周懷恩

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

半剛性基礎(chǔ)瀝青路面具有強(qiáng)度穩(wěn)定、行車(chē)舒適性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路中，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，約92%以上的高速公路采用了半剛性基礎(chǔ)瀝青路面結(jié)構(gòu)[1]。但伴隨著高速公路交通量和軸載的增長(zhǎng)，現(xiàn)有半剛性基礎(chǔ)瀝青路面也出現(xiàn)了相關(guān)的路面病害。其中，路表反射裂縫較為常見(jiàn)。相關(guān)公路病害調(diào)研表明：高速公路在建成開(kāi)通后的第二年起均會(huì)出現(xiàn)一定程度的裂縫病害。鉆芯取樣觀(guān)察表明，路面裂縫大都是由基層開(kāi)裂而反射作用到道路面層[2-4]。因此，研究半剛性基層瀝青路面裂縫處治技術(shù)就顯得尤為重要。半剛性基層材料主要包括水泥穩(wěn)定類(lèi)、水泥粉煤灰穩(wěn)定類(lèi)、石灰粉煤灰穩(wěn)定類(lèi)等，均是采用水硬化材料，通過(guò)水化反應(yīng)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度等級(jí)[5]。因此，半剛性基層材料受溫度、濕度的變化會(huì)產(chǎn)生一定的收縮變形，進(jìn)而導(dǎo)致局部應(yīng)力集中和裂縫開(kāi)展[6]。劉芳[7]通過(guò)將乙烯基酯樹(shù)脂、聚氨酯、交聯(lián)劑與穩(wěn)定劑進(jìn)行混合調(diào)配制成裂縫填補(bǔ)材料，實(shí)際裂縫處治效果較好；劉瀾波[8]采用雙組份高分子合成材料進(jìn)行反射裂縫填補(bǔ)，材料密實(shí)性和強(qiáng)度較好；王超杰[9]采用水灰比、粉煤灰、聚合物進(jìn)行裂縫填補(bǔ)材料研制，優(yōu)選了各組成材料的具體摻配范圍。李阿雷[10]以地聚合物為試驗(yàn)材料進(jìn)行淺層裂縫注漿修補(bǔ)加固的試驗(yàn)研究，對(duì)抑制裂縫開(kāi)展起到一定作用?；诖?，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)有半剛性基層瀝青路面裂縫處治技術(shù)，分別采用不同配比的環(huán)氧改性聚氨酯材料進(jìn)行帶裂縫瀝青混合料試件的修復(fù)試驗(yàn)，旨在進(jìn)一步提升瀝青路面反射裂縫的處治技術(shù)水平。

1 瀝青路面裂縫成因分析

該項(xiàng)研究對(duì)河南省半剛性基層瀝青路面病害進(jìn)行調(diào)研分析，典型病害主要包括橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫和龜裂，如圖1 所示。

圖1 半剛性基層瀝青路面典型病害之圖示

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，半剛性基礎(chǔ)瀝青路面中裂縫類(lèi)病害占到典型病害的34%左右。其中，橫向裂縫和縱向裂縫數(shù)量較為明顯。半剛性基層中，水泥、骨料在水化反應(yīng)后達(dá)到一定強(qiáng)度等級(jí)，受溫度和干燥收縮影響，碎石材料間易產(chǎn)生一定的變形，表層微裂縫隨應(yīng)力集中進(jìn)行擴(kuò)展延伸，直至形成宏觀(guān)裂縫。在長(zhǎng)期的荷載作用下，瀝青路面會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，基層裂縫會(huì)產(chǎn)生反射作用，裂縫會(huì)隨碎石基層材料間隙往上蔓延，直至造成面層裂縫損傷。隨著車(chē)輛荷載的往復(fù)作用，面層裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展，直至形成網(wǎng)狀裂縫或龜裂。對(duì)于此類(lèi)病害問(wèn)題，需進(jìn)行裂縫修補(bǔ)處治。在必要條件下，要對(duì)基層裂縫進(jìn)行灌膠/ 灌漿修復(fù)。

2 瀝青路面裂縫修補(bǔ)技術(shù)

