無(wú)縫式伸縮縫材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展綜述

陳偉樂(lè)，張雙嬌，金文良，夏豐勇，李玉鵬

（1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)在橋隧建設(shè)領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步和豐碩的成果，修建了港珠澳大橋和南昌紅谷沉管隧道等重大工程[1-4]。伸縮縫作為橋隧工程的重要附屬部分，其質(zhì)量直接關(guān)系到橋隧工程的質(zhì)量和安全。在服役過(guò)程中，伸縮縫接縫處會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性變形，如果材料選擇或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，伸縮縫部位將很容易產(chǎn)生病害[5]。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，常用的伸縮縫裝置分為6 大類：填塞對(duì)接式、嵌固對(duì)接式、鋼制支撐型、橡膠組合剪切式、模數(shù)支撐式和無(wú)縫式[6]。相對(duì)于其他類型伸縮縫，無(wú)縫式伸縮縫具有整體性和耐久性好、施工和維修方便、行車(chē)舒適等優(yōu)點(diǎn)。因此，無(wú)縫式伸縮縫在中小跨徑橋梁，尤其是伸縮變形量小于50mm 的橋梁建設(shè)中應(yīng)用得越來(lái)越多[7-8]。在港珠澳大橋海底隧道及引橋部分均采用了無(wú)縫式伸縮縫結(jié)構(gòu)，這是無(wú)縫式伸縮縫在國(guó)內(nèi)新建工程中的首次大規(guī)模使用。

目前應(yīng)用較為廣泛的無(wú)縫式伸縮縫由瀝青類材料填充[9]，該材料被國(guó)外學(xué)者統(tǒng)稱為APJ（As?phalt Plug Joints）材料[10]。Bramel 等人通過(guò)對(duì)APJ材料的現(xiàn)場(chǎng)使用情況、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的分析評(píng)估，制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)指南[11]。美國(guó)的新英格蘭地區(qū)和瑞士對(duì)投入使用的無(wú)縫式伸縮縫進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，得到了無(wú)縫式伸縮縫不同年限的破壞情況、破壞原因及使用壽命等數(shù)據(jù)[12-13]，結(jié)果表明：界面破壞、車(chē)轍剝落是無(wú)縫式伸縮縫主要的病害形式。Ghafoori等人[14]從設(shè)計(jì)、材料、施工、養(yǎng)護(hù)及質(zhì)量控制等角度分析了導(dǎo)致無(wú)縫式伸縮縫破壞的原因，并從多角度提出了改善措施。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者也對(duì)無(wú)縫式伸縮縫開(kāi)展了大量研究。甘勇義等人[15]提出了無(wú)縫式伸縮縫結(jié)構(gòu)滿足工程使用的限制條件，并在四川千合大橋上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)滿足一定條件時(shí)，無(wú)縫式伸縮縫結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于實(shí)際工程中。張洪等人[16]依托港珠澳大橋島隧工程新建路面項(xiàng)目，對(duì)其采用的BJ200 無(wú)縫式伸縮縫系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立了一種適合國(guó)內(nèi)建設(shè)工程檢驗(yàn)驗(yàn)收程序的新體系。無(wú)縫式伸縮縫材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在高溫車(chē)轍、低溫開(kāi)裂、界面脫粘等問(wèn)題，為此國(guó)內(nèi)一些科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了無(wú)縫式伸縮縫材料的開(kāi)發(fā)及性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究重點(diǎn)集中在改善其高低溫性能，如：郭銀濤等人[17]通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化伸縮縫用彈塑體材料的組成，以改善其高溫性能；束冬林[18]將橡膠粉加入SBS 改性瀝青中以改善其高溫性能；唐濤[19]和謝嚴(yán)君[20]通過(guò)在瀝青中摻入不同的改性材料來(lái)改善其低溫性能。

