旧混凝土路面加铺层反射裂缝养护材料研究

陈全

摘要：旧混凝土路面加铺沥青混凝土可充分利用旧混凝土路面剩余寿命，具有较高的路用价值，但新旧路面材料交接处因存在旧路面病害导致应力集中致使加铺层应力过大而产生反射裂缝。文章通过对广西水泥路面沥青加铺层的病害进行统计调查和分类，采用有限元方法分析了水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝形成机理，并针对广西沥青加铺层反射裂缝特点，提出沥青加铺层反射裂缝的防治措施，研制出一种由SBS对基质沥青进行复合改性的高粘弹填缝料。通过室内高温性能、低温性能、粘附性能试验验证，该高粘弹填缝料满足裂缝修补要求，且使用效果良好。

关键词：水泥混凝土;沥青加铺层;反射裂缝;填缝料

中国分类号：U418.6文献标识码：A

0 引言

随着不同程度病害的出现，早期建成的水泥混凝土路面已普遍不能满足交通运输要求，需对其进行大修改造，沥青加铺层有效改善了旧水泥路面的路用性能，但原旧水泥混凝土路面接缝处在温度或荷载应力以及两者耦合力作用下产生应力集中导致加铺层应力过大而产生反射裂缝[1]。本文通过实践调查得出旧水泥混凝土路面沥青加铺层病害主要为反射裂缝的结论，在基于理论分析基础上提出旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝防治措施，并研制出一种由SBS对基质沥青复合改性的高粘弹填缝料及材料配合比，通过室内试验及现场实践表明，该种材料使用效果良好。

1 广西地区旧水泥路面加铺层病害调研

本文以广西G72泉南高速桂柳段高速旧水泥混凝土路面沥青加铺层预防性养护工程为依托，并选取2处具有代表性的沥青加铺层路段的反射裂缝进行调查统计，如表1所示，可以看出，各车道反射裂缝分布存在较大差异，行车道反射裂缝多于超车道，表明交通荷载对反射裂缝的形成、扩展有重要影响。较宽的反射裂缝（≥3 mm）如不及时灌缝养护，路面雨水的渗入将加剧沥青加铺层的破损，常出现缝边松散、脱落等病害。

2 加铺层反射裂缝形成机理

为揭示旧水泥路面沥青加铺层在接缝处产生反射裂缝的原因，本文选用有限元法对加铺层在不同温度和交通荷载变化时进行分析，计算模型如图1所示。加铺结构数值计算参数与文献资料[2-3]一致。

由图2和图3可以看出，受交通荷载和温度梯度的影响，加铺层弯沉、剪应力、等效应力及主应力在接缝处出现达到最大值，即在接缝处产生应力集中，剪应力增幅最明显，诱发了加铺层层底反射裂缝的形成、扩展。当温度梯度为-10 ℃时（层顶面比层底低10 ℃），加铺层接缝处第一主应力高达4.30 MPa（未考虑应力松弛影响），促使加铺层产生开裂破坏，而非接缝处第一主应力仅为接缝处第一主应力的1/10，约为0.487 MPa。计算结果也表明，加铺层层顶第一主应力远小于层底的第一主应力，进一步表明应力集中主要产生于接缝处层底。可见，旧水泥混凝土路面接缝处在温度应力、荷载应力以及两者耦合力作用下产生应力集中是导致加铺层接缝处反射裂缝形成、扩展的根本原因[4]。

另外，雨水沿裂缝不断侵入冲刷水泥混凝土面板基层，引起沥青表面唧浆，使水泥混凝土面板底脱空，路面的弯沉差增大，也加速了反射裂缝的扩展。同时，若雨水继续渗入至底基层，导致底基层和土基软化，路面结构的强度和刚度均较小，助推了唧泥、松散、坑槽等病害的产生，甚至演化为路面结构性破坏，因此，一旦出现反射裂缝，及时对其进行预防性养护非常必要。

3 加铺层预防性养护材料性能研究

反射裂缝对沥青加铺层的使用性能带来不利影響，目前多采取填缝、微表处等方式进行预防性养护。其中，反射裂缝灌缝材料选取时应协调路面膨胀和收缩变形，增强与破损界面的粘附力，从而大大延长沥青加铺层的使用寿命。因此，针对上述材料要求研制出一种高粘弹灌缝料，并对其高低温性能和粘附性能进行研究。

3.1 原材料

试验原材料：采用埃索A-90#基质沥青、4303SBS、40目胶粉，主要技术指标如表2所示。

3.2 改性剂掺量对沥青基填缝料性能的影响

SBS的两相分离结构具有良好的弹性、高温稳定性和低温柔韧性，因此，采用SBS对沥青基填缝料进行改性，不同SBS掺量的沥青基填缝料性能变化如表3所示。

随着SBS掺量的增加，沥青的软化点、延度和弹性恢复率值逐渐增大，当其掺量从3%增至4%，灌缝材料的技术性能提高较快;当其掺量从4%增至5%，灌缝材料的技术性能提升变缓;当掺量增至6%时，灌缝材料的技术性能提升进一步变慢。说明随着掺量的增加，SBS能够在沥青基填缝料中逐渐形成网络结构[5-6]，对沥青基性能明显改善，当掺量达到一定比例时，SBS对沥青基填缝料的改性效果开始趋缓。从SBS掺量与改性效果来看，掺量在5%时，SBS对沥青基填缝料的改性程度最大。因此，确定最佳SBS掺量为5%。

3.3 高温性能测试

为避免高温时杂物侵入裂缝，本试验参照采用锥落试验测试填缝料锥入度和剪切强度，测试方法与沥青针入度测试方法基本相同，不同之处是将针入度的长针换成了锥针，沥青盛样皿的尺寸变为70 mm、深50 mm。抗剪强度借鉴土壤抗剪强度计算方法，如式（1）所示。锥入深度试验温度选取15 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃六个等级。

