在我国路网有铺装的路面中, 水泥路面约占58%, 以接缝式混凝土路面为主。据调查, 这些路面普遍存在早期损坏的问题, 这与路面结构设计不合理、超载车影响及施工质量等因素有关, 但不可否认, 水损坏也是水泥混凝土路面产生早期损坏的一个主要原因。除地下水的影响和边沟排水不畅的影响外, 通过路面接缝下渗的路面水是混凝土板产生脱空甚至断裂的主要原因, 因此如何实现对接缝的有效密封就显得尤为重要。目前我国对水泥混凝土路面接缝的密封多采用沥青类填缝料, 包括液态热沥青、沥青砂、沥青玛蹄脂、改性沥青等, 也有采用聚氨酯类接缝密封材料和" 八五 "开发出的固体嵌缝条等。这些材料的使用寿命一般在1~ 3年, 长可达5年, 因此, 在混凝土路面的寿命周期内需多次更换填缝料[ 1- 5] , 这就对混凝土路面的寿命和交通的影响非常大。!水泥混凝土路面新型填缝料的研究∀课题组致力于长寿命填缝料的研发, 旨在通过原材料的优选, 研发出一种能与混凝土路面同寿命的填缝料, 使其在混凝土路面的寿命周期内不需要更换, 以延长混凝土路面的使用寿命, 大限度地减少对交通的影响。

1 水泥混凝土路面填缝材料性能要求
1. 1  粘结力及拉伸率
填缝料主要功能是有效密封接缝阻止水从接缝流入或渗入, 因此填缝料必须具有足够弹性。路面缩缝缝宽的变化由混凝土板的湿胀干缩变形和热胀冷缩变形引起。若每块混凝土板长按5m 计, 自由变形时收缩值取0. 15~ 0. 2mm /m, 混凝土板的温度膨胀系数??与材料的配合比有关, 一般取值范围为( 0. 6~1. 2) # 10- 5/∃ , 自由变形时常取为0. 01 mm /(m% ∃ ), 计算出缩缝大变形量为2. 5 mm; 若缝宽为5mm, 则要求填缝料的大变形率不小于50%。这就要求填缝料具有较高的拉伸率, 必须能随水泥混凝土板伸缩, 以减少其与混凝土壁之间的拉力。另外, 填缝料与水泥混凝土壁要有良好的粘结力, 当水泥混凝土板伸缩时, 填缝料与缝壁粘结牢固, 不致被拉脱。

1. 2  耐嵌入性
以阻止硬物掉入缝中为目的的密封和对水的密封同样重要。实现硬物密封必须具备2个条件:
1) 密封材料需将缝填满且不陷落或溢出, 因此密封材料对接缝缝壁需有良好的粘附性;
2) 密封材料需有一定的强度和弹性恢复性, 使硬物无法嵌入接缝内。

1. 3  长寿命
水泥混凝土路面设计基准期高速公路、1 级公路为30年, 2级及以下公路为20年[ 6] , 性能优异的填缝料的寿命应与混凝土路面寿命相同, 在混凝土路面的使用周期内不需更换填缝料。

1. 4 其它性能
除上述要求外, 填缝料还应有低温塑性好、耐磨、防水抗渗性好、施工方便、性价比优等特点。加热施工式填缝料、常温施工式填缝料的技术要求见表1、表2。

2 新型填缝料研制及路用性能研究
2. 1 新型填缝料研制
常用填缝料寿命短的主要原因是所采用的原材料在自然环境下容易老化, 比如沥青及沥青基的填缝料、橡胶及橡胶类的填缝料以及聚氨酯类填缝料,随着时间的推移, 其路用性能逐渐丧失, 填缝料表现为自身的老化破坏及与混凝土壁的粘结失效, 从而失去对缝的有效密封。根据上述性能要求, 课题组经过大量试验研究,终于开发出了具有高伸长率、低模量的单组分室温硫化型新型填缝料膏状流体。

2. 2  新型填缝料路用性能研究
目前, 国内外对水泥混凝土路面填缝料的试验方法研究较少, 路面接缝有机硅填缝料的路用性能试验方法研究更是鲜见报道。课题组结合水泥混凝土路面的力学特征, 参照GB /T13477!建筑密封材料试验方法∀[ 10] , 形成了整套的填缝料试验方法, 主要包括粘结拉伸试验、抗剪性能试验、抗弯性能试验、耐嵌入性能试验、耐久性试验、密封性能试验和耐疲劳试验。下面介绍主要的试验结果。

