钢桥面铺装接缝构造及界面材料性能研究*

陈安京 张 辉 周橙琪 万建军

(1.南京市城市道路管理中心 南京 210000； 2.江苏中路工程技术研究院有限公司 南京 211806)

钢桥面铺装层作为正交异性钢箱梁的功能性保护层，与钢板共同承担荷载作用。但由于正交异性钢箱梁柔度较大，在车辆荷载作用下会产生较大的变形，给铺装层的受力带来严峻的挑战[1]。国内钢桥面铺装多存在不同程度的病害，其中坑槽病害最为常见，尤其是铺装层施工缝和坑槽修补接缝处开裂较多。施工缝或接缝处一旦开裂，铺装层渗水，将严重影响钢板的耐久性。因此，施工中会使用黏结剂涂抹接缝处以提高新旧铺装面的界面黏结强度。以往的接缝材料大多采用与铺装一致的胶结料，由于其强度不足、涂抹量难以把控、变形协调差等诸多问题可能导致接缝处发生二次开裂[2-4]，界面的破坏是坑槽修补二次破坏的主要形式和原因，当修复材料和原有钢桥面铺装结构的黏结界面断裂失效时，使得修复材料丧失边界支撑，造成钢桥面铺装病害修复的失效。然而，我国没有针对钢桥面铺装层坑槽接缝界面特有的养护维修技术与评价方法及指标，多数情况下，只有在养护维修后，采取后期跟踪的方法对不同修复材料的修复效果进行评定。本文通过文献查阅[5-10]，选用一种立面不流淌、有良好变形性、抗裂性、防渗水性的密封胶作为接缝黏结材料进行试验，达到提升新旧桥面铺装层接缝界面黏结性与变形性的效果。

1 界面材料及试验方法

1.1 试验原材料

选取市面上具有代表性的2种界面接缝材料，以研究不同界面材料和接缝构造形式下的新旧铺装层之间的协同变形性。使用前应确认基面清洁无污染，界面剂的适宜使用温度范围为5～40 ℃，未配用材料必须随时密封好。

1) 双组分界面剂。本次试验采用的是江苏中路工程技术研究院生产的双组分界面接缝产品。双组分界面剂也叫AB胶，分为A、B两组分，为室温固化型。其中，A组分为含有-NCO基团的白色均质膏状体，B组分为含有活泼氢的黑色黏稠体固化剂，具有一定的流动性。使用时按一定比例将A、B两组分充分搅拌均匀至无色差黑色膏体，因气候不同B组分使用量应冬季多、夏季少。

2) 单组分界面剂。本次试验采用的是江苏中路工程技术研究院生产的单组分界面接缝产品。单组分界面剂为无溶剂、室温固化型。产品呈黑色膏状，对沥青路面等基面有黏附性，可挤出直接涂抹施工，具有抗下垂性，嵌填垂直接缝和顶缝不流淌。产品固化时利用空气中的水蒸气，发生湿气反应，从而固化形成具有网络结构的弹性体；固化后为橡胶状，富有弹性，兼具黏结和密封两大功能。可通过升高温度和湿度，加速固化。

1.2 试验方法

1.2.1劈裂抗剪试验

按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中沥青混合料劈裂试验,评价2种接缝材料在0.3，0.6，0.9 kg/m2用量下的抗剪切变形协调性，不仅可以反映接缝材料在规定温度和加载速率时的剪切破坏，也可以侧面反映出弹性体处于弹性阶段时的力学性质。为模拟现场施工，将成型好的环氧沥青混合料车辙板试件以90°垂直对接进行切割，分别用2种接缝材料以不同的用量对接缝进行涂抹，摊铺新拌和好的高韧树脂混合料，碾压成型并养生。待新拌混合料固化后，钻芯取样，测试其抗剪切强度。

1.2.2弯曲试验

按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中沥青混合料弯曲试验，评价接缝材料在最佳涂抹用量下的新旧铺装层的抗弯拉强度与极限弯拉应变，进一步验证接缝材料和新旧铺装层的协同工作性。将成型好的环氧沥青混合料车辙板试件分别以90°、60°、45°、30°的接缝角度进行切割，待涂抹过接缝材料后即摊铺新拌和好的高韧树脂混合料，碾压成型并养生。待试件固化并切割后，进行小梁弯曲试验。

