舊混凝土路面加鋪層反射裂縫養(yǎng)護(hù)材料研究

陳全

摘要：舊混凝土路面加鋪瀝青混凝土可充分利用舊混凝土路面剩余壽命，具有較高的路用價值，但新舊路面材料交接處因存在舊路面病害導(dǎo)致應(yīng)力集中致使加鋪層應(yīng)力過大而產(chǎn)生反射裂縫。文章通過對廣西水泥路面瀝青加鋪層的病害進(jìn)行統(tǒng)計調(diào)查和分類，采用有限元方法分析了水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫形成機(jī)理，并針對廣西瀝青加鋪層反射裂縫特點，提出瀝青加鋪層反射裂縫的防治措施，研制出一種由SBS對基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性的高粘彈填縫料。通過室內(nèi)高溫性能、低溫性能、粘附性能試驗驗證，該高粘彈填縫料滿足裂縫修補(bǔ)要求，且使用效果良好。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土;瀝青加鋪層;反射裂縫;填縫料

中國分類號：U418.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著不同程度病害的出現(xiàn)，早期建成的水泥混凝土路面已普遍不能滿足交通運輸要求，需對其進(jìn)行大修改造，瀝青加鋪層有效改善了舊水泥路面的路用性能，但原舊水泥混凝土路面接縫處在溫度或荷載應(yīng)力以及兩者耦合力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致加鋪層應(yīng)力過大而產(chǎn)生反射裂縫[1]。本文通過實踐調(diào)查得出舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層病害主要為反射裂縫的結(jié)論，在基于理論分析基礎(chǔ)上提出舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫防治措施，并研制出一種由SBS對基質(zhì)瀝青復(fù)合改性的高粘彈填縫料及材料配合比，通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場實踐表明，該種材料使用效果良好。

1 廣西地區(qū)舊水泥路面加鋪層病害調(diào)研

本文以廣西G72泉南高速桂柳段高速舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程為依托，并選取2處具有代表性的瀝青加鋪層路段的反射裂縫進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，如表1所示，可以看出，各車道反射裂縫分布存在較大差異，行車道反射裂縫多于超車道，表明交通荷載對反射裂縫的形成、擴(kuò)展有重要影響。較寬的反射裂縫（≥3 mm）如不及時灌縫養(yǎng)護(hù)，路面雨水的滲入將加劇瀝青加鋪層的破損，常出現(xiàn)縫邊松散、脫落等病害。

2 加鋪層反射裂縫形成機(jī)理

為揭示舊水泥路面瀝青加鋪層在接縫處產(chǎn)生反射裂縫的原因，本文選用有限元法對加鋪層在不同溫度和交通荷載變化時進(jìn)行分析，計算模型如圖1所示。加鋪結(jié)構(gòu)數(shù)值計算參數(shù)與文獻(xiàn)資料[2-3]一致。

由圖2和圖3可以看出，受交通荷載和溫度梯度的影響，加鋪層彎沉、剪應(yīng)力、等效應(yīng)力及主應(yīng)力在接縫處出現(xiàn)達(dá)到最大值，即在接縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中，剪應(yīng)力增幅最明顯，誘發(fā)了加鋪層層底反射裂縫的形成、擴(kuò)展。當(dāng)溫度梯度為-10 ℃時（層頂面比層底低10 ℃），加鋪層接縫處第一主應(yīng)力高達(dá)4.30 MPa（未考慮應(yīng)力松弛影響），促使加鋪層產(chǎn)生開裂破壞，而非接縫處第一主應(yīng)力僅為接縫處第一主應(yīng)力的1/10，約為0.487 MPa。計算結(jié)果也表明，加鋪層層頂?shù)谝恢鲬?yīng)力遠(yuǎn)小于層底的第一主應(yīng)力，進(jìn)一步表明應(yīng)力集中主要產(chǎn)生于接縫處層底。可見，舊水泥混凝土路面接縫處在溫度應(yīng)力、荷載應(yīng)力以及兩者耦合力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中是導(dǎo)致加鋪層接縫處反射裂縫形成、擴(kuò)展的根本原因[4]。

另外，雨水沿裂縫不斷侵入沖刷水泥混凝土面板基層，引起瀝青表面唧漿，使水泥混凝土面板底脫空，路面的彎沉差增大，也加速了反射裂縫的擴(kuò)展。同時，若雨水繼續(xù)滲入至底基層，導(dǎo)致底基層和土基軟化，路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均較小，助推了唧泥、松散、坑槽等病害的產(chǎn)生，甚至演化為路面結(jié)構(gòu)性破壞，因此，一旦出現(xiàn)反射裂縫，及時對其進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)非常必要。

