发布时间：2022-01-12所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： [摘 要]通过室内性能试验对 5 种裂缝修补材料的高温稳定性、低温抗裂性、抗异物嵌入性、耐腐蚀性、抗老化性、抗剪强度与抗拉强度等技术性能进行了对比研究; 同时通过野外实体工程对其实际应用效果进行了验证。室内外研究发现: 裂缝修补专用材料的各项技术性能均非常理
[摘 要]通过室内性能试验对 5 种裂缝修补材料的高温稳定性、低温抗裂性、抗异物嵌入性、耐腐蚀性、抗老化性、抗剪强度与抗拉强度等技术性能进行了对比研究; 同时通过野外实体工程对其实际应用效果进行了验证。室内外研究发现: 裂缝修补专用材料的各项技术性能均非常理想，修补效果优良，适用于要求较高的高等级沥青路面裂缝修补; 加热施工类材料的各种性能虽不及专用材料，但也处于较理想的水平，适用于低等级沥青路面裂缝修补; 常温施工类材料的各种性能与修补效果均较差，仅在紧急抢修、低温或雨后、裂缝潮湿等不利条件下可以使用。
[关键词]沥青路面; 裂缝修补; 室内试验; 技术性能
0 前言
裂缝是沥青路面最主要的损坏形式之一，一直困扰着国内外道路工程界，至今仍未得到很好的解决[1 - 3]。裂缝的存在使得路表水、空气及其它有害物质可通过缝隙浸入路面结构内部，并沿着混合料的孔隙渗入路面基层和路基，使路面基层和路基发软，产生唧浆、唧泥、冲刷和冻胀等病害[4]。另外，在界面层会出现局部脱空，进而在路面形成局部凹陷，最终导致路面发生网裂与坑槽，严重影响车辆的行驶质量与道路的通行能力，大大降低路面的使用寿命。更为严重的是，由于沥青路面出现纵向、横向、斜向以及网状等各种形状的裂缝，将严重影响车轮行驶的平稳性。特别当裂缝较大时，会引起车辆的剧烈颠簸，加剧车辆的损坏，同时增加车辆对路面的冲击荷载作用以及行车的危险性[5]。
由于裂缝会对沥青路面的服务性能与使用寿命产生极大的影响，因此，必须对已经产生的路面裂缝进行及时的修补。通常可以采取裂缝填封、混合料填补、表面封层处理，或按坑槽修补的方法进行处理。对低密度或中等密度、非结构性破坏引起的沥青路面裂缝，填充与密封是经常采用的方法[6，7]。
根据我国规范规定[8]: 宽度较小的裂缝( 如小于 6 mm) ，仅仅是用热沥青或乳化沥青进行灌缝处治。而实际上修补材料往往只是在裂缝顶部很浅范围内形成封缝，在行车荷载与环境温湿综合作用下，很容易失效再次开裂; 另外，对于宽度较大的裂缝 ( 如大于 6 mm) ，开槽后用热沥青砂填充。由于开槽体积较小，密实难以保证。加之路面长期暴露在自然气候下，不断经受雨水洗刷，如果当路面裂缝发展到 6 mm 左右宽度才进行处治，可能更大的或更严重的路面病害已经先出现了。因此，针对不同的裂缝情况，如何有针对性地选择合适的修补材料和工艺有待进一步研究。
本研究选取 3 大类共 5 种代表性的沥青路面裂缝修补材料进行分析，包括 70#沥青( 加热施工类) 、 SBS 改性沥青( 加热施工类) 、ERA — C 液( 常温施工类) 、RT — A( 常温施工类) 及路斗士密封胶( 专用材料类) 。通过室内试验对其各项常规技术性能和路用性能进行对比研究，并通过室外实体工程对其实用效果进行验证，为各种等级沥青路面裂缝修补方案的确定提供建议。
1 常规技术性能
根据沥青路面使用性能[9]对裂缝修补的目标要求，修补材料自身必须具备良好的技术性能，这样才能保证裂缝修补后，修补材料内部不致因温度变化、异物挤入或者漏油腐蚀等因素发生破坏。因此，通过如下的室内试验对不同裂缝修补材料的各项常规技术性能进行评价:
① 高温稳定性: 软化点试验、流动度试验;
② 低温抗裂性: 延度试验( 5 ℃ ) 、弹性恢复试验( 5 ℃ ) ;
③ 抗异物嵌入性: 锥式针入度试验;
④ 耐腐蚀性: 耐腐蚀性试验;
⑤ 抗老化性: 模拟老化试验。
1. 1 高温稳定性
裂缝修补材料在夏季高温天气下，易受热而变软甚至出现流淌，同时在车辆荷载作用下，材料很容易被挤出或溢出裂缝，致使修补失效。因此，修补材料应具备较好的高温稳定性。
参照《公路工程沥青及沥青 混合料试验规程》[10]( JTG E20 — 2011) 采用环球法进行软化点试验，结果如表 1 所示。试验结果表明: 裂缝修补材料是多种碳水化合物的混合物，为无定形物质，没有明确的熔点，随着测试温度的升高逐渐软化。软化点温度前后，材料性质没有发生变化，因此，软化点温度可以反映修补材料的耐高温性。软化点越高，其耐高温性越强。不同材料的软化点差别较大，反映出的修补材料耐高温性由高到低依次是: 路斗士密封胶 > RT — A > SBS 改性沥青 > ERA — C 液 > 70# 沥青。