瀝青路面裂縫的修補(bǔ)可以延緩裂縫開(kāi)展速率，降低雨水灌入對(duì)內(nèi)部水穩(wěn)碎石的侵蝕。瀝青路面裂縫的修補(bǔ)一般在低溫少雨季節(jié)，有利于瀝青路面及基層裂縫的有效擴(kuò)展，填充料能夠盡可能充實(shí)裂縫，實(shí)現(xiàn)裂縫的有效的彌合封閉。裂縫修補(bǔ)應(yīng)避免雨季，雨水的灌入沖刷會(huì)使得裂縫內(nèi)部松散易脫落，降低修補(bǔ)膠體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。目前的路面裂縫修補(bǔ)技術(shù)主要有三類(lèi)：開(kāi)槽灌縫、傳統(tǒng)灌縫和壓力注漿修補(bǔ)。

2.1 開(kāi)槽灌縫

開(kāi)槽灌縫是技術(shù)人員通過(guò)專(zhuān)門(mén)的機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行裂縫附近開(kāi)槽，采用吹風(fēng)設(shè)備對(duì)內(nèi)部裂縫孔隙進(jìn)行清灰處理，將調(diào)配好的膠體或漿液沿開(kāi)槽口灌入修補(bǔ)。該方法適用于裂縫寬度小、裂縫分布不規(guī)則的裂縫病害，路面開(kāi)槽可以拓寬裂縫灌入，方便填補(bǔ)材料的填充。開(kāi)槽灌縫需要技術(shù)人員根據(jù)裂縫分布的情況合理規(guī)劃好開(kāi)槽的具體位置和尺寸大小。開(kāi)槽寬度為12～20 mm，深度為20 mm 左右，灌漿材料注入后需將槽口進(jìn)行封閉和整平，根據(jù)灌縫材料的強(qiáng)度情況適時(shí)開(kāi)放交通。

2.2 傳統(tǒng)灌縫法

傳統(tǒng)灌縫法是不通過(guò)外力擴(kuò)展，直接將路面裂縫修補(bǔ)材料沿裂縫進(jìn)行灌入修補(bǔ)，具體可以分為熱補(bǔ)和冷補(bǔ)兩類(lèi)。熱補(bǔ)材料主要為石油瀝青等熱熔性材料，具體施工工藝為除塵、熱瀝青、填補(bǔ)、抹平、冷卻、開(kāi)放交通。采用熱補(bǔ)法修補(bǔ)裂縫問(wèn)題時(shí)，要注意天氣溫度范圍，溫度過(guò)高會(huì)造成路面泛油；溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致材料變得硬而脆。冷補(bǔ)法一般采用乳化瀝青，具體施工流程和熱補(bǔ)法相似，冷補(bǔ)材料具備較好的滲透性，可較好地填充內(nèi)部裂縫，但高溫穩(wěn)定性較差。

2.3 壓力注漿修補(bǔ)

當(dāng)路面出現(xiàn)連續(xù)大面積結(jié)構(gòu)性破壞損傷時(shí)，可采用壓力注漿修補(bǔ)，可有效實(shí)現(xiàn)半剛性基層中的內(nèi)部反射裂縫修補(bǔ)，通過(guò)外部壓力調(diào)控將漿體材料沿孔隙走向注入到道路基層深處，可實(shí)現(xiàn)道路內(nèi)部空洞密實(shí)和強(qiáng)度提升。壓力注漿的技術(shù)難度較大，成本相對(duì)較高，但對(duì)半剛性基層反射裂縫的修復(fù)效果最為明顯。需要注漿材料具備較好的流動(dòng)性、密實(shí)性、滲透性和黏結(jié)性。

3 裂縫修補(bǔ)材料性能試驗(yàn)研究

該項(xiàng)研究采用聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯為主要材料，添加一定比例的交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑制備聚合物改性修復(fù)材料，并將其應(yīng)用到帶裂縫工作的瀝青混合料試件中，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，優(yōu)選出修復(fù)效果較好的聚合物改性材料。

3.1 聚氨酯

聚氨酯（polyurethane）是一種有機(jī)高分子材料，簡(jiǎn)寫(xiě)為PU，具有較好耐磨性、黏結(jié)性和耐久性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品中。將其應(yīng)用于道路修復(fù)中可實(shí)現(xiàn)裂縫的封閉。

