無縫式伸縮縫材料研究現狀及發展綜述

陳偉樂，張雙嬌，金文良，夏豐勇，李玉鵬

（1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

0 引言

近年來，我國在橋隧建設領域取得了巨大的進步和豐碩的成果，修建了港珠澳大橋和南昌紅谷沉管隧道等重大工程[1-4]。伸縮縫作為橋隧工程的重要附屬部分，其質量直接關系到橋隧工程的質量和安全。在服役過程中，伸縮縫接縫處會產生規律性變形，如果材料選擇或結構設計不合理，伸縮縫部位將很容易產生病害[5]。根據文獻調研，常用的伸縮縫裝置分為6 大類：填塞對接式、嵌固對接式、鋼制支撐型、橡膠組合剪切式、模數支撐式和無縫式[6]。相對于其他類型伸縮縫，無縫式伸縮縫具有整體性和耐久性好、施工和維修方便、行車舒適等優點。因此，無縫式伸縮縫在中小跨徑橋梁，尤其是伸縮變形量小于50mm 的橋梁建設中應用得越來越多[7-8]。在港珠澳大橋海底隧道及引橋部分均采用了無縫式伸縮縫結構，這是無縫式伸縮縫在國內新建工程中的首次大規模使用。

目前應用較為廣泛的無縫式伸縮縫由瀝青類材料填充[9]，該材料被國外學者統稱為APJ（As?phalt Plug Joints）材料[10]。Bramel 等人通過對APJ材料的現場使用情況、室內試驗結果的分析評估，制定了相應的設計指南[11]。美國的新英格蘭地區和瑞士對投入使用的無縫式伸縮縫進行了跟蹤調查，得到了無縫式伸縮縫不同年限的破壞情況、破壞原因及使用壽命等數據[12-13]，結果表明：界面破壞、車轍剝落是無縫式伸縮縫主要的病害形式。Ghafoori等人[14]從設計、材料、施工、養護及質量控制等角度分析了導致無縫式伸縮縫破壞的原因，并從多角度提出了改善措施。近年來，我國學者也對無縫式伸縮縫開展了大量研究。甘勇義等人[15]提出了無縫式伸縮縫結構滿足工程使用的限制條件，并在四川千合大橋上進行現場試驗，結果表明當滿足一定條件時，無縫式伸縮縫結構可應用于實際工程中。張洪等人[16]依托港珠澳大橋島隧工程新建路面項目，對其采用的BJ200 無縫式伸縮縫系統進行研究，建立了一種適合國內建設工程檢驗驗收程序的新體系。無縫式伸縮縫材料在實際應用過程中存在高溫車轍、低溫開裂、界面脫粘等問題，為此國內一些科研團隊進行了無縫式伸縮縫材料的開發及性能優化設計，研究重點集中在改善其高低溫性能，如：郭銀濤等人[17]通過正交試驗優化伸縮縫用彈塑體材料的組成，以改善其高溫性能；束冬林[18]將橡膠粉加入SBS 改性瀝青中以改善其高溫性能；唐濤[19]和謝嚴君[20]通過在瀝青中摻入不同的改性材料來改善其低溫性能。

總體而言，當前國內外對無縫式伸縮縫的研究主要集中于改善膠結料性能，而對無縫式伸縮縫材料的組成設計及關鍵性能控制指標的研究較少。本文針對無縫式伸縮縫材料在使用過程中存在的性能和病害差異化狀況，在文獻調研的基礎上，梳理無縫式伸縮縫的研究現狀及成果，分析當前研究存在的不足，對未來的研究進行展望。

1 伸縮縫膠結料

1.1 膠結料的種類

目前，無縫式伸縮縫膠結料主要分為兩類：瀝青類材料和聚氨酯類材料[16]。根據改性材料的種類，瀝青類材料又可以分為橡膠改性瀝青（如MatrixTM502 和BJ200）和SBS、SBR 復合改性瀝青（如TST材料），其高溫性能和變形性能存在不足。較為成熟的聚氨酯類材料包括WABO CRETEⅡ和巴斯夫聚氨酯，其性能良好但成本高。對于瀝青類膠結料的研究主要集中于材料開發及性能改善，對聚氨酯類膠結料的研究則集中于優化其制備工藝。