總體而言，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)縫式伸縮縫的研究主要集中于改善膠結(jié)料性能，而對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料的組成設(shè)計(jì)及關(guān)鍵性能控制指標(biāo)的研究較少。本文針對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料在使用過(guò)程中存在的性能和病害差異化狀況，在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，梳理無(wú)縫式伸縮縫的研究現(xiàn)狀及成果，分析當(dāng)前研究存在的不足，對(duì)未來(lái)的研究進(jìn)行展望。

1 伸縮縫膠結(jié)料

1.1 膠結(jié)料的種類

目前，無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料主要分為兩類：瀝青類材料和聚氨酯類材料[16]。根據(jù)改性材料的種類，瀝青類材料又可以分為橡膠改性瀝青（如MatrixTM502 和BJ200）和SBS、SBR 復(fù)合改性瀝青（如TST材料），其高溫性能和變形性能存在不足。較為成熟的聚氨酯類材料包括WABO CRETEⅡ和巴斯夫聚氨酯，其性能良好但成本高。對(duì)于瀝青類膠結(jié)料的研究主要集中于材料開(kāi)發(fā)及性能改善，對(duì)聚氨酯類膠結(jié)料的研究則集中于優(yōu)化其制備工藝。

得益于瀝青材料獨(dú)特的延展回彈性能，瀝青類無(wú)縫式伸縮縫的應(yīng)用較為廣泛。在20 世紀(jì)70年代，國(guó)外就開(kāi)始進(jìn)行瀝青類無(wú)縫式伸縮縫的研究，我國(guó)在20 世紀(jì)末引入了無(wú)縫式伸縮縫裝置。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為采用的膠結(jié)料達(dá)不到使用要求，主要是由于極端氣溫條件下，材料的脹縮量與梁體變形不匹配，導(dǎo)致產(chǎn)生較大裂縫，對(duì)行車(chē)十分不利[8]。為解決以上弊端，近年來(lái)，學(xué)者們開(kāi)發(fā)研制了一些新型的無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料，其組成和特征如表1所示。

表1 新型瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料

聚氨酯類材料是另一類具有代表性的無(wú)縫式伸縮縫材料。聚氨酯材料屬于熱固性材料，高低溫性能均良好，并具有優(yōu)異的變形適應(yīng)性，能夠吸收橫向和微量轉(zhuǎn)動(dòng)變形[23]。除此以外，聚氨酯伸縮縫還具有良好的抗疲勞性能和自密實(shí)特性。聚氨酯類材料自密實(shí)的特性提供了良好的平整度，而密實(shí)的級(jí)配設(shè)計(jì)可對(duì)車(chē)輛的沖擊起到良好的緩沖作用。Gallai[24-25]研發(fā)了一種基于聚氨酯的無(wú)縫式伸縮縫材料，具有更長(zhǎng)的使用壽命和更大的移動(dòng)量；Moor[26]通過(guò)材料篩選及成分調(diào)整，研發(fā)了一種特殊的無(wú)溶劑聚氨酯材料，提高了材料的強(qiáng)度、彈性和耐久性；張濤[23]通過(guò)調(diào)整配比、固化時(shí)間等，改善了聚氨酯膠結(jié)料拉伸、抗撕裂和抗老化等性能，同時(shí)具有良好的拉壓回彈性能。

但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)聚氨酯材料的研究和應(yīng)用相對(duì)較少[27]，缺乏與瀝青類材料的橫向?qū)Ρ?。?guó)內(nèi)聚氨酯彈性混凝土的級(jí)配組成設(shè)計(jì)仍然參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，很少有研究者對(duì)此進(jìn)行深入探討。

1.2 膠結(jié)料的性能

歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家結(jié)合本國(guó)的交通、氣候狀況等，針對(duì)瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料的性能制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[20]。表2 對(duì)不同規(guī)范關(guān)于瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料高溫、常溫、低溫性能的指標(biāo)要求進(jìn)行了對(duì)比。

