中小橋梁無(wú)縫伸縮縫材料關(guān)鍵性能研究

周文靜

浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023

伸縮縫結(jié)構(gòu)一般設(shè)置在橋梁相鄰兩跨的橋面之間或者橋梁梁端與橋臺(tái)背墻之間，在溫度變化、混凝土收縮徐變、車(chē)輛動(dòng)荷載、橋梁梁端轉(zhuǎn)動(dòng)等作用下需保證橋梁自由地伸縮變形。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)存在一系列問(wèn)題，主要包括跳車(chē)加劇橋梁損壞、超載加劇梁端沉降、漏水與氯鹽腐蝕橋梁混凝土材料、灰塵與垃圾填充伸縮縫、更換成本增加。應(yīng)用無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)可保證橋梁路面的連續(xù)性，消除現(xiàn)有伸縮縫結(jié)構(gòu)不連續(xù)帶來(lái)的跳車(chē)問(wèn)題，提高結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，其優(yōu)越的使用性能和低維護(hù)成本，在中小橋梁中具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

無(wú)縫伸縮縫是在橋梁伸縮縫間隙中填充彈性材料，使接縫處的橋面鋪裝與其他鋪裝部分形成連續(xù)體，并用彈性材料適應(yīng)變形的能力來(lái)承受橋梁伸縮變形的一種構(gòu)造，其簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。無(wú)縫伸縮縫是一種小位移的伸縮縫裝置，常常被用于跨徑較小、伸縮量在40mm以下的中小橋梁中。

圖1 無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)示意圖

采用無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）結(jié)構(gòu)中的彈性材料可以適應(yīng)橋梁梁端縱、橫、豎三個(gè)方向的伸縮變形，與橋面鋪裝材料為同類(lèi)材料，模量差距較小，有效保證了橋梁的伸縮變形和結(jié)構(gòu)受力的均勻性，避免出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、跳車(chē)等問(wèn)題；（2）無(wú)縫伸縮縫鋪筑在接縫處可以保證路面平整、連續(xù)、無(wú)縫，車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)振動(dòng)小、平穩(wěn)、舒適，并且便于后期維護(hù)和清掃；（3）無(wú)縫伸縮縫密封性較好，防水、耐腐蝕性好，可提升橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性；（4）無(wú)縫伸縮縫材料在鋪筑后，養(yǎng)護(hù)2h即可開(kāi)放交通，減少了施工工期，在后期更換、維修時(shí)，可采用半幅施工的方式，不必中斷交通。

2 無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況

在歐洲，無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)間較早，且技術(shù)較為成熟。瑞士聯(lián)邦公路局將該結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高速公路上，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其使用壽命可以達(dá)到10～15年，常見(jiàn)的病害形式為開(kāi)裂和界面脫落。新英格蘭地區(qū)調(diào)查統(tǒng)計(jì)了投入使用5年后的64條無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)的破壞情況，發(fā)現(xiàn)界面破壞為主要病害形式，占總病害的比例高達(dá)60.9%，其中材料開(kāi)裂、表面磨損、車(chē)轍破壞等病害情況的占比分別為39.1%、37.5%和31.3%，病害原因主要為材料性能不足、施工工藝不合理。美國(guó)25%的交通運(yùn)輸部門(mén)采用了無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)，調(diào)查了50個(gè)州無(wú)縫伸縮縫的應(yīng)用情況，結(jié)果顯示大部分州的無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)應(yīng)用良好，但在部分州的使用情況較差，主要是材料在高溫下出現(xiàn)推移、車(chē)轍變形，以及在低溫下出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題。

近10年，隨著國(guó)外公司（如Crafco、Prismo等）無(wú)縫伸縮縫產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)的成熟，國(guó)內(nèi)部分地區(qū)也開(kāi)始引入國(guó)外成熟產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)。2015年，江蘇常州龍城大道隧道改造中采用英國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品BJ200無(wú)縫伸縮縫材料，完成工程量近700m。港珠澳大橋島隧工程的新建路面也采用了該種材料進(jìn)行鋪裝。浙江杭州的時(shí)代大道高架主橋與彩虹快速路在彩虹互通連接處也使用了無(wú)縫伸縮縫材料，并通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合實(shí)際安裝施工后的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及后期維護(hù)的跟蹤觀測(cè)，證明了無(wú)縫伸縮縫在拼寬橋中工作正常、應(yīng)用效果良好。甘肅G310線、四川成雅高速公路部分橋梁在伸縮縫維修時(shí)采用了BJ200無(wú)縫伸縮縫材料進(jìn)行更換，在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)其使用情況進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果顯示大部分橋梁無(wú)縫伸縮縫使用良好，無(wú)明顯的跳車(chē)現(xiàn)象。

3 無(wú)縫伸縮縫材料的關(guān)鍵性能

無(wú)縫伸縮縫材料工程應(yīng)用中出現(xiàn)病害的主要破壞形式有車(chē)轍、開(kāi)裂、剝離等。分析病害原因發(fā)現(xiàn)，其主要與無(wú)縫伸縮縫材料的高溫抗變形能力、低溫抗開(kāi)裂能力和瀝青膠結(jié)料的黏附性有關(guān)。

