沥青填入式伸缩缝混合料组成设计及界面性能

肖敏敏

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804； 2.上海应用技术大学城市建设与安全工程学院, 上海 201418)



沥青填入式伸缩缝混合料组成设计及界面性能

肖敏敏1,2

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804； 2.上海应用技术大学城市建设与安全工程学院, 上海 201418)

沥青填入式伸缩缝铺装与桥面铺装的界面是整个伸缩缝结构的最薄弱部位，其界面性能与伸缩缝混合料特性有较大的关系，因此，研究伸缩缝混合料的组成设计很有必要.文中采用马歇尔试验法进行沥青填入式伸缩缝混合料的级配及油石比研究，并设计模拟伸缩缝结构的复合式小梁试件，分别采用直接拉伸试验及斜剪试验分析胶结料种类、混合料级配、温度、界面处理方式、加载速率等对界面拉伸及剪切性能的影响.结果表明：伸缩缝混合料的石料以单一粒径为宜，最佳油石比为25%；应选择细集料级配，界面保持干燥、无污染和一定的粗糙度，环境温度升高、车辆荷载速度减小较易诱发界面拉伸及剪切强度的降低.

道路工程；沥青填入式伸缩缝；混合料组成设计；界面拉伸强度；界面剪切强度.

近年来，交通荷载的迅速增加对桥梁的行车舒适度及使用寿命造成了很大的考验，伸缩缝作为桥梁工程的一个重要附属结构，其质量和耐久性直接影响到了桥梁的使用性能.传统的金属机械锚固结构或橡胶类伸缩缝存在较多弊端[1- 2].沥青填入式伸缩缝[3- 4]作为一种新型的桥梁伸缩装置，是将梁板接缝上面一窄条范围的桥面铺装层替换为一种特殊的改性沥青混合料，这种混合料可以吸收桥面板的位移，保证表层不会开裂损坏，并能与沥青混凝土、水泥混凝土、钢板牢固粘合，无需复杂的锚固结构，施工快速，噪音小.

国内外主要集中于对伸缩缝改性沥青的开发和研究：美国D.S.布朗公司研发出橡胶改性沥青结合剂——502胶结料；英国Prismo公司研发出高分子聚合改性沥青BJ200；林琳[5]以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)为主体改性剂，添加4%纳米材料，开发出伸缩缝胶结料；磨炼同[6]将20%胶粉与9.2%橡胶颗粒混合后加入SBS改性沥青中开发出胶结料.然而，目前对于伸缩缝混合料的组成设计研究还较为缺乏，混合料的油石比在现阶段还未有确定的用量使用范围，此外，对于伸缩缝混合料性能的研究也局限于常规路用性能，缺乏对沥青填入式伸缩缝界面性能的研究.

基于目前的研究现状，文中选用1到3种胶结料及1到2种单一粒径集料，进行伸缩缝混合料的组成设计研究，在此基础上，采用直接拉伸试验与斜剪试验，研究胶结料种类、级配、界面处理方式、温度、加载速率等对界面性能的影响，以期为沥青填入式伸缩缝的材料、界面处理方式及适用条件等提供技术指导.

1　伸缩缝混合料组成设计

1.1伸缩缝用胶结料

选用3种胶结料，其中一种为自制胶结料[7]，由70#道路石油沥青与SBS、胶粉、增容剂、交联剂等复合改性而成，制备工艺为：(1)将胶粉与增容剂混合并搅拌均匀，得两者的混合物；(2)将基质沥青加热到170 ℃左右，然后将废胶粉与增容剂的混合物缓慢加入到基质沥青中，控制搅拌转速为500～1 000 r/min，搅拌1 h，得改性沥青母液；(3)将苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、交联剂加入到改性沥青母液中后，加热到170 ℃，控制搅拌转速为4 000～5 000 r/min，搅拌1.0～1.5 h，制成复合改性沥青；(4)将制备好的复合改性沥青放入163 ℃烘箱里，溶胀3.5～4.0 h，最后得到的即为连续式伸缩缝用胶结料.