表2 國(guó)外瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)關(guān)于瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料性能測(cè)試方法和測(cè)試指標(biāo)的規(guī)范，學(xué)者們對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試的方法不盡相同[17,19,20,22,28-29]，主要測(cè)試方法如表3所示。

表3 瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料性能測(cè)試方法

為探究更適合評(píng)價(jià)瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料性能的指標(biāo)，Mo等[30]采用車(chē)轍因子作為其高溫性能的輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)，然而受瀝青膠結(jié)料高延遲彈性恢復(fù)能力的影響，該指標(biāo)并不能有效評(píng)價(jià)其高溫性能。任東亞[7]認(rèn)為瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料作為一種特殊的高黏彈性材料，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范所采用的軟化點(diǎn)、車(chē)轍因子等指標(biāo)對(duì)其高溫性能評(píng)價(jià)的一致性都存在偏差，不能很好地指導(dǎo)實(shí)際施工，而基于多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)的黏彈特性指標(biāo)具有較好的一致性，且區(qū)分度明顯，故推薦其作為評(píng)價(jià)無(wú)縫式伸縮縫瀝青膠結(jié)料高溫性能的關(guān)鍵控制指標(biāo)。

目前對(duì)于聚氨酯膠結(jié)料的性能測(cè)試指標(biāo)較為單一，主要為基本性能指標(biāo)、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。試驗(yàn)表明，聚氨酯膠結(jié)料能在短時(shí)間內(nèi)形成較高的強(qiáng)度，有利于及時(shí)開(kāi)放交通[23,31]；相比于瀝青膠結(jié)料，聚氨酯膠結(jié)料具有優(yōu)異的高低溫性能，其變形性能及抗熱氧、抗紫外線老化性能也更好[32]。

綜上所述，盡管對(duì)瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料的開(kāi)發(fā)和性能研究較多，但是目前已研發(fā)材料的使用性能仍然不能完全滿足實(shí)際工程需求。雖然聚氨酯膠結(jié)料具有良好的使用性能，且性能顯著優(yōu)于瀝青類膠結(jié)料，但是其施工和易性難以保障，且價(jià)格昂貴，制約了該類材料的大規(guī)模推廣使用。因此，無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料在研究和開(kāi)發(fā)方面依然存在較大的潛力，亟需開(kāi)發(fā)出一種性能優(yōu)異而成本更加低廉的膠結(jié)料。

2 伸縮縫材料組成設(shè)計(jì)

2.1 集料及級(jí)配設(shè)計(jì)

無(wú)縫式伸縮縫采用的集料應(yīng)該具有良好的磨光值、磨耗值和沖擊值等。表4 所示為英國(guó)、印度、中國(guó)等三國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)集料基本性能的要求。印度標(biāo)準(zhǔn)一般采用單一粒徑的集料[8]，集料的公稱最大粒徑取決于接縫深度。

表4 集料基本性能指標(biāo)要求

瀝青類無(wú)縫式伸縮縫更加依賴膠結(jié)料的性能，但是瀝青材料的變形適應(yīng)性與強(qiáng)度存在一定的沖突。如表5 所示，為了協(xié)調(diào)變形適應(yīng)性和強(qiáng)度的要求，大多數(shù)學(xué)者在研究中選用單一粒徑的集料來(lái)制備混合料[19-20,33-34]，采用大粒徑的單一粒徑集料相互嵌擠形成骨架，同時(shí)用高含量的膠結(jié)料填充單一粒徑集料間較大的空隙，從而兼顧強(qiáng)度和變形適應(yīng)性。也有學(xué)者采用合成級(jí)配的無(wú)縫式伸縮縫材料[9,13,18,35]。盡管連續(xù)級(jí)配的混合料可以保證其強(qiáng)度，但集料間沒(méi)有足夠的間隙填入膠結(jié)料，難以保證無(wú)縫式伸縮縫材料的變形適應(yīng)性。

表5 無(wú)縫式伸縮縫材料級(jí)配設(shè)計(jì)