2. 2. 1  粘结拉伸试验
本课题结合实际, 分别从正常条件、浸水后以及温差变化的情况出发, 对新型填缝料进行拉伸粘结性、浸水后拉伸粘结性和冷拉热压后拉伸粘结性试验, 试验结果见表3和图1。


由表3和图1可知, 所有试件7 d粘结强度均与28 d粘结强度基本相同, 即粘结强度与填缝料固化交联时间的长短没有太大关系, 一般不会随着交联时间的增长而增加或减小。但所有试件的7 d粘结伸长率均大于28 d的粘结伸长率, 究其原因, 笔者发现, 填缝料深处的固化交联程度随着时间的增长而增加, 填缝料本身的内聚强度随之增加, 弹性模量增大, 直至填缝料交联完成。

2. 2. 2  抗剪性能试验
从表4可以看出: 所有试件的粘结强度均小于其剪切强度, 这符合填缝料的受力机理, 在反复频繁的剪切应力作用下, 填缝料剪切变形很大, 由于具有足够的变形空间, 使其在多种力的作用下不会因为剪力不足而破坏; 填缝料的粘结强度和粘结变形足以满足路用性能的要求, 剪切应力又大于粘结强度且剪切变形很大, 这就说明在正常的道路使用中, 新型填缝料的性能远远大于路用要求。这一性能为新型有机硅填缝料在道路中的运用起到了重要作用。从粘结拉伸试验和抗剪性能试验可以看出, 26号试件的性能远优于其它配方。以下试验以26 号试件作为基准配方进行研究。

2. 2. 3 密封性能试验
目前相关规范尚没有相应的试验方法, 为了研究在一定压力水作用下, 新型填缝料的抗渗性能, 课题组自行设计了试验方法。试验装置见图2, 试验结果见表5。

从表5可以看出, 新型填缝料和粘结面的水柱均有所下降(是由连接胶管的变形所致) , 但始终未发现新型填缝料渗漏现象, 说明新型填缝料的抗渗透性能优良, 能够对水泥混凝土路面接缝实现真正的有效密封。

2. 2. 4  耐久性试验
所谓耐久性, 就是材料在冷、热、光、雨等自然条件综合作用下, 能够长久保持其使用性能的能力。新型填缝料为有机硅类材料, 雨水对耐久性没有影响; 其温度稳定性较好, 适用温度范围较宽, 一般为- 50 ~ 160∃ , 而夏季路面的高温度一般在70∃左右, 所以温度对新型填缝料耐久性的影响可以忽略。根据经验分析, 太阳光的紫外线有可能对新型填缝料耐久性造成影响, 但所采用的有机硅的S i- O键结长, 键能大, 能让日光中的紫外线穿透而不伤害到它的化学键, 可以长期抵御紫外线的破坏, 因此, 在紫外线长期照射下, 也不会老化。为了证明以上结论, 本试验采用UV- &型非金属材料人工加速老化试验仪进行紫外线辐射试验。试验取日照自然老化30年对应的紫外老化时间为试验时间, 经老化试验后对填缝料进行粘结拉伸试验, 结果见表6。
从表6可以看出, 新型填缝料老化30年后的粘结强度和粘结伸长率与老化前相比, 变化很小。这说明新型填缝料在紫外线作用下, 其性能基本不会发生改变, 这是其它填缝料无法媲美的。新型填缝料优良的抗紫外线老化性能将有利于其使用寿命延长, 从而降低水泥混凝土路面的养护成本, 延长道路寿命。

注: CPC - 1~ CPC- 4为开发的填缝料型号, 均以26号试件为基础配方, 下同




3  结语
本研究中, 课题组利用国产原材料成功开发了混凝土路面有机硅新型填缝料。该填缝料的性能具有突破性的技术优势, 具有显著的经济、社会效益。具体是:
1) 与混凝土粘结性能优、耐嵌入性能好、易于施工、使用寿命长, 可与混凝土路面同寿命。
2) 经济、社会效益好。以CYC - 1为例, 每m(含施工费用) 一次性投资成本约10 ~ 12元, 全寿命成本平均11 元, 大大低于常规填缝料, 仅为进口硅酮密封胶的58%。同时, 由于密封的长期有效性, 可减少由于路面水的作用而导致混凝土板断裂破坏, 延长路面的使用寿命。使用周期内施工次数的减少将使道路更加通畅, 由此产生的经济效益和社会效益是无法估量的。