得益于瀝青材料獨特的延展回彈性能，瀝青類無縫式伸縮縫的應用較為廣泛。在20 世紀70年代，國外就開始進行瀝青類無縫式伸縮縫的研究，我國在20 世紀末引入了無縫式伸縮縫裝置。當時國內外普遍認為采用的膠結料達不到使用要求，主要是由于極端氣溫條件下，材料的脹縮量與梁體變形不匹配，導致產生較大裂縫，對行車十分不利[8]。為解決以上弊端，近年來，學者們開發研制了一些新型的無縫式伸縮縫膠結料，其組成和特征如表1所示。

表1 新型瀝青類無縫式伸縮縫膠結料

聚氨酯類材料是另一類具有代表性的無縫式伸縮縫材料。聚氨酯材料屬于熱固性材料，高低溫性能均良好，并具有優異的變形適應性，能夠吸收橫向和微量轉動變形[23]。除此以外，聚氨酯伸縮縫還具有良好的抗疲勞性能和自密實特性。聚氨酯類材料自密實的特性提供了良好的平整度，而密實的級配設計可對車輛的沖擊起到良好的緩沖作用。Gallai[24-25]研發了一種基于聚氨酯的無縫式伸縮縫材料，具有更長的使用壽命和更大的移動量；Moor[26]通過材料篩選及成分調整，研發了一種特殊的無溶劑聚氨酯材料，提高了材料的強度、彈性和耐久性；張濤[23]通過調整配比、固化時間等，改善了聚氨酯膠結料拉伸、抗撕裂和抗老化等性能，同時具有良好的拉壓回彈性能。

但是目前國內對聚氨酯材料的研究和應用相對較少[27]，缺乏與瀝青類材料的橫向對比。國內聚氨酯彈性混凝土的級配組成設計仍然參考國外經驗進行，很少有研究者對此進行深入探討。

1.2 膠結料的性能

歐洲發達國家結合本國的交通、氣候狀況等，針對瀝青類無縫式伸縮縫膠結料的性能制定了相關技術標準和規范[20]。表2 對不同規范關于瀝青類無縫式伸縮縫膠結料高溫、常溫、低溫性能的指標要求進行了對比。

表2 國外瀝青類無縫式伸縮縫膠結料標準

目前國內尚無關于瀝青類無縫式伸縮縫膠結料性能測試方法和測試指標的規范，學者們對其性能進行測試的方法不盡相同[17,19,20,22,28-29]，主要測試方法如表3所示。

表3 瀝青類無縫式伸縮縫膠結料性能測試方法

為探究更適合評價瀝青類無縫式伸縮縫膠結料性能的指標，Mo等[30]采用車轍因子作為其高溫性能的輔助評價指標，然而受瀝青膠結料高延遲彈性恢復能力的影響，該指標并不能有效評價其高溫性能。任東亞[7]認為瀝青類無縫式伸縮縫膠結料作為一種特殊的高黏彈性材料，國內外現行相關規范所采用的軟化點、車轍因子等指標對其高溫性能評價的一致性都存在偏差，不能很好地指導實際施工，而基于多應力蠕變恢復試驗的黏彈特性指標具有較好的一致性，且區分度明顯，故推薦其作為評價無縫式伸縮縫瀝青膠結料高溫性能的關鍵控制指標。

目前對于聚氨酯膠結料的性能測試指標較為單一，主要為基本性能指標、拉伸強度和斷裂伸長率。試驗表明，聚氨酯膠結料能在短時間內形成較高的強度，有利于及時開放交通[23,31]；相比于瀝青膠結料，聚氨酯膠結料具有優異的高低溫性能，其變形性能及抗熱氧、抗紫外線老化性能也更好[32]。

綜上所述，盡管對瀝青類無縫式伸縮縫膠結料的開發和性能研究較多，但是目前已研發材料的使用性能仍然不能完全滿足實際工程需求。雖然聚氨酯膠結料具有良好的使用性能，且性能顯著優于瀝青類膠結料，但是其施工和易性難以保障，且價格昂貴，制約了該類材料的大規模推廣使用。因此，無縫式伸縮縫膠結料在研究和開發方面依然存在較大的潛力，亟需開發出一種性能優異而成本更加低廉的膠結料。