就集料的級(jí)配比例而言，為了保證伸縮縫材料的承載能力及與路面結(jié)構(gòu)層材料間的黏結(jié)強(qiáng)度，應(yīng)采用密級(jí)配并控制細(xì)料含量[23]。當(dāng)混合料中的細(xì)料比例過(guò)大時(shí)，施工和易性較差，攪拌困難；同時(shí)，聚氨酯膠結(jié)料在高溫下固化速度很快，在拌和過(guò)程中細(xì)料會(huì)粘在拌和鍋側(cè)壁和底部難以取出，造成細(xì)料流失。

目前，針對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料級(jí)配設(shè)計(jì)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范方法，研究人員大多采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行集料級(jí)配設(shè)計(jì)。未來(lái)仍需進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，以提供一種更有效地針對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料的配合比設(shè)計(jì)方法。

2.2 膠結(jié)料最佳用量確定

膠結(jié)料的性能和用量對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料高黏、高彈的特性起決定性的作用。然而，目前對(duì)確定無(wú)縫式伸縮縫材料最佳瀝青用量的方法和控制指標(biāo)并沒(méi)有形成統(tǒng)一的定論[8,37]。如表6 所示，大多數(shù)學(xué)者采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，以馬歇爾穩(wěn)定度、流值為控制指標(biāo)確定其最佳油石比[9,18,22,28,37]。也有部分學(xué)者根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)選取最佳油石比。不同的學(xué)者提出的控制指標(biāo)不盡相同，這些差異使得最佳油石比的取值相差較大。

表6 無(wú)縫式伸縮縫材料的組成設(shè)計(jì)控制指標(biāo)及最佳用量總結(jié)

馬歇爾試驗(yàn)是評(píng)定瀝青混合料高溫強(qiáng)度和變形性能的重要測(cè)試方法。但瀝青類無(wú)縫式伸縮縫材料的級(jí)配組成與常規(guī)的混合料差異較大，同時(shí)，其內(nèi)部膠結(jié)料的占比高，需要考慮的主要是變形適應(yīng)性，因此單純以馬歇爾穩(wěn)定度和流值作為配合比設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)是不全面的。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，高溫車(chē)轍是無(wú)縫式伸縮縫常見(jiàn)病害之一，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮伸縮縫材料的高溫抗車(chē)轍能力，關(guān)于該性能的具體研究見(jiàn)本文3.1 章節(jié)。除此之外，在服役過(guò)程中，由于溫度變化和車(chē)輛荷載的作用，無(wú)縫式伸縮縫不斷發(fā)生重復(fù)拉伸和壓縮變形，故還應(yīng)考慮其變形性能。變形性能的具體研究見(jiàn)本文3.3章節(jié)。

聚氨酯材料的性能受溫度的影響很小，試件整體強(qiáng)度偏高。因此以馬歇爾試驗(yàn)的兩個(gè)指標(biāo)作為其配合比設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)具有一定的局限性。在對(duì)聚氨酯材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考瀝青類材料的配合比設(shè)計(jì)方法，但是聚氨酯材料的強(qiáng)度較高，故應(yīng)側(cè)重于考慮其變形性能，具體研究見(jiàn)本文3.3章節(jié)。

3 伸縮縫混合料的性能

3.1 高溫抗車(chē)轍性能

無(wú)縫式伸縮縫材料中膠結(jié)料用量顯著高于常規(guī)瀝青混合料，其高溫性能主要取決于膠結(jié)料的高溫性能。在高溫性能評(píng)價(jià)方面，Mo等[8]指出，一些學(xué)者采用馬歇爾試驗(yàn)作為性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法。但唐濤[19]認(rèn)為馬歇爾試驗(yàn)?zāi)芊窈侠淼卦u(píng)價(jià)單一級(jí)配瀝青混合料的高溫性能尚不確定。林琳[28]也認(rèn)為馬歇爾試驗(yàn)的穩(wěn)定度和流值與混合料永久變形的相關(guān)性不好。因此，對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料高溫性能的評(píng)價(jià)，應(yīng)結(jié)合其典型病害即高溫車(chē)轍變形特性進(jìn)行分析。研究人員一般采用車(chē)轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)高溫性能，如表7所示。

