钢桥面浇注式沥青混合料施工缝处治材料粘结性能试验研究

钟庆军， 胡德勇， 汪 昊， 王 民

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 401336； 2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

近年来，随着对路面接缝处治材料性能研究的不断深入，从不同的视角进行挖掘和探索。李峰等[6]通过裂缝修补工程试验及跟踪观测，对沥青路面裂缝贴缝条的性能进行评价并提出技术要求；孙坤军等[7]通过200次的冻融循坏试验，对一种新型混凝土渠道接缝材料的抗冻性能进行了研究；霍曼琳等[8]从界面结构特征及粘结施工特点出发，研制了隧道衬砌施工缝新型界面粘结材料，并对各项性能指标进行了验证；张磊蕾等[9]通过“自透水+缝隙透水”的透水模式，研究了缝隙透水路面接缝材料；刘杰胜等[10]分析了路面嵌缝材料接缝密封失败的原因，提出了路面接缝材料的性能要求，并发现一种新型路面接缝材料“硅橡胶”能较好地满足嵌缝材料的性能要求；宋玉普等[11]采用不同的施工接缝面处理方法，对混凝土施工缝接缝面劈拉强度进行了试验研究。

综上分析，接缝材料融化程度、拉伸性能等对沥青混合料纵向施工缝的接缝效果及防开裂性能至关重要[12-13]，但目前对沥青混合料路面施工缝材料的粘结性能研究的报道较少。基于此，本文通过2种类型沥青贴缝条、2种灌缝料以及2种沥青结合料进行对比试验，以期选出适合浇注式沥青混合料路面的纵向接缝材料。

1 原材料

选用沥青贴缝条、灌缝料、热融改性沥青3种类型材料，每种类型材料分别选取具有对比性的2种进行研究。

1.1 沥青贴缝条

沥青贴缝条是浇注式沥青混合料纵向接缝使用最为广泛的一种接缝材料，根据项目特点，其性能也有较大差异。本文选用的2种沥青贴缝条都属于沥青基类材料，取自在建的钢桥面铺装工程，如图1所示，其性能参数如表1所示。

图1 沥青贴缝条

表1 2种沥青贴缝条性能

从表1可见，2种沥青贴缝条的软化点接近，但延度和弹性恢复率性能差异较大，1#沥青贴缝条较2#沥青贴缝条优异，具有更好的延展性。

1.2 灌缝料

灌缝料在浇注式沥青混合料纵向接缝中应用较少，一般在沥青路面出现裂缝时进行灌缝使用。本文采用的沥青灌缝料按应用特点分为低温型和高温型2种，都是由基质沥青、聚合物、合成橡胶、再生橡胶、树脂和UV抑制剂化合而成[14]， 其性能参数如表2所示。

表2 2种灌缝料性能

由表2可见，2种灌缝料在性能方面差异性明显。1#灌缝料(6609系列)延度和针入度远大于2#灌缝料(AR系列)，具有较好的延展性，适合在冬季比较寒冷地区使用，2#灌缝料则适合在冬季气温较高的地区使用。

文章数据用SPSS19.0软件处理，计量资料采用t检验，计数资料以χ2检验，若P＜0.05，则差异有统计学意义。

1.3 热融改性沥青

热融改性沥青作为一种性能优异的施工缝材料，沥青路面施工中往往喷涂在施工缝侧面作为接缝材料。本文选用钢桥面铺装工程中常用的高弹改性沥青和聚合物复合改性沥青2种热融改性沥青进行试验。2种热融改性沥青从沥青储存罐中取出后，存放在灌缝机中加热，待一幅浇注式沥青混合料施工完毕并冷却后，将其涂刷在浇注式沥青混合料铺装层纵向接缝侧面。其性能参数如表3所示。

表3 2种热融改性沥青性能

从表3可见，高弹改性沥青的延度和针入度远大于聚合物改性沥青，具有优异的延展性，因此在工程上也主要是用在面层SMA混合料中，有助于提高上面层混合料的疲劳抗开裂性能。聚合物改性沥青软化点较高弹改性沥青高，有利于提高浇注式沥青混合料的高温性能。

2 试验方案及方法

2.1 试验方案

为了模拟浇注式沥青混合料实际铺装中纵向接缝的施工过程，先后成型浇注式沥青混合料试件，在纵向接缝侧面涂刷或粘结接缝材料，成型工艺如下：

1) 采用室内车辙试模，按照设计厚度3.5 cm成型浇注式沥青混合料试件，并将切割后的试件放入车辙试模中。

2) 将贴缝条和不同用量的灌缝料、热融沥青粘贴或涂刷在试件侧面，如图2所示，将拌制好的浇注式沥青混合料铺装铺筑在另一侧，模拟临侧浇注式沥青混合料铺装层摊铺。

3) 切割试件，对边缘部分1 cm内粘结效果较差的部分全部舍弃，每块测试试件的宽度保证在9 cm～9.5 cm之间，厚度控制在3.3 cm～3.6 cm之间。

图2 接缝材料粘贴或涂刷

试件成型完成后，分别通过不同条件下的拉拔试验和疲劳拉伸试验对接缝材料的粘结性能和疲劳性能进行测试。拉拔试验采用5 ℃、25 ℃以及60 ℃三种温度，并且为了探究接缝材料用量对接缝处理的实际影响效果，设计了3种不同灌缝料和热融沥青的用量，如表4所示。

