无缝式伸缩缝材料研究现状及发展综述

陈伟乐，张双娇，金文良，夏丰勇，李玉鹏

（1.深中通道管理中心，广东 中山 528400；2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

0 引言

近年来，我国在桥隧建设领域取得了巨大的进步和丰硕的成果，修建了港珠澳大桥和南昌红谷沉管隧道等重大工程[1-4]。伸缩缝作为桥隧工程的重要附属部分，其质量直接关系到桥隧工程的质量和安全。在服役过程中，伸缩缝接缝处会产生规律性变形，如果材料选择或结构设计不合理，伸缩缝部位将很容易产生病害[5]。根据文献调研，常用的伸缩缝装置分为6 大类：填塞对接式、嵌固对接式、钢制支撑型、橡胶组合剪切式、模数支撑式和无缝式[6]。相对于其他类型伸缩缝，无缝式伸缩缝具有整体性和耐久性好、施工和维修方便、行车舒适等优点。因此，无缝式伸缩缝在中小跨径桥梁，尤其是伸缩变形量小于50mm 的桥梁建设中应用得越来越多[7-8]。在港珠澳大桥海底隧道及引桥部分均采用了无缝式伸缩缝结构，这是无缝式伸缩缝在国内新建工程中的首次大规模使用。

目前应用较为广泛的无缝式伸缩缝由沥青类材料填充[9]，该材料被国外学者统称为APJ（As⁃phalt Plug Joints）材料[10]。Bramel 等人通过对APJ材料的现场使用情况、室内试验结果的分析评估，制定了相应的设计指南[11]。美国的新英格兰地区和瑞士对投入使用的无缝式伸缩缝进行了跟踪调查，得到了无缝式伸缩缝不同年限的破坏情况、破坏原因及使用寿命等数据[12-13]，结果表明：界面破坏、车辙剥落是无缝式伸缩缝主要的病害形式。Ghafoori等人[14]从设计、材料、施工、养护及质量控制等角度分析了导致无缝式伸缩缝破坏的原因，并从多角度提出了改善措施。近年来，我国学者也对无缝式伸缩缝开展了大量研究。甘勇义等人[15]提出了无缝式伸缩缝结构满足工程使用的限制条件，并在四川千合大桥上进行现场试验，结果表明当满足一定条件时，无缝式伸缩缝结构可应用于实际工程中。张洪等人[16]依托港珠澳大桥岛隧工程新建路面项目，对其采用的BJ200 无缝式伸缩缝系统进行研究，建立了一种适合国内建设工程检验验收程序的新体系。无缝式伸缩缝材料在实际应用过程中存在高温车辙、低温开裂、界面脱粘等问题，为此国内一些科研团队进行了无缝式伸缩缝材料的开发及性能优化设计，研究重点集中在改善其高低温性能，如：郭银涛等人[17]通过正交试验优化伸缩缝用弹塑体材料的组成，以改善其高温性能；束冬林[18]将橡胶粉加入SBS 改性沥青中以改善其高温性能；唐涛[19]和谢严君[20]通过在沥青中掺入不同的改性材料来改善其低温性能。

总体而言，当前国内外对无缝式伸缩缝的研究主要集中于改善胶结料性能，而对无缝式伸缩缝材料的组成设计及关键性能控制指标的研究较少。本文针对无缝式伸缩缝材料在使用过程中存在的性能和病害差异化状况，在文献调研的基础上，梳理无缝式伸缩缝的研究现状及成果，分析当前研究存在的不足，对未来的研究进行展望。

1 伸缩缝胶结料

1.1 胶结料的种类

目前，无缝式伸缩缝胶结料主要分为两类：沥青类材料和聚氨酯类材料[16]。根据改性材料的种类，沥青类材料又可以分为橡胶改性沥青（如MatrixTM502 和BJ200）和SBS、SBR 复合改性沥青（如TST材料），其高温性能和变形性能存在不足。较为成熟的聚氨酯类材料包括WABO CRETEⅡ和巴斯夫聚氨酯，其性能良好但成本高。对于沥青类胶结料的研究主要集中于材料开发及性能改善，对聚氨酯类胶结料的研究则集中于优化其制备工艺。