表7 無(wú)縫式伸縮縫材料高溫性能

無(wú)縫式伸縮縫材料要與路面鋪裝材料承受相同的車(chē)輛荷載，因此至少應(yīng)具有與常規(guī)瀝青混合料相當(dāng)?shù)目管?chē)轍和抗永久變形性能。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004），對(duì)于高速公路瀝青路面，常規(guī)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度僅要求不小于800 次/mm，而改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度應(yīng)不小于2 400 次/mm。如表8 所示，聚氨酯混合料的抗車(chē)轍性能顯著高于瀝青混合料，對(duì)于瀝青類伸縮縫材料，不同的配比與材料設(shè)計(jì)導(dǎo)致其高溫性能存在差異。因而在保證瀝青類材料彈性性能的同時(shí)還應(yīng)注意其與高溫抗車(chē)轍性能的協(xié)調(diào)。

3.2 低溫抗裂性能

當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，無(wú)縫式伸縮縫材料內(nèi)部發(fā)生不均勻收縮，同時(shí)，在車(chē)輛荷載作用下無(wú)縫式伸縮縫材料發(fā)生彎曲和拉伸，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)材料自身的抗拉極限應(yīng)力時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂破壞。一般情況下，無(wú)縫式伸縮縫材料的低溫性能采用彎曲試驗(yàn)和線收縮系數(shù)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。Bramel等[11]曾提出評(píng)價(jià)無(wú)縫式伸縮縫低溫性能的關(guān)鍵性指標(biāo)之一是應(yīng)力松弛能力，也有學(xué)者[19,28]通過(guò)劈裂試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)中的低溫恢復(fù)率來(lái)研究低溫性能。總的來(lái)說(shuō)，較大的膠結(jié)料摻量使無(wú)縫式伸縮縫材料與常規(guī)改性瀝青材料相比具有更好的低溫變形性能。表8 展示了兩類無(wú)縫式伸縮縫材料的低溫抗裂性能。由表8 可以看出，聚氨酯類材料相較于瀝青類材料具有更強(qiáng)的抗彎拉變形能力。

表8 無(wú)縫式伸縮縫材料低溫抗裂性能

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求，常規(guī)瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變應(yīng)不小于2 000με，改性瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變應(yīng)不小于2 500με。Xie等[39]指出，無(wú)縫式伸縮縫的屈服應(yīng)變應(yīng)該在10 000με 以上，當(dāng)屈服應(yīng)變處于1000～3000με 時(shí)伸縮縫易在低溫下發(fā)生破壞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)改性膠結(jié)料、調(diào)整材料配比、利用橡膠顆粒代替集料等不同的措施對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料的低溫抗裂性能進(jìn)行改善[16,30,38,40-42]。總的來(lái)說(shuō)，由于無(wú)縫式伸縮縫材料模量較小且與常規(guī)改性瀝青材料的使用環(huán)境有所差異，無(wú)縫式伸縮縫混合料應(yīng)比常規(guī)瀝青混合料具有更大的低溫破壞應(yīng)變，最大彎曲破壞應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)還需要根據(jù)地區(qū)的最低環(huán)境溫度確定。

3.3 拉伸變形性能

研究人員通常采用直接拉伸試驗(yàn)和重復(fù)拉伸試驗(yàn)研究材料的變形性能。直接拉伸試驗(yàn)研究的是材料拉伸破壞的極限狀態(tài)，重復(fù)拉伸試驗(yàn)研究的是材料在較小位移重復(fù)加載下的狀態(tài)。

