中小橋梁無縫伸縮縫材料關鍵性能研究

周文靜

浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 310023

伸縮縫結構一般設置在橋梁相鄰兩跨的橋面之間或者橋梁梁端與橋臺背墻之間，在溫度變化、混凝土收縮徐變、車輛動荷載、橋梁梁端轉動等作用下需保證橋梁自由地伸縮變形。調研發現，現有橋梁伸縮縫結構存在一系列問題，主要包括跳車加劇橋梁損壞、超載加劇梁端沉降、漏水與氯鹽腐蝕橋梁混凝土材料、灰塵與垃圾填充伸縮縫、更換成本增加。應用無縫伸縮縫結構可保證橋梁路面的連續性，消除現有伸縮縫結構不連續帶來的跳車問題，提高結構的整體性和耐久性，其優越的使用性能和低維護成本，在中小橋梁中具有一定的應用推廣價值。

1 無縫伸縮縫結構特點

無縫伸縮縫是在橋梁伸縮縫間隙中填充彈性材料，使接縫處的橋面鋪裝與其他鋪裝部分形成連續體，并用彈性材料適應變形的能力來承受橋梁伸縮變形的一種構造，其簡易結構示意如圖1所示。無縫伸縮縫是一種小位移的伸縮縫裝置，常常被用于跨徑較小、伸縮量在40mm以下的中小橋梁中。

圖1 無縫伸縮縫結構示意圖

采用無縫伸縮縫結構，主要表現在以下方面：（1）結構中的彈性材料可以適應橋梁梁端縱、橫、豎三個方向的伸縮變形，與橋面鋪裝材料為同類材料，模量差距較小，有效保證了橋梁的伸縮變形和結構受力的均勻性，避免出現錯臺、跳車等問題；（2）無縫伸縮縫鋪筑在接縫處可以保證路面平整、連續、無縫，車輛經過時振動小、平穩、舒適，并且便于后期維護和清掃；（3）無縫伸縮縫密封性較好，防水、耐腐蝕性好，可提升橋梁結構的耐久性；（4）無縫伸縮縫材料在鋪筑后，養護2h即可開放交通，減少了施工工期，在后期更換、維修時，可采用半幅施工的方式，不必中斷交通。

2 無縫伸縮縫結構的應用情況

在歐洲，無縫伸縮縫結構應用時間較早，且技術較為成熟。瑞士聯邦公路局將該結構廣泛應用于高速公路上，統計發現其使用壽命可以達到10～15年，常見的病害形式為開裂和界面脫落。新英格蘭地區調查統計了投入使用5年后的64條無縫伸縮縫結構的破壞情況，發現界面破壞為主要病害形式，占總病害的比例高達60.9%，其中材料開裂、表面磨損、車轍破壞等病害情況的占比分別為39.1%、37.5%和31.3%，病害原因主要為材料性能不足、施工工藝不合理。美國25%的交通運輸部門采用了無縫伸縮縫結構，調查了50個州無縫伸縮縫的應用情況，結果顯示大部分州的無縫伸縮縫結構應用良好，但在部分州的使用情況較差，主要是材料在高溫下出現推移、車轍變形，以及在低溫下出現開裂等問題。

近10年，隨著國外公司（如Crafco、Prismo等）無縫伸縮縫產品應用技術的成熟，國內部分地區也開始引入國外成熟產品進行無縫伸縮縫結構。2015年，江蘇常州龍城大道隧道改造中采用英國進口產品BJ200無縫伸縮縫材料，完成工程量近700m。港珠澳大橋島隧工程的新建路面也采用了該種材料進行鋪裝。浙江杭州的時代大道高架主橋與彩虹快速路在彩虹互通連接處也使用了無縫伸縮縫材料，并通過理論計算結合實際安裝施工后的現場監測數據以及后期維護的跟蹤觀測，證明了無縫伸縮縫在拼寬橋中工作正常、應用效果良好。甘肅G310線、四川成雅高速公路部分橋梁在伸縮縫維修時采用了BJ200無縫伸縮縫材料進行更換，在后期運營過程中對其使用情況進行觀測，結果顯示大部分橋梁無縫伸縮縫使用良好，無明顯的跳車現象。

3 無縫伸縮縫材料的關鍵性能

無縫伸縮縫材料工程應用中出現病害的主要破壞形式有車轍、開裂、剝離等。分析病害原因發現，其主要與無縫伸縮縫材料的高溫抗變形能力、低溫抗開裂能力和瀝青膠結料的黏附性有關。