其他两种胶结料分别为：英国Prismo公司胶结料产品BJ200、美佳福来克的胶结料产品MF-50.3种胶结料的各项指标如表1.

表1伸缩缝用胶结料性能指标

Table 1Performance indicators of asphalt plug expansion joint’s cement

性能指标BJ200MF-50自制胶结料软化点/℃135℃黏度/(Pa·s)(20r/min)延度/cm(5℃)针入度/0.1mm(25℃)弹性恢复率/%(25℃)RTFOT后质量损失率/%针入度比/%(25℃)延度比/%(5℃)92.80128.8098.504.524.464.5014.6012.7041.5038.3024.9045.8095.0090.5097.500.200.300.0596.9072.6081.0071.1069.6076.00

由表1可得:

①MF-50的软化点为128.8 ℃，比BJ200及自制胶结料高得多；3种胶结料的135 ℃黏度值相差较小，均在4.5 Pa·s左右；自制胶结料的25 ℃针入度值为4.58 mm，高于其他两种胶结料针入度值.综合以上3种指标，可知MF-50及自制胶结料的高温稳定性较好.

②自制胶结料的5 ℃延度为41.5 cm，是BJ200延度的2.8倍，是MF-50延度的3.3倍，说明自制胶结料的低温抗裂性优于其他两种胶结料.

③3种胶结料在老化试验后，自制胶结料质量变化最小，仅变化了0.05%，BJ200的25 ℃针入度比值最大，为96.9%，自制胶结料的低温延度比最大，为76%，综合考虑，以自制胶结料的抗老化性能最优.

④自制胶结料在25 ℃下的弹性恢复率为97.5%，而MF-50与BJ200同条件下的弹性恢复率分别为90.5%、95%，说明自制胶结料、BJ200具有良好的弹性恢复性能，更适合应用于连续式伸缩缝填缝材料.

1.2伸缩缝用集料

根据沥青填入式伸缩缝的功能要求，高含量的沥青胶结料使得混合料具有很好的弹性，但是弹性与强度存在一定的矛盾性，若采用连续级配，则矿料的间隙率和空隙都会偏小，难以满足要求.为了保证材料的强度特征，采用单一粒径的集料，使得骨料相互嵌挤，同时用大量的胶结料填充空隙，从而兼备了强度和弹性两种性能.

集料采用单一粒径玄武岩碎石，一组为粒径范围5～10 mm的细料，另一组为粒径范围10 mm～20 mm的粗料.集料的物理力学指标见表2，级配范围要求见表3.

表2　集料基本参数

表3　集料级配范围

1.3最佳油石比

选用性能较好的自制胶结料及粒径范围为5～10 mm的石料进行混合料组成设计研究.胶结料的用量确定采用马歇尔试验法，通过马歇尔试件的体积参数及稳定度、流值等指标确定最佳的胶结料用量.参考现有的工程经验[8- 10]，伸缩缝混合料的油石比范围为20%～30%，文中分别取油石比为20%、22%、25%、28%进行马歇尔试验，测定马歇尔试件的体积参数——最大理论密度、毛体积密度和空隙率.

由于伸缩缝混合料难以分散，最大理论密度计算公式为

(1)

式中，γti为伸缩缝混合料最大理论相对密度，Pai为计算的混合料中沥青胶结料用量，γb为伸缩缝用胶结料相对密度(25 ℃)，γto为伸缩缝混合料的最大理论密度.

空隙率计算公式为

(2)

式中，VV为伸缩缝混合料的空隙率，γf为伸缩缝混合料的毛体积相对密度，γt为伸缩缝混合料的最大理论相对密度.

马歇尔试验结果如表4所示.分别绘制油石比与稳定度、毛体积密度、空隙率的关系，见图1.

表4　马歇尔试验结果

图1　油石比与稳定度、毛体积密度、空隙率的关系曲线

Fig.1Curves of oil-stone ratio verus stability,bulk volume density and void ratio

由图1可知，混合料毛体积密度最大值、稳定度最大值对应的沥青胶结料用量分别为21%、25%，伸缩缝混合料的沥青用量远高于普通沥青混合料，因此混合料的高温性能较差，设计过程中应重点考虑伸缩缝混合料的高温稳定性，采用动稳定度最大的油石比作为最佳油石比，故选取油石比25%为胶结料最佳用量.

