半剛性基層瀝青路面裂縫處治技術研究

周懷恩

（中國城市建設研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

半剛性基礎瀝青路面具有強度穩(wěn)定、行車舒適性好等優(yōu)點被廣泛應用于高等級公路中，據(jù)不完全統(tǒng)計，約92%以上的高速公路采用了半剛性基礎瀝青路面結構[1]。但伴隨著高速公路交通量和軸載的增長，現(xiàn)有半剛性基礎瀝青路面也出現(xiàn)了相關的路面病害。其中，路表反射裂縫較為常見。相關公路病害調研表明：高速公路在建成開通后的第二年起均會出現(xiàn)一定程度的裂縫病害。鉆芯取樣觀察表明，路面裂縫大都是由基層開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就顯得尤為重要。半剛性基層材料主要包括水泥穩(wěn)定類、水泥粉煤灰穩(wěn)定類、石灰粉煤灰穩(wěn)定類等，均是采用水硬化材料，通過水化反應增強材料的強度等級[5]。因此，半剛性基層材料受溫度、濕度的變化會產(chǎn)生一定的收縮變形，進而導致局部應力集中和裂縫開展[6]。劉芳[7]通過將乙烯基酯樹脂、聚氨酯、交聯(lián)劑與穩(wěn)定劑進行混合調配制成裂縫填補材料，實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行反射裂縫填補，材料密實性和強度較好；王超杰[9]采用水灰比、粉煤灰、聚合物進行裂縫填補材料研制，優(yōu)選了各組成材料的具體摻配范圍。李阿雷[10]以地聚合物為試驗材料進行淺層裂縫注漿修補加固的試驗研究，對抑制裂縫開展起到一定作用。基于此，現(xiàn)結合現(xiàn)有半剛性基層瀝青路面裂縫處治技術，分別采用不同配比的環(huán)氧改性聚氨酯材料進行帶裂縫瀝青混合料試件的修復試驗，旨在進一步提升瀝青路面反射裂縫的處治技術水平。

1 瀝青路面裂縫成因分析

該項研究對河南省半剛性基層瀝青路面病害進行調研分析，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，半剛性基礎瀝青路面中裂縫類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、骨料在水化反應后達到一定強度等級，受溫度和干燥收縮影響，碎石材料間易產(chǎn)生一定的變形，表層微裂縫隨應力集中進行擴展延伸，直至形成宏觀裂縫。在長期的荷載作用下，瀝青路面會產(chǎn)生疲勞損傷，基層裂縫會產(chǎn)生反射作用，裂縫會隨碎石基層材料間隙往上蔓延，直至造成面層裂縫損傷。隨著車輛荷載的往復作用，面層裂縫會逐漸擴展，直至形成網(wǎng)狀裂縫或龜裂。對于此類病害問題，需進行裂縫修補處治。在必要條件下，要對基層裂縫進行灌膠/ 灌漿修復。

2 瀝青路面裂縫修補技術

瀝青路面裂縫的修補可以延緩裂縫開展速率，降低雨水灌入對內部水穩(wěn)碎石的侵蝕。瀝青路面裂縫的修補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展，填充料能夠盡可能充實裂縫，實現(xiàn)裂縫的有效的彌合封閉。裂縫修補應避免雨季，雨水的灌入沖刷會使得裂縫內部松散易脫落，降低修補膠體結構的強度。目前的路面裂縫修補技術主要有三類：開槽灌縫、傳統(tǒng)灌縫和壓力注漿修補。

2.1 開槽灌縫

開槽灌縫是技術人員通過專門的機械化設備進行裂縫附近開槽，采用吹風設備對內部裂縫孔隙進行清灰處理，將調配好的膠體或漿液沿開槽口灌入修補。該方法適用于裂縫寬度小、裂縫分布不規(guī)則的裂縫病害，路面開槽可以拓寬裂縫灌入，方便填補材料的填充。開槽灌縫需要技術人員根據(jù)裂縫分布的情況合理規(guī)劃好開槽的具體位置和尺寸大小。開槽寬度為12～20 mm，深度為20 mm 左右，灌漿材料注入后需將槽口進行封閉和整平，根據(jù)灌縫材料的強度情況適時開放交通。

2.2 傳統(tǒng)灌縫法

傳統(tǒng)灌縫法是不通過外力擴展，直接將路面裂縫修補材料沿裂縫進行灌入修補，具體可以分為熱補和冷補兩類。熱補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、抹平、冷卻、開放交通。采用熱補法修補裂縫問題時，要注意天氣溫度范圍，溫度過高會造成路面泛油；溫度過低，會導致材料變得硬而脆。冷補法一般采用乳化瀝青，具體施工流程和熱補法相似，冷補材料具備較好的滲透性，可較好地填充內部裂縫，但高溫穩(wěn)定性較差。

2.3 壓力注漿修補

當路面出現(xiàn)連續(xù)大面積結構性破壞損傷時，可采用壓力注漿修補，可有效實現(xiàn)半剛性基層中的內部反射裂縫修補，通過外部壓力調控將漿體材料沿孔隙走向注入到道路基層深處，可實現(xiàn)道路內部空洞密實和強度提升。壓力注漿的技術難度較大，成本相對較高，但對半剛性基層反射裂縫的修復效果最為明顯。需要注漿材料具備較好的流動性、密實性、滲透性和黏結性。