2 伸縮縫材料組成設計

2.1 集料及級配設計

無縫式伸縮縫采用的集料應該具有良好的磨光值、磨耗值和沖擊值等。表4 所示為英國、印度、中國等三國標準中對集料基本性能的要求。印度標準一般采用單一粒徑的集料[8]，集料的公稱最大粒徑取決于接縫深度。

表4 集料基本性能指標要求

瀝青類無縫式伸縮縫更加依賴膠結料的性能，但是瀝青材料的變形適應性與強度存在一定的沖突。如表5 所示，為了協調變形適應性和強度的要求，大多數學者在研究中選用單一粒徑的集料來制備混合料[19-20,33-34]，采用大粒徑的單一粒徑集料相互嵌擠形成骨架，同時用高含量的膠結料填充單一粒徑集料間較大的空隙，從而兼顧強度和變形適應性。也有學者采用合成級配的無縫式伸縮縫材料[9,13,18,35]。盡管連續級配的混合料可以保證其強度，但集料間沒有足夠的間隙填入膠結料，難以保證無縫式伸縮縫材料的變形適應性。

表5 無縫式伸縮縫材料級配設計

就集料的級配比例而言，為了保證伸縮縫材料的承載能力及與路面結構層材料間的黏結強度，應采用密級配并控制細料含量[23]。當混合料中的細料比例過大時，施工和易性較差，攪拌困難；同時，聚氨酯膠結料在高溫下固化速度很快，在拌和過程中細料會粘在拌和鍋側壁和底部難以取出，造成細料流失。

目前，針對無縫式伸縮縫材料級配設計尚無標準和規范方法，研究人員大多采用馬歇爾設計方法進行集料級配設計。未來仍需進行大量的試驗研究，以提供一種更有效地針對無縫式伸縮縫材料的配合比設計方法。

2.2 膠結料最佳用量確定

膠結料的性能和用量對無縫式伸縮縫材料高黏、高彈的特性起決定性的作用。然而，目前對確定無縫式伸縮縫材料最佳瀝青用量的方法和控制指標并沒有形成統一的定論[8,37]。如表6 所示，大多數學者采用馬歇爾設計方法，以馬歇爾穩定度、流值為控制指標確定其最佳油石比[9,18,22,28,37]。也有部分學者根據試驗結果和經驗選取最佳油石比。不同的學者提出的控制指標不盡相同，這些差異使得最佳油石比的取值相差較大。

表6 無縫式伸縮縫材料的組成設計控制指標及最佳用量總結

馬歇爾試驗是評定瀝青混合料高溫強度和變形性能的重要測試方法。但瀝青類無縫式伸縮縫材料的級配組成與常規的混合料差異較大，同時，其內部膠結料的占比高，需要考慮的主要是變形適應性，因此單純以馬歇爾穩定度和流值作為配合比設計的控制指標是不全面的。在調研中發現，高溫車轍是無縫式伸縮縫常見病害之一，進行配合比設計時應考慮伸縮縫材料的高溫抗車轍能力，關于該性能的具體研究見本文3.1 章節。除此之外，在服役過程中，由于溫度變化和車輛荷載的作用，無縫式伸縮縫不斷發生重復拉伸和壓縮變形，故還應考慮其變形性能。變形性能的具體研究見本文3.3章節。

聚氨酯材料的性能受溫度的影響很小，試件整體強度偏高。因此以馬歇爾試驗的兩個指標作為其配合比設計的控制指標具有一定的局限性。在對聚氨酯材料進行配合比設計時，可以參考瀝青類材料的配合比設計方法，但是聚氨酯材料的強度較高，故應側重于考慮其變形性能，具體研究見本文3.3章節。

3 伸縮縫混合料的性能

3.1 高溫抗車轍性能

無縫式伸縮縫材料中膠結料用量顯著高于常規瀝青混合料，其高溫性能主要取決于膠結料的高溫性能。在高溫性能評價方面，Mo等[8]指出，一些學者采用馬歇爾試驗作為性能評價的試驗方法。但唐濤[19]認為馬歇爾試驗能否合理地評價單一級配瀝青混合料的高溫性能尚不確定。林琳[28]也認為馬歇爾試驗的穩定度和流值與混合料永久變形的相關性不好。因此，對無縫式伸縮縫材料高溫性能的評價，應結合其典型病害即高溫車轍變形特性進行分析。研究人員一般采用車轍試驗來評價高溫性能，如表7所示。