2 试验结果与讨论

2.1 界面材料最佳用量研究

最佳用量要求界面剂具有一定的抗剪切破坏强度，并且自身完整，不发生剪切破坏。图1为单组分界面剂和双组分界面剂在不同涂抹用量下的劈裂抗剪试验结果。

图1 2种界面剂在不同涂抹量下的劈裂抗剪试验结果

由图1可见，双组分界面剂的抗剪强度在不同用量下均低于单组分界面剂，双组分界面剂的抗剪强度随涂抹量的增加呈先增大后减小的变化趋势，当涂抹量为0.6 kg/m2时，抗剪强度最大为3.06 MPa；单组分界面剂的抗剪强度随涂抹量的增加而增大，当涂抹量为0.9 kg/m2时，抗剪强度为3.77 MPa。

图2为涂抹单组分界面剂后的试件接缝的破坏情况，图3为涂抹双组分界面剂后的试件接缝的破坏情况。

图2 单组分界面剂试件破坏情况(0.3,0.6,0.9 kg/m2)

图3 双组分界面剂试件破坏情况

接缝为薄弱处，由图2可见，在不同用量下，涂抹单组分界面剂的试件在受力位置处均未发生破坏，新旧铺装均未出现裂纹。而由图3可见，涂抹双组分界面剂的试件在受力位置处均发生了断裂破坏，接缝处张开但试件未完全破坏，接缝材料本身也未发生剪切断裂，当涂抹量为0.3 kg/m2时，修补区出现开裂，旧铺装完好；当涂抹量为0.6 kg/m2和0.9 kg/m2时，旧铺装出现开裂，修补区完好。

考虑若材料用量较少，接缝处无法形成一道完整的弹性变形体，起到良好的防水作用，并综合劈裂抗剪强度，推荐单组分界面剂的最佳涂抹量在0.6～0.9 kg/m2之间，双组分界面剂的最佳涂抹量为0.6 kg/m2。

2.2 新旧铺装层协同变形性研究

2.2.1不同接缝材料

图4分别为低温和常温下使用2种界面剂4种对接角度拼接后的小梁抗弯拉强度。

图4 不同温度下界面材料拼接后的小梁抗弯拉强度

由图4可见，抗弯拉强度受温度的影响较为明显，温度越高，强度越低，使用单组分界面剂拼接的小梁试件的抗弯拉强度均高于双组分界面剂。低温下，90°、60°、45°、30°对接下单组分界面剂分别是双组分界面剂的6.9倍、13.9倍、3.3倍、1.4倍；常温下，90°、60°、45°、30°对接下单组分界面剂分别是双组分界面剂的6.2倍、6.4倍、3.2倍、1.56倍。并且，无论是在低温还是常温下，使用单组分界面剂的抗弯拉强度均大于5 MPa。

图5分别为低温和常温下使用2种界面剂4种对接角度拼接后的小梁极限弯拉应变。

图5 不同温度下界面材料拼接后的小梁极限弯拉应变

由图5可见，低温下，使用单组分界面剂拼接的小梁试件的极限弯拉应变均高于双组分界面剂，90°、60°、45°、30°对接下分别是双组分界面剂的1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.1倍，变形能力基本相当；常温下，90°、60°对接下的2种界面剂的弯拉应变较为接近，45°、30°对接下单组分界面剂分别是双组分界面剂弯拉应变的2.5倍、2.0倍。

2.2.2不同接缝构造角度

图6为低温(-10 ℃)时不同接缝构造角度下使用2种界面剂拼接后的小梁抗弯拉强度。

图6 低温不同接缝构造角度拼接后的小梁抗弯拉强度

由图6可见，低温时双组分界面剂在90°、60°对接时试件均断开，45°、30°对接时接缝材料已发生断裂失效，试件接近完全断开。随接缝构造角度的减小，双组分界面剂的抗弯拉强度大体呈上升趋势，上升幅度随角度的减小越来越大，在90°～60°之间，强度未有明显变化。

低温时单组分界面剂90°、60°、45°和30°对接时的试件均未发生断开。随接缝构造角度的减小，单组分界面剂的抗弯拉强度呈上升趋势，在60°～45°之间，强度变化幅度较小，60°、45°、30°对接时的弯拉强度分别是90°的1.8倍、1.9倍、2.5倍。