3 裂縫修補材料性能試驗研究

該項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材料，并將其應用到帶裂縫工作的瀝青混合料試件中，進行力學性能試驗，優(yōu)選出修復效果較好的聚合物改性材料。

3.1 聚氨酯

聚氨酯（polyurethane）是一種有機高分子材料，簡寫為PU，具有較好耐磨性、黏結性和耐久性，被廣泛應用于工業(yè)產(chǎn)品中。將其應用于道路修復中可實現(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)氧樹脂中的一類，也成為乙烯基酯樹脂，簡寫為VE，具有較好的耐腐蝕效果。除此之外，其黏結性、耐熱性和韌性均較好，將其與聚氨酯進行調和，可制備得到密實性和滲透性較好的化學高分子材料。

3.3 交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑

為有效地促進聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯的均勻調和，在拌合過程中摻入交聯(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量的5%和8%。

3.4 聚合物改性修復材料的制備

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)氧丙烯酸酯進行正交試驗對比。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)特定溫度融化后進行混合，采用高速剪切拌合設備攪拌10 min，逐次加入固定摻量的交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑并進行攪拌，靜置20 min 中進行穩(wěn)定反應。對上述4 類不同聚合物改性修復材料進行黏結強度和拉伸強度測試，試驗結果如表1 和表2 所列。

將上述不同的黏結強度和拉伸強度試驗結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，聚合物的黏結強度提升。這是因為聚氨酯材料本身的黏聚性較好，高溫融化后材料的黏度大，流動性弱。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材料的抗拉收縮變形。因此，需要進一步結合對瀝青混合料裂縫修復效果進行試驗對比，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強度和拉伸強度曲線圖

表1 聚合物改性修復材料粘結強度一覽表

表2 聚合物改性修復材料拉伸強度一覽表

4 聚合物改性材料對瀝青混合料修復試驗研究

4.1 試驗方案

研究分成采用馬歇爾試驗和低溫小梁試驗進行聚合物改性材料的裂縫修復效果。根據(jù)試驗方案，將馬歇爾試樣和低溫小梁試樣分別用劈裂夾具和萬能試驗機進行中點加載，獲得兩片對稱的受外力破壞的試樣，如圖3、圖4 所示。

圖3 對稱破壞馬歇爾試樣

圖4 對稱破壞低溫小梁試樣

將不同配比的聚合物改性修復材料涂抹在對稱破壞的試樣截面，經(jīng)過特定的固化養(yǎng)生后分別進行低溫劈裂、低溫彎曲、水穩(wěn)性能試驗，并和普通原試樣測試結果進行對比，分析聚合物改性材料的裂縫修復效果。

4.2 低溫劈裂試驗

低溫劈裂試驗采用低溫小梁在-10℃環(huán)境下進行1 mm/min 的加載破壞，記錄試驗在劈裂破壞過程中的抗拉強度，試驗結果如表3 所列。

表3 低溫劈裂試驗結果一覽表

將上述結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，裂縫修補后試樣的劈裂抗拉強度逐漸增加，0.1PU+0.4VE 時，劈裂抗拉強度修復效果僅為67.97%，0.4PU+0.1VE 時， 劈裂抗拉強度修復效果為87.66%。隨著聚氨酯摻量的逐步增加，裂縫修補抗拉強度的提升速率減緩，說明劈裂強度的恢復率逐漸趨于穩(wěn)定。聚氨酯材料中具有較強的黏度組分，可以有效地實現(xiàn)裂縫間粗糙截面的黏合，實現(xiàn)裂縫的有效填充和閉合。

圖5 劈裂抗拉強度試驗結果柱狀圖

4.3 低溫彎曲試驗

低溫彎曲試驗是將小梁在標準試驗環(huán)境下進行跨中的單點加載，記錄破壞作用時對應的抗彎拉強度，試驗結果如表4 所列。

表4 低溫彎曲試驗結果一覽表

將上述結果繪制成圖分析，如圖6 所示。

圖6 抗彎拉強度試驗結果柱狀圖

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

4.4 水穩(wěn)定性

研究采用完好和裂縫修復兩類馬歇爾試件，分別進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，試驗結果如表5 所列。

表5 水穩(wěn)定性試驗結果一覽表

將上述結果繪制成圖分析，如圖7 和圖8 所示。

圖7 殘留穩(wěn)定的試驗結果曲線圖

圖8 凍融劈裂強度比試驗結果曲線圖

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材料對混合料進行裂縫修復，并進行殘留穩(wěn)定和凍融劈裂強度比值的測試分析，隨著聚氨酯比例的增加，裂縫修復后的試件性能得到恢復；但聚氨酯組分過多時，會導致殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比數(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強度，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需要的是破壞界面有機協(xié)調，比例的失穩(wěn)易造成裂縫修復后耐久性降低。

5 工程應用

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

表6 劈裂抗拉強度、抗彎拉強度試驗結果一覽表

相關鉆芯測點試驗表明，采用聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯進行比列調配可生產(chǎn)聚合物改性裂縫修復材料，對于路面裂縫處治具有重要應用價值。

6 結語

通過對半剛性基層瀝青路面裂縫產(chǎn)生表象及成因進行分析，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材料，分別對聚合物改性材料性能和其對帶裂縫混合料試樣的修復效果進行對比研究，優(yōu)選出0.3PU+0.2VE 的制備比列應用于實際路面裂縫修復中，并取得較好的裂縫修復效果。