高寒山区沥青路面温拌灌缝材料的制备与性能

陈辉强，敖付勇，贺 强，晏 超

(1. 重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074； 2. 重庆市轨道交通(集团)有限公司， 重庆 401120)

近年来，我国公路建设重心已由平原地区转向气候条件更加复杂的西部山区[1]，山区道路建设得到了长足发展。沥青路面由于其诸多优点仍然是西部山区路面最主要的路面结构形式。然而，西部山区恶劣的气候特征和特殊的交通条件导致沥青路面更容易出现开裂病害[2～4]。作为沥青路面裂缝主要处治方式之一[5～8]，灌缝在沥青路面早期病害处治和预防性养护中发挥着越来越重要的作用。从灌缝工艺看，目前沥青路面灌缝材料主要有热灌类、冷灌类及化学类[9]，其中热灌类由于操作方便、价格合理且灌缝效果良好而成为目前最常用的灌缝材料。但当应用于高海拔地区时，普通热灌类材料将面临如下三个技术问题[10～13]：(1)低温韧性不足，高海拔山区极端气温低，普通热灌类材料自身容易出现低温开裂；(2)变形能力欠佳，高海拔山区年温差和日温差大，裂缝的热胀冷缩要求灌缝材料具有优良的变形能力，对裂缝形变具有良好的追从性；(3)高海拔山区灌缝施工时气温较低，热灌类材料在施工过程中会因温度下降过快、黏度增大迅速而使灌缝深度过浅，最终导致灌缝材料与裂缝壁的黏结强度严重不足，在行车荷载作用下容易脱落而失去灌缝本应具备的作用和效果。

针对普通热灌类材料应用于高海拔山区面临的技术难题，结合其具体的气候特征和交通条件，本文制备了一种适用于高海拔山区沥青路面的温拌型灌缝材料(简称“TEK-U”，下同)，系统测试了TEK-U的路用性能，最后通过对比实验和试验段的实际灌缝效果对TEK-U进行了综合评价。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用材料及材料性能如下：

(1)韩国SK集团90#基质沥青的性能指标如表1所示。

表1 90#基质沥青基本性能检测结果

(2)日本良园商事株式会社的TPS高粘改性剂性能指标如表2所示。

表2 TPS改性剂性能指标

(3) 苏州义宝塑料有限公司的乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer，EVA)性能指标如表3所示。

表3 EVA的物理技术指标

(4)广州晨信化工有限公司的环烷油性能指标如表4所示。

表4 环烷油的性能指标

(5)上海诚鸿道路新材料有限公司的SAK温拌剂是一种白色粉末状的沥青温拌剂，其技术特点为：添加沥青用量的1%就能起到较显著的降粘效果；能降低施工温度30 ℃左右，从而提高施工性能；能明显减少沥青烟的排放，保护环境。

1.2 温拌型灌缝材料的制备工艺

参照改性沥青的制备工艺，本研究中温拌型灌缝材料的制备工艺如下：将基质沥青置于170 ℃油浴锅中，同时加入称量好的改性剂EVA和TPS，搅拌、溶胀10 min后，加入环烷油，用高速剪切乳化机以6000 r/min的转速高速剪切60 min，再在160 ℃的烘箱中发育1 h，最后加入SAK温拌剂搅拌10 min，进而取样分析。

