十五、装配式基层设置涂层与插板预防温缩裂缝试验

战宏宇,张 旭,迟文仲,郭 高

(长春市市政工程设计研究院有限责任公司,吉林 长春130033)

（2021-12-26发表于《北方建筑》）

【摘要】为减少沥青路面装配式基层的温缩裂缝,提高路面耐久性,根据装配式结构的特点,采用在基块侧面喷涂柔性耐候材料的方法包裹块体,利用涂层高伸展率吸收温缩应力。同时在基层纵向接缝间隔设置塑料插板阻断砂浆网格的连续性，在长春市开展涂层和插板试验，试验路段低温开裂指数分别降低到0.65和0.2,对减弱道路初期低温裂缝的发生有一定作用。

【关键词】装配式基层;预防反射裂缝;涂层;插板

1装配式基层收缩现象及特点

     通常将温缩和干缩引起的沥青路面反射裂缝统称为温度型反射裂缝"。由于环境温湿度变化与土基密实度差异性及荷载的影响,在刚柔复合式路面接缝处产生的反射裂缝仍然是水泥路面加铺层的主要病害?,反射裂缝特点是间距小、数量大、纵横交错,养护难度大,因此预防或延缓反射裂缝的出现是延长沥青混凝土加铺层使用寿命的关键。装配式基层采用基块铺装、接缝灌浆及两侧用混凝土封边的工艺。基层由基块和砂浆网格组成，在道路罩面之前,块体干缩受成型后在储运、铺装、灌浆及养生过程降雨量的影响，在非降雨季节，基块出厂前已完成块体大部分干缩,基层干缩主要由砂浆产生。砂浆占基层总体约为12%,灌缝料在灌浆后从初凝到终凝会产生干缩变形。装配式基层通过水泥砂浆浇筑成基层整体与水泥混凝土路面温缩裂缝破坏机理一致。与传统水泥混凝土路面不同,装配式基层采用三维嵌挤结构，具有更好的传荷能力及板体性,根据长期跟踪长春市装配式基层道路、自2014年开展正式工程应用已通车50条道路,尚未发现方格网状反射裂缝的发生,但由于北方寒冷气候，当温度达到-20℃左右时,装配式基层道路仍然出现横缝,即道路温缩裂缝。

   装配式基层由基块铺装，基块体积 0.25 m,面积约1m,基层密集均匀的接缝可以分散部分温缩应力,减少基层反射裂缝出现。但是当气温较低、降雨、昼夜温差大的情况下进行基层灌浆施工时,仍会出现温缩开裂。为了使装配式基层结构具有缓冲并吸收应力的性能,本文提出了对基块表面喷涂柔性涂层及利用插板的方法分隔灌浆料的设想,并进行了大量试验与分析。

2 柔性涂层选择与工程试验

    基块为分散独立构件,占基层体积88%，设置涂层的目的是使用柔性耐候涂层包裹基块，减少环境对块体的影响,使之成为温缩的孤岛。装配式基层涂层的性能主要应具备:①与水泥路面板块接缝壁混凝土有良好的黏合能力.在受到交通动荷载及动水损坏的双重影响下，能与接缝壁混凝土共同工作承受各种应力应变作用不发生脱落;②应有一定的韧性和较高的拉伸率,基层发生集中极限温度、荷载推移叠加伸缩变形时，不被拉断、拉裂;③具有足够的弹性和延展性，在其受到拉力、压力、剪力的作用时产生的变形,在作用消失后具有一定的弹性恢复能力4);④应具有低温抗拉能力,抵抗外界带来的破坏不发生脆裂;⑤优越的耐久性:6具备良好的工艺性能，可常温作业,适合快速作业。接缝两侧工件配合的紧密程度，决定了工作状态。接缝两侧构件弹性模量不同，各自的变形能力不同，界面状态不同，工况也就不同，导致组装体整体性能的差异性很大。这也表明，组装基层刚度性能，由基块接缝界面的性能决定。界面接触性能显示刚性,当基层发生变形时,界面变形能力弱、容易发生开裂。适当减弱界面接触刚度,提高韧性，可使基层整体变形能力增加。根据结构计算分析数据灌缝砂浆所受最大拉应力1.1 MPa，压应力0.56MPa，以此作为遴选涂层材料的依据。RDPI 型可再分散乳胶粉，拉伸强度10.0MPa,断裂伸长率8%,与水泥板粘结性好,涂层与灌浆料粘结强度高,拉伸强度高,耐疲劳,可喷涂作业。