就直接拉伸性能而言，當(dāng)無(wú)縫式伸縮縫在外部和內(nèi)部因素共同作用下產(chǎn)生伸縮變形時(shí)，由于其剛度遠(yuǎn)小于兩側(cè)鋪裝材料，無(wú)縫式伸縮縫材料將吸收大部分的伸縮變形，這會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)變，因此需對(duì)其直接拉伸性能提出要求。無(wú)縫式伸縮縫材料的直接拉伸變形性能試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。可以看出，瀝青類材料的拉伸性能表現(xiàn)出較為明顯的溫度依賴性[43]，拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高而減小，斷裂伸長(zhǎng)率隨著溫度的升高而增大；聚氨酯類材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨溫度的變化不大。同時(shí)，無(wú)縫式伸縮縫材料的拉伸變形性能還應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程中無(wú)縫式伸縮縫的設(shè)計(jì)伸縮量考慮。

無(wú)縫式伸縮縫材料的直接拉伸性能如表9所示。

表9 無(wú)縫式伸縮縫材料的直接拉伸性能

就重復(fù)拉伸性能而言，當(dāng)溫度頻繁變化時(shí)，伸縮縫兩側(cè)的鋪裝材料會(huì)不斷發(fā)生膨脹或收縮，無(wú)縫式伸縮縫材料處于擠壓和拉伸的重復(fù)作用下。因此，有必要結(jié)合其重復(fù)受力工作狀態(tài)，對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料的重復(fù)拉伸性能及黏結(jié)性能進(jìn)行探究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚氨酯材料的研究較少，其中，張濤[23]通過(guò)反射裂縫試驗(yàn)（Overlay Test）模擬日溫差重復(fù)作用下聚氨酯類無(wú)縫式伸縮縫的位移變化，試驗(yàn)結(jié)果表明：新型聚氨酯彈性混凝土的使用壽命可達(dá)11.2年。

目前，對(duì)于瀝青類無(wú)縫式伸縮縫材料重復(fù)拉伸壓縮變形性能的研究較多，除了利用反射裂縫試驗(yàn)機(jī)之外，還可以采用足尺拉伸設(shè)備進(jìn)行研究。Partl等[44]介紹了接縫移動(dòng)模擬設(shè)備測(cè)試無(wú)縫式伸縮縫低溫移動(dòng)能力的方法，通過(guò)評(píng)估水平方向上的永久變形來(lái)分析破壞周期及應(yīng)變分布。謝嚴(yán)君[20]利用偏心輪對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料進(jìn)行了足尺模擬拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：活動(dòng)端的變形量明顯大于固定端，且在豎直方向上，下部的變形較上部更不均勻。寧萬(wàn)超[45]通過(guò)室內(nèi)重復(fù)拉伸模擬試驗(yàn)研究了拉力和裂縫的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：黏結(jié)界面是無(wú)縫式伸縮縫材料的薄弱點(diǎn)。Lu等[34]、泮以龍[35]通過(guò)室內(nèi)足尺模擬試驗(yàn)?zāi)M無(wú)縫式伸縮縫在實(shí)際工作中的變化，對(duì)其破壞過(guò)程中的伸縮變形和破壞模式進(jìn)行了觀察，試驗(yàn)結(jié)果表明：以1.5mm/min 的變形加載速率進(jìn)行拉伸，振幅為7.5mm 時(shí)交界處有個(gè)別裂縫，振幅為15mm 時(shí)交界處有較多裂縫，且膠結(jié)料出現(xiàn)明顯的拉伸變形，振幅為20mm 時(shí)部分區(qū)域出現(xiàn)了脫粘現(xiàn)象，當(dāng)位移較大時(shí)，材料更易發(fā)生脫粘開(kāi)裂。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，重復(fù)加載對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料提出了更高的要求，考慮到無(wú)縫式伸縮縫材料的破壞多是從黏結(jié)界面開(kāi)始，因此在重復(fù)加載的性能測(cè)試中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注無(wú)縫式伸縮縫材料與鋪裝材料之間的黏結(jié)界面。