1.3 性能测试

(1)低温延度、软化点及低温流变性能参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的方法测试。

(2)锥入度、流动值及弹性恢复率参照JT/T 740-2015《路面加热型密封胶》的方法测试。

(3)低温柔韧性按GB/T 16777-2008《建筑防水涂料试验方法》的方法测试。

(4)-12℃和-18℃下的劲度模量S和蠕变速率m采用低温弯曲蠕变(BBR)实验方法测试。

(5)拉拔强度按ASTM D 4541-09《用便携式附著力测试仪测定涂料的拉脱强度》的方法测试。

(6)渗透深度采用探地雷达进行检测。

2 试验与结果讨论

2.1 温拌型灌缝材料的制备

本文首先通过正交试验确定EVA、TPS及环烷油三种改性剂的合理掺量，制得热拌条件下的灌缝材料(简称“中间体”)，再通过添加适量SAK温拌剂制得温拌型灌缝材料。

2.1.1 正交试验设计

根据前期单因素试验研究结果，此次制备中间体的主要影响因素有EVA改性剂、TPS改性剂及环烷油，其掺量(质量百分比)变量确定3个水平，即试验采用3因素3水平正交表进行设计。试验共制得9种不同配比的中间体，具体试验方案及试验结果如表5，6所示。

表5 正交试验因素及水平

表6 正交试验结果

2.1.2 正交试验数据处理及分析

根据表6试验结果，设EVA、TPS、环烷油三个因素分别为A，B，C，采用正交试验数据处理方法计算各指标极差，结果见表7。

表7 正交试验极差计算结果

极差R越大，则对应的影响因素越重要。由表7极差计算结果可知，对锥入度指标而言，环烷油因素对其影响最大，其次是TPS，影响最小的是EVA，即C>B>A；同理对软化点和流动值指标而言，容易得出A>C>B；对弹性恢复率和低温延度指标而言，容易得出B>A>C。

2.1.3 中间体最佳配比确定

由于制备的中间体用于气候环境比较复杂的高海拔地区，因此将5 ℃延度和弹性恢复率作为选择灌缝材料掺量的关键指标。由单指标影响确定的灌缝材料中间体的因素主次顺序与最优水平列于表8。

表8 中间体的最优水平

由表8可知，因素A对高温(软化点及流动度)指标影响最大，对弹性恢复率和延度的影响排第二位；因素B对弹性恢复率和延度指标的影响均排第一位。综合考虑延度和弹性恢复率指标，因素A取1水平，因素B取2水平，因素C取2水平，三种材料的最优组合为A1+B2+C2。

2.1.4 温拌剂最佳掺量

为了避免灌缝材料由于温度下降过快引起的粘度骤升而影响灌缝质量，本文通过向中间体添加适量SAK温拌剂的方式制备温拌型灌缝材料。通过掺加0%，1%，2%，3%的SAK温拌剂，对其进行135，145，155，165，175，185，195 ℃7个温度测试，以获得其黏温曲线，结果见图1。

图1 灌缝材料黏温变化曲线

由图1可以看出，当温度达到185 ℃后，几种灌缝材料的黏度值较接近，但随着温度的降低，4种不同SAK掺量的灌缝材料黏度值均显著升高，且随着温度升高掺加了SAK温拌剂的三种灌缝材料的黏度值下降幅度明显低于未加SAK温拌剂的灌缝材料，表明同一温度下SAK温拌型灌缝材料的黏度对环境温度的敏感性显著下降，从而确保了其优良施工时的流动性和可灌注性；另外，尽管4条黏温曲线的黏度值大小由高到低依次为：0%SAK>1%SAK>2%SAK>3%SAK，但是添加SAK温拌剂之后的3种温拌型灌缝材料在各试验温度下的黏度都比较接近，且明显低于同温度下没有掺加SAK灌缝材料的黏度。这说明SAK对灌缝材料的黏度降低是十分敏感而有效的，但SAK的掺量超过1%之后对灌缝材料的黏度降低并无明显作用。当温度高于185 ℃后，灌缝材料的黏度值不再下降，不考虑更高温度的黏度值，以此温度作对应的等黏直线，得到掺加1%，2%，3%SAK的灌缝材料温度分别约为167，165，162 ℃，与未掺加SAK的温度相比，分别下降了18，20，23 ℃。这说明添加SAK后的温拌灌缝材料具有相对较低的施工温度。在此基础上，进一步对掺加1%，2%，3%SAK的灌缝材料进行弹性恢复和5 ℃延度两个关键指标的测试，结果如图2，3所示。

