浆、释放孔观测的双孔式注浆工艺[5]。但这种方式对于基层平整状况不佳时，由于浆液流动缺少注浆机泵送持压的过程，容易出现板块边角处浆液充盈度不佳的情况，严重时易导致路面板在使用过程中出现断板现象。此外，这种方式只能通过目测释放孔处的浆液液面是否下降来决定是否停注，经验性过强。

本文针对传统双孔式注浆工艺存在的不足，对其布孔方式和注浆方式进行改进，以期提出基于压力控制的新型注浆工艺。其主要思路为利用特制维压装置保证浆液始终能在注浆机的泵送压力下向层间的空隙扩散，同时利用压力表对关键位置的液压进行实时观测，并以此为控制指标实现对注浆过程的数字化监控，为装配式工程的推广应用奠定基础。

1 基于压力控制的注浆原理

1.1 布孔方式

由于浆液以近似圆形的方式从注浆孔向四周扩散，因此对传统的双孔式注浆布孔方式进行改进，将注浆孔设置在板中位置，并在浆液最难扩散到的板角处设置维压孔和维压装置，从而保证浆液的填充效果。改进前后的布孔方式见图1。

图1 不同注浆工艺的布孔方式

1.2 维压装置

为获得可以量化且易于监测的停注指标，设计特制维压装置。通过宝塔接头与预埋在装配式路面板内的橡胶软管密封相连，具体安装方式见图2。

图2 特制维压装置及其安装方式

排气阀使维压装置在闸阀关闭时只能排出气体，不能排出液体，因此浆液未完全填充时，能够将空气排出并进入注浆空隙内。当浆液扩散至维压孔位置后，排气阀在浆液浮力的作用下被关闭，此时整个维压装置完全密闭，板底浆液液压逐渐升高，从而为其在边角处的扩散提供足够动力。

注浆后可根据压力表是否有读数判断浆液是否扩散至维压孔，由于维压孔设置在距离注浆孔的最远端，即浆液最难扩散到的区域，当所有压力表均产生读数时即可认为板底的注浆空隙已被完全填充。在压力表产生读数后继续注浆会造成液压持续升高，从而导致路面板被顶起或板底密封条被冲开，因此需要对注浆压力进行精准控制，保证在提高注浆充盈度的同时防止注浆失败。

2 注浆压力的控制理论

2.1 注浆扩散压力

2.1.1基本假设

板底注浆的浆液扩散模式与单一平板裂隙中浆液扩散模式类似。为建立其理论扩散模型，提出以下基本假设[6-8]：①浆液在运动过程中满足连续性方程；②浆液在运动中体积是不可压缩的，且密度不发生变化；③浆液是各向同性的；④浆液在运动的各个瞬间，剪切速率与剪切应力满足线性关系；⑤浆液在静止时，各个方向的正应力相等；⑥浆液-固壁边界满足无滑移边界条件。

2.1.2模型求解

基于以上假设，可以得到浆液的扩散模型见图3a)，由于扩散过程中所有物理量都是轴对称关系，因此可简化为二维问题进行计算，二维扩散模型见图3b)。

图3 路面装配式修复板底注浆扩散模型

根据流体力学理论，浆液微元体满足以下方程：

①连续方程

(1)

②运动方程

(2)

由于浆液为不可压缩流体，因此注浆过程中任意时刻浆液沿流线方向的流速相同，忽略浆液的竖直方向运动，可将式(2)转化为

(3)

式中：τ为浆液的剪切应力；h为注浆空隙高度方向；p为浆液液压；r为浆液扩散方向；Fr为浆液所受r方向的体积力。

浆液的剪切应力满足h=0时，τ=0，故其满足

τ=Ah

(4)

板底注浆多采用水泥基类注浆材料，此类由固体颗粒材料制成的悬浮型浆液属于宾汉流体，其本构方程见式(5)。

(5)

联立式(4)及(5)并积分可得

(6)

(7)

在注浆过程中，注浆机的流量恒定，因此流量q满足

(8)

将式(7)代入(8)并整理得

(9)

对式(9)在(r0，R)范围内积分，并代入边界条件(r=r0，p=p0)，r0为注浆孔的半径，p0为注浆孔处压力，可得

(10)

式中：体积力Fr仅考虑重力，其几何关系见图4。其中,α为注浆空隙的倾角，(°)；β为注浆空隙的方向角，(°)。

图4 浆液扩散角度几何关系

因此体积力Fr可按式(11)计算。

Fr=ρgsinαcosβ

(11)