涂层厚度计算:单板块接缝位移量计算5.ΔW=αxΔTxL

=(6.8~12.7)x10-9℃x0.7x22.2℃x5 000=0.53 mm~0.99 mm

    式中:a为混凝土热胀冷缩系数,6.8x10-/℃~12.7x10-/;T为构件温差，T=K(温度修正系数0.7)x At(表面温差).℃;L构件长度，mm当相同温差条件时，板块长度缩短至1000 mm，接缝位移量为0.106 mm~0.198 mm，平均为0.152 mm。

  

                         图1涂料与砂浆粘合度试验

 

 

                             图2 胶粉涂层工程试验

    国内外水泥路面填缝料经历最初的焦油、沥青、PVC 胶泥、预制胶条、改性沥青、氯丁橡胶、焦油聚氨酯、聚氨酯、改性聚氨酯,以及有机硅、聚硫橡胶等材料的发展史。我国还专门为寒冷地区研发了接缝填缝料。按作业方式分为常温施工有聚氨酯、硅酮类、氯丁橡胶、乳化沥青橡胶等,加热施工有沥青橡胶类、聚氯乙烯胶泥和沥青玛蹄脂类等6。近年水泥路面填缝料，选用硅酮、高粘沥青和聚氨酯 3种材料较多。资料表明使用聚合物填缝料初期成本高、寿命长。

    经过选用K11防水涂料、单组份水溶性聚氨酯 I型、可再分散乳胶粉3种材料进行与砂浆试块黏合层强度试验。K11,聚氨酯为商品材料直接喷涂。可再分散乳胶粉采购自安徽皖维花山新材料有限责任公司，皖维牌，标准号Q/WW 02.004，型号8020,胶粉与水配合比为 1:0.7 重量比。涂层采用喷涂工艺,喷涂设备为水泥浆多功能高压喷涂腻子灌注机,作业压力 0.8 MPa,各喷涂材料均使用一字扁喷嘴。涂层厚度采用超声波测厚仪和卡尺检测涂层揭片厚度的方式。平均厚度为:150μm ~200μm。试件尺寸:边长为100 mmx100mmx100mm立方体试块,试块相对应面喷涂不同涂料,涂料厚度1mm块体之间由砂浆填充,填充 10 mm 砂浆。采用如图1所示方式测试。

 

由表1可知,聚氨酯涂料的抗折性能明细高于可再分散性乳胶粉和K11组。

    选取长春市内2条道路开展RDPI型可再分散胶粉涂层工程对比试验。路宽9m，道路结构为5 cm中粒式沥青混凝(AC-16C),6cm中粒式沥青混凝(AC-20C),30cm装配式基层，20cm级配碎石。在普通基块路段594m与基块侧面喷涂胶粉的路段612m进行对比试验。施工时间2019年11月 3日，气温-5℃~8℃。试验段2019年10月28日至11月2日喷涂,铺装后灌浆(见图 2)。

2020年12月24日对试验段及对比段进行路面裂缝观测并计算，观测气温-17℃，低温开裂指数计算7:CI=A/Lx100式中:CI为低温开裂指数，每100m长道路横向裂缝的条数;A为道路横向裂缝个数;L为道路长度m，获得结果见表 2。

    根据观测结果可知:①基块侧面喷涂柔性涂层可减少装配式基层沥青路面温缩裂缝的发生;②横缝最大间距300m,间距不均,初步判断原因有土基密实度不均匀及涂层发生低温脆断。试验室取涂层薄片经低温抗折试验，-7℃，弯折试验时发生脆断，证明涂层材料低温韧性不好,不适合北方寒冷地区使用,或可在南方非冻胀区使用。根据资料表明(见表3)聚氨酯、聚脲等材料技术指标良好,采用聚氨酯及聚脲等材料喷涂进行二期试验,探索不同材料涂层在冻胀地区的效果。

 

3插板选择与工程试验

      铺装时基块之间由空隙隔开.接缝灌浆后使各基块湿接为基层整体(见图 3)。基块之间的空隙是相互联通的,因此接缝体也是连通的网格式整体框架--砂浆网格。采用插板在基层横断切断砂浆网络(见图 4)。

     