得益于沥青材料独特的延展回弹性能，沥青类无缝式伸缩缝的应用较为广泛。在20 世纪70年代，国外就开始进行沥青类无缝式伸缩缝的研究，我国在20 世纪末引入了无缝式伸缩缝装置。当时国内外普遍认为采用的胶结料达不到使用要求，主要是由于极端气温条件下，材料的胀缩量与梁体变形不匹配，导致产生较大裂缝，对行车十分不利[8]。为解决以上弊端，近年来，学者们开发研制了一些新型的无缝式伸缩缝胶结料，其组成和特征如表1所示。

表1 新型沥青类无缝式伸缩缝胶结料

聚氨酯类材料是另一类具有代表性的无缝式伸缩缝材料。聚氨酯材料属于热固性材料，高低温性能均良好，并具有优异的变形适应性，能够吸收横向和微量转动变形[23]。除此以外，聚氨酯伸缩缝还具有良好的抗疲劳性能和自密实特性。聚氨酯类材料自密实的特性提供了良好的平整度，而密实的级配设计可对车辆的冲击起到良好的缓冲作用。Gallai[24-25]研发了一种基于聚氨酯的无缝式伸缩缝材料，具有更长的使用寿命和更大的移动量；Moor[26]通过材料筛选及成分调整，研发了一种特殊的无溶剂聚氨酯材料，提高了材料的强度、弹性和耐久性；张涛[23]通过调整配比、固化时间等，改善了聚氨酯胶结料拉伸、抗撕裂和抗老化等性能，同时具有良好的拉压回弹性能。

但是目前国内对聚氨酯材料的研究和应用相对较少[27]，缺乏与沥青类材料的横向对比。国内聚氨酯弹性混凝土的级配组成设计仍然参考国外经验进行，很少有研究者对此进行深入探讨。

1.2 胶结料的性能

欧洲发达国家结合本国的交通、气候状况等，针对沥青类无缝式伸缩缝胶结料的性能制定了相关技术标准和规范[20]。表2 对不同规范关于沥青类无缝式伸缩缝胶结料高温、常温、低温性能的指标要求进行了对比。

表2 国外沥青类无缝式伸缩缝胶结料标准

目前国内尚无关于沥青类无缝式伸缩缝胶结料性能测试方法和测试指标的规范，学者们对其性能进行测试的方法不尽相同[17,19,20,22,28-29]，主要测试方法如表3所示。

表3 沥青类无缝式伸缩缝胶结料性能测试方法

为探究更适合评价沥青类无缝式伸缩缝胶结料性能的指标，Mo等[30]采用车辙因子作为其高温性能的辅助评价指标，然而受沥青胶结料高延迟弹性恢复能力的影响，该指标并不能有效评价其高温性能。任东亚[7]认为沥青类无缝式伸缩缝胶结料作为一种特殊的高黏弹性材料，国内外现行相关规范所采用的软化点、车辙因子等指标对其高温性能评价的一致性都存在偏差，不能很好地指导实际施工，而基于多应力蠕变恢复试验的黏弹特性指标具有较好的一致性，且区分度明显，故推荐其作为评价无缝式伸缩缝沥青胶结料高温性能的关键控制指标。

目前对于聚氨酯胶结料的性能测试指标较为单一，主要为基本性能指标、拉伸强度和断裂伸长率。试验表明，聚氨酯胶结料能在短时间内形成较高的强度，有利于及时开放交通[23,31]；相比于沥青胶结料，聚氨酯胶结料具有优异的高低温性能，其变形性能及抗热氧、抗紫外线老化性能也更好[32]。

综上所述，尽管对沥青类无缝式伸缩缝胶结料的开发和性能研究较多，但是目前已研发材料的使用性能仍然不能完全满足实际工程需求。虽然聚氨酯胶结料具有良好的使用性能，且性能显著优于沥青类胶结料，但是其施工和易性难以保障，且价格昂贵，制约了该类材料的大规模推广使用。因此，无缝式伸缩缝胶结料在研究和开发方面依然存在较大的潜力，亟需开发出一种性能优异而成本更加低廉的胶结料。