3.2 環(huán)氧丙烯酸酯

環(huán)氧丙烯酸酯（Xinyl Ester Resins）是環(huán)氧樹(shù)脂中的一類(lèi)，也成為乙烯基酯樹(shù)脂，簡(jiǎn)寫(xiě)為VE，具有較好的耐腐蝕效果。除此之外，其黏結(jié)性、耐熱性和韌性均較好，將其與聚氨酯進(jìn)行調(diào)和，可制備得到密實(shí)性和滲透性較好的化學(xué)高分子材料。

3.3 交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑

為有效地促進(jìn)聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯的均勻調(diào)和，在拌合過(guò)程中摻入交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑。摻入比列分別為聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯材料總質(zhì)量的5%和8%。

3.4 聚合物改性修復(fù)材料的制備

為深入研究不同聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯摻量對(duì)改性材料性能的綜合影響，分別采用不同摻量的聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯進(jìn)行正交試驗(yàn)對(duì)比。具體配比為：0.1PU+0.4VE、0.2PU+0.3VE、0.3PU+0.2VE、0.4PU+0.1VE。將聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯材料經(jīng)特定溫度融化后進(jìn)行混合，采用高速剪切拌合設(shè)備攪拌10 min，逐次加入固定摻量的交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑并進(jìn)行攪拌，靜置20 min 中進(jìn)行穩(wěn)定反應(yīng)。對(duì)上述4 類(lèi)不同聚合物改性修復(fù)材料進(jìn)行黏結(jié)強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表1 和表2 所列。

將上述不同的黏結(jié)強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果繪制成圖予以分析，如圖2 所示。

由表1、表2 和圖2 可知，隨著聚氨酯（PU）比例的增加，聚合物的黏結(jié)強(qiáng)度提升。這是因?yàn)榫郯滨ゲ牧媳旧淼酿ぞ坌暂^好，高溫融化后材料的黏度大，流動(dòng)性弱。能夠有效裹附環(huán)氧丙烯酸酯材料。而環(huán)氧丙烯酸酯（VE）比例減小后，聚合物的拉伸強(qiáng)度減弱，其主要原因是環(huán)氧丙烯酸酯材料本身具備一定的耐久性和韌性，組分的增加能夠增強(qiáng)材料的抗拉收縮變形。因此，需要進(jìn)一步結(jié)合對(duì)瀝青混合料裂縫修復(fù)效果進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，確定最佳的聚合物改性材料配比。

圖2 不同組合方案下聚合物材料粘結(jié)強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度曲線(xiàn)圖

表1 聚合物改性修復(fù)材料粘結(jié)強(qiáng)度一覽表

表2 聚合物改性修復(fù)材料拉伸強(qiáng)度一覽表

4 聚合物改性材料對(duì)瀝青混合料修復(fù)試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)方案

研究分成采用馬歇爾試驗(yàn)和低溫小梁試驗(yàn)進(jìn)行聚合物改性材料的裂縫修復(fù)效果。根據(jù)試驗(yàn)方案，將馬歇爾試樣和低溫小梁試樣分別用劈裂夾具和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行中點(diǎn)加載，獲得兩片對(duì)稱(chēng)的受外力破壞的試樣，如圖3、圖4 所示。

圖3 對(duì)稱(chēng)破壞馬歇爾試樣

圖4 對(duì)稱(chēng)破壞低溫小梁試樣

將不同配比的聚合物改性修復(fù)材料涂抹在對(duì)稱(chēng)破壞的試樣截面，經(jīng)過(guò)特定的固化養(yǎng)生后分別進(jìn)行低溫劈裂、低溫彎曲、水穩(wěn)性能試驗(yàn)，并和普通原試樣測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析聚合物改性材料的裂縫修復(fù)效果。

4.2 低溫劈裂試驗(yàn)

低溫劈裂試驗(yàn)采用低溫小梁在-10℃環(huán)境下進(jìn)行1 mm/min 的加載破壞，記錄試驗(yàn)在劈裂破壞過(guò)程中的抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所列。