表4 灌缝料和热融沥青设计用量 kg/m2

2.2 试验方法

1) 拉拔试验

按照JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》[15]中的粘结强度试验方法，采用万能试验机进行拉拔试验，如图3所示。该试验方法荷载由传感器测定，最大荷载满足规范要求，即介于量程的20%～80%，温度由环境保温性控制，准确至±0.1 ℃，试验过程中加载速率保持不变，为10 mm/min的拉伸速率。

图3 接缝组合结构粘结性能试验

2) 疲劳拉伸性能试验

疲劳拉伸性能测试采用Overlay Tester[16]试验方法，该方法最初由美国德克萨斯州交通研究中心设计出并用来评价沥青混合料抗反射裂缝的能力，它通过对底部有开口的托盘施加往返水平力，带动粘附于其上的沥青混合料试件产生循环拉伸变形，以此来模拟沥青路面的裂缝及其扩展情况。采用控制水平位移进行试验[17]，最大位移量设定为0.635 mm，试验温度为25 ℃，试验频率为1 Hz，最大加载次数为10 000次。试验方法如图4所示。

3 试验结果分析

3.1 粘结强度试验

接缝材料的粘结性能直接表征2幅浇注式沥青混合料铺装层的结合强度，直接影响到浇注式纵向接缝的结合效果，并可保证铺装层的整体性。通过对不同温度、不同灌缝料和热融沥青用量下的接缝组合结构进行拉拔试验，其粘结强度测试结果如表5所示。

图4 抗裂拉拔试验

表5 接缝组合结构粘结强度拉拔试验结果

从表5测试结果可以看出，不同温度条件下，接缝组合结构的粘结强度规律并不一致。低温条件下热融改性沥青粘结强度最大，高达0.989 MPa，由于沥青被拉伸并未出现拉脱现象；常温和高温条件下贴缝条的接缝组合结构粘结强度最大，出现部分拉脱，而灌缝料和热融改性沥青的粘结强度相差不大。从整体分布来看，每2种类型的接缝材料都有一种适合低温条件，一种适用于高温条件，延度较高的在低温条件下具有更高的粘结强度。随着温度的升高，接缝组合结构的粘结强度急剧下降，高温条件下粘结强度在0.03 MPa～0.05 MPa之间，且温度越高，不同接缝材料之间的粘结强度差距变小，说明3种接缝材料在高温条件下优势并不明显。

3.2 疲劳粘结试验

在疲劳拉伸试验过程中，采用位移为控制条件，每次加载时试验输出值为0.635 mm位移量时的加载力，各接缝材料各时期试验力如图5所示，高弹改性沥青试验结果如图6所示。

图5 接缝材料各时期加载力

从图5可见，受荷载加载速率的影响，疲劳拉伸的初始加载力均比拉拔试验的粘结强度小。各类接缝材料试验时，如初始加载力较大，加载初期阶段接缝材料粘结强度衰变明显。在第2次加载过程中，相同控制位移量下，几乎所有接缝材料的试验力衰变速率更快，当加载次数达到10 000次左右时，迅速衰变至一个低值，并保持较小的衰变速率。

图6 高弹改性沥青试验趋势

结合图5、图6试验结果可知，几种接缝材料在加载后，高弹改性沥青在初始加载和10 000次加载后加载力都是最大，初始试验的最大加载力约1.75 kN，随着加载次数的增加，试验力急剧减小，随后一直保持很小的衰变速率，当加载次数达到最大的 10 000次时，加载力大小基本保持不变，约为0.5 kN。结合其3大指标等性能测试结果，高弹改性沥青的粘结强度和抗疲劳拉伸力学性能最为优异，在工程上可用于面层SMA混合料中，以提高上面层混合料的疲劳抗开裂性能。

4 结论

本文通过拉拔试验和疲劳拉伸试验2种试验方法，采用2种类型沥青贴缝条、2种灌缝料以及2种沥青结合料进行对比试验，得出以下结论：

1) 3类6种接缝材料中，灌缝料和热融改性沥青作为新型接缝材料具有较好的力学性能，其中以高弹改性沥青性能最为优异；且采用高弹改性沥青作为接缝材料时，以纵向接缝界面留存2 mm～3 mm厚沥青膜，底部聚集有少量沥青为宜，用量应控制在4 kg/m2～5 kg/m2。

2) 低温条件下热融改性沥青粘结强度最大，常温和高温条件下贴缝条的接缝组合结构粘结强度最大，灌缝料和热融改性沥青粘结强度相差不大。

3) 随着温度的升高，接缝组合结构的粘结强度急剧下降，各接缝材料之间的粘结强度差距变小，高温条件下优势并不明显。