2 伸缩缝材料组成设计

2.1 集料及级配设计

无缝式伸缩缝采用的集料应该具有良好的磨光值、磨耗值和冲击值等。表4 所示为英国、印度、中国等三国标准中对集料基本性能的要求。印度标准一般采用单一粒径的集料[8]，集料的公称最大粒径取决于接缝深度。

表4 集料基本性能指标要求

沥青类无缝式伸缩缝更加依赖胶结料的性能，但是沥青材料的变形适应性与强度存在一定的冲突。如表5 所示，为了协调变形适应性和强度的要求，大多数学者在研究中选用单一粒径的集料来制备混合料[19-20,33-34]，采用大粒径的单一粒径集料相互嵌挤形成骨架，同时用高含量的胶结料填充单一粒径集料间较大的空隙，从而兼顾强度和变形适应性。也有学者采用合成级配的无缝式伸缩缝材料[9,13,18,35]。尽管连续级配的混合料可以保证其强度，但集料间没有足够的间隙填入胶结料，难以保证无缝式伸缩缝材料的变形适应性。

表5 无缝式伸缩缝材料级配设计

就集料的级配比例而言，为了保证伸缩缝材料的承载能力及与路面结构层材料间的黏结强度，应采用密级配并控制细料含量[23]。当混合料中的细料比例过大时，施工和易性较差，搅拌困难；同时，聚氨酯胶结料在高温下固化速度很快，在拌和过程中细料会粘在拌和锅侧壁和底部难以取出，造成细料流失。

目前，针对无缝式伸缩缝材料级配设计尚无标准和规范方法，研究人员大多采用马歇尔设计方法进行集料级配设计。未来仍需进行大量的试验研究，以提供一种更有效地针对无缝式伸缩缝材料的配合比设计方法。

2.2 胶结料最佳用量确定

胶结料的性能和用量对无缝式伸缩缝材料高黏、高弹的特性起决定性的作用。然而，目前对确定无缝式伸缩缝材料最佳沥青用量的方法和控制指标并没有形成统一的定论[8,37]。如表6 所示，大多数学者采用马歇尔设计方法，以马歇尔稳定度、流值为控制指标确定其最佳油石比[9,18,22,28,37]。也有部分学者根据试验结果和经验选取最佳油石比。不同的学者提出的控制指标不尽相同，这些差异使得最佳油石比的取值相差较大。

表6 无缝式伸缩缝材料的组成设计控制指标及最佳用量总结

马歇尔试验是评定沥青混合料高温强度和变形性能的重要测试方法。但沥青类无缝式伸缩缝材料的级配组成与常规的混合料差异较大，同时，其内部胶结料的占比高，需要考虑的主要是变形适应性，因此单纯以马歇尔稳定度和流值作为配合比设计的控制指标是不全面的。在调研中发现，高温车辙是无缝式伸缩缝常见病害之一，进行配合比设计时应考虑伸缩缝材料的高温抗车辙能力，关于该性能的具体研究见本文3.1 章节。除此之外，在服役过程中，由于温度变化和车辆荷载的作用，无缝式伸缩缝不断发生重复拉伸和压缩变形，故还应考虑其变形性能。变形性能的具体研究见本文3.3章节。

聚氨酯材料的性能受温度的影响很小，试件整体强度偏高。因此以马歇尔试验的两个指标作为其配合比设计的控制指标具有一定的局限性。在对聚氨酯材料进行配合比设计时，可以参考沥青类材料的配合比设计方法，但是聚氨酯材料的强度较高，故应侧重于考虑其变形性能，具体研究见本文3.3章节。

3 伸缩缝混合料的性能

3.1 高温抗车辙性能

无缝式伸缩缝材料中胶结料用量显著高于常规沥青混合料，其高温性能主要取决于胶结料的高温性能。在高温性能评价方面，Mo等[8]指出，一些学者采用马歇尔试验作为性能评价的试验方法。但唐涛[19]认为马歇尔试验能否合理地评价单一级配沥青混合料的高温性能尚不确定。林琳[28]也认为马歇尔试验的稳定度和流值与混合料永久变形的相关性不好。因此，对无缝式伸缩缝材料高温性能的评价，应结合其典型病害即高温车辙变形特性进行分析。研究人员一般采用车辙试验来评价高温性能，如表7所示。