表3 低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果一覽表

將上述結(jié)果繪制成圖予以分析，如圖5 所示。

由表3、圖5 可知，隨著聚氨酯組分的不斷增加，裂縫修補(bǔ)后試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增加，0.1PU+0.4VE 時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度修復(fù)效果僅為67.97%，0.4PU+0.1VE 時(shí)， 劈裂抗拉強(qiáng)度修復(fù)效果為87.66%。隨著聚氨酯摻量的逐步增加，裂縫修補(bǔ)抗拉強(qiáng)度的提升速率減緩，說(shuō)明劈裂強(qiáng)度的恢復(fù)率逐漸趨于穩(wěn)定。聚氨酯材料中具有較強(qiáng)的黏度組分，可以有效地實(shí)現(xiàn)裂縫間粗糙截面的黏合，實(shí)現(xiàn)裂縫的有效填充和閉合。

圖5 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

4.3 低溫彎曲試驗(yàn)

低溫彎曲試驗(yàn)是將小梁在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行跨中的單點(diǎn)加載，記錄破壞作用時(shí)對(duì)應(yīng)的抗彎拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所列。

表4 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果一覽表

將上述結(jié)果繪制成圖分析，如圖6 所示。

圖6 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由表4、圖6 可知，抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，4 種不同組合比例下，聚合物改性材料修復(fù)后試件的抗彎拉強(qiáng)度恢復(fù)率分別為71.97%、78.22%、82.17%和83.06%，聚氨酯材料摻量的增加對(duì)于混合料裂縫修復(fù)是有顯著效果的，但摻量過(guò)多亦會(huì)造成內(nèi)部組分比例的不協(xié)調(diào)。

4.4 水穩(wěn)定性

研究采用完好和裂縫修復(fù)兩類(lèi)馬歇爾試件，分別進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所列。

表5 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果一覽表

將上述結(jié)果繪制成圖分析，如圖7 和圖8 所示。

圖7 殘留穩(wěn)定的試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)圖

圖8 凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)圖

由表5 及圖7、圖8 可知，采用不同組合比例的聚合物改性修復(fù)材料對(duì)混合料進(jìn)行裂縫修復(fù)，并進(jìn)行殘留穩(wěn)定和凍融劈裂強(qiáng)度比值的測(cè)試分析，隨著聚氨酯比例的增加，裂縫修復(fù)后的試件性能得到恢復(fù)；但聚氨酯組分過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比數(shù)值在一定程度上下降，造成水穩(wěn)定性的不穩(wěn)定。其主要原因是聚氨酯中的黏度組分可以提升材料的黏結(jié)強(qiáng)度，環(huán)氧丙烯酸酯可提升材料的韌性，但混合料的界面損傷修復(fù)需要的是破壞界面有機(jī)協(xié)調(diào)，比例的失穩(wěn)易造成裂縫修復(fù)后耐久性降低。

5 工程應(yīng)用

研究表明，0.3PU+0.2VE 調(diào)配比例下的聚合物改性修復(fù)材料能夠顯著促使混合料破壞界面修補(bǔ)粘合，二次試驗(yàn)表明修復(fù)材料對(duì)混合料的劈裂抗拉、抗彎拉、水穩(wěn)定性具有一定性能恢復(fù)，恢復(fù)率在80%以上。在河南某一級(jí)公路裂縫處治工程中，采用了該配比聚合物改性修復(fù)材料進(jìn)行壓力注膠裂縫修復(fù)，并對(duì)部分路段進(jìn)行鉆芯取樣試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果如表6所列。

表6 劈裂抗拉強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果一覽表

相關(guān)鉆芯測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)表明，采用聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯進(jìn)行比列調(diào)配可生產(chǎn)聚合物改性裂縫修復(fù)材料，對(duì)于路面裂縫處治具有重要應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)半剛性基層瀝青路面裂縫產(chǎn)生表象及成因進(jìn)行分析，采用聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯按不同比列制備聚合物改性修復(fù)材料，分別對(duì)聚合物改性材料性能和其對(duì)帶裂縫混合料試樣的修復(fù)效果進(jìn)行對(duì)比研究，優(yōu)選出0.3PU+0.2VE 的制備比列應(yīng)用于實(shí)際路面裂縫修復(fù)中，并取得較好的裂縫修復(fù)效果。