参照《公路水泥混凝土路面接缝材料》( JT /T 203 — 1995) [11]进行流动度试验，结果如表 2 所示。该试验养护条件是 60 ℃ 的烘箱内养护 5 h，完全可以模拟炎热气候下沥青路面的温度条件。因此，流动度在一定程度上可以反映修补材料在高温情况下的工作状态。由于 70#沥青的软化点只有 48. 5 ℃，而本试验温度为 60 ℃，沥青已经软化成液态，所以无法取得试验数据。流动度越小，耐高温性能越好。从表 2 中可以看出: 5 种材料的流动度差别也很大，路斗士密封胶最小，只有 3. 6 mm，而 70#沥青已呈流淌状态。根据流动度致病反映出的修补材料耐高温性由高到低依次是: 路斗士密封胶 > RT — A > SBS 改性沥青 > ERA — C 液 > 70#沥青。
1. 2 低温抗裂性
修补材料在冬季低温天气下，很容易变脆、失去原有的柔韧性，在拉应力应变长期作用时，很容易被拉伸断裂，造成裂缝修补失效。因此，裂缝修补材料应具有良好的抗低温脆裂性。
参照《公路工程沥青及沥青 混合料试验规程》[9]( JTG E20 — 2011) 进行 5 ℃ 延度试验，结果如表 3 所示。材料延度与修补结构使用性能有较好的相关性，尤其是低温延度与开裂性能关系密切。因此，5 ℃延度可以反映修补材料低温条件下的抗开裂性能。延度越大，低温抗裂性能越好。试验结果发现: 5 ℃延度指标反映出的修补材料低温抗裂性能由高到低依次是: 路斗士密封胶 > SBS 改性沥青> 70#沥青 > RT — A > ERA — C 液。
参照《公路水泥混凝土路面接缝材料》( JT /T 203 — 1995) [10]进行弹性恢复试验，测定裂缝修补材料经延度试验拉长一定长度后的可恢复变形所占百分率，试验温度也取为 5 ℃，结果如表 4 所示。弹性恢复试验是在延度试验基础上改进而来，能够在反映修补材料在受到车辆荷载挤压作用或在温度应力作用下变形恢复能力，间接反映其柔韧性和低温抗裂性能。弹性恢复率越大，低温抗裂性能越好。从表 4 中看出: 不同材料弹性恢复率差别较大，路斗士密封胶原样试件的弹性恢复率接近 70% ，SBS 改性沥青也接近 50% ，而 RT — A 材料在 5 ℃时几乎不能拉伸，其试验数据均取为 0。弹性恢复试验反映出修补材料低温抗裂性由高到低依次是: 路斗士密封胶 > SBS 改性沥青 > 70#沥青 > ERA— 液 > RT— A。
1. 3 抗异物嵌入性
自然环境中有很多石子、碎屑等杂物，车辆通过时也可能有坚硬的颗粒状物质掉落到路面上。这些异物一旦落在裂缝上，并被车辆经过时挤入裂缝中，势必会挤碎修补材料，从而破坏裂缝修补结构。因此，修补材料必须具备良好的抗异物嵌入性。
参照《公路水泥混凝土路面接缝材料》( JT /T203 — 1995) [10] 进行锥式针入度试验，试验温度为 25 ℃，结果如表 5 所示。锥式针入度试验是水泥混凝土路面嵌缝材料的指标试验之一，是在针入度试验的基础上改进而来，用锥形针模拟石子等异物挤压进裂缝修补材料中，可以反映其抗异物嵌入性。锥式针入度越小，则抗异物嵌入性越好。从表 5 中可以发现，各种材料的抗异物嵌入性基本接近。
1. 4 耐腐蚀性
裂缝修补材料表面长期裸露在大自然中，可能遭遇水、空气及一些腐蚀性物质( 如汽油、柴油等) 的浸入，并与之发生反应，使界面粘结性能丧失，形成二次裂缝。因此，修补材料必须具备良好的抗腐蚀性。
进行耐腐蚀性试验，即通过将裂缝修补材料在柴油中淹没浸泡 24 h，计算其质量损失百分率，以此来评定裂缝修补材料对腐蚀性物质的抵抗能力，结果如表 6 所示。质量损失越小，则耐腐蚀性越好。从试验结果中可以看出: 5 种材料的质量损失差别较大，路斗士密封胶只有 10% 左右，质量损失较小; 其它 4 种材料质量损失较大，说明其在柴油腐蚀下，有效成分损失严重，耐腐蚀性较差。不同修补材料耐腐蚀性由高到低依次是: 路斗士密封胶 > SBS 改性沥青 > RT — A > ERA — C 液 > 70#沥青。
1. 5 抗老化性能