表7 无缝式伸缩缝材料高温性能

无缝式伸缩缝材料要与路面铺装材料承受相同的车辆荷载，因此至少应具有与常规沥青混合料相当的抗车辙和抗永久变形性能。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004），对于高速公路沥青路面，常规沥青混合料的动稳定度仅要求不小于800 次/mm，而改性沥青混合料的动稳定度应不小于2 400 次/mm。如表8 所示，聚氨酯混合料的抗车辙性能显著高于沥青混合料，对于沥青类伸缩缝材料，不同的配比与材料设计导致其高温性能存在差异。因而在保证沥青类材料弹性性能的同时还应注意其与高温抗车辙性能的协调。

3.2 低温抗裂性能

当环境温度降低时，无缝式伸缩缝材料内部发生不均匀收缩，同时，在车辆荷载作用下无缝式伸缩缝材料发生弯曲和拉伸，当拉应力超过材料自身的抗拉极限应力时就会发生断裂破坏。一般情况下，无缝式伸缩缝材料的低温性能采用弯曲试验和线收缩系数试验进行测试。Bramel等[11]曾提出评价无缝式伸缩缝低温性能的关键性指标之一是应力松弛能力，也有学者[19,28]通过劈裂试验、马歇尔试验中的低温恢复率来研究低温性能。总的来说，较大的胶结料掺量使无缝式伸缩缝材料与常规改性沥青材料相比具有更好的低温变形性能。表8 展示了两类无缝式伸缩缝材料的低温抗裂性能。由表8 可以看出，聚氨酯类材料相较于沥青类材料具有更强的抗弯拉变形能力。

表8 无缝式伸缩缝材料低温抗裂性能

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求，常规沥青混合料的弯曲破坏应变应不小于2 000με，改性沥青混合料的弯曲破坏应变应不小于2 500με。Xie等[39]指出，无缝式伸缩缝的屈服应变应该在10 000με 以上，当屈服应变处于1000～3000με 时伸缩缝易在低温下发生破坏。国内外学者通过改性胶结料、调整材料配比、利用橡胶颗粒代替集料等不同的措施对无缝式伸缩缝材料的低温抗裂性能进行改善[16,30,38,40-42]。总的来说，由于无缝式伸缩缝材料模量较小且与常规改性沥青材料的使用环境有所差异，无缝式伸缩缝混合料应比常规沥青混合料具有更大的低温破坏应变，最大弯曲破坏应变的标准还需要根据地区的最低环境温度确定。

3.3 拉伸变形性能

研究人员通常采用直接拉伸试验和重复拉伸试验研究材料的变形性能。直接拉伸试验研究的是材料拉伸破坏的极限状态，重复拉伸试验研究的是材料在较小位移重复加载下的状态。

就直接拉伸性能而言，当无缝式伸缩缝在外部和内部因素共同作用下产生伸缩变形时，由于其刚度远小于两侧铺装材料，无缝式伸缩缝材料将吸收大部分的伸缩变形，这会导致材料内部产生较大的拉压应变，因此需对其直接拉伸性能提出要求。无缝式伸缩缝材料的直接拉伸变形性能试验结果如表10所示。可以看出，沥青类材料的拉伸性能表现出较为明显的温度依赖性[43]，拉伸强度随着温度的升高而减小，断裂伸长率随着温度的升高而增大；聚氨酯类材料的拉伸强度和断裂伸长率随温度的变化不大。同时，无缝式伸缩缝材料的拉伸变形性能还应结合实际工程中无缝式伸缩缝的设计伸缩量考虑。

