裝配式基層設置涂層與插板預防溫縮裂縫試驗

戰(zhàn)宏宇，張 旭，遲文仲，郭 高

（長春市市政工程設計研究院，吉林 長春 130033）

1 裝配式基層收縮現(xiàn)象及特點

通常將溫縮和干縮引起的瀝青路面反射裂縫統(tǒng)稱為溫度型反射裂縫[1]。由于環(huán)境溫濕度變化與土基密實度差異性及荷載的影響，在剛柔復合式路面接縫處產(chǎn)生的反射裂縫仍然是水泥路面加鋪層的主要病害[2]，反射裂縫特點是間距小、數(shù)量大、縱橫交錯，養(yǎng)護難度大，因此預防或延緩反射裂縫的出現(xiàn)是延長瀝青混凝土加鋪層使用壽命的關鍵[3]。

裝配式基層采用基塊鋪裝、接縫灌漿及兩側用混凝土封邊的工藝。基層由基塊和砂漿網(wǎng)格組成，在道路罩面之前，塊體干縮受成型后在儲運、鋪裝、灌漿及養(yǎng)生過程降雨量的影響，在非降雨季節(jié)，基塊出廠前已完成塊體大部分干縮，基層干縮主要由砂漿產(chǎn)生。砂漿占基層總體約為12%，灌縫料在灌漿后從初凝到終凝會產(chǎn)生干縮變形。裝配式基層通過水泥砂漿澆筑成基層整體與水泥混凝土路面溫縮裂縫破壞機理一致。與傳統(tǒng)水泥混凝土路面不同，裝配式基層采用三維嵌擠結構，具有更好的傳荷能力及板體性，根據(jù)長期跟蹤長春市裝配式基層道路，自2014 年開展正式工程應用已通車50 條道路，尚未發(fā)現(xiàn)方格網(wǎng)狀反射裂縫的發(fā)生，但由于北方寒冷氣候，當溫度達到-20℃左右時，裝配式基層道路仍然出現(xiàn)橫縫，即道路溫縮裂縫。

裝配式基層由基塊鋪裝，基塊體積0.25 m3，面積約1 m2，基層密集均勻的接縫可以分散部分溫縮應力，減少基層反射裂縫出現(xiàn)。但是當氣溫較低、降雨、晝夜溫差大的情況下進行基層灌漿施工時，仍會出現(xiàn)溫縮開裂。為了使裝配式基層結構具有緩沖并吸收應力的性能，本文提出了對基塊表面噴涂柔性涂層及利用插板的方法分隔灌漿料的設想，并進行了大量試驗與分析。

2 柔性涂層選擇與工程試驗

基塊為分散獨立構件，占基層體積88%，設置涂層的目的是使用柔性耐候涂層包裹基塊，減少環(huán)境對塊體的影響，使之成為溫縮的孤島。

裝配式基層涂層的性能主要應具備：①與水泥路面板塊接縫壁混凝土有良好的黏合能力，在受到交通動荷載及動水損壞的雙重影響下，能與接縫壁混凝土共同工作承受各種應力應變作用不發(fā)生脫落；②應有一定的韌性和較高的拉伸率，基層發(fā)生集中極限溫度、荷載推移疊加伸縮變形時，不被拉斷、拉裂；③具有足夠的彈性和延展性，在其受到拉力、壓力、剪力的作用時產(chǎn)生的變形，在作用消失后具有一定的彈性恢復能力[4]；④應具有低溫抗拉能力，抵抗外界帶來的破壞不發(fā)生脆裂；⑤優(yōu)越的耐久性；⑥具備良好的工藝性能，可常溫作業(yè)，適合快速作業(yè)。接縫兩側工件配合的緊密程度，決定了工作狀態(tài)。接縫兩側構件彈性模量不同，各自的變形能力不同，界面狀態(tài)不同，工況也就不同，導致組裝體整體性能的差異性很大。這也表明，組裝基層剛度性能，由基塊接縫界面的性能決定。界面接觸性能顯示剛性，當基層發(fā)生變形時，界面變形能力弱，容易發(fā)生開裂。適當減弱界面接觸剛度，提高韌性，可使基層整體變形能力增加。

根據(jù)結構計算分析數(shù)據(jù)灌縫砂漿所受最大拉應力1.1 MPa，壓應力0.56 MPa，以此作為遴選涂層材料的依據(jù)。RDPI 型可再分散乳膠粉，拉伸強度10.0 MPa，斷裂伸長率8%，與水泥板粘結性好，涂層與灌漿料粘結強度高，拉伸強度高，耐疲勞，可噴涂作業(yè)。

涂層厚度計算：單板塊接縫位移量計算[5]，

式中：α 為混凝土熱脹冷縮系數(shù)，6.8×10-6/℃~12.7×10-6/℃；ΔT 為構件溫差，ΔT=K（溫度修正系數(shù) 0.7）×Δ（t表面溫差），℃；L 構件長度，mm。