3 加鋪層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料性能研究

反射裂縫對瀝青加鋪層的使用性能帶來不利影響，目前多采取填縫、微表處等方式進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。其中，反射裂縫灌縫材料選取時應(yīng)協(xié)調(diào)路面膨脹和收縮變形，增強(qiáng)與破損界面的粘附力，從而大大延長瀝青加鋪層的使用壽命。因此，針對上述材料要求研制出一種高粘彈灌縫料，并對其高低溫性能和粘附性能進(jìn)行研究。

3.1 原材料

試驗原材料：采用埃索A-90#基質(zhì)瀝青、4303SBS、40目膠粉，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

3.2 改性劑摻量對瀝青基填縫料性能的影響

SBS的兩相分離結(jié)構(gòu)具有良好的彈性、高溫穩(wěn)定性和低溫柔韌性，因此，采用SBS對瀝青基填縫料進(jìn)行改性，不同SBS摻量的瀝青基填縫料性能變化如表3所示。

隨著SBS摻量的增加，瀝青的軟化點、延度和彈性恢復(fù)率值逐漸增大，當(dāng)其摻量從3%增至4%，灌縫材料的技術(shù)性能提高較快;當(dāng)其摻量從4%增至5%，灌縫材料的技術(shù)性能提升變緩;當(dāng)摻量增至6%時，灌縫材料的技術(shù)性能提升進(jìn)一步變慢。說明隨著摻量的增加，SBS能夠在瀝青基填縫料中逐漸形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5-6]，對瀝青基性能明顯改善，當(dāng)摻量達(dá)到一定比例時，SBS對瀝青基填縫料的改性效果開始趨緩。從SBS摻量與改性效果來看，摻量在5%時，SBS對瀝青基填縫料的改性程度最大。因此，確定最佳SBS摻量為5%。

3.3 高溫性能測試

為避免高溫時雜物侵入裂縫，本試驗參照采用錐落試驗測試填縫料錐入度和剪切強(qiáng)度，測試方法與瀝青針入度測試方法基本相同，不同之處是將針入度的長針換成了錐針，瀝青盛樣皿的尺寸變?yōu)?0 mm、深50 mm?？辜魪?qiáng)度借鑒土壤抗剪強(qiáng)度計算方法，如式（1）所示。錐入深度試驗溫度選取15 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃六個等級。

如表4、表5所示，高粘彈填縫料在15 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃時的錐入度和抗剪強(qiáng)度較基質(zhì)瀝青得到了明顯改善，與美國進(jìn)口瀝青相比，兩種材料的錐入度和抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果基本相同，說明高粘彈填縫料與美國進(jìn)口瀝青均具有較好的高溫性能。

3.4 低溫性能測試

低溫抗裂性能是瀝青填縫料在寒冷環(huán)境中能否保持正常路用性能的重要指標(biāo)之一。試驗選用低溫彎曲流變試驗（簡稱BBR）方法，通過測定荷載作用下的瀝青小梁在不同溫度時的彎曲變形來評價瀝青結(jié)合料的低溫性能，試驗采用的評價指標(biāo)為低溫彎曲蠕變勁度模量s和蠕變速率m。瀝青材料的低溫開裂多發(fā)生在瀝青已經(jīng)老化時，此時材料的應(yīng)力松弛性能降低，蠕變勁度增大。因此，選取的試驗樣本為TFOT+PAV老化后的瀝青、未老化瀝青和TFOT老化后瀝青三種。根據(jù)PG分級，選擇-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃這些溫度。試驗結(jié)果如表6所示。

-24 ℃時，高粘彈填縫料與美國進(jìn)口瀝青的蠕變勁度分別為221與162，蠕變速率分別為0.319與0.392，表明兩種材料未老化時均具有良好的低溫抗裂性能。一般認(rèn)為，蠕變勁度模量越小，蠕變速率越大，瀝青材料低溫性能越好。同等溫度下，經(jīng)短期老化，高粘彈填縫料的蠕變勁度模量約是美國進(jìn)口瀝青的1.55倍，而蠕變速率后者是前者的1.20倍，瀝青老化過程，輕組分的揮發(fā)和輕組分向重組分演變是瀝青老化的根本原因，導(dǎo)致瀝青組分中的瀝青質(zhì)占比增加，造成瀝青的柔韌性削弱及抵抗永久變形的能力下降[7-8]。盡管兩者抗短期老化性能存在一定的差距，但考慮到廣西地區(qū)濕熱的氣候環(huán)境，優(yōu)先選擇勁度模量較大的灌縫材料。

