（道路与铁道工程专业论文）新型沥青类路面裂缝灌缝胶研发.pdf

摘要 摘要 在国外，沥青类灌缝胶在路面裂缝修补方面已经取得了有目共睹的成绩。然 而在国内，关于路面裂缝灌缝胶的研发却寥寥无几，不但缺乏高质量低成本的灌 缝产品，而且相关领域的规范文件也不成熟，产品质量难以控制。本文针对以上 问题，以国外高质量沥青类灌缝胶为目标，在对路面裂缝行为理论进行了详细分 析的基础上，自出研发出一种高质量低成本的灌缝胶，修补效果与国外产品相当。 同时在研发过程中，总结出一整套关于沥青类灌缝胶的技术指标和规范要求，弥 补了该领域的空白。 主要研究工作如下： ( 1 ) 本文从路面裂缝形成和发展的机理出发，证实了裂缝修补能够有效减 缓裂缝扩张，延长裂缝扩张寿命。分析了灌缝胶处于缝体内部时的物理力学性质， 对灌缝胶提出了一整套性能要求，以保证其性能的发挥。 ( 2 ) 本文在国内外现有的关于路面灌缝胶技术标准研究的基础上，对上述 标准进行了综合和补充，对各项技术指标的试验方法进行了详细说明，并给出了 保守目标值。 ( 3 ) 对灌缝胶的室内制备方法进行了系统研究。包括各改性剂制备方式、 时间、温度等要素以及复合改性时改性剂的添加顺序及时间融合。 ( 4 ) 本文大量的工作集中在新型沥青类灌缝胶的室内调配上。针对不同的 适用气候条件，对多种改性剂进行了筛选，寻找沥青的复合改性规律，并采用了 独创的组分调配方法，缩小了工作量和调配时间，成功调配出三类灌缝胶1 氐 温型、严寒型以及普通型。 ( 5 ) 良好的灌缝效果除了要有高质量的灌缝胶，还必须具有科学的施工方 法。针对沥青类灌缝胶，本文介绍了其详细的施工工艺，给出了合理的建议。 关键词：沥青类灌缝胶，技术指标，制备方法，复合改性，研发，施工工艺 a b s t r a c t a b r o a d ，a s p h a l t - t y p es e a l a n ti nt h er o a dr e p a i rh a sb e e nm a d ef o ra l lt os e es c o r e h o w e v e r , i nh o m e , r & da b o u tt h er o a ds u r f a c ec r a c kf i l l i n ga s p h a l t t y p es e a l a n ta r e v e r yl i t t l e ，l a c k i n go fn o to n l yh i g h - q u a l i t yl o w c o s ts e a l a n tp r o d u c t s ，b u ta l s o r e g u l a t o r yd o c u m e n ti nr e l a t e df i e l d s ，w h i c hm a d ei td i 衢c u l tf o ru st oc o n t r o lt h e p r o d u c tq u a l i t y i nt h i sp a p e r , t ot h ea b o v ep r o b l e m s ，s e t t i n gt h ef o r e i g nh i g h q u a l i t y a s p h a l t - t y p es e a l a n ta st h eg o a l ，b a s e do nt h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ea c t s o fc r a c k si np a v e m e n t ，w em a d ea h i g h - q u a l i t yl o w c o s ta s p h a l t - t y p es e a l a n t ，w h i c h e f f e c ta sg o o da sf o r e i g np r o d u c t a tt h es a m et i m e , w es u m m e d u pa s e to f c a t e g o r i e s o nt h ea s p h a l t - t y p es e a l a n tt e c h n i c a li n d i c a t o r sa n dr e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t st om a k e u pf o rg a p si nt h ef i e l d t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sa r t i c l ec o n f i r m st h a t f i l l i n gc r a c k sc a ne f f e c t i v e l ys l o wd o w nt h e e x p a n s i o no fc r a c k sa n de x t e n de x p a n d i n gl i f ef r o mt h em e c h a n i s mo ff o r m a t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h ep a v e m e n tc r a c k s t h i sa r t i c l ea l s o a n a l y z e