图2 SAK掺量对温拌型灌缝材料弹性恢复率的影响

图3 SAK掺量对温拌型灌缝材料低温延度的影响

由图2，3可见，灌缝材料的弹性恢复率和低温延度随着SAK掺量的增加而有所降低，与未添加SAK相比，添加1%，2%，3%SAK灌缝材料的弹性恢复率分别下降了4.9%，10.2%，19.9%，添加1%，2%，3%SAK灌缝材料的低温延度分别下降了3.7%，12.1%，27.3%，这表明较大掺量SAK对灌缝材料的低温性能和变形能力有一定程度的不利影响，结合SAK掺量对灌缝材料黏度的影响规律，综合考虑到灌缝材料的低温性能和变形能力，最终将1%作为SAK的合理掺量。由此确定温拌型灌缝材料组成为，基质沥青∶EVA∶TPS∶环烷油∶SAK=100∶12∶7∶3∶1。

2.2 温拌型灌缝材料的性能研究2.2.1 低温抗裂性

选用两种常用的沥青路面灌缝材料JC-G1(泰安吉驰工程材料有限公司生产)和HT(烟台华通道路工程有限公司生产)作为参比，采用低温柔韧度、低温延度和蠕变劲度指标对灌缝材料低温性能进行评价，结果如图4及表9所示。

图4 灌缝材料低温性能试验结果

表9 几种灌缝材料的BBR试验数据

综合图4及表9可知：(1)3种灌缝材料的低温柔韧度大小依次为：TEK-U>HT>JC-G1，低温柔韧度越低，灌缝材料的低温柔性越好。其中，TEK-U的低温柔韧度是JC-G1的1.9倍，是HT的1.06倍。低温柔韧度指标体现出TEK-U具有良好的低温柔韧性，这对适应高海拔山区复杂气候环境的裂缝变化是十分有利的。(2)3种灌缝材料低温延度指标反映出的低温抗裂性能由高到低依次是：TEK-U>HT>JC-G1，延度越大，低温抗裂性能越好。TEK-U的延度值是JC-G1的2.38倍，是HT的1.09倍。低温延度指标体现出TEK-U具有较好的低温抗塑性变形能力。(3)3种灌缝材料的低温性能优劣顺序为：TEK-U>HT>JC-G1。在试验温度下，TEK-U的劲度模量低于JC-G1和HT，低温劲度模量越低，表示灌缝材料的抗裂性能越好。此外，随着温度降低，JC-G1，HT，TEK-U之间的劲度模量之差较大，表明TEK-U的劲度模量随温度变化较小，其低温性能好。在试验温度下，TEK-U的蠕变速率高于JC-G1和HT，这表明TEK-U比另外两种灌缝材料具有更好的应力松弛能力和低温性能。

2.2.2 抗剪性能

将成型养护后的沥青混凝土板切割成50 mm×50 mm×100 mm的试件，将粘结好的试件放入温度预先设置好的恒温箱中保温，保温时间不少于5 h。采用MTS万能试验机，加载速率设置为50 mm/min，匀速加载直至破坏。本文用破坏功指标来评价灌缝材料的抗剪性能，其中破坏功为在不同温度下使灌缝材料破坏所消耗的能量。探讨了3种灌缝材料在-20，0，20 ℃条件下，灌缝宽度分别为3，5，7 mm对剪切强度的影响规律，结果如表10所示。

表10 不同温度下3种灌缝材料破坏功

由表10可知，无论是同一宽度不同试验温度下的裂缝还是同一试验温度不同宽度的裂缝，与JC-G1和HT相比，温拌型灌缝材料TEK-U均具有更高的破坏功，展现出更出色的抗剪性能，表明TEK-U更能抵抗裂缝在荷载作用或者温度应力作用下的位移变形，这对于保障沥青路面裂缝处治的使用耐久性是至关重要的。