表7 無縫式伸縮縫材料高溫性能

無縫式伸縮縫材料要與路面鋪裝材料承受相同的車輛荷載，因此至少應具有與常規瀝青混合料相當的抗車轍和抗永久變形性能。根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004），對于高速公路瀝青路面，常規瀝青混合料的動穩定度僅要求不小于800 次/mm，而改性瀝青混合料的動穩定度應不小于2 400 次/mm。如表8 所示，聚氨酯混合料的抗車轍性能顯著高于瀝青混合料，對于瀝青類伸縮縫材料，不同的配比與材料設計導致其高溫性能存在差異。因而在保證瀝青類材料彈性性能的同時還應注意其與高溫抗車轍性能的協調。

3.2 低溫抗裂性能

當環境溫度降低時，無縫式伸縮縫材料內部發生不均勻收縮，同時，在車輛荷載作用下無縫式伸縮縫材料發生彎曲和拉伸，當拉應力超過材料自身的抗拉極限應力時就會發生斷裂破壞。一般情況下，無縫式伸縮縫材料的低溫性能采用彎曲試驗和線收縮系數試驗進行測試。Bramel等[11]曾提出評價無縫式伸縮縫低溫性能的關鍵性指標之一是應力松弛能力，也有學者[19,28]通過劈裂試驗、馬歇爾試驗中的低溫恢復率來研究低溫性能。總的來說，較大的膠結料摻量使無縫式伸縮縫材料與常規改性瀝青材料相比具有更好的低溫變形性能。表8 展示了兩類無縫式伸縮縫材料的低溫抗裂性能。由表8 可以看出，聚氨酯類材料相較于瀝青類材料具有更強的抗彎拉變形能力。

表8 無縫式伸縮縫材料低溫抗裂性能

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的要求，常規瀝青混合料的彎曲破壞應變應不小于2 000με，改性瀝青混合料的彎曲破壞應變應不小于2 500με。Xie等[39]指出，無縫式伸縮縫的屈服應變應該在10 000με 以上，當屈服應變處于1000～3000με 時伸縮縫易在低溫下發生破壞。國內外學者通過改性膠結料、調整材料配比、利用橡膠顆粒代替集料等不同的措施對無縫式伸縮縫材料的低溫抗裂性能進行改善[16,30,38,40-42]。總的來說，由于無縫式伸縮縫材料模量較小且與常規改性瀝青材料的使用環境有所差異，無縫式伸縮縫混合料應比常規瀝青混合料具有更大的低溫破壞應變，最大彎曲破壞應變的標準還需要根據地區的最低環境溫度確定。

3.3 拉伸變形性能

研究人員通常采用直接拉伸試驗和重復拉伸試驗研究材料的變形性能。直接拉伸試驗研究的是材料拉伸破壞的極限狀態，重復拉伸試驗研究的是材料在較小位移重復加載下的狀態。

就直接拉伸性能而言，當無縫式伸縮縫在外部和內部因素共同作用下產生伸縮變形時，由于其剛度遠小于兩側鋪裝材料，無縫式伸縮縫材料將吸收大部分的伸縮變形，這會導致材料內部產生較大的拉壓應變，因此需對其直接拉伸性能提出要求。無縫式伸縮縫材料的直接拉伸變形性能試驗結果如表10所示。可以看出，瀝青類材料的拉伸性能表現出較為明顯的溫度依賴性[43]，拉伸強度隨著溫度的升高而減小，斷裂伸長率隨著溫度的升高而增大；聚氨酯類材料的拉伸強度和斷裂伸長率隨溫度的變化不大。同時，無縫式伸縮縫材料的拉伸變形性能還應結合實際工程中無縫式伸縮縫的設計伸縮量考慮。