sp h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a s p h a l t t y p es e a l a n tw h i c hw e r ef i l l e di n t ot h ec r a c k sa l r e a d y w ep r o p o s eas e to f s e w i n gp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t si no r d e rt oe n s u r ei t sc a p a b i l i t y ( 2 ) w ei m p r o v et h ea c h i e v e m e n t so fr e s e a r c hb e f o r eo na s p h a l t t y p es e a l a n tb o t h a th o m ea n d a b r o a d ，i n c l u d i n gd e s c r i b i n ge v e r yt e s tm e t h o d so nt h et e c h n i c a l i n d i c a t o r sa n d g i v i n gac o n s e r v a t i v et a r g e tv a l u e ( 3 ) w ed or e s e a r c ho n p r e p a r a t i o nm e t h o do fa s p h a l t t y p es e a l a n ti nl a b o r a t o r y ， i n c l u d i n gt h ep r e p a r a t i o nm o d i f i e rm a n n e r , t i m e ，t e m p e r a t u r ea n do t h e rf a c t o r s ( 4 ) t h em a i nj o bw ed oi sa d j u s t i n ga n d m i x i n go ft h en e wa s p h a l t t y p es e a l a n t w ec h o o s em o d i f i e r sw h i c ha r ea p p l i c a b l ef o rd i f f e r e n tc l i m a t i cc o n d i t i o n s ，l o o k i n g f o rt h el a w s o fa s p h a l tc o m p o u n d m o d i f i e d f i n a l l y , w ea d o p t e dt h eo r i g i n a l c o m p o n e n t so ft h ed e p l o y m e n tm e t h o dt or e d u c et h ew o r k l o a da l l o c a t i o no ft i m e 觚d s u c c e s s f u l l ym a k et h r e et y p e so fs e a l a n ti n c l u d i n gl o w t e m p e r a t u r et y p e ，c o l dt y p e ， a n do r d i n a r yt y p e a b s t r a c t ( 5 ) i no r d e rt og a i ng o o dr e p a i r i n ge f f e c t s ，w en e e dn o to n l yh i g h q u a l i t ys e a l a n t b u ta l s oc o r r e c tc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y i nt h a t ，t h i sp a p e rd e t a i l st h ec o n s h u c t i o n t e c h n o l o g ya n dg i v e ss o m er e a s o n a b l es u g g e s t i o n s k e yw o r d s ：a s p h a l t t y p es e a l a n t , t e c h n i c a li n d i c a t o r s ，p r e p a r a t i o nm e t h o d , c o m p o u n dm o d i f y i n g ，r & d ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 3 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 一习羔型! 一 j ， 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日 审研 1 q 哪日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 月ay 日 | 铄 年 签了 9 签1 第一章绪论 第一章绪论 沥青密封材料是指以石油沥青为基料，加入改性材料( 如橡胶、树脂等) 、 稀释剂、填料等配制而成，应用于建筑物各种接缝或裂缝嵌填的及起到水密和 气密性能的，并具有一定强度或者连接构件的的黑色膏状嵌缝材料。 