當相同溫差條件時，板塊長度縮短至1 000 mm，接縫位移量為0.106 mm~0.198 mm，平均為0.152 mm。

國內(nèi)外水泥路面填縫料經(jīng)歷最初的焦油、瀝青、PVC 膠泥、預制膠條、改性瀝青、氯丁橡膠、焦油聚氨酯、聚氨酯、改性聚氨酯，以及有機硅、聚硫橡膠等材料的發(fā)展史。我國還專門為寒冷地區(qū)研發(fā)了接縫填縫料。按作業(yè)方式分為常溫施工有聚氨酯、硅酮類、氯丁橡膠、乳化瀝青橡膠等，加熱施工有瀝青橡膠類、聚氯乙烯膠泥和瀝青瑪蹄脂類等[6]。近年水泥路面填縫料，選用硅酮、高粘瀝青和聚氨酯3種材料較多。資料表明使用聚合物填縫料初期成本高、壽命長。

經(jīng)過選用K11 防水涂料、單組份水溶性聚氨酯Ⅰ型、可再分散乳膠粉3 種材料進行與砂漿試塊黏合層強度試驗。K11，聚氨酯為商品材料直接噴涂，可再分散乳膠粉采購自安徽皖維花山新材料有限責任公司，皖維牌，標準號Q/WW 02.004，型號8020，膠粉與水配合比為1:0.7 重量比。涂層采用噴涂工藝，噴涂設備為水泥漿多功能高壓噴涂膩子灌注機，作業(yè)壓力0.8 MPa，各噴涂材料均使用一字扁噴嘴。涂層厚度采用超聲波測厚儀和卡尺檢測涂層揭片厚度的方式。平均厚度為：150 μm ~200 μm。試件尺寸：邊長為 100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊，試塊相對應面噴涂不同涂料，涂料厚度1 mm，塊體之間由砂漿填充，填充10 mm 砂漿。采用如圖1 所示方式測試。

圖1 涂料與砂漿黏合度試驗

抗折強度結果見表1。

表1 K11，聚氨酯及可再分散乳膠粉試件抗折強度表 MPa

由表1 可知，聚氨酯涂料的抗折性能明細高于可再分散性乳膠粉和K11 組。

選取長春市內(nèi)2 條道路開展RDPI 型可再分散膠粉涂層工程對比試驗。路寬9 m，道路結構為5 cm 中粒式瀝青混凝（AC-16C），6 cm 中粒式瀝青混凝（AC-20C），30 cm 裝配式基層，20 cm 級配碎石。在普通基塊路段594 m 與基塊側面噴涂膠粉的路段612 m 進行對比試驗。施工時間2019 年11 月3日，氣溫-5℃~8℃。試驗段 2019 年 10 月 28 日至 11月2 日噴涂，鋪裝后灌漿（見圖2）。

圖2 膠粉涂層工程試驗

2020 年12 月24 日對試驗段及對比段進行路面裂縫觀測并計算，觀測氣溫-17℃，低溫開裂指數(shù)計算[7]：

式中：CI 為低溫開裂指數(shù)，每100 m 長道路橫向裂縫的條數(shù)；A 為道路橫向裂縫個數(shù)；L 為道路長度，m。

獲得結果見表2。

表2 低溫開裂指數(shù)試驗記錄表

根據(jù)觀測結果可知：①基塊側面噴涂柔性涂層可減少裝配式基層瀝青路面溫縮裂縫的發(fā)生；②橫縫最大間距300 m，間距不均，初步判斷原因有土基密實度不均勻及涂層發(fā)生低溫脆斷。試驗室取涂層薄片經(jīng)低溫抗折試驗，-7℃，彎折試驗時發(fā)生脆斷，證明涂層材料低溫韌性不好，不適合北方寒冷地區(qū)使用，或可在南方非凍脹區(qū)使用。

根據(jù)資料表明（見表3）聚氨酯、聚脲等材料技術指標良好，采用聚氨酯及聚脲等材料噴涂進行二期試驗，探索不同材料涂層在凍脹地區(qū)的效果。

表3 不同材料涂層在凍脹地區(qū)的效果對照表

3 插板選擇與工程試驗

鋪裝時基塊之間由空隙隔開，接縫灌漿后使各基塊濕接為基層整體（見圖3）。基塊之間的空隙是相互聯(lián)通的，因此接縫體也是連通的網(wǎng)格式整體框架——砂漿網(wǎng)格。采用插板在基層橫斷切斷砂漿網(wǎng)絡（見圖 4）。