无缝式伸缩缝材料的直接拉伸性能如表9所示。

表9 无缝式伸缩缝材料的直接拉伸性能

就重复拉伸性能而言，当温度频繁变化时，伸缩缝两侧的铺装材料会不断发生膨胀或收缩，无缝式伸缩缝材料处于挤压和拉伸的重复作用下。因此，有必要结合其重复受力工作状态，对无缝式伸缩缝材料的重复拉伸性能及黏结性能进行探究。国内外学者对聚氨酯材料的研究较少，其中，张涛[23]通过反射裂缝试验（Overlay Test）模拟日温差重复作用下聚氨酯类无缝式伸缩缝的位移变化，试验结果表明：新型聚氨酯弹性混凝土的使用寿命可达11.2年。

目前，对于沥青类无缝式伸缩缝材料重复拉伸压缩变形性能的研究较多，除了利用反射裂缝试验机之外，还可以采用足尺拉伸设备进行研究。Partl等[44]介绍了接缝移动模拟设备测试无缝式伸缩缝低温移动能力的方法，通过评估水平方向上的永久变形来分析破坏周期及应变分布。谢严君[20]利用偏心轮对无缝式伸缩缝材料进行了足尺模拟拉伸试验，结果表明：活动端的变形量明显大于固定端，且在竖直方向上，下部的变形较上部更不均匀。宁万超[45]通过室内重复拉伸模拟试验研究了拉力和裂缝的变化情况，试验结果表明：黏结界面是无缝式伸缩缝材料的薄弱点。Lu等[34]、泮以龙[35]通过室内足尺模拟试验模拟无缝式伸缩缝在实际工作中的变化，对其破坏过程中的伸缩变形和破坏模式进行了观察，试验结果表明：以1.5mm/min 的变形加载速率进行拉伸，振幅为7.5mm 时交界处有个别裂缝，振幅为15mm 时交界处有较多裂缝，且胶结料出现明显的拉伸变形，振幅为20mm 时部分区域出现了脱粘现象，当位移较大时，材料更易发生脱粘开裂。

从以上研究可以发现，重复加载对无缝式伸缩缝材料提出了更高的要求，考虑到无缝式伸缩缝材料的破坏多是从黏结界面开始，因此在重复加载的性能测试中应该重点关注无缝式伸缩缝材料与铺装材料之间的黏结界面。

3.4 性能对比

为了更好地体现两类无缝式伸缩缝材料性能的差异，需要从多个角度对二者进行对比：从高低温性能来看，聚氨酯材料受温度的影响远小于沥青类材料，具有更好的高温抗车辙能力和低温下的弯拉变形能力；从变形性能来看，由于沥青为黏弹性材料，沥青类材料的断裂伸长率略大于聚氨酯类材料，尤其是在重复拉伸情况下，沥青类材料的变形优势更加显著；从耐久性来看，二者的使用寿命基本相当，且均受到施工技术影响，沥青类材料的主要病害为车辙、剥落及开裂等，而聚氨酯类材料易发生开裂、破损等结构性破坏；从经济效益来看，沥青类材料与聚氨酯类材料相比经济优势突出。由此可知，聚氨酯材料的温度敏感性更小，更加适用于日温差较大的地区，沥青类材料虽然具备较好的变形性能，但在高温下变形较大，易产生车辙等病害，因此更适用于气温较低的地区。

总体而言，现有研究更青睐沥青类无缝式伸缩缝材料，一方面是因为沥青类材料不仅具有良好的高低温性能，还具有降噪功能，行车舒适性好；另一方面，其成本更加低廉，维修养护也更加方便。研究人员对沥青类材料的性能了解更加透彻，因此以改性沥青作为无缝式伸缩缝胶结料，其可选用的种类更加丰富，性能的测试方法和改善手段更加多样。但是沥青类材料的使用寿命差异较大，最长可达10年以上，最短仅为1～2年。目前的研究表明，通过改进胶结料能够一定程度上提升无缝式伸缩缝材料的性能，例如蒋玮等[46]研发的沥青类高延性无缝式伸缩缝材料能够兼顾低温性能和拉伸性能，但是依然很难突破现有伸缩缝材料的应用瓶颈，因此下一步应结合无缝式伸缩缝胶结料、矿料级配和混合料结构展开研究，重点关注沥青类材料的使用性能和耐久性。未来仍需在选择适合施工环境、施工条件的材料和解决材料在实际应用过程中出现的问题上入手，对无缝式伸缩缝混合料做进一步研究。