如表4、表5所示，高粘弹填缝料在15 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃时的锥入度和抗剪强度较基质沥青得到了明显改善，与美国进口沥青相比，两种材料的锥入度和抗剪强度试验结果基本相同，说明高粘弹填缝料与美国进口沥青均具有较好的高温性能。

3.4 低温性能测试

低温抗裂性能是沥青填缝料在寒冷环境中能否保持正常路用性能的重要指标之一。试验选用低温弯曲流变试验（简称BBR）方法，通过测定荷载作用下的沥青小梁在不同温度时的弯曲变形来评价沥青结合料的低温性能，试验采用的评价指标为低温弯曲蠕变劲度模量s和蠕变速率m。沥青材料的低温开裂多发生在沥青已经老化时，此时材料的应力松弛性能降低，蠕变劲度增大。因此，选取的试验样本为TFOT+PAV老化后的沥青、未老化沥青和TFOT老化后沥青三种。根据PG分级，选择-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃这些温度。试验结果如表6所示。

-24 ℃时，高粘弹填缝料与美国进口沥青的蠕变劲度分别为221与162，蠕变速率分别为0.319与0.392，表明两种材料未老化时均具有良好的低温抗裂性能。一般认为，蠕变劲度模量越小，蠕变速率越大，沥青材料低温性能越好。同等温度下，经短期老化，高粘弹填缝料的蠕变劲度模量约是美国进口沥青的1.55倍，而蠕变速率后者是前者的1.20倍，沥青老化过程，轻组分的挥发和轻组分向重组分演变是沥青老化的根本原因，导致沥青组分中的沥青质占比增加，造成沥青的柔韧性削弱及抵抗永久变形的能力下降[7-8]。尽管两者抗短期老化性能存在一定的差距，但考虑到广西地区湿热的气候环境，优先选择劲度模量较大的灌缝材料。

TFOT+PAV老化后的高粘弹填缝料与美国进口沥青的BBR试验结果表明：两种材料的低温抗裂性能均大幅降低;在-18℃时，两种材料的蠕变劲度和蠕变速率满足规范要求;在-24 ℃时，两种材料的蠕变速率均不能达到规范要求，根据SHRP低温PG分级标准确定方法，两者的低温等级确定为-28 ℃，远高于广西地区的使用要求。

3.5 高粘弹灌缝材料的层间粘结性能

裂缝修复的主要目的是恢复路面安全性和结构连贯性，因受力和材料不同，修补界面相对于路面其他地方仍为薄弱面，在温度和车辆荷载重复作用下，填缝料易从界面剥落。因此，填缝料应当与裂缝界面具有良好的粘附性能。

试验采用GF多功能道路层间力测试仪[9-11]对试件界面干燥、潮湿、水环境及浸泡四种环境下填缝料的粘附强度进行研究。参考《路面加热型密封胶》技术规范[12]，设计重复拉伸与恢复试验，经5次拉伸与恢复循环，灌缝材料层间粘结性能测试结果如图5所示。

如图5所示，在室温下，两种灌缝材料层间粘结性能变化趋势基本接近。经过3次拉伸与恢复循环，

两者粘结强度变化较大，第3～4次，由于粘结界面基本稳定，在第5次拉伸循环与恢复后，两者粘结强度均出现较大降幅。在水环境条件下，高粘弹灌封材料与试件界面之间仍能保持良好的粘结性能，组织水分渗入，可起到较好的密封效果。美国进口灌缝材料对水分较敏感，其疏水性存在不足，在拉伸过程中界面已出现开裂、脱漏。无论高粘弹灌缝材料还是美国进口灌封料，水分的存在都会对粘结界面产生一定的损伤，因此，在灌缝材料研制时，常掺入一些表面活性剂，提高其憎水性，防止水分渗入，改善灌缝材料界面的粘结性能[13]。

4 灌缝材料使用效果

对广西G72柳桂高速局部路段实施了不同的预防性养护措施，如表7所示，进行野外使用性能观测，评价不同养护措施的应用效果。

路段病害类型为纵向及横向裂缝且呈现规则单条线形。填缝料使用前，对缝宽在5 mm以上的裂缝，切槽处理，槽深3～5 mm，应清扫干净并除尘，对于缝宽在5 mm以下的轻微裂缝，无需开槽，即可对裂缝进行封缝处治。采用电热吹风对凹槽进行预热，一般在80 ℃～100 ℃之间，让粘流态灌缝材料渗入反射裂缝内，待灌缝材料完全冷却后，即可开放车辆通行。

尽管灌缝材料对路面美观造成一定的视觉影响，但能有效、快速地修复反射裂缝，抑制路面水分渗入加铺层内部，减少路面病害发生，延长沥青加铺层的使用寿命。

5 结语

（1）旧水泥混凝土路面沥青加铺层的反射裂缝是由旧水泥混凝土路面接缝处在温度应力、荷载应力以及两者耦合力作用下产生应力集中导致加铺层应力过大产生，且逐渐向上扩展，最终贯穿整个加铺层。水分沿着裂缝继续渗透到底基层、湿软底基层和土基，引起水损害，降低路面结构承载能力。

（2）改性后的沥青填缝料与进口美国沥青比，其高温性能、低温性能及粘结强度均高于美国沥青，并表现出优异性能，满足广西区沥青加铺层反射裂缝修补要求。

（3）采用填缝料修补沥青加铺层反射裂缝效果明显好于雾封层和微表处，具有较高的使用效果。

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