無縫伸縮縫材料的油石比遠大于傳統熱拌瀝青混合料，其性能在很大程度上取決于膠結料的性能。中國于2017年發布實施了《橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結料》（JT/T 1129—2017），其中的性能指標主要包括錐入度、軟化點、彈性恢復率、190℃黏度及低溫拉伸性能。美國材料與試驗協會在標準《Standard Specification for Asphaltic Plug Joints for Bridges》（ASTM-D6297）中給出了無縫伸縮縫瀝青膠結料的材料性能控制指標，主要有軟化點、延度、拉伸延伸率、流動度、彈性恢復性、瀝青兼容性、加熱溫度、黏結性及柔性。英國橋梁接縫協會在2003年也公布了無縫伸縮縫的相關標準，對于瀝青膠結料的性能要求主要有錐入度、軟化點、流動值和低溫延展性。

各國標準規范中對瀝青膠結料的性能指標要求匯總如表1所示?？梢钥闯?，這些標準均重點關注了體現瀝青膠結料高溫穩定性、塑性、黏稠度及拉伸變形性能的相關指標。

表1 各國標準規范中對瀝青膠結料的性能指標要求匯總表

無縫伸縮縫材料中的集料應該具有較大的壓碎值、磨耗值、磨光值和沖擊值，同時需避免含有針片狀顆?！，F有無縫伸縮縫材料的研究文獻中，采用的集料類型多為玄武巖。對于集料級配的選擇，由于無縫伸縮縫材料主要通過瀝青膠結料的抗變形能力來適應橋梁的伸縮變形，因此集料在瀝青混合料中需要具備足夠的空隙來填充瀝青膠結料，目前常選用單一級配，級配范圍為10～20mm。

美國相關標準提出無縫伸縮縫使用的集料需要經過壓碎、沖洗以及干燥等處理，集料的粒徑和級配則應滿足施工方的要求。印度規范規定應使用單一級配的集料，集料的粒徑與伸縮縫的深度有關。例如，75mm深的伸縮縫應選用粒徑為12.5mm的集料，而深度大于75mm則應選用粒徑為20mm的集料。在英國，伸縮縫材料中的集料采用的是具有一定級配的、經過沖洗的并且去掉碎石的玄武巖、輝綠巖、輝長巖或花崗巖。

無縫伸縮縫材料填充在橋梁伸縮縫結構中，既要具有一定的彈性變形能力來適應橋梁的伸縮變形，也要有一定的抗變形、耐疲勞能力來抵抗車輛的長期荷載而不產生永久變形。無縫伸縮縫瀝青混合料級配特點，導致沒有形成類似于傳統瀝青混合料的骨架密實結構，因此其彈性變形和抗永久變形能力主要由瀝青膠結料的抗變形能力和高溫穩定性承擔。

此外，無縫伸縮縫材料需要具備良好的應力松弛能力，及時釋放由溫度變化和交通荷載產生的應力，如果能夠保證材料的應力松弛速率與外界環境溫度變化而產生變形應力的速率相等，伸縮縫材料內部應力就會相互抵消，從而顯著降低材料發生低溫開裂的概率。因此，減少無縫伸縮縫材料在低溫下出現應力累積是避免材料出現開裂問題的前提，低溫應力松弛能力是衡量無縫伸縮縫材料低溫抗開裂變形的關鍵性能指標。

對于無縫伸縮縫材料的性能要求，大多數國家的標準只包含了瀝青膠結料和集料的關鍵性能指標，沒有考慮到瀝青混合料；對于伸縮縫材料的工程應用和施工工藝，基本上采用的材料制造商制定的企業標準，而這些企業標準往往是在應用、施工過程中簡單的經驗積累和總結，并沒有得到充分系統地科學論證。中國于2016年發布實施的《公路橋梁伸縮裝置通用技術條件》（JT/T 327—2016）[5]對無縫伸縮縫材料的性能指標進行了規定，重點關注了無縫伸縮縫材料的硬度、拉伸強度、拉伸伸長率、與橋面黏結拉伸強度等性能指標，其中各性能指標的測試方法參考了聚氨酯材料類無縫伸縮縫的測試方法，而未考慮目前市場上常用的聚合物改性瀝青材料類的應用技術要求。

4 結束語

無縫伸縮縫材料由瀝青膠結料和集料組成，瀝青膠結料重點關注的是其高溫穩定性及拉伸變形性能，集料需要足夠的強度并由單一級配形成帶空隙的骨架結構，再由瀝青膠結料填充形成大油石比的瀝青混合料，需兼具高溫抗變形和低溫抗開裂性能。無縫伸縮縫結構的特點可以保證填充材料的性能要求符合標準，對該結構在中小橋梁中推廣應用起到決定性作用。