中小桥梁无缝伸缩缝材料关键性能研究

周文静

浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州 310023

伸缩缝结构一般设置在桥梁相邻两跨的桥面之间或者桥梁梁端与桥台背墙之间，在温度变化、混凝土收缩徐变、车辆动荷载、桥梁梁端转动等作用下需保证桥梁自由地伸缩变形。调研发现，现有桥梁伸缩缝结构存在一系列问题，主要包括跳车加剧桥梁损坏、超载加剧梁端沉降、漏水与氯盐腐蚀桥梁混凝土材料、灰尘与垃圾填充伸缩缝、更换成本增加。应用无缝伸缩缝结构可保证桥梁路面的连续性，消除现有伸缩缝结构不连续带来的跳车问题，提高结构的整体性和耐久性，其优越的使用性能和低维护成本，在中小桥梁中具有一定的应用推广价值。

1 无缝伸缩缝结构特点

无缝伸缩缝是在桥梁伸缩缝间隙中填充弹性材料，使接缝处的桥面铺装与其他铺装部分形成连续体，并用弹性材料适应变形的能力来承受桥梁伸缩变形的一种构造，其简易结构示意如图1所示。无缝伸缩缝是一种小位移的伸缩缝装置，常常被用于跨径较小、伸缩量在40mm以下的中小桥梁中。

图1 无缝伸缩缝结构示意图

采用无缝伸缩缝结构，主要表现在以下方面：（1）结构中的弹性材料可以适应桥梁梁端纵、横、竖三个方向的伸缩变形，与桥面铺装材料为同类材料，模量差距较小，有效保证了桥梁的伸缩变形和结构受力的均匀性，避免出现错台、跳车等问题；（2）无缝伸缩缝铺筑在接缝处可以保证路面平整、连续、无缝，车辆经过时振动小、平稳、舒适，并且便于后期维护和清扫；（3）无缝伸缩缝密封性较好，防水、耐腐蚀性好，可提升桥梁结构的耐久性；（4）无缝伸缩缝材料在铺筑后，养护2h即可开放交通，减少了施工工期，在后期更换、维修时，可采用半幅施工的方式，不必中断交通。

2 无缝伸缩缝结构的应用情况

在欧洲，无缝伸缩缝结构应用时间较早，且技术较为成熟。瑞士联邦公路局将该结构广泛应用于高速公路上，统计发现其使用寿命可以达到10～15年，常见的病害形式为开裂和界面脱落。新英格兰地区调查统计了投入使用5年后的64条无缝伸缩缝结构的破坏情况，发现界面破坏为主要病害形式，占总病害的比例高达60.9%，其中材料开裂、表面磨损、车辙破坏等病害情况的占比分别为39.1%、37.5%和31.3%，病害原因主要为材料性能不足、施工工艺不合理。美国25%的交通运输部门采用了无缝伸缩缝结构，调查了50个州无缝伸缩缝的应用情况，结果显示大部分州的无缝伸缩缝结构应用良好，但在部分州的使用情况较差，主要是材料在高温下出现推移、车辙变形，以及在低温下出现开裂等问题。

近10年，随着国外公司（如Crafco、Prismo等）无缝伸缩缝产品应用技术的成熟，国内部分地区也开始引入国外成熟产品进行无缝伸缩缝结构。2015年，江苏常州龙城大道隧道改造中采用英国进口产品BJ200无缝伸缩缝材料，完成工程量近700m。港珠澳大桥岛隧工程的新建路面也采用了该种材料进行铺装。浙江杭州的时代大道高架主桥与彩虹快速路在彩虹互通连接处也使用了无缝伸缩缝材料，并通过理论计算结合实际安装施工后的现场监测数据以及后期维护的跟踪观测，证明了无缝伸缩缝在拼宽桥中工作正常、应用效果良好。甘肃G310线、四川成雅高速公路部分桥梁在伸缩缝维修时采用了BJ200无缝伸缩缝材料进行更换，在后期运营过程中对其使用情况进行观测，结果显示大部分桥梁无缝伸缩缝使用良好，无明显的跳车现象。

3 无缝伸缩缝材料的关键性能

无缝伸缩缝材料工程应用中出现病害的主要破坏形式有车辙、开裂、剥离等。分析病害原因发现，其主要与无缝伸缩缝材料的高温抗变形能力、低温抗开裂能力和沥青胶结料的黏附性有关。