由于无法直接测试材料抗老化性能，现先将修补材料在 60 ℃ 烘箱中保温 5 d，模拟野外热氧老化，之后再进行其它试验，并与原样材料的试验结果进行对比，来评价其抗老化性。采用老化影响系数 A( 老化试件测定值与原样试件测定值之比) 来表征模拟老化对材料性能的影响程度，结果见表 6。从 试验结果中发现: 经过模拟老化后，修补材料一些组分发生了吸氧化学反应，生成了较为粘稠的物质，使得各种材料的软化点均提高了 15% 左右; 材料流动度变小，路斗士密封胶受到的影响最大，ERA — C 液受到的影响最小，这可能与其蒸发水分的过程中即已发生一定程度的老化有关; 5 ℃ 延度均大幅度降低至原样材料的一半以下，说明其低温抗裂性能严重下降; 弹性恢复率均小于材料原样，70#热沥青和 ERA — C 液下降幅度更为明显; 高温热氧化对抗异物嵌入性影响很小; 耐腐蚀性均小于材料原样，这是由于经过高温热氧化，修补材料发生了化学反应，新生成的物质成分活性降低，与柴油中相关成分不再发生化学反应。根据各种试验综合判断，各种修补材料抗老化性能由高到低依次是: 路斗士密封胶> SBS 改性沥青 > RT — A > ERA — C 液 > 70#沥青。
2 力学性能
对于裂缝修补材料来说，更为重要的是其修补后的力学性能必须达到一定标准，保证修补结构具备足够的强度，阻隔水分进入路面内部，抑制裂缝进一步开展，提高路面使用寿命，并改善路面平整度，提高行车舒适性。在交通荷载和各种自然因素的作用下，裂缝修补材料主要受到拉应力和剪应力的反复作用。因此，通过直剪和拉拔试验来检测裂缝修补结构的抗剪和强度。
2. 1 抗剪性能
将标准车辙板切割成 50 mm × 50 mm × 32 mm 的试块，一面留毛，一面切光; 将试块两两一组，毛面相对形成 5 mm 的空槽; 封闭空槽两侧及底部缝隙，将裂缝修补材料灌入其中，凝固后将试件表面处理干净，测量灌满修补材料的中缝的长度 L1mm 与宽度 L2mm。将试件分为两组，第一组试件不作处理; 第二组试件淹没在水中浸泡 4 d，然后取出擦去表面水分，再静置24 h; 分别在0、20，50 ℃环境箱中保温 4 h; 采用 UTM — 25 试验系统进行直剪试验，加载速率为 10 mm /min，记录其竖向最大剪应力值 PS ( kN) 。
3 室外验证
为了验证室内试验结论，选择常州市一条绕城公路主干道进行实地试验。清缝处理后，路斗士密封胶、SBS 改性沥青与 70#沥青等材料由高温锅加热到适灌温度，装入铝制茶壶后灌入较宽的裂缝中; ERA — C 液与 RT — A 则直接灌入较窄的裂缝中。灌缝完毕后，立即用粒径 0. 6 mm 以下的矿料覆盖。封闭 2 h 后，开放交通。对灌缝试验路进行定期跟踪观测，每半个月观测一次。灌缝 8 个月后，对试验路进行钻芯取样，如图 3 所示。芯样分析结果显示: 采用路斗士密封胶、SBS 改性沥青灌缝的大部分芯样较为完整，基本未发生松散现象; 70#沥青的芯样有一半发生松散，而 RT — A 与 ERA — C 液的芯样各有一个较为完整，其余均呈松散状态。这说明路斗士密封胶、SBS 改性沥青两种材料的粘结效果较好， 7 0#沥青次之，两种常温修补材料RT— A与ERA— C 图 3 芯样状况 Figure 3 Core samples 液较差。路斗士密封胶、SBS 改性沥青及 70# 沥青的灌入深度较浅，只有3 - 4 cm; RT— A 与 ERA— C 液则较深，不仅贯穿面层全部( 4 cm + 6 cm) ，甚至渗入基层一定深度。
4 结论
① 沥青路面裂缝修补材料自身必须具备良好的高温稳定性、低温抗裂性、抗异物嵌入性、耐腐蚀性及抗老化性等技术性能。此外，还必须具备满足抗剪及抗拉强度等力学指标的要求。
② 以路斗士密封胶为代表的裂缝修补专用材料的各项常规技术性能和力学性能均较为优异，修补效果优良，使用寿命较长，可以推荐用于高等级沥青路面裂缝修补，尤其是夏季高温地区; 加热施工类材料 SBS 改性及 70# 沥青的各种性能处于中等水平，可以用于低等级沥青路面裂缝修补; 常温施工类材料 ERA — C 液和 RT — A 的各种性能与修补效果均较差，只能在紧急抢修、低温或雨后、裂缝潮湿等不利条件下使用。
③ 实地试验表明路斗士密封胶、SBS 改性沥青的粘结效果较好，但其灌入深度相对较浅。——论文作者：李 强1，2 ，倪富健2 ，王文达3 ，马 翔1
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