無(wú)縫伸縮縫材料的油石比遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料，其性能在很大程度上取決于膠結(jié)料的性能。中國(guó)于2017年發(fā)布實(shí)施了《橋梁無(wú)縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料》（JT/T 1129—2017），其中的性能指標(biāo)主要包括錐入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)率、190℃黏度及低溫拉伸性能。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)《Standard Specification for Asphaltic Plug Joints for Bridges》（ASTM-D6297）中給出了無(wú)縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料的材料性能控制指標(biāo)，主要有軟化點(diǎn)、延度、拉伸延伸率、流動(dòng)度、彈性恢復(fù)性、瀝青兼容性、加熱溫度、黏結(jié)性及柔性。英國(guó)橋梁接縫協(xié)會(huì)在2003年也公布了無(wú)縫伸縮縫的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于瀝青膠結(jié)料的性能要求主要有錐入度、軟化點(diǎn)、流動(dòng)值和低溫延展性。

各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)瀝青膠結(jié)料的性能指標(biāo)要求匯總?cè)绫?所示?？梢钥闯?，這些標(biāo)準(zhǔn)均重點(diǎn)關(guān)注了體現(xiàn)瀝青膠結(jié)料高溫穩(wěn)定性、塑性、黏稠度及拉伸變形性能的相關(guān)指標(biāo)。

表1 各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)瀝青膠結(jié)料的性能指標(biāo)要求匯總表

無(wú)縫伸縮縫材料中的集料應(yīng)該具有較大的壓碎值、磨耗值、磨光值和沖擊值，同時(shí)需避免含有針片狀顆?！，F(xiàn)有無(wú)縫伸縮縫材料的研究文獻(xiàn)中，采用的集料類(lèi)型多為玄武巖。對(duì)于集料級(jí)配的選擇，由于無(wú)縫伸縮縫材料主要通過(guò)瀝青膠結(jié)料的抗變形能力來(lái)適應(yīng)橋梁的伸縮變形，因此集料在瀝青混合料中需要具備足夠的空隙來(lái)填充瀝青膠結(jié)料，目前常選用單一級(jí)配，級(jí)配范圍為10～20mm。

美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出無(wú)縫伸縮縫使用的集料需要經(jīng)過(guò)壓碎、沖洗以及干燥等處理，集料的粒徑和級(jí)配則應(yīng)滿足施工方的要求。印度規(guī)范規(guī)定應(yīng)使用單一級(jí)配的集料，集料的粒徑與伸縮縫的深度有關(guān)。例如，75mm深的伸縮縫應(yīng)選用粒徑為12.5mm的集料，而深度大于75mm則應(yīng)選用粒徑為20mm的集料。在英國(guó)，伸縮縫材料中的集料采用的是具有一定級(jí)配的、經(jīng)過(guò)沖洗的并且去掉碎石的玄武巖、輝綠巖、輝長(zhǎng)巖或花崗巖。

無(wú)縫伸縮縫材料填充在橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)中，既要具有一定的彈性變形能力來(lái)適應(yīng)橋梁的伸縮變形，也要有一定的抗變形、耐疲勞能力來(lái)抵抗車(chē)輛的長(zhǎng)期荷載而不產(chǎn)生永久變形。無(wú)縫伸縮縫瀝青混合料級(jí)配特點(diǎn)，導(dǎo)致沒(méi)有形成類(lèi)似于傳統(tǒng)瀝青混合料的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，因此其彈性變形和抗永久變形能力主要由瀝青膠結(jié)料的抗變形能力和高溫穩(wěn)定性承擔(dān)。

此外，無(wú)縫伸縮縫材料需要具備良好的應(yīng)力松弛能力，及時(shí)釋放由溫度變化和交通荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，如果能夠保證材料的應(yīng)力松弛速率與外界環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生變形應(yīng)力的速率相等，伸縮縫材料內(nèi)部應(yīng)力就會(huì)相互抵消，從而顯著降低材料發(fā)生低溫開(kāi)裂的概率。因此，減少無(wú)縫伸縮縫材料在低溫下出現(xiàn)應(yīng)力累積是避免材料出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題的前提，低溫應(yīng)力松弛能力是衡量無(wú)縫伸縮縫材料低溫抗開(kāi)裂變形的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

對(duì)于無(wú)縫伸縮縫材料的性能要求，大多數(shù)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)只包含了瀝青膠結(jié)料和集料的關(guān)鍵性能指標(biāo)，沒(méi)有考慮到瀝青混合料；對(duì)于伸縮縫材料的工程應(yīng)用和施工工藝，基本上采用的材料制造商制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而這些企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)往往是在應(yīng)用、施工過(guò)程中簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)積累和總結(jié)，并沒(méi)有得到充分系統(tǒng)地科學(xué)論證。中國(guó)于2016年發(fā)布實(shí)施的《公路橋梁伸縮裝置通用技術(shù)條件》（JT/T 327—2016）[5]對(duì)無(wú)縫伸縮縫材料的性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定，重點(diǎn)關(guān)注了無(wú)縫伸縮縫材料的硬度、拉伸強(qiáng)度、拉伸伸長(zhǎng)率、與橋面黏結(jié)拉伸強(qiáng)度等性能指標(biāo)，其中各性能指標(biāo)的測(cè)試方法參考了聚氨酯材料類(lèi)無(wú)縫伸縮縫的測(cè)試方法，而未考慮目前市場(chǎng)上常用的聚合物改性瀝青材料類(lèi)的應(yīng)用技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)縫伸縮縫材料由瀝青膠結(jié)料和集料組成，瀝青膠結(jié)料重點(diǎn)關(guān)注的是其高溫穩(wěn)定性及拉伸變形性能，集料需要足夠的強(qiáng)度并由單一級(jí)配形成帶空隙的骨架結(jié)構(gòu)，再由瀝青膠結(jié)料填充形成大油石比的瀝青混合料，需兼具高溫抗變形和低溫抗開(kāi)裂性能。無(wú)縫伸縮縫結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以保證填充材料的性能要求符合標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該結(jié)構(gòu)在中小橋梁中推廣應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用。