无缝伸缩缝材料的油石比远大于传统热拌沥青混合料，其性能在很大程度上取决于胶结料的性能。中国于2017年发布实施了《桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料》（JT/T 1129—2017），其中的性能指标主要包括锥入度、软化点、弹性恢复率、190℃黏度及低温拉伸性能。美国材料与试验协会在标准《Standard Specification for Asphaltic Plug Joints for Bridges》（ASTM-D6297）中给出了无缝伸缩缝沥青胶结料的材料性能控制指标，主要有软化点、延度、拉伸延伸率、流动度、弹性恢复性、沥青兼容性、加热温度、黏结性及柔性。英国桥梁接缝协会在2003年也公布了无缝伸缩缝的相关标准，对于沥青胶结料的性能要求主要有锥入度、软化点、流动值和低温延展性。

各国标准规范中对沥青胶结料的性能指标要求汇总如表1所示。可以看出，这些标准均重点关注了体现沥青胶结料高温稳定性、塑性、黏稠度及拉伸变形性能的相关指标。

表1 各国标准规范中对沥青胶结料的性能指标要求汇总表

无缝伸缩缝材料中的集料应该具有较大的压碎值、磨耗值、磨光值和冲击值，同时需避免含有针片状颗粒。现有无缝伸缩缝材料的研究文献中，采用的集料类型多为玄武岩。对于集料级配的选择，由于无缝伸缩缝材料主要通过沥青胶结料的抗变形能力来适应桥梁的伸缩变形，因此集料在沥青混合料中需要具备足够的空隙来填充沥青胶结料，目前常选用单一级配，级配范围为10～20mm。

美国相关标准提出无缝伸缩缝使用的集料需要经过压碎、冲洗以及干燥等处理，集料的粒径和级配则应满足施工方的要求。印度规范规定应使用单一级配的集料，集料的粒径与伸缩缝的深度有关。例如，75mm深的伸缩缝应选用粒径为12.5mm的集料，而深度大于75mm则应选用粒径为20mm的集料。在英国，伸缩缝材料中的集料采用的是具有一定级配的、经过冲洗的并且去掉碎石的玄武岩、辉绿岩、辉长岩或花岗岩。

无缝伸缩缝材料填充在桥梁伸缩缝结构中，既要具有一定的弹性变形能力来适应桥梁的伸缩变形，也要有一定的抗变形、耐疲劳能力来抵抗车辆的长期荷载而不产生永久变形。无缝伸缩缝沥青混合料级配特点，导致没有形成类似于传统沥青混合料的骨架密实结构，因此其弹性变形和抗永久变形能力主要由沥青胶结料的抗变形能力和高温稳定性承担。

此外，无缝伸缩缝材料需要具备良好的应力松弛能力，及时释放由温度变化和交通荷载产生的应力，如果能够保证材料的应力松弛速率与外界环境温度变化而产生变形应力的速率相等，伸缩缝材料内部应力就会相互抵消，从而显著降低材料发生低温开裂的概率。因此，减少无缝伸缩缝材料在低温下出现应力累积是避免材料出现开裂问题的前提，低温应力松弛能力是衡量无缝伸缩缝材料低温抗开裂变形的关键性能指标。

对于无缝伸缩缝材料的性能要求，大多数国家的标准只包含了沥青胶结料和集料的关键性能指标，没有考虑到沥青混合料；对于伸缩缝材料的工程应用和施工工艺，基本上采用的材料制造商制定的企业标准，而这些企业标准往往是在应用、施工过程中简单的经验积累和总结，并没有得到充分系统地科学论证。中国于2016年发布实施的《公路桥梁伸缩装置通用技术条件》（JT/T 327—2016）[5]对无缝伸缩缝材料的性能指标进行了规定，重点关注了无缝伸缩缝材料的硬度、拉伸强度、拉伸伸长率、与桥面黏结拉伸强度等性能指标，其中各性能指标的测试方法参考了聚氨酯材料类无缝伸缩缝的测试方法，而未考虑目前市场上常用的聚合物改性沥青材料类的应用技术要求。

4 结束语

无缝伸缩缝材料由沥青胶结料和集料组成，沥青胶结料重点关注的是其高温稳定性及拉伸变形性能，集料需要足够的强度并由单一级配形成带空隙的骨架结构，再由沥青胶结料填充形成大油石比的沥青混合料，需兼具高温抗变形和低温抗开裂性能。无缝伸缩缝结构的特点可以保证填充材料的性能要求符合标准，对该结构在中小桥梁中推广应用起到决定性作用。