鋼橋面鋪裝接縫構造及界面材料性能研究*

陳安京 張 輝 周橙琪 萬建軍

(1.南京市城市道路管理中心 南京 210000； 2.江蘇中路工程技術研究院有限公司 南京 211806)

鋼橋面鋪裝層作為正交異性鋼箱梁的功能性保護層，與鋼板共同承擔荷載作用。但由于正交異性鋼箱梁柔度較大，在車輛荷載作用下會產生較大的變形，給鋪裝層的受力帶來嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。國內鋼橋面鋪裝多存在不同程度的病害，其中坑槽病害最為常見，尤其是鋪裝層施工縫和坑槽修補接縫處開裂較多。施工縫或接縫處一旦開裂，鋪裝層滲水，將嚴重影響鋼板的耐久性。因此，施工中會使用黏結劑涂抹接縫處以提高新舊鋪裝面的界面黏結強度。以往的接縫材料大多采用與鋪裝一致的膠結料，由于其強度不足、涂抹量難以把控、變形協(xié)調差等諸多問題可能導致接縫處發(fā)生二次開裂[2-4]，界面的破壞是坑槽修補二次破壞的主要形式和原因，當修復材料和原有鋼橋面鋪裝結構的黏結界面斷裂失效時，使得修復材料喪失邊界支撐，造成鋼橋面鋪裝病害修復的失效。然而，我國沒有針對鋼橋面鋪裝層坑槽接縫界面特有的養(yǎng)護維修技術與評價方法及指標，多數(shù)情況下，只有在養(yǎng)護維修后，采取后期跟蹤的方法對不同修復材料的修復效果進行評定。本文通過文獻查閱[5-10]，選用一種立面不流淌、有良好變形性、抗裂性、防滲水性的密封膠作為接縫黏結材料進行試驗，達到提升新舊橋面鋪裝層接縫界面黏結性與變形性的效果。

1 界面材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

選取市面上具有代表性的2種界面接縫材料，以研究不同界面材料和接縫構造形式下的新舊鋪裝層之間的協(xié)同變形性。使用前應確認基面清潔無污染，界面劑的適宜使用溫度范圍為5～40 ℃，未配用材料必須隨時密封好。

1) 雙組分界面劑。本次試驗采用的是江蘇中路工程技術研究院生產的雙組分界面接縫產品。雙組分界面劑也叫AB膠，分為A、B兩組分，為室溫固化型。其中，A組分為含有-NCO基團的白色均質膏狀體，B組分為含有活潑氫的黑色黏稠體固化劑，具有一定的流動性。使用時按一定比例將A、B兩組分充分攪拌均勻至無色差黑色膏體，因氣候不同B組分使用量應冬季多、夏季少。

2) 單組分界面劑。本次試驗采用的是江蘇中路工程技術研究院生產的單組分界面接縫產品。單組分界面劑為無溶劑、室溫固化型。產品呈黑色膏狀，對瀝青路面等基面有黏附性，可擠出直接涂抹施工，具有抗下垂性，嵌填垂直接縫和頂縫不流淌。產品固化時利用空氣中的水蒸氣，發(fā)生濕氣反應，從而固化形成具有網(wǎng)絡結構的彈性體；固化后為橡膠狀，富有彈性，兼具黏結和密封兩大功能。可通過升高溫度和濕度，加速固化。

1.2 試驗方法

1.2.1劈裂抗剪試驗

按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中瀝青混合料劈裂試驗,評價2種接縫材料在0.3，0.6，0.9 kg/m2用量下的抗剪切變形協(xié)調性，不僅可以反映接縫材料在規(guī)定溫度和加載速率時的剪切破壞，也可以側面反映出彈性體處于彈性階段時的力學性質。為模擬現(xiàn)場施工，將成型好的環(huán)氧瀝青混合料車轍板試件以90°垂直對接進行切割，分別用2種接縫材料以不同的用量對接縫進行涂抹，攤鋪新拌和好的高韌樹脂混合料，碾壓成型并養(yǎng)生。待新拌混合料固化后，鉆芯取樣，測試其抗剪切強度。

1.2.2彎曲試驗

按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中瀝青混合料彎曲試驗，評價接縫材料在最佳涂抹用量下的新舊鋪裝層的抗彎拉強度與極限彎拉應變，進一步驗證接縫材料和新舊鋪裝層的協(xié)同工作性。將成型好的環(huán)氧瀝青混合料車轍板試件分別以90°、60°、45°、30°的接縫角度進行切割，待涂抹過接縫材料后即攤鋪新拌和好的高韌樹脂混合料，碾壓成型并養(yǎng)生。待試件固化并切割后，進行小梁彎曲試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 界面材料最佳用量研究