2　伸缩缝混合料界面性能

2.1界面拉伸性能

根据沥青填入式伸缩缝的有限元分析结果[11]，伸缩缝铺装与桥面铺装的界面拉应力为关键控制应力之一，即界面粘结强度是保证伸缩缝使用的重要指标，为此，设计模拟伸缩缝结构的复合式小梁试件，采用直接拉伸试验[12]测定试件的界面拉伸强度.

2.1.1试件制作

试件制作与处理过程如下.

①制备普通改性沥青混合料模拟桥面铺装材料，成型车辙板(尺寸300 mm×300 mm×50 mm)，将车辙板脱模并切割成3块尺寸为300 mm×100 mm×50 mm的板.

②取两块切好的板重新装入车辙模具中的两端，在模具中空处成型伸缩缝混合料，充分压实，24 h后脱模，试件成型如图2所示.

图2　复合车辙板试件成型

③将复合车辙板试件沿垂直于接触界面的方向切割小梁试件，小梁的尺寸为200 mm×50 mm×50 mm.每根小梁由伸缩缝混合料和桥面铺装混合料组成，见图3.

图3　成型复合小梁试件

④用环氧树脂将小梁试件的两端固定在MTS设备或万能材料试验机的拉头上，待环氧树脂完全固结后，在试验温度下保温5 h以上.

⑤对小梁试件进行直接拉伸试验，直至试件被拉断，界面破坏的形式如图4所示.

图4　界面破坏形式

2.1.2试验条件及数据处理

选取试验温度分别为：-20、-10、0、10、20、30、40、50 ℃；拉伸速率分别取10、30、50 mm/min；模拟桥面铺装与伸缩缝铺装界面的处理方式分别为：粗糙(用砂纸将沥青混凝土试块界面打磨粗糙)、光滑(用切割机切割混凝土试块)、潮湿(将沥青混凝土试块在室温水中浸泡24 h后拭干)、污染(将灰尘等赃物粘附在界面上).

界面拉伸强度的计算公式为

σ=P/A

(3)

式中：σ为界面粘结强度，MPa；P为破坏荷载，kN；A为界面面积，mm2；试件面积为2 500 mm2.

2.2界面剪切性能

根据有限元分析结果[11]，界面剪应力为沥青填入式伸缩缝的另一个关键控制应力，即界面剪切强度是保证伸缩缝使用的重要指标，为此，设计了模拟伸缩缝结构的复合结构试件，采用斜剪试验[12- 15]测定该试件的界面剪切强度.

2.2.1试件制作

①需制作双层车辙试件，先用普通车辙模具(300 mm×300 mm×50 mm)制作一层普通改性沥青混合料(模拟桥面铺装材料)的车辙试件，然后改造车辙模具加工成双层模具(300 mm×300 mm×100 mm).制作复合结构时，将界面粘结剂均匀涂抹在普通改性沥青混合料车辙试件的表面，然后再成型伸缩缝混合料的车辙试件；

②将成型好的双层车辙试件脱模，置于室温中养护24 h.之后将其在石料切片机上等分切成100 mm×100 mm×100 mm的试件；

③试件在进行试验之前，需在设定的温度下保温至少5 h，如不采用恒温箱测试环境进行测试，需保证试件在45 s内完成测定.

④采用MTS-810材料测试系统或压力机，辅以斜剪试验夹具，通过对复合结构试件施加竖向荷载，直至试件破坏.图5为斜剪试验的示意图.