                 图3装配式基层整体                    图4 砂浆网格

    基块涂层不能预防灌浆料的温缩,基块接缝的相互联通使灌浆料形成连续的网格框架,预防灌浆料的干缩与温缩需要在灌浆料通道设置硬隔断,使灌浆料在纵向长度被分隔成较短的数段，减弱温缩的连续性。隔断间距可根据当地最大温差，以基层某长度内积累温缩量小于沥青混凝土面层隔断处抗拉变形量控制，具体数据还应通过实际工程检验。通过在横排基块之间的竖槽内增加隔断材料来实现灌浆料的分隔,隔断材料选用设有杯形凹坑的塑料插板,插板工作宽度 15 cm,长30 cm(见图 5),沿着基层横断安装在基块纵向竖槽内,插板布设的横断间距应根据当地气温调整。对于宽度较大的道路,还可在基块横向竖槽内设置纵向隔断,形成隔断网格,减弱灌缝料在道路横向的温缩影响。

     

                               图5 隔板

 

    传统伸缩缝在道路横断呈一条连续的直线,水泥路面接缝两端分别属于不同板块,工作状态下板块间有弯沉差，较大的弯沉差会引起反射裂缝出现。隔断插板与水泥路面的不同之处在于设置隔断插板的基层具有多重预防反射裂缝的措施:第一、接缝不具有连续性,在道路横断各插板之间由基块间隔开1m的距离，间隔布置，占空比约 1:11;第二,插板处在同一个基块的接缝中段,接缝体与基块侧面有横槽约束,应变与基块同步,不具备产生较大弯沉差的条件;第三,插板杯形凹坑形成的现浇榫卯具有抗剪措施可增加插板两侧接缝体应变协调性;第四,插板呈马蹄形弯曲其张力使插板卡在槽内保持固定位置,两片重叠的插板紧密贴合既能隔断两侧的灌浆料又容易在温缩应力作用下产生应变满足温缩需要;第五,将插板双层重叠后呈马蹄形插入竖槽,插板顶面弯曲的断面不利于裂缝扩展与相邻插板连通;第六,插板在基层纵向间距6 m。以上各项综合措施使插板两侧弯沉差被有效限制,因此能够预防反射裂缝产生。

                                图6 插板试验

   长春市某次干路2幅x12m，分别在南北2幅路段开展基层插板工程对比试验,试验段横向每隔5块进行竖槽内插双层塑料板(见图6),现场可观测出其阻隔砂浆作用显著。道路结构为5cm,中粒式SBS改性沥青混土(AC-16C),8cm粗粒式沥青混凝土(AC-25C),30cm装配式基层(设置插板与不设置插板对比)，20cm级配碎石。

   2020年12月14日对试验段及对比段进行路面裂缝观测,气温-24℃,结果见表 4。根据观测结果可知:①装配式基层采用侧面插板工艺较未插板预防反射裂缝的作用显著,且该工艺简单、造价较低;②由于单纯使用插板时,砂浆体侧面与基块有黏合作业,砂浆体不能脱离基块发生收缩,因此认为单独使用插板时,隔断作用有限。在气温-22℃时,温缩应力较小,插板尚能发挥隔断作用,当气温下降到更低温度时，基层积累的温缩应力增大,砂浆体与基块界面的黏合作用导致收缩受阻碍,仍然可能引起基层横向砂浆体与基块接缝处开裂,因此涂层与插板联合使用效果可能更好。表4低温开裂指数试验记录表。道路名称 灌浆日期 灌浆气温/℃ 路段长/m 裂缝间距/m 裂缝数1/条 最大间距/m 低温开裂指数

4 结语

1)预制基块占基层体积约 88%,在铺装前已经完成干缩。基块顶面、底部、侧面均被沥青层或柔性材料包裹，其干缩与温缩应力的扩散范围被控制。基块的温缩应力被包裹的涂层通过拉伸应变吸收。按一定间距设置的插板隔断灌缝体的干缩与温缩，在两层插板的接缝处被释放。

2)装配式基层采用基块铺装,基层有数量众多且均匀密集的接缝，具有应力分散化结构优势，有望通过涂层及插板技术减弱道路温缩裂缝的发生，对提高道路寿命，较少道路维护费用具有重大意义。

3)根据当地最低气温和道路设计寿命可选用聚氨酯、聚脲等材料开展喷涂试验,预计预防裂缝效果会较喷涂可在分散乳胶粉涂层更优。

参考文献

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[7]中交路桥技术有限公司.公路沥青路面设计规范:JTG D50-2017[S]北京:人民交通出版社2017.编辑:付强