图7为常温(15 ℃)时不同接缝构造角度下使用2种界面剂拼接后的小梁抗弯拉强度。由图7可见，常温时双组分界面剂90°、60°、45°和30°对接的试件均断裂，其中30°对接时的试件断裂在混合料处，顶部受力集中又最为薄弱，故实际施工时接缝处不建议采用角度较小的处置方式。随着接缝构造角度的减小，双组分界面剂的抗弯拉强度呈先缓慢增长后大幅上升的趋势，60°、45°、30°对接时的弯拉强度分别为90°的1.2倍、2.7倍、8.2倍。

图7 常温不同接缝构造角度拼接后的小梁抗弯拉强度

常温时单组分界面剂90°、60°、45°和30°对接时的试件均未发生断开。随接缝处置角度的减小，单组分界面剂的抗弯拉强度大体呈缓慢上升趋势，在90°～60°和60°～45°之间，强度变化幅度均较小，60°、45°、30°对接时的弯拉强度分别为90°的1.3倍、1.4倍、2.1倍。

图8为低温(-10 ℃)时不同接缝构造角度下使用2种界面剂拼接后的小梁极限弯拉应变。

图8 低温不同接缝构造角度拼接后的小梁极限弯拉应变

由图8可见，低温时随接缝处置角度的减小，使用双组分界面剂拼接的小梁试件的极限弯拉应变在(2 500～3 300)×10-6范围内波动，其中90°和45°对接时的小梁弯拉应变均达到3 200×10-6以上，60°和30°对接时的小梁弯拉应变接近2 600×10-6。

使用单组分界面剂拼接的小梁试件的极限弯拉应变在(2 800～4 200)×10-6范围内波动，其中45°对接时的小梁极限弯拉应变达到最高点4 113×10-6，而90°、60°和30°对接时的小梁极限弯拉应变分别为3 570×10-6、3 125×10-6、2 833×10-6。

图9为常温(15 ℃)时不同接缝构造角度下使用2种界面剂拼接后的小梁极限弯拉应变。

图9 常温不同接缝构造角度拼接后的小梁极限弯拉应变

由图9可见，常温时随接缝处置角度的减小，使用双组分界面剂拼接的小梁试件的极限弯拉应变在(2 200～3 500)×10-6范围内波动，90°、60°、45°和30°对接时的小梁极限弯拉应变分别为2 949×10-6、3 488×10-6、2 264×10-6、2 872×10-6。

使用单组分界面剂拼接的小梁试件的极限弯拉应变基本呈上升趋势，90°、60°、45°和30°对接时的小梁极限弯拉应变分别为2 960×10-6、3 371×10-6、5 627×10-6、5 655×10-6，其中45°～30°之间，弯拉应变大小变化幅度不大，数值接近。

3 结论

1) 单组分界面剂有良好的立面抗流淌性能，室温湿气固化，施工时直接涂抹无需搅拌；而双组分界面剂虽也有良好的立面不流淌效果，但由于A、B组分比例差距较大，搅拌过程中均匀性难以满足，会造成部分材料固化不完全，影响使用性能。

2) 通过双组分界面剂、单组分界面剂2种材料作为接缝材料时的劈裂抗剪强度对比研究，推荐双组分界面剂的最佳涂抹量为0.6 kg/m2，单组分界面剂的涂抹量在0.6～0.9 kg/m2范围内皆可，可根据季节调整用量，夏季偏少冬季偏多。

3) 双组分界面剂由于固化不完全，黏结失效，导致新旧铺装层90°、60°、45°和30°对接时的小梁弯曲试件均发生断开。无论是在低温还是常温下，90°与60°接缝构造角度下的抗弯拉强度仅有1 MPa左右，抗弯拉破坏能力相对较差。

4) 单组分界面剂在-10 ℃和15 ℃下，新旧铺装层90°、60°、45°和30°对接时的小梁弯曲试件均未发生断开，45°对接时的小梁试件的抗弯拉破坏效果最好，低温下强度和应变分别为13.89 MPa和4 113×10-6(完整小梁试件的强度和应变分别为30.7 MPa和6 856×10-6)，常温下强度和应变分别为7.8 MPa和5 627×10-6(完整小梁试件的强度和应变分别为14.4 MPa和17 720×10-6)，有足够变形性的基础下抗弯拉强度仍有完整小梁试件强度的50%，建议铺装接缝构造角度采取45°为宜。