無縫式伸縮縫材料的直接拉伸性能如表9所示。

表9 無縫式伸縮縫材料的直接拉伸性能

就重復拉伸性能而言，當溫度頻繁變化時，伸縮縫兩側的鋪裝材料會不斷發生膨脹或收縮，無縫式伸縮縫材料處于擠壓和拉伸的重復作用下。因此，有必要結合其重復受力工作狀態，對無縫式伸縮縫材料的重復拉伸性能及黏結性能進行探究。國內外學者對聚氨酯材料的研究較少，其中，張濤[23]通過反射裂縫試驗（Overlay Test）模擬日溫差重復作用下聚氨酯類無縫式伸縮縫的位移變化，試驗結果表明：新型聚氨酯彈性混凝土的使用壽命可達11.2年。

目前，對于瀝青類無縫式伸縮縫材料重復拉伸壓縮變形性能的研究較多，除了利用反射裂縫試驗機之外，還可以采用足尺拉伸設備進行研究。Partl等[44]介紹了接縫移動模擬設備測試無縫式伸縮縫低溫移動能力的方法，通過評估水平方向上的永久變形來分析破壞周期及應變分布。謝嚴君[20]利用偏心輪對無縫式伸縮縫材料進行了足尺模擬拉伸試驗，結果表明：活動端的變形量明顯大于固定端，且在豎直方向上，下部的變形較上部更不均勻。寧萬超[45]通過室內重復拉伸模擬試驗研究了拉力和裂縫的變化情況，試驗結果表明：黏結界面是無縫式伸縮縫材料的薄弱點。Lu等[34]、泮以龍[35]通過室內足尺模擬試驗模擬無縫式伸縮縫在實際工作中的變化，對其破壞過程中的伸縮變形和破壞模式進行了觀察，試驗結果表明：以1.5mm/min 的變形加載速率進行拉伸，振幅為7.5mm 時交界處有個別裂縫，振幅為15mm 時交界處有較多裂縫，且膠結料出現明顯的拉伸變形，振幅為20mm 時部分區域出現了脫粘現象，當位移較大時，材料更易發生脫粘開裂。

從以上研究可以發現，重復加載對無縫式伸縮縫材料提出了更高的要求，考慮到無縫式伸縮縫材料的破壞多是從黏結界面開始，因此在重復加載的性能測試中應該重點關注無縫式伸縮縫材料與鋪裝材料之間的黏結界面。

3.4 性能對比

為了更好地體現兩類無縫式伸縮縫材料性能的差異，需要從多個角度對二者進行對比：從高低溫性能來看，聚氨酯材料受溫度的影響遠小于瀝青類材料，具有更好的高溫抗車轍能力和低溫下的彎拉變形能力；從變形性能來看，由于瀝青為黏彈性材料，瀝青類材料的斷裂伸長率略大于聚氨酯類材料，尤其是在重復拉伸情況下，瀝青類材料的變形優勢更加顯著；從耐久性來看，二者的使用壽命基本相當，且均受到施工技術影響，瀝青類材料的主要病害為車轍、剝落及開裂等，而聚氨酯類材料易發生開裂、破損等結構性破壞；從經濟效益來看，瀝青類材料與聚氨酯類材料相比經濟優勢突出。由此可知，聚氨酯材料的溫度敏感性更小，更加適用于日溫差較大的地區，瀝青類材料雖然具備較好的變形性能，但在高溫下變形較大，易產生車轍等病害，因此更適用于氣溫較低的地區。

總體而言，現有研究更青睞瀝青類無縫式伸縮縫材料，一方面是因為瀝青類材料不僅具有良好的高低溫性能，還具有降噪功能，行車舒適性好；另一方面，其成本更加低廉，維修養護也更加方便。研究人員對瀝青類材料的性能了解更加透徹，因此以改性瀝青作為無縫式伸縮縫膠結料，其可選用的種類更加豐富，性能的測試方法和改善手段更加多樣。但是瀝青類材料的使用壽命差異較大，最長可達10年以上，最短僅為1～2年。目前的研究表明，通過改進膠結料能夠一定程度上提升無縫式伸縮縫材料的性能，例如蔣瑋等[46]研發的瀝青類高延性無縫式伸縮縫材料能夠兼顧低溫性能和拉伸性能，但是依然很難突破現有伸縮縫材料的應用瓶頸，因此下一步應結合無縫式伸縮縫膠結料、礦料級配和混合料結構展開研究，重點關注瀝青類材料的使用性能和耐久性。未來仍需在選擇適合施工環境、施工條件的材料和解決材料在實際應用過程中出現的問題上入手，對無縫式伸縮縫混合料做進一步研究。