综合上述各式，在浆液扩散的最远端r=R位置，浆液压力p=0，可求得浆液扩散距离为R时所需的最小注浆压力

(r-r0)ρgsinαcosβ

(12)

式中：2b为注浆空隙的高度，m；ρ为浆液密度，kg/m3；g为重力加速度，9.81 m/s2。

2.2 装配式路面板顶升液压

装配式路面板在浆液液压过大时会被顶升，导致注浆失败，因此需要计算装配式路面板的顶升力，将其作为注浆压力控制值。路面板被顶升的临界状态受力满足

pgS=G板=ρ板gh板S

(13)

可简化为

pg=ρ板gh板

(14)

式中：pg为顶升液压，Pa；ρ板为装配式路面板密度，kg/m3；h板为装配式路面板厚度，m。

2.3 板底密封条可维持液压

2.3.1板底密封性能试验及结果分析

为测试粘贴密封条后板底的密封性能，设计了试验装置见图5。测试装置由顶板和底板组成，通过螺栓连接并控制间距，通过粘贴密封条构造出注浆空隙。浆液从顶板中部注浆口注入，表面设有压力表接口可实时测量注浆空隙内液压，在底板表面设置半刚性基层材料以模拟真实的摩擦条件。使用游标卡尺测量密封条在压缩前后的厚度即可获得密封条的压缩率。

图5 板底密封试验装置

板底密封装置中密封条基本尺寸见表1。

表1 密封条的基本参数

开始注浆后，当空隙内压力增加到一定程度时，浆液冲开密封条导致其失效漏浆。记录压力表的最大值即可得到板底密封条所能维持的最大液压。试验分别测试了表1中4种密封条的密封性能，测试结果见图6～图9。

图6 丁晴橡胶密封条测试结果

图7 三元乙丙橡胶密封条测试结果

图8 聚四氟乙烯密封条测试结果

图9 硅橡胶密封条测试结果

结果表明，同种密封条在压缩量保持不变时，所能维持的液压随着注浆流量的增大而增大，但是增大趋势逐渐趋于平缓。在相同注浆流量下，随着密封条压缩量的增大，液压逐渐增大。

以保持液压为指标、压缩量为参数时，可以看出三元乙丙橡胶密封条和聚四氟乙烯密封条在较小压缩量、较小流量下即可保持较大液压；随着流量增加，维持的液压增幅不大。而硅橡胶在流量较小时，测试可以维持的液压较小，可能是由于材质较硬，与基层之间接触不够紧密，小流量时浆液可从与基层间的空隙泄漏。

2.3.2密封条压缩试验及结果分析

板底注浆过程中的路面板自重主要由调平螺杆承担，因此应选择压缩性能好的密封条材料，以保证密封条能获得较大的压缩率，提供更大的可维持液压。

试验采用材料试验系统(material test system,MTS )来对密封条的压缩性能进行测试。密封条在使用中为第一次压缩，因此选择长度为10 cm的未使用密封条作为试验材料。

试验采用控制荷载模式，压力增加速度为0.1 kN/s。为比较试验中不同宽度密封条特性，设计单位长宽密封条的最大压力值为30 kN/(m×cm)。10 cm长的试验材料的设计压力值见表2。

表2 密封条的设计压力值

4种材料的压缩特性曲线图见图10。

图10 密封条压缩特性曲线

由图10可见，发泡丁晴橡胶、发泡三元乙丙橡胶密封条和聚四氟乙烯密封条在受压时变形较为迅速，压缩量较大。

此外，4种密封条在受到竖向向下的压力作用时，竖向变形持续增大，荷载-变形曲线均为凸曲线。在荷载较小时，变形量随着荷载的增加快速增大；当荷载增加到一定程度时，变形增加量趋于平缓。相同荷载下硅橡胶的压缩率最低，说明硅橡胶材质最硬；发泡三元乙丙橡胶压缩率最高，说明该密封条最软，在单位长宽下的荷载接近6.2 kN/(m·cm)时，发泡三元乙丙密封条的压缩率接近80%。

2.3.3板底密封条选择与压力控制

密封条设置在装配式路面板板底，用于填补调整板体高程后板底与基层之间的空隙。由于板底和基层间的空隙高度具有不确定性，选择密封条需要满足较易压缩、低压缩量下即有较好密封性的要求。

从板底密封性能试验来看，2 cm宽的发泡三元乙丙橡胶材料在压缩率为0.12和0.3时，可维持液压分别大于0.02 MPa和0.03 MPa，说明其在较低的压缩率下便有较好的密封性；从密封条压缩性能试验来看，该种材料较软，容易变形；此外其成本较低，矩形形状制造容易。因此选择发泡三元乙丙橡胶为板底密封条材料，截面形状为矩形。

