常温施工式填缝料低温性能评价体系的研究

常温施工式填缝料低温性能评价体系的研究

陈国明1, 谭忆秋1, 冯中良1, 牟英伟2, 江厚权3
(1. 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院　哈尔滨市　150090; 2. 哈尔滨威明科技有限公司　哈尔滨市　150001;3. 河北省建设集团路桥分公司　保定市　071051)

在水泥混凝土路面设计[1 ]中, 需要设置各种类型的接缝, 以减少由于伸缩变形和翘曲变形而产生的内应力。接缝的上部填入适当的填缝料, 以满足接缝设计的各项功能。在低温条件下, 混凝土板产生较大的收缩变形。水泥混凝土板的收缩和翘曲使填缝料受到弯拉应力的作用, 随着弯拉应力的反复作用和逐渐增大, 使填缝料从中间被拉断或从水泥混凝土截面处脱落, 从而在接缝处容易发生接缝渗水、填缝料外溢和杂物嵌入等病害, 这些病害严重影响水泥混凝土路面的承载能力和使用寿命。这些病害的产生在很大程度上与接缝所采用的填缝料有关, 填缝料质量的好坏,能保证水泥混凝土路面是否可以正常使用, 因此如何选择适宜低温下应用的填缝料就变得非常重要,要解决这个选用问题, 必须建立一个完善、合理的填缝料低温性能评价体系。本文根据东北地区的气候特点, 分析了我国规范关于常温施工式填缝料低温性能评价方法的不足, 补充了用于评定填缝料与水泥混凝土粘结性能的低温拉伸试验, 并结合- 10 ℃的弹性试验, 对7种常温施工式填缝料进行室内低温试验研究, 建立了常温施工式填缝料的低温性能评价体系, 提出了相应的指标要求, 并通过实际工程的使用效果验证了此评价体系和指标的合理性。

1　现有填缝料低温性能评价方法的局限性[2 ]
我国规范关于常温施工式填缝料的技术要求如表1, 对填缝料的低温性能评价采用- 10℃的拉伸量。可见, 此方法只集中对填缝料本身性能的评价。

填缝料的失效, 一方面是材料本身的性能不能满足要求; 另一方面, 在本身性能良好的情况下, 由于填缝料粘结能力不好造成填缝料与混凝土板脱开, 是填缝料失效的主要原因, 特别是在低温条件下, 材料的收缩量增大, 板与填缝料的界面内产生较大的弯、拉应力。我国东北地区冬季寒冷, 最低月平均温度达到- 20 ℃以下, 而且在冬末和初春季节,昼夜气温变化剧烈, 使路面处于冻融循环的加载方式下, 此时混凝土板会产生较大的收缩, 从而发生翘曲变形, 使填缝料实际上处于受弯拉的状态。因此,现有的评价方法不能充分模拟填缝料在实际路面中的受力状态, 而且不能反映填缝料与混凝土板之间的作用情况。为此, 本文设计了填缝料与水泥砂浆粘结强度试验来模拟填缝料与水泥混凝土板界面的粘结能力。

2　试验过程和结果分析[3, 4 ]
2. 1　拉伸试验方法的设计
根据以上分析, 为补充现有规范对填缝料低温性能评价方法的不足, 自行设计了填缝料与水泥胶砂试件之间的低温拉伸试验方法。拉伸试验试件采用水泥∶砂= 1∶1 的水泥砂浆制作的8 字型试模, 中间形成约23 mm ×25 mm ×10 mm 的空槽, 将填缝料灌入空槽中, 刮平后冷却待用。试验温度分别为- 10 ℃和- 20 ℃, 拉伸速度为50 mm öm in, 记录破坏时的最大拉力和对应拉伸量,并计算其抗拉强度。

2. 2　试验材料和步骤
常温施工式填缝材料主要有聚胺酯焦油类、聚胺酯类、氯丁橡胶类、乳化沥青橡胶类等。本次试验搜集了国内常用的7 种常温施工式填缝料, 编号如下: 1—硅酮密封胶(白色) ; 2—U Seal 907 (黑色) :3—PU AM 111 032 (黑色) : 4—法国索普瑞马防水涂料(灰绿色) ; 5—聚氨酯填缝胶(甲∶乙= 1∶2, 黑色) ; 6—聚氨酯类1 号(甲∶乙= 3∶5, 白色) ; 7—聚氨酯类2 号(甲∶乙= 1∶115, 白色)。采用拉伸试验方法分别测量了7 种常温施工式填缝料在- 10 ℃和- 20 ℃拉伸强度和伸长量, 并在- 10 ℃下实测7 种填缝料的弹性复原率, 试验结果见表2。