最佳用量要求界面劑具有一定的抗剪切破壞強度，并且自身完整，不發(fā)生剪切破壞。圖1為單組分界面劑和雙組分界面劑在不同涂抹用量下的劈裂抗剪試驗結果。

圖1 2種界面劑在不同涂抹量下的劈裂抗剪試驗結果

由圖1可見，雙組分界面劑的抗剪強度在不同用量下均低于單組分界面劑，雙組分界面劑的抗剪強度隨涂抹量的增加呈先增大后減小的變化趨勢，當涂抹量為0.6 kg/m2時，抗剪強度最大為3.06 MPa；單組分界面劑的抗剪強度隨涂抹量的增加而增大，當涂抹量為0.9 kg/m2時，抗剪強度為3.77 MPa。

圖2為涂抹單組分界面劑后的試件接縫的破壞情況，圖3為涂抹雙組分界面劑后的試件接縫的破壞情況。

圖2 單組分界面劑試件破壞情況(0.3,0.6,0.9 kg/m2)

圖3 雙組分界面劑試件破壞情況

接縫為薄弱處，由圖2可見，在不同用量下，涂抹單組分界面劑的試件在受力位置處均未發(fā)生破壞，新舊鋪裝均未出現(xiàn)裂紋。而由圖3可見，涂抹雙組分界面劑的試件在受力位置處均發(fā)生了斷裂破壞，接縫處張開但試件未完全破壞，接縫材料本身也未發(fā)生剪切斷裂，當涂抹量為0.3 kg/m2時，修補區(qū)出現(xiàn)開裂，舊鋪裝完好；當涂抹量為0.6 kg/m2和0.9 kg/m2時，舊鋪裝出現(xiàn)開裂，修補區(qū)完好。

考慮若材料用量較少，接縫處無法形成一道完整的彈性變形體，起到良好的防水作用，并綜合劈裂抗剪強度，推薦單組分界面劑的最佳涂抹量在0.6～0.9 kg/m2之間，雙組分界面劑的最佳涂抹量為0.6 kg/m2。

2.2 新舊鋪裝層協(xié)同變形性研究

2.2.1不同接縫材料

圖4分別為低溫和常溫下使用2種界面劑4種對接角度拼接后的小梁抗彎拉強度。

圖4 不同溫度下界面材料拼接后的小梁抗彎拉強度

由圖4可見，抗彎拉強度受溫度的影響較為明顯，溫度越高，強度越低，使用單組分界面劑拼接的小梁試件的抗彎拉強度均高于雙組分界面劑。低溫下，90°、60°、45°、30°對接下單組分界面劑分別是雙組分界面劑的6.9倍、13.9倍、3.3倍、1.4倍；常溫下，90°、60°、45°、30°對接下單組分界面劑分別是雙組分界面劑的6.2倍、6.4倍、3.2倍、1.56倍。并且，無論是在低溫還是常溫下，使用單組分界面劑的抗彎拉強度均大于5 MPa。

圖5分別為低溫和常溫下使用2種界面劑4種對接角度拼接后的小梁極限彎拉應變。

圖5 不同溫度下界面材料拼接后的小梁極限彎拉應變

由圖5可見，低溫下，使用單組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應變均高于雙組分界面劑，90°、60°、45°、30°對接下分別是雙組分界面劑的1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.1倍，變形能力基本相當；常溫下，90°、60°對接下的2種界面劑的彎拉應變較為接近，45°、30°對接下單組分界面劑分別是雙組分界面劑彎拉應變的2.5倍、2.0倍。

2.2.2不同接縫構造角度

圖6為低溫(-10 ℃)時不同接縫構造角度下使用2種界面劑拼接后的小梁抗彎拉強度。

圖6 低溫不同接縫構造角度拼接后的小梁抗彎拉強度

由圖6可見，低溫時雙組分界面劑在90°、60°對接時試件均斷開，45°、30°對接時接縫材料已發(fā)生斷裂失效，試件接近完全斷開。隨接縫構造角度的減小，雙組分界面劑的抗彎拉強度大體呈上升趨勢，上升幅度隨角度的減小越來越大，在90°～60°之間，強度未有明顯變化。

低溫時單組分界面劑90°、60°、45°和30°對接時的試件均未發(fā)生斷開。隨接縫構造角度的減小，單組分界面劑的抗彎拉強度呈上升趨勢，在60°～45°之間，強度變化幅度較小，60°、45°、30°對接時的彎拉強度分別是90°的1.8倍、1.9倍、2.5倍。