2.2.3 拉拔性能

分别测试了3种灌缝材料在-20，0，20 ℃三种温度下的拉拔强度，结果如表11所示。通过大量试验发现，试验中灌缝材料与裂缝壁组合结构之间大多是黏附性破坏形式。

由表11可以看出，3种灌缝材料的拉拔强度均随温度的升高而显著降低，体现出较强的温度敏感性。温度由-20 ℃升高至20 ℃时，TEK-U的拉拔强度值由1.28 MPa降低至0.64 MPa，下降了64%；JC-G1的拉拔强度值由1.07 MPa降低至0.48 MPa，下降了55.1%；HT的拉拔强度值由0.75 MPa降低至0.42 MPa，下降了44%；这说明温度对灌缝材料的拉拔强度具有显著影响。同一温度条件下，3种灌缝材料的拉拔强度大小顺序为：TEK-U>JC-G1>HT，说明TEK-U对沥青混凝土具有较好的黏结性能，同时该结果也反映出TEK-U的黏结性能在低温及常温下均优于JC-G1和HT。

表11 拉拔试验结果 MPa

2.3 SAK温拌型灌缝材料的主要性能指标

通过以上试验研究，归纳出SAK温拌型灌缝材料的主要性能指标，见表12。

表12 SAK温拌型灌缝材料的主要性能指标

2.4 灌缝效果评价2.4.1 灌缝深度检测

选用我校校园内行车道上一条裂缝(图5)实施灌缝，清理之后对该裂缝进行了宽度和深度测量，平均宽度约为1.5 cm，平均深度约为2.0 cm。将加热至167 ℃的TEK-U缓慢均匀地灌入裂缝内，灌满为止。待路面灌缝完成并完全冷却后，采用探地雷达(图6)检测温拌型灌缝材料的灌缝深度[14]，以评价TEK-U的流动性和渗透性。探地雷达输出的原始二维灰度图采用软件IDSP 7.0进行背景消除、滤波、线性增益等处理后，灌缝深度如图7所示。

图5 灌缝前后的裂缝形态

图6 LTD-2600型探地雷达

图7 探地雷达检测过程及软件处理后的灌缝深度雷达图

软件处理后的灌缝深度雷达图表明，裂缝宽度为3～5 mm时，TEK-U的灌缝平均深度约为4 cm，并且相对均匀，这与事先实际测量的裂缝深度相近，表明使用上述方法检测TEK-U的灌缝深度是可行的；同时，这也说明TEK-U具有较好的流动性和渗透性。

2.4.2 灌缝后裂缝的渗水系数

根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，对灌缝后的裂缝、原路面及通车两个月后的裂缝进行渗水试验，试验结果列于表13。

表13 渗水系数试验结果

由表12试验结果可知，采用本文研制的温拌型灌缝材料对裂缝实施灌缝，裂缝和原路面的渗水系数均为0，均表现为良好的不透水性，表明灌缝之后的裂缝具有和原路面一致的密水性能；尤其是，灌缝通车2个月之后裂缝的渗水系数仍然为0，表明在环境及荷载反复作用下，TEK-U具有良好的路面适应性和对裂缝形变良好的追从性，满足路面裂缝灌缝的实用性要求

3 结 论

(1)温拌型灌缝材料TEK-U各组成成分的比例关系为：基质沥青∶EVA∶TPS∶环烷油∶SAK=100∶12∶7∶3∶1。

(2)温拌型灌缝材料TEK-U不仅具有良好的低温性能和低温柔韧性，而且还具有较好的抗剪切能力和黏附性，综合路用性能优良。

(3)相对于普通加热型灌缝材料，温拌型灌缝材料TEK-U的施工温度可以降低20 ℃左右，更加有利于高海拔山区裂缝灌缝施工。

(4)温拌型灌缝材料TEK-U优良的渗透性能够确保一定的灌缝深度，同时还具有良好的密水性能，有利于延长沥青路面的使用寿命。