3.4 性能對(duì)比

為了更好地體現(xiàn)兩類無(wú)縫式伸縮縫材料性能的差異，需要從多個(gè)角度對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比：從高低溫性能來(lái)看，聚氨酯材料受溫度的影響遠(yuǎn)小于瀝青類材料，具有更好的高溫抗車(chē)轍能力和低溫下的彎拉變形能力；從變形性能來(lái)看，由于瀝青為黏彈性材料，瀝青類材料的斷裂伸長(zhǎng)率略大于聚氨酯類材料，尤其是在重復(fù)拉伸情況下，瀝青類材料的變形優(yōu)勢(shì)更加顯著；從耐久性來(lái)看，二者的使用壽命基本相當(dāng)，且均受到施工技術(shù)影響，瀝青類材料的主要病害為車(chē)轍、剝落及開(kāi)裂等，而聚氨酯類材料易發(fā)生開(kāi)裂、破損等結(jié)構(gòu)性破壞；從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，瀝青類材料與聚氨酯類材料相比經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)突出。由此可知，聚氨酯材料的溫度敏感性更小，更加適用于日溫差較大的地區(qū)，瀝青類材料雖然具備較好的變形性能，但在高溫下變形較大，易產(chǎn)生車(chē)轍等病害，因此更適用于氣溫較低的地區(qū)。

總體而言，現(xiàn)有研究更青睞瀝青類無(wú)縫式伸縮縫材料，一方面是因?yàn)闉r青類材料不僅具有良好的高低溫性能，還具有降噪功能，行車(chē)舒適性好；另一方面，其成本更加低廉，維修養(yǎng)護(hù)也更加方便。研究人員對(duì)瀝青類材料的性能了解更加透徹，因此以改性瀝青作為無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料，其可選用的種類更加豐富，性能的測(cè)試方法和改善手段更加多樣。但是瀝青類材料的使用壽命差異較大，最長(zhǎng)可達(dá)10年以上，最短僅為1～2年。目前的研究表明，通過(guò)改進(jìn)膠結(jié)料能夠一定程度上提升無(wú)縫式伸縮縫材料的性能，例如蔣瑋等[46]研發(fā)的瀝青類高延性無(wú)縫式伸縮縫材料能夠兼顧低溫性能和拉伸性能，但是依然很難突破現(xiàn)有伸縮縫材料的應(yīng)用瓶頸，因此下一步應(yīng)結(jié)合無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料、礦料級(jí)配和混合料結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究，重點(diǎn)關(guān)注瀝青類材料的使用性能和耐久性。未來(lái)仍需在選擇適合施工環(huán)境、施工條件的材料和解決材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題上入手，對(duì)無(wú)縫式伸縮縫混合料做進(jìn)一步研究。

4 討論與展望

本文綜述了常見(jiàn)的無(wú)縫式伸縮縫材料的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)討論了改性瀝青類和聚氨酯類兩類無(wú)縫式伸縮縫材料膠結(jié)料和混合料的性能測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料研究的展望如下：

（1）瀝青類無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料具有良好的拉伸變形性能和變形恢復(fù)能力，但其適用的溫度范圍略小于聚氨酯類材料；聚氨酯類無(wú)縫式膠結(jié)料溫度敏感性較小，能夠適應(yīng)的溫度范圍更廣，同時(shí)具有良好的抗老化性能。但聚氨酯類材料的施工和易性難以保證，且成本高昂。兩類材料各有優(yōu)劣，建議在未來(lái)的研究中進(jìn)一步針對(duì)無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料性能上的不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前對(duì)無(wú)縫式伸縮縫膠結(jié)料的評(píng)價(jià)主要基于宏觀尺度，未來(lái)可以從細(xì)觀尺度、納觀尺度等不同的尺度與宏觀尺度性能相結(jié)合展開(kāi)研究。