图5　斜剪试验加载示意图

2.2.2试验条件及数据处理

选取试验温度分别为：-20、-10、0、10、20、30、40、50 ℃；拉伸速率分别取10、30、50 mm/min；模拟桥面铺装与伸缩缝铺装界面的处理方式分别为：粗糙、光滑、潮湿、污染，处理方式同第2.1.2节.通过试验加载获取荷载P，采用下式计算界面的剪切强度：

(4)

2.3试验结果与分析

2.3.1胶结料对界面性能的影响

选择自制胶结料、BJ200、MF-50胶结料，分别制备伸缩缝混合料，界面均进行粗糙化处理，分别成型拉伸试验与斜剪试验试件，加载速率选择50 mm/min，试件养护完毕后在常温(20 ℃)下分别进行拉伸试验和斜剪试验，试验结果如表5所示.

由表5可得,单个试验结果误差不超过平均值20%，试验结果有效.自制胶结料复合试件的界面拉伸强度与界面剪切强度均大于BJ200、MF-50复合试件.表明自制胶结料混合料的界面拉伸与剪切性能均优于BJ200混合料和MF-50混合料.

2.3.2混合料级配对界面性能的影响

选择粒径范围5～10 mm的石料(细料)与粒径范围10 mm～20 mm的石料(粗料)，与自制胶结料分别制备粗级配混合料、细级配混合料，界面均进行粗糙化处理，分别成型拉伸试验与斜剪试验试件，加载速率选择50 mm/min，试件养护完毕后在常温(20 ℃)下分别进行拉伸试验和斜剪试验，试验结果如表6所示.

表6中单个试验结果误差不超过平均值20%，试验结果有效.由表6可得：①细级配混合料复合小梁试件的界面拉伸强度均大于粗级配混合料复合小梁试件，这是由于粗级配混合料所用的集料粒径单一且较粗，虽然能形成骨架，但残余空隙较大，与桥面铺装混合料的接触面积较小，界面粘结性较小，故测得的界面拉伸强度较小；②细级配混合料的界面剪切强度大于粗级配混合料的界面剪切强度，这是由于粗级配混合料内部残余空隙较大，混合料的内摩阻力较大，而粘结力较小，材料的剪切模量较小，斜剪试验测得的界面剪切强度便较小.

表5　胶结料影响下的界面强度

表6　级配影响下的界面强度

综上所述，细级配混合料是较优的伸缩缝混合料.

2.3.3界面处理方式对界面性能的影响

选用自制胶结料制备细级配混合料，界面分别进行粗糙、光滑、潮湿、污染处理.并分别成型拉伸试验与斜剪试验试件，加载速率选择50 mm/min，试件养护完毕后在常温(20 ℃)下分别进行拉伸试验和斜剪试验，结果如表7所示.

表7中单个试验结果误差不超过平均值20%，试验结果有效.由表7可得：①在粗糙、光滑、潮湿、污染界面条件下，界面拉伸强度均呈减小的趋势.光滑界面条件下的界面拉伸强度较粗糙界面减小了13.5%，潮湿界面下减小了29.3%，污染界面条件下减小了40.5%；②在粗糙、光滑、潮湿、污染界面条件下，界面剪切强度呈减小的趋势.光滑界面条件下的界面剪切强度较粗糙界面减小了9.6%，潮湿界面下减小了24.3%，污染界面条件下减小了44.3%；③当界面光滑时，普通沥青混合料与伸缩缝混合料的接触面积较大，破坏面在平整的材料表面；当界面污染时，由于污垢填满了沥青混凝土中的空隙和孔隙，沥青混凝土与沥青的粘结变成了污染物与沥青的粘结，从而造成界面粘结性能的降低；当界面潮湿时，沥青混凝土与沥青的粘结变成了水与沥青的粘结，也造成了粘结性能的降低；当界面条件为粗糙时，一方面增加了沥青与沥青混凝土表面接触面积，另一方面，沥青混凝土试块表面和内部存在很多空隙和孔隙，沥青材料与沥青混凝土试块粘结时，渗入到沥青混凝土的空隙和孔隙并固化成“钉子”似的结构，能增强粘结能力，所以界面条件为粗糙时，沥青与沥青混凝土界面拉伸及剪切性能均增强.

综上所述，伸缩缝施工时界面应保持干燥、无污染和一定的粗糙度.