213　结果分析
(1) – 10℃弹性试验分析。
弹性试验的目的是为了测定填缝料在不同温度下的弹性复原率, 以表征填缝料适应混凝土板胀缩的弹性恢复能力。在低温下, 水泥混凝土板内部产生收缩应力和温度翘曲应力, 特别在昼夜气温交替变化下, 填缝料受到反复的胀缩应力。弹性复原率越大, 填缝料的弹性恢复能力越大。如图1, 在- 10 ℃下, 7 种常温施工式填缝料的弹性复原率都比较大, 其中2 号、3 号和4 号的数值在80%～ 90% 之间; 1 号、5 号、6 号的数值在90%～100%之间; 7 号的弹性复原率最大为103%。按照优劣排序为: 7 号> 1 号、5 号、6 号> 2 号、3 号和4 号。

(2) 低温伸长量试验分析。
伸长量试验是测定填缝料在低温时的拉伸性能, 即测量填缝料与混凝土块脱离或填缝料自身开裂时的伸长量。如图2, 每一种填缝料的柱形图从左到右分别为- 20 ℃和- 10 ℃的伸长量。随着温度的升高, 4号、5 号、6 号的拉伸量逐渐减小, 即这3 种填缝料更适宜在- 20 ℃以下应用; 3 号、7 号的拉伸量逐渐增大, 即这2 种填缝料更适宜在- 20 ℃～ – 10 ℃之间应用; 1 号、2 号填缝料的拉伸量几乎相等, 即这2 种填缝料对低温变化不敏感。7 种填缝料在此2 个温度下的拉伸量顺序一致, 1 号< 2 号< 4 号< 5 号< 7号< 3 号< 6 号。试验中发现1 号、2 号试件破坏时, 均为从水泥砂浆表面脱离, 且填缝料无明显的塑性断裂部分; 4号破坏时均为从填缝料内部断裂, 即其内部粘结力非常小; 其余4 种填缝料破坏时, 均为从水泥砂浆表面脱离, 并且填缝料都有比较明显的塑性变形。

 (3) 低温拉伸强度试验分析。
拉伸强度试验是测定填缝料在低温时的拉伸性能, 即测量填缝料与混凝土块脱离或填缝料自身开裂时的强度。如图3, 每种填缝料的柱形图从左到右分别为- 20 ℃和- 10 ℃的拉伸强度, 与低温拉伸量的现象不同, 7 种填缝料在2 个温度下的拉伸强度相差较大, 以4 号和6 号的现象尤为明显, 其- 20 ℃的拉伸强度为- 10 ℃时的2 倍左右。随着温度的升高,3 号、4 号、5 号和6 号的拉伸强度逐渐降低; 2 号、7号的拉伸强度逐渐增大; 1 号的拉伸强度几乎没有什么变化。

综合表2 和图1～ 图3, 以5 号填缝料为例, 其- 10 ℃的弹性复原率为95% , 在7 种填缝料的数值中属于较大。其- 20 ℃和- 10 ℃下的伸长量都很小, 但相应的拉伸强度都比较大; 以6 号填缝料为例, 其- 10 ℃的弹性复原率为97% , 弹性恢复能力很好, 其- 20 ℃和- 10 ℃下的伸长量非常大, 是7种填缝料中的最大值, 但相应的拉伸强度都比较小。可见仅以- 10 ℃时的伸长量来评定填缝料的低温性能是不充分和不准确的。

3　填缝料低温性能评价体系的建立
(1) 填缝料低温性能综合评定。
根据前述试验结果, 为全面评价常温施工式填缝料的低温性能, 采用模糊评价的方法对7 种填缝料进行综合评价, 根据表2 中试验结果和分析, 按照表3 中的原则对各项试验进行评分, 评定结果见表4。由表4 中评定结果可见, 1 号、2 号、4 号填缝料的总分在一个档次上; 3 号、5 号、6 号和7 号填缝料的总分比前3 种大得多, 相差7～ 9 分。通过这样的模糊评定, 可以定量地看出填缝料低温性能的好坏,即1 号、2 号和4 号的低温性能较差, 3 号、5 号、6 号和7 号的低温性能非常好。通过与实际工程的使用情况对比, 此评定方法与工程实际使用效果相符合,说明此评定方法和指标合理、准确。
表3　常温施工式填缝料低温性能评定原则

(2) 填缝料低温性能评价体系和评价标准。
通过上述评定分析, 结合实际使用效果, 采用表3 中的评定方法来综合评定填缝料的低温性能是合理的和准确的, 可以按照表3 中的各项试验来综合评定填缝料的低温性能, 并建立了相应的综合评定等级标准(如表5)。

4　结论
( 1) 规范推荐采用- 10 ℃的拉伸量来评定填缝料低温性能, 此方法不能充分模拟填缝料在实际路面中的受力状态, 而且不能反映填缝料与混凝土板之间的作用情况。
(2) 补充了用于评定填缝料与水泥砂浆粘结性能的拉伸强度试验, 此方法能够反映填缝料在实际使用中的受力状态, 方法简单且易于推广。
(3) 建立了常温施工式填缝料低温性能的综合评价方法和评价体系, 提出了相应的指标要求和评定等级, 并通过与实际工程的使用效果比较, 验证了评价方法和评价体系的合理性和正确性。