（2）瀝青類無(wú)縫式伸縮縫混合料大多采用單一粒徑級(jí)配，而聚氨酯類無(wú)縫式伸縮縫混合料采用多粒徑合成級(jí)配。當(dāng)前的膠結(jié)料最佳用量主要是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和高溫性能指標(biāo)來(lái)確定，缺乏明確的規(guī)范方法和控制指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)級(jí)配的選擇和膠結(jié)料最佳用量的確定。由于無(wú)縫式伸縮縫材料需要與路面鋪裝材料黏結(jié)為整體共同承擔(dān)交通荷載和溫度變化帶來(lái)的多向變形，故在組成設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮其變形適用性和黏結(jié)性能，建議在未來(lái)的組成設(shè)計(jì)研究中建立多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

（3）聚氨酯類無(wú)縫式伸縮縫材料的高、低溫穩(wěn)定性更具優(yōu)勢(shì)；瀝青類無(wú)縫式伸縮縫材料的斷裂伸長(zhǎng)率較聚氨酯類無(wú)縫式伸縮縫材料更優(yōu)，其拉伸變形性能更好。本文主要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)無(wú)縫式伸縮縫混合料的高、低溫性能及拉伸變形性能進(jìn)行研究，未結(jié)合無(wú)縫式伸縮縫的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。而無(wú)縫式伸縮縫結(jié)構(gòu)不同會(huì)導(dǎo)致伸縮縫填料所受到的應(yīng)力發(fā)生變化，對(duì)材料整體性能也有很大的影響，故無(wú)縫式伸縮縫材料與結(jié)構(gòu)一體化研究將成為未來(lái)的一個(gè)研究方向。

（4）盡管無(wú)縫式伸縮縫在橋梁和沉管隧道中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了較為良好的使用效果，但是無(wú)縫式伸縮縫材料依然存在耐久性不足、抗疲勞性能較差、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。例如，常見(jiàn)的低拉伸強(qiáng)度或高黏附性的無(wú)縫式伸縮縫材料會(huì)出現(xiàn)細(xì)微裂紋或者直接開(kāi)裂，而高拉伸強(qiáng)度或低黏附性的無(wú)縫式伸縮縫材料則會(huì)出現(xiàn)界面破壞等問(wèn)題。這些問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了無(wú)縫式伸縮縫在工程中的應(yīng)用與發(fā)展，未來(lái)可以針對(duì)這些病害進(jìn)行深入分析，研究其內(nèi)在的破壞機(jī)理。由于無(wú)縫式伸縮縫具有平整度良好、行車(chē)舒適性優(yōu)異和噪聲低等優(yōu)勢(shì)，無(wú)縫式伸縮縫材料具有較大的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展?jié)摿Α３藢?duì)現(xiàn)有無(wú)縫式伸縮縫材料進(jìn)行性能優(yōu)化外，研發(fā)一些性能優(yōu)越、施工便捷、價(jià)格低廉的新型無(wú)縫式伸縮縫材料也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)縫式伸縮縫在港珠澳大橋海底隧道中的應(yīng)用，未來(lái)會(huì)有更多的新建橋梁或隧道工程采用無(wú)縫式伸縮縫結(jié)構(gòu)。這對(duì)無(wú)縫式伸縮縫材料的設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)方法提出了更高的要求。本文著重研究了瀝青類和聚氨酯類兩類無(wú)縫式伸縮縫材料，對(duì)比分析了兩類材料膠結(jié)料和混合料的性能測(cè)試和評(píng)價(jià)方法，對(duì)于其他新型材料有待展開(kāi)進(jìn)一步研究。由于未綜合考慮伸縮縫的結(jié)構(gòu)形式，建議未來(lái)從材料研發(fā)、性能提升、多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系、病害機(jī)理分析出發(fā)，進(jìn)行材料與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)研究，尤其應(yīng)該關(guān)注其變形恢復(fù)性能和長(zhǎng)期性能。盡管目前仍然存在耐久性不足、成本較高等問(wèn)題，無(wú)縫式伸縮縫材料仍具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>