2.3.4温度对界面性能的影响

选用自制胶结料制备细级配混合料，界面均进行粗糙化处理，并分别成型拉伸试验与斜剪试验试件，加载速率选择50 mm/min，在-20、-10、0、10、20、30、40、50 ℃下进行拉伸试验及斜剪试验，结果如表8及图6所示.

表7　界面处理方式影响下的界面强度

表8中单个试验结果误差不超过平均值20%，试验结果有效.由表8及图6可得：①随着试验温度的升高，界面拉伸强度逐渐减小.在-20 ℃～10 ℃范围内，界面拉伸强度递减速率较快，温度高于10 ℃时，界面拉伸强度的减小幅度和速率逐渐变小.温度从-20 ℃变化至50 ℃，界面拉伸强度降低了98%，这是由于温度升高导致胶结料的粘性降低，界面拉伸强度随之减小；②随着试验温度的升高，复合粘结试件界面剪切强度逐渐减小，在-20 ℃～20 ℃范围内，界面剪切强度的递减速率较快，特别是在-20 ℃～10 ℃范围内，剪切强度值减小了81.2%，减小速率为0.073 MPa/℃；试验温度继续升高，当试验在30 ℃以上的试验温度范围内进行时，剪切强度的减小幅度逐渐变小.

图6　温度对界面强度的影响

2.3.5加载速率对界面性能的影响

选用自制胶结料制备细级配混合料，界面进行粗糙处理，并分别成型拉伸试验与斜剪试验试件，加载速率选择10、30、50 mm/min，试件养护完毕后在常温(20 ℃)下分别进行拉伸试验和斜剪试验，结果如表9所示.

表9　加载速率影响下的界面强度

表9中单个试验结果误差不超过平均值20%，试验结果有效.由表9可得：界面拉伸强度随着加载速率的增加而增加，加载速率从10 mm/min增加至50 mm/min时，界面拉伸强度增加了74.8%，界面剪切强度增加了1.6倍，说明加载速率越大，伸缩缝铺装界面拉伸与抗剪性能越强，界面也越不易产生拉伸和剪切破坏.

3　结论

(1)采用文中所研发的胶结料所配制的伸缩缝混合料的界面拉伸及界面剪切强度大于同类胶结料BJ200、MF-50所配制的伸缩缝混合料的界面强度；相比粗级配混合料，细级配混合料具有较大的界面拉伸及界面剪切强度；界面进行粗糙处理时，界面强度大于界面光滑、潮湿及污染处理方式；当温度由20℃增加至50 ℃时，伸缩缝结构界面拉伸强度由0.215 MPa降至0.072 MPa，界面剪切强度由0.344 MPa降至0.109 MPa；当加载速率由50 mm/min降低至10 mm/min时，伸缩缝结构界面拉伸强度由0.215 MPa降至0.123 MPa，界面剪切强度由0.344 MPa降至0.127 MPa.

(2)选择单一粒径5～10 mm的石料时，伸缩缝混合料的最佳油石比为25%.

(3)伸缩缝混合料应选择细集料级配，且界面应保持干燥、无污染和一定的粗糙度；界面拉伸及剪切强度随温度的升高而降低，在低温区间递减较快，高温区间递减缓慢；加载速率越快，界面的拉伸及剪切强度越大.

[1]LUH M C,YAO J L.Evaluation of performance of bridge deck expansion Joints [J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2002,16(1):3- 9.

[2]JOAO M L,JORGE D B.Inspection survey of 150 expansion joints in road bridges [J].Engineering Structures,2009,31(3):1077- 1084.

[3]李扬海，程海洋，鲍卫刚，等.公路桥涵伸缩装置实用手册 [M].2版.北京：人民交通出版社，2007.[4]孟广文，赵立国.简明公路桥涵设计实用指南 [M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]林琳.小变位量桥梁弹塑性体伸缩装置的应用研究 [D].重庆：重庆交通大学交通运输学院，2008.

[6]磨炼同.桥梁无缝伸缩缝材料力学性能试验分析 [J].建材世界，2013，34(1)：44- 47.

MO Lian-tong,Experimental investigation of mechanical properties of asphalt plug joint materials [J].The World of Building Materials，2013，34(1)：44- 47.