TFOT+PAV老化后的高粘彈填縫料與美國進(jìn)口瀝青的BBR試驗結(jié)果表明：兩種材料的低溫抗裂性能均大幅降低;在-18℃時，兩種材料的蠕變勁度和蠕變速率滿足規(guī)范要求;在-24 ℃時，兩種材料的蠕變速率均不能達(dá)到規(guī)范要求，根據(jù)SHRP低溫PG分級標(biāo)準(zhǔn)確定方法，兩者的低溫等級確定為-28 ℃，遠(yuǎn)高于廣西地區(qū)的使用要求。

3.5 高粘彈灌縫材料的層間粘結(jié)性能

裂縫修復(fù)的主要目的是恢復(fù)路面安全性和結(jié)構(gòu)連貫性，因受力和材料不同，修補(bǔ)界面相對于路面其他地方仍為薄弱面，在溫度和車輛荷載重復(fù)作用下，填縫料易從界面剝落。因此，填縫料應(yīng)當(dāng)與裂縫界面具有良好的粘附性能。

試驗采用GF多功能道路層間力測試儀[9-11]對試件界面干燥、潮濕、水環(huán)境及浸泡四種環(huán)境下填縫料的粘附強(qiáng)度進(jìn)行研究。參考《路面加熱型密封膠》技術(shù)規(guī)范[12]，設(shè)計重復(fù)拉伸與恢復(fù)試驗，經(jīng)5次拉伸與恢復(fù)循環(huán)，灌縫材料層間粘結(jié)性能測試結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，在室溫下，兩種灌縫材料層間粘結(jié)性能變化趨勢基本接近。經(jīng)過3次拉伸與恢復(fù)循環(huán)，

兩者粘結(jié)強(qiáng)度變化較大，第3～4次，由于粘結(jié)界面基本穩(wěn)定，在第5次拉伸循環(huán)與恢復(fù)后，兩者粘結(jié)強(qiáng)度均出現(xiàn)較大降幅。在水環(huán)境條件下，高粘彈灌封材料與試件界面之間仍能保持良好的粘結(jié)性能，組織水分滲入，可起到較好的密封效果。美國進(jìn)口灌縫材料對水分較敏感，其疏水性存在不足，在拉伸過程中界面已出現(xiàn)開裂、脫漏。無論高粘彈灌縫材料還是美國進(jìn)口灌封料，水分的存在都會對粘結(jié)界面產(chǎn)生一定的損傷，因此，在灌縫材料研制時，常摻入一些表面活性劑，提高其憎水性，防止水分滲入，改善灌縫材料界面的粘結(jié)性能[13]。

4 灌縫材料使用效果

對廣西G72柳桂高速局部路段實施了不同的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，如表7所示，進(jìn)行野外使用性能觀測，評價不同養(yǎng)護(hù)措施的應(yīng)用效果。

路段病害類型為縱向及橫向裂縫且呈現(xiàn)規(guī)則單條線形。填縫料使用前，對縫寬在5 mm以上的裂縫，切槽處理，槽深3～5 mm，應(yīng)清掃干凈并除塵，對于縫寬在5 mm以下的輕微裂縫，無需開槽，即可對裂縫進(jìn)行封縫處治。采用電熱吹風(fēng)對凹槽進(jìn)行預(yù)熱，一般在80 ℃～100 ℃之間，讓粘流態(tài)灌縫材料滲入反射裂縫內(nèi)，待灌縫材料完全冷卻后，即可開放車輛通行。

盡管灌縫材料對路面美觀造成一定的視覺影響，但能有效、快速地修復(fù)反射裂縫，抑制路面水分滲入加鋪層內(nèi)部，減少路面病害發(fā)生，延長瀝青加鋪層的使用壽命。

5 結(jié)語

（1）舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層的反射裂縫是由舊水泥混凝土路面接縫處在溫度應(yīng)力、荷載應(yīng)力以及兩者耦合力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致加鋪層應(yīng)力過大產(chǎn)生，且逐漸向上擴(kuò)展，最終貫穿整個加鋪層。水分沿著裂縫繼續(xù)滲透到底基層、濕軟底基層和土基，引起水損害，降低路面結(jié)構(gòu)承載能力。

（2）改性后的瀝青填縫料與進(jìn)口美國瀝青比，其高溫性能、低溫性能及粘結(jié)強(qiáng)度均高于美國瀝青，并表現(xiàn)出優(yōu)異性能，滿足廣西區(qū)瀝青加鋪層反射裂縫修補(bǔ)要求。

（3）采用填縫料修補(bǔ)瀝青加鋪層反射裂縫效果明顯好于霧封層和微表處，具有較高的使用效果。

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