圖3 裝配式基層整體

圖4 砂漿網(wǎng)格隔斷

基塊涂層不能預防灌漿料的溫縮，基塊接縫的相互聯(lián)通使灌漿料形成連續(xù)的網(wǎng)格框架，預防灌漿料的干縮與溫縮需要在灌漿料通道設置硬隔斷，使灌漿料在縱向長度被分隔成較短的數(shù)段，減弱溫縮的連續(xù)性。隔斷間距可根據(jù)當?shù)刈畲鬁夭睿曰鶎幽抽L度內(nèi)積累溫縮量小于瀝青混凝土面層隔斷處抗拉變形量控制，具體數(shù)據(jù)還應通過實際工程檢驗。通過在橫排基塊之間的豎槽內(nèi)增加隔斷材料來實現(xiàn)灌漿料的分隔, 隔斷材料選用設有杯形凹坑的塑料插板，插板工作寬度15 cm，長30 cm（見圖5），沿著基層橫斷安裝在基塊縱向豎槽內(nèi)，插板布設的橫斷間距應根據(jù)當?shù)貧鉁卣{整。對于寬度較大的道路，還可在基塊橫向豎槽內(nèi)設置縱向隔斷，形成隔斷網(wǎng)格，減弱灌縫料在道路橫向的溫縮影響。

圖5 隔板

傳統(tǒng)伸縮縫在道路橫斷呈一條連續(xù)的直線，水泥路面接縫兩端分別屬于不同板塊，工作狀態(tài)下板塊間有彎沉差，較大的彎沉差會引起反射裂縫出現(xiàn)。隔斷插板與水泥路面的不同之處在于設置隔斷插板的基層具有多重預防反射裂縫的措施：第一，接縫不具有連續(xù)性，在道路橫斷各插板之間由基塊間隔開1 m 的距離，間隔布置，占空比約1:11；第二，插板處在同一個基塊的接縫中段，接縫體與基塊側面有橫槽約束，應變與基塊同步，不具備產(chǎn)生較大彎沉差的條件；第三，插板杯形凹坑形成的現(xiàn)澆榫卯具有抗剪措施可增加插板兩側接縫體應變協(xié)調性；第四，插板呈馬蹄形彎曲其張力使插板卡在槽內(nèi)保持固定位置，兩片重疊的插板緊密貼合既能隔斷兩側的灌漿料又容易在溫縮應力作用下產(chǎn)生應變滿足溫縮需要；第五，將插板雙層重疊后呈馬蹄形插入豎槽，插板頂面彎曲的斷面不利于裂縫擴展與相鄰插板連通；第六，插板在基層縱向間距6 m。以上各項綜合措施使插板兩側彎沉差被有效限制，因此能夠預防反射裂縫產(chǎn)生。

長春市某次干路2 幅×12 m，分別在南北2 幅路段開展基層插板工程對比試驗，試驗段橫向每隔5 塊進行豎槽內(nèi)插雙層塑料板（見圖6），現(xiàn)場可觀測出其阻隔砂漿作用顯著。道路結構為5 cm，中粒式SBS 改性瀝青混土(AC-16C)，8 cm 粗粒式瀝青混凝土(AC-25C)，30 cm 裝配式基層（設置插板與不設置插板對比），20 cm 級配碎石。

圖6 插板試驗

2020 年12 月14 日對試驗段及對比段進行路面裂縫觀測，氣溫-24℃，結果見表4。

表4 低溫開裂指數(shù)試驗記錄表

根據(jù)觀測結果可知：①裝配式基層采用側面插板工藝較未插板預防反射裂縫的作用顯著，且該工藝簡單、造價較低；②由于單純使用插板時，砂漿體側面與基塊有黏合作業(yè)，砂漿體不能脫離基塊發(fā)生收縮，因此認為單獨使用插板時，隔斷作用有限。在氣溫-22℃時，溫縮應力較小，插板尚能發(fā)揮隔斷作用，當氣溫下降到更低溫度時，基層積累的溫縮應力增大，砂漿體與基塊界面的黏合作用導致收縮受阻礙，仍然可能引起基層橫向砂漿體與基塊接縫處開裂，因此涂層與插板聯(lián)合使用效果可能更好。

4 結語

1）預制基塊占基層體積約88%，在鋪裝前已經(jīng)完成干縮。基塊頂面、底部、側面均被瀝青層或柔性材料包裹，其干縮與溫縮應力的擴散范圍被控制。基塊的溫縮應力被包裹的涂層通過拉伸應變吸收。按一定間距設置的插板隔斷灌縫體的干縮與溫縮，在兩層插板的接縫處被釋放。

2）裝配式基層采用基塊鋪裝，基層有數(shù)量眾多且均勻密集的接縫，具有應力分散化結構優(yōu)勢，有望通過涂層及插板技術減弱道路溫縮裂縫的發(fā)生，對提高道路壽命，較少道路維護費用具有重大意義。

3）根據(jù)當?shù)刈畹蜌鉁睾偷缆吩O計壽命可選用聚氨酯、聚脲等材料開展噴涂試驗，預計預防裂縫效果會較噴涂可在分散乳膠粉涂層更優(yōu)。