圖7為常溫(15 ℃)時不同接縫構造角度下使用2種界面劑拼接后的小梁抗彎拉強度。由圖7可見，常溫時雙組分界面劑90°、60°、45°和30°對接的試件均斷裂，其中30°對接時的試件斷裂在混合料處，頂部受力集中又最為薄弱，故實際施工時接縫處不建議采用角度較小的處置方式。隨著接縫構造角度的減小，雙組分界面劑的抗彎拉強度呈先緩慢增長后大幅上升的趨勢，60°、45°、30°對接時的彎拉強度分別為90°的1.2倍、2.7倍、8.2倍。

圖7 常溫不同接縫構造角度拼接后的小梁抗彎拉強度

常溫時單組分界面劑90°、60°、45°和30°對接時的試件均未發(fā)生斷開。隨接縫處置角度的減小，單組分界面劑的抗彎拉強度大體呈緩慢上升趨勢，在90°～60°和60°～45°之間，強度變化幅度均較小，60°、45°、30°對接時的彎拉強度分別為90°的1.3倍、1.4倍、2.1倍。

圖8為低溫(-10 ℃)時不同接縫構造角度下使用2種界面劑拼接后的小梁極限彎拉應變。

圖8 低溫不同接縫構造角度拼接后的小梁極限彎拉應變

由圖8可見，低溫時隨接縫處置角度的減小，使用雙組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應變在(2 500～3 300)×10-6范圍內波動，其中90°和45°對接時的小梁彎拉應變均達到3 200×10-6以上，60°和30°對接時的小梁彎拉應變接近2 600×10-6。

使用單組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應變在(2 800～4 200)×10-6范圍內波動，其中45°對接時的小梁極限彎拉應變達到最高點4 113×10-6，而90°、60°和30°對接時的小梁極限彎拉應變分別為3 570×10-6、3 125×10-6、2 833×10-6。

圖9為常溫(15 ℃)時不同接縫構造角度下使用2種界面劑拼接后的小梁極限彎拉應變。

圖9 常溫不同接縫構造角度拼接后的小梁極限彎拉應變

由圖9可見，常溫時隨接縫處置角度的減小，使用雙組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應變在(2 200～3 500)×10-6范圍內波動，90°、60°、45°和30°對接時的小梁極限彎拉應變分別為2 949×10-6、3 488×10-6、2 264×10-6、2 872×10-6。

使用單組分界面劑拼接的小梁試件的極限彎拉應變基本呈上升趨勢，90°、60°、45°和30°對接時的小梁極限彎拉應變分別為2 960×10-6、3 371×10-6、5 627×10-6、5 655×10-6，其中45°～30°之間，彎拉應變大小變化幅度不大，數(shù)值接近。

3 結論

1) 單組分界面劑有良好的立面抗流淌性能，室溫濕氣固化，施工時直接涂抹無需攪拌；而雙組分界面劑雖也有良好的立面不流淌效果，但由于A、B組分比例差距較大，攪拌過程中均勻性難以滿足，會造成部分材料固化不完全，影響使用性能。

2) 通過雙組分界面劑、單組分界面劑2種材料作為接縫材料時的劈裂抗剪強度對比研究，推薦雙組分界面劑的最佳涂抹量為0.6 kg/m2，單組分界面劑的涂抹量在0.6～0.9 kg/m2范圍內皆可，可根據(jù)季節(jié)調整用量，夏季偏少冬季偏多。

3) 雙組分界面劑由于固化不完全，黏結失效，導致新舊鋪裝層90°、60°、45°和30°對接時的小梁彎曲試件均發(fā)生斷開。無論是在低溫還是常溫下，90°與60°接縫構造角度下的抗彎拉強度僅有1 MPa左右，抗彎拉破壞能力相對較差。

4) 單組分界面劑在-10 ℃和15 ℃下，新舊鋪裝層90°、60°、45°和30°對接時的小梁彎曲試件均未發(fā)生斷開，45°對接時的小梁試件的抗彎拉破壞效果最好，低溫下強度和應變分別為13.89 MPa和4 113×10-6(完整小梁試件的強度和應變分別為30.7 MPa和6 856×10-6)，常溫下強度和應變分別為7.8 MPa和5 627×10-6(完整小梁試件的強度和應變分別為14.4 MPa和17 720×10-6)，有足夠變形性的基礎下抗彎拉強度仍有完整小梁試件強度的50%，建議鋪裝接縫構造角度采取45°為宜。