4 討論與展望

本文綜述了常見的無縫式伸縮縫材料的研究現狀，重點討論了改性瀝青類和聚氨酯類兩類無縫式伸縮縫材料膠結料和混合料的性能測試方法和評價指標，對無縫式伸縮縫材料研究的展望如下：

（1）瀝青類無縫式伸縮縫膠結料具有良好的拉伸變形性能和變形恢復能力，但其適用的溫度范圍略小于聚氨酯類材料；聚氨酯類無縫式膠結料溫度敏感性較小，能夠適應的溫度范圍更廣，同時具有良好的抗老化性能。但聚氨酯類材料的施工和易性難以保證，且成本高昂。兩類材料各有優劣，建議在未來的研究中進一步針對無縫式伸縮縫膠結料性能上的不足進行優化設計。目前對無縫式伸縮縫膠結料的評價主要基于宏觀尺度，未來可以從細觀尺度、納觀尺度等不同的尺度與宏觀尺度性能相結合展開研究。

（2）瀝青類無縫式伸縮縫混合料大多采用單一粒徑級配，而聚氨酯類無縫式伸縮縫混合料采用多粒徑合成級配。當前的膠結料最佳用量主要是根據工程經驗和高溫性能指標來確定，缺乏明確的規范方法和控制指標來指導級配的選擇和膠結料最佳用量的確定。由于無縫式伸縮縫材料需要與路面鋪裝材料黏結為整體共同承擔交通荷載和溫度變化帶來的多向變形，故在組成設計中應當考慮其變形適用性和黏結性能，建議在未來的組成設計研究中建立多指標評價體系。

（3）聚氨酯類無縫式伸縮縫材料的高、低溫穩定性更具優勢；瀝青類無縫式伸縮縫材料的斷裂伸長率較聚氨酯類無縫式伸縮縫材料更優，其拉伸變形性能更好。本文主要通過室內試驗對無縫式伸縮縫混合料的高、低溫性能及拉伸變形性能進行研究，未結合無縫式伸縮縫的結構進行研究。而無縫式伸縮縫結構不同會導致伸縮縫填料所受到的應力發生變化，對材料整體性能也有很大的影響，故無縫式伸縮縫材料與結構一體化研究將成為未來的一個研究方向。

（4）盡管無縫式伸縮縫在橋梁和沉管隧道中得到了廣泛的應用，取得了較為良好的使用效果，但是無縫式伸縮縫材料依然存在耐久性不足、抗疲勞性能較差、價格昂貴等問題。例如，常見的低拉伸強度或高黏附性的無縫式伸縮縫材料會出現細微裂紋或者直接開裂，而高拉伸強度或低黏附性的無縫式伸縮縫材料則會出現界面破壞等問題。這些問題嚴重阻礙了無縫式伸縮縫在工程中的應用與發展，未來可以針對這些病害進行深入分析，研究其內在的破壞機理。由于無縫式伸縮縫具有平整度良好、行車舒適性優異和噪聲低等優勢，無縫式伸縮縫材料具有較大的應用市場和發展潛力。除了對現有無縫式伸縮縫材料進行性能優化外，研發一些性能優越、施工便捷、價格低廉的新型無縫式伸縮縫材料也具有重要的現實意義。

5 結語

隨著無縫式伸縮縫在港珠澳大橋海底隧道中的應用，未來會有更多的新建橋梁或隧道工程采用無縫式伸縮縫結構。這對無縫式伸縮縫材料的設計及性能評價方法提出了更高的要求。本文著重研究了瀝青類和聚氨酯類兩類無縫式伸縮縫材料，對比分析了兩類材料膠結料和混合料的性能測試和評價方法，對于其他新型材料有待展開進一步研究。由于未綜合考慮伸縮縫的結構形式，建議未來從材料研發、性能提升、多指標評價體系、病害機理分析出發，進行材料與結構一體化設計研究，尤其應該關注其變形恢復性能和長期性能。盡管目前仍然存在耐久性不足、成本較高等問題，無縫式伸縮縫材料仍具有廣闊的應用前景和較大的發展潛力。