根据试验结果，通过回归分析可得到密封条可维持液压的计算方法见式(15)。

pm=0.001 0×q+0.065 7×ε+0.006 342

R2=0.982 6

(15)

式中：pm为密封条可维持液压，MPa；q为注浆机流量，L/min；ε为密封条压缩率。

3 基于压力控制的板底注浆流程

根据上述理论分析，总结基于压力控制的路面装配式修复板底注浆流程如下：

①在路面装配式修复设计阶段，根据实际工况，计算注浆控制压力，并确定注浆材料、注浆层厚度、注浆孔位置及板长。在安全裕度为β时，注浆控制压力应满足

(1+β)×p0≤p≤(1-β)×min(pg，pm)

(16)

②板块预制时，利用PVC管构造注浆孔，在4个板角距离板边5 cm处设置橡胶软管构造维压孔；

③注浆开始前，组装维压装置，确保各部位连接紧密，且接口处完全密封；

④将维压装置与橡胶软管密封连接，将注浆机的注浆管与注浆孔密封连接；

⑤打开注浆机，向注浆空隙中注入制备好的注浆材料；

⑥待4个维压装置上的压力表均出现读数时，降低注浆机流量，继续注浆；

⑦待出现压力表读数大于注浆控制压力时，关闭注浆机，并打开维压装置上的闸阀，使多余浆液流出；

⑧待液压释放完全后，将维压装置拆下，并对维压装置和注浆机进行清洗，完成注浆。

4 板底注浆试验验证

4.1 注浆揭板试验

为验证新型注浆工艺的注浆效果，进行了室内足尺板底注浆试验。板块尺寸为2.5 m×2.5 m×0.24 m，注浆空隙高度为1.5 cm，注浆材料为水灰比0.7的水泥浆。通过注浆揭板的方式判断浆液充盈度。在相同条件下，将传统的双孔式注浆工艺与之进行比较，以验证新工艺的改良效果。

4.2 试验结果分析

注浆结束后板底浆液填充状况见图11。

图11 板底浆液填充状况

本文通过浆液填充区域占样品总面积的比率来量化注浆填充效果，它反映了揭板试验中浆液对板底空隙的填充程度，计算方式如下

(17)

式中：β为板底浆液的填充占比百分数，%；n为铺面板样品的总数；Si浆为第i个样品被浆液填充区域的面积，m2；Si为第i个铺面板样品底部的总面积，m2。

对注浆后板底样品的浆液填充区域进行图像识别，见图12～图13。

图12 板角浆液填充状况

图13 板边浆液填充状况

分别计算了2种注浆工艺下板边和板角的填充占比。双孔式注浆对应的板边浆液填充占比为46.11%，板角为11.35%；基于压力控制的注浆工艺对应的板边浆液填充占比为88.41%，板角为98.35%。结果表明，2种注浆工艺填充效果差异明显。双孔式注浆工艺在板边及板角处存在大块区域的空隙，填充效果不佳；改进后基于压力控制的注浆工艺在板角、板边、板中位置都均饱满地填充浆液，虽然存在一些由于气体未能完全排出而产生的小气孔，但不会对路面的结构性能造成影响，实际应用中可通过改进维压孔的布设位置及方式缓解或消除此现象。

5 结语

本文基于流体力学理论建立了浆液的扩散方程，推导出注浆压力的计算公式，考虑装配式路面板顶升液压和板底密封条可维持液压提出了注浆压力控制理论。通过板底密封性能试验和压缩试验对比了4种密封条的使用性能并选取了密封性好、压缩性高的发泡三元乙丙橡胶作为密封条材料。根据理论及试验分析提出的基于压力控制的板底注浆工艺流程可有效提高板角、板边位置的浆液充盈度，并能够通过压力表获得量化且易于监测的停注指标，对提高注浆效果，保障装配式路面的结构性能至关重要。

虽然本文提出的注浆压力控制理论能为停注指标的定量判断提供依据，但仍存在一定局限：①注浆扩散方程是基于各向同性的假设推导的，而实际情况下的浆液扩散运动形态会从各向同性下的圆形过渡到近似矩形和椭圆的组合形状，故有待结合相应试验进行深入研究；②本文只是基于压力定量判断注浆充盈度，还可通过观测注浆孔或释放孔的浆液流量等进行数字化监控。