4 讨论与展望

本文综述了常见的无缝式伸缩缝材料的研究现状，重点讨论了改性沥青类和聚氨酯类两类无缝式伸缩缝材料胶结料和混合料的性能测试方法和评价指标，对无缝式伸缩缝材料研究的展望如下：

（1）沥青类无缝式伸缩缝胶结料具有良好的拉伸变形性能和变形恢复能力，但其适用的温度范围略小于聚氨酯类材料；聚氨酯类无缝式胶结料温度敏感性较小，能够适应的温度范围更广，同时具有良好的抗老化性能。但聚氨酯类材料的施工和易性难以保证，且成本高昂。两类材料各有优劣，建议在未来的研究中进一步针对无缝式伸缩缝胶结料性能上的不足进行优化设计。目前对无缝式伸缩缝胶结料的评价主要基于宏观尺度，未来可以从细观尺度、纳观尺度等不同的尺度与宏观尺度性能相结合展开研究。

（2）沥青类无缝式伸缩缝混合料大多采用单一粒径级配，而聚氨酯类无缝式伸缩缝混合料采用多粒径合成级配。当前的胶结料最佳用量主要是根据工程经验和高温性能指标来确定，缺乏明确的规范方法和控制指标来指导级配的选择和胶结料最佳用量的确定。由于无缝式伸缩缝材料需要与路面铺装材料黏结为整体共同承担交通荷载和温度变化带来的多向变形，故在组成设计中应当考虑其变形适用性和黏结性能，建议在未来的组成设计研究中建立多指标评价体系。

（3）聚氨酯类无缝式伸缩缝材料的高、低温稳定性更具优势；沥青类无缝式伸缩缝材料的断裂伸长率较聚氨酯类无缝式伸缩缝材料更优，其拉伸变形性能更好。本文主要通过室内试验对无缝式伸缩缝混合料的高、低温性能及拉伸变形性能进行研究，未结合无缝式伸缩缝的结构进行研究。而无缝式伸缩缝结构不同会导致伸缩缝填料所受到的应力发生变化，对材料整体性能也有很大的影响，故无缝式伸缩缝材料与结构一体化研究将成为未来的一个研究方向。

（4）尽管无缝式伸缩缝在桥梁和沉管隧道中得到了广泛的应用，取得了较为良好的使用效果，但是无缝式伸缩缝材料依然存在耐久性不足、抗疲劳性能较差、价格昂贵等问题。例如，常见的低拉伸强度或高黏附性的无缝式伸缩缝材料会出现细微裂纹或者直接开裂，而高拉伸强度或低黏附性的无缝式伸缩缝材料则会出现界面破坏等问题。这些问题严重阻碍了无缝式伸缩缝在工程中的应用与发展，未来可以针对这些病害进行深入分析，研究其内在的破坏机理。由于无缝式伸缩缝具有平整度良好、行车舒适性优异和噪声低等优势，无缝式伸缩缝材料具有较大的应用市场和发展潜力。除了对现有无缝式伸缩缝材料进行性能优化外，研发一些性能优越、施工便捷、价格低廉的新型无缝式伸缩缝材料也具有重要的现实意义。

5 结语

随着无缝式伸缩缝在港珠澳大桥海底隧道中的应用，未来会有更多的新建桥梁或隧道工程采用无缝式伸缩缝结构。这对无缝式伸缩缝材料的设计及性能评价方法提出了更高的要求。本文着重研究了沥青类和聚氨酯类两类无缝式伸缩缝材料，对比分析了两类材料胶结料和混合料的性能测试和评价方法，对于其他新型材料有待展开进一步研究。由于未综合考虑伸缩缝的结构形式，建议未来从材料研发、性能提升、多指标评价体系、病害机理分析出发，进行材料与结构一体化设计研究，尤其应该关注其变形恢复性能和长期性能。尽管目前仍然存在耐久性不足、成本较高等问题，无缝式伸缩缝材料仍具有广阔的应用前景和较大的发展潜力。