[7]肖敏敏.基于拉伸试验的桥梁连续式弹塑性伸缩缝胶结料特性分析 [J].公路交通科技，2015，2：143- 146.

XIAO Min-min,Research on the properties of the bridge’s continuous elastic-plastic expansion joint cement based on the tensile test [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2015，2：143- 146.

[8]JOHNSON I D,MCANDREW S P.Research into the condition and performance of bridge deck expansion Joints[R].England:Bridge Resource Centre,Transport Research Laboratory,1993.

[9]HEAN S,PARTL M N.Polymer modified asphaltic plug joints：installation and long-term performance [J].International Conference on Asphalt Pavements,2002,27(2):182- 197(16).

[10]唐涛.弹塑性体改性沥青桥梁伸缩缝在寒冷地区应用技术的研究 [D].哈尔滨：东北林业大学土木工程学院，2003.

[11]肖敏敏，艾辉林.基于“界面脱黏”的桥梁连续式伸缩缝力学分析 [J].华东交通大学学报，2015，32(3)：42- 43.

XIAO Min-min，AI Hui-lin.Mechanical response analysis of continuous bridge expansion joint based on the “interface debonding” disease [J].Journal of East China Jiaotong University，2015，32(3)：42- 43.

[12]艾长发，杨涛,阳恩慧，等.新型改性沥青填充式桥梁伸缩缝粘结特性试验研究 [J].武汉理工大学学报交通科学与工程版，2014，38(6)：1257- 1259.

AI Chang-fa,YANG Tao，YANG En-hui,et al.Research on bonding performance of a new modified asphalt stuffed bridge expansion joints [J].Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering),2014，38(6)：1257- 1259.

[13]贾晓阳.混凝土桥面沥青铺装结构设计指标研究 [D].上海：同济大学交通运输工程学院，2012.

[14]唐古南.连续式桥梁伸缩缝材料界面粘结特性的研究 [D].上海：同济大学交通运输工程学院，2014.

[15]武书华.半刚性基层沥青路面基面层间剪切疲劳特性及接触状态评价研究 [D].西安：长安大学公路学院，2013.

[16]肖新颜，杨泽清.有机蒙脱土/废胶粉复合改性沥青的性能 [J].华南理工大学学报(自然科学版)，2013，41(6)：118- 120.

XIAO Xin-yan,YANG Ze-qing.Properties of organic montmorillonite/crumb rubber compound modified asphalt [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)，2013，41(6)：118- 120.

Supported by the Natural Science Foundation of Shanghai(13ZR1441100)

Mixture Composition Design and Interface Properties of Asphalt Plug Expansion Joint

XIAOMin-min1,2

(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.College of Urbran Construction and Safety Engineering,Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China )

The interface of the asphalt plug expansion joint pavement and the bridge pavement is the weakest part of the structure of the expansion joint, and the interface properties have a close relationship with the mixture of the expansion joint. Therefore, it is very necessary to investigate the mixture composition design of the expansion joint. In this paper, the gradation and the optimum asphalt-to-stone proportion of the mixture of asphalt plug expansion joints are investigated by the Marshall test, and a compound trabecular specimen is designed to simulate the structure of the expansion joint. Then, by a direct tension test and an oblique shear test, the influences of the cement type, the mixture gradation, the temperature, the interface handling and the loading rate on the tensile and shear performance of the interface are analyzed. The results show that (1) the stone of the expansion joint mixture should be of a single particle size, and the optimum asphalt-to-stone proportion is 25%; (2) fine aggregate gradation, dry interface, no pollution and a certain roughness are advisable; and (3) the temperature rise and the vehicle loading speed decrease can reduce the tensile and shear strength of the interface more easily.

road engineering; asphalt plug expansion joint; mixture composition design; tensile strength of interface; shear strength of interface

2015- 10- 19

上海市自然科学基金资助项目(13ZR1441100)

肖敏敏(1983-)，女，博士生，副教授，主要从事道路材料与结构研究.E-mail:xiaomm329@163.com

1000- 565X(2016)08- 0106- 08

U 416.217

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.08.016