1 。1 沥青类灌缝胶 沥青密封材料按其形态可分为定型密封材料( 如带状、条状、棒状、卷状 等) 和不定型密封材料( 如液状、膏状等) ，液状密封材料是依靠溶剂挥发而成 型的，膏状密封材料在嵌入接缝中后，能长期保持其柔软状态，但不流淌。其 中不定型密封材料又称建筑防水沥青嵌缝油膏或沥青密封胶【l 】。 这类密封胶的突出优点是具有优良的防水性能和低成本，至今仍大量使用 于一般建筑物上，但这种密封胶施工较困难，故多用于水平的密封面，且施工 后耐候性较差，易老化变硬，失去密封性能，如对其主要成分沥青进行改性， 加入橡胶或树脂等高分子聚合物材料，可提高密封粘结性能。目前使用的沥青 密封胶有三种类型，分别是溶剂型、水乳型和热熔型这三大类型。 沥青密封胶是由沥青材料、软化剂、成膜剂、矿物填充剂、溶剂等组成。 ( 1 ) 聚合物改性沥青 聚合物改性沥青是沥青密封材料的主要成分，起着水密、气密的作用，要 求其具有良好的粘结性、弹塑性、耐热性，能适应接缝位移的变形性。 在聚合物改性沥青密封材料中，要求聚合物改性沥青同成膜助剂、软化剂 等有较好的相容性，在气温剧烈变化条件下能保持密封的作用；在高温条件下 密封材料在接缝处不会发生鼓冒和流淌；在低温条件下保持其良好的柔韧性， 不脆裂不脱离，并具有良好的耐久性。 常用的聚合物改性沥青有s b s 橡胶改性沥青、丁基橡胶改性沥青、氯丁橡 胶改性沥青、无规聚丙烯( a p p ) 改性沥青、再生橡胶改性沥青、聚硫橡胶改 性沥青、丁苯橡胶改性沥青、天然橡胶改性沥青等。 ( 2 ) 软化剂( 增塑剂) 软化剂的主要作用是增加聚合物改性沥青的可塑性、柔韧性、粘弹性。增 加沥青胶体结构的分散性，使沥青质分开，能够保护或恢复树脂质的胶溶作用， 第一章绪论 同时也将聚合物改性沥青的网状结构摊开，使沥青质和聚合物呈高度分散状态， 从而增加沥青质。聚合物分子之间的距离，减少两者间的作用力，增加了密封 胶的弹塑性，更加适应接缝之间的位移变化。软化剂的加入，也增加了矿物填 充剂颗粒在密封胶中的润滑性，使矿物填充剂易于流动。 软化剂必须同聚合物改性沥青有较好的相容性，沸点高，挥发性小，迁移 性低，耐寒耐热、稳定性好，耐光性能优良，能使密封胶长期保持有粘结性、 感温性和抗氧化性能，调整密封胶的稠度和下垂度，增加同基层的浸润性和粘 结力等。 在聚合物改性沥青密封材料中常用的软化剂主要有石油系软化剂、松焦油 系软化剂、脂肪系软化剂等。 石油系软化剂是石油加工过程中所得到的产物，其特点是沸点高，主要有 机械油、变压器油、重油、凡士林、芳香烃油、环烷基油、二线油、六线油等， 主要由烷烃、环烷烃和芳香烃所组成，烷烃和环烷烃软化效果较芳香烃好，但 烷烃易外迁，环烷烃和芳香烃外迁性小。 松焦油系软化剂主要有松焦油和妥尔油等油状物。 脂肪系软化剂是植物或动物压榨出的油脂，大多为高碳直链烃，含有不饱 和双键。主要品种有棉子油、蓖麻油、大豆油、菜子油、桐油等。经加工可变 为干性油，多做聚合物改性沥青密封胶的成膜材料。 ( 3 ) 成膜剂 为了保持聚合物改性沥青密封材料中的油分( 包括软化剂、成膜助剂、沥 青等) ，使其能长期保持塑性和弹塑性，还需加入能使密封材料表面干结成膜的 物质，即成膜剂。 沥青密封胶所应用的成膜剂种类很多，其大多数为含有不饱和双键的植物 油和动物油，根据其干燥速度的块面，可分为干性油、半干性油和不干性油三 类。 ( 4 ) 矿物填充剂 在聚合物改性沥青密封材料中加入矿物填充剂可增大密封材料的体积，降 低成本，还可以提高其耐热性。常用的品种有粉末状的大理石粉、滑石粉等， 纤维状的石棉纤维、合成纤维等。其用量多少与可填缝宽度有关，也与矿物填 充料的粒径、纤维长度和分散程度有关。 矿物填充料的用量多少，一般用油填比来控制。所谓油填比是指油料和填 2 第一章绪论 充料之比，油料包括：聚合物改性沥青、软化剂、成膜剂等。随着油料的增加， 填料的减少，密封胶的稠度和垂度值相应的增大，不同配合比的聚合物改性沥 青密封胶，其油填比各不相同。 ( 5 ) 溶剂 在聚合物改性沥青密封材料中，为了改善其施工性能，调节其粘度，提高 其浸润性，需添加一定数量的溶剂，但不宜加入过多，否则待溶剂挥发后，会 导致密封材料过多地收缩，从而影响密封效果。 常用的溶剂有汽油、二甲苯、松节油、葸油、煤油、轻柴油等。芳香族溶 剂可促使沥青质胶溶作用，使密封胶的延伸性增大，还可以减少直链烃油的外 迁，保持其较好的塑性和弹塑性，一般都是将芳香烃溶剂和脂肪烃溶剂混合使 用。 1 2 密封胶在道路工程中的应用 在道路工程中，由于各种原因导致路面产生裂缝。裂缝的存在会造成道路 内部的冻胀、矿料的腐蚀和剥落等局部破坏，最终将严重影响行车的平稳性和 安全性，并且会大大降低路面的使用寿命。因此，必须对路面裂缝进行修补。 选择合适有效的密封胶对裂缝进行灌注将有效缓解裂缝的扩张，防止二次病害 的发生，进而从总体上降低养护成本，延长道路使用寿命。 1 2 1 水泥混凝土路面密封胶 水泥混凝土路面不同于其他混凝土结构物，它是裸露在大自然中的带状结 构，路面不仅要经受车轮荷载的重复作用，而且还要经受大气温度周期性变化 的影响。因此，嵌入路面裂缝的材料应具备良好的物理性质、化学性质、力学 性质及耐久性。通过大量的混凝土路面裂缝病害和处治效果的调查分析，考虑 到水泥混凝土路面结构、材料及施工等方面的主要影响因素，作为理想的路面 早期裂缝修补材料，应具备以下性能： ( 1 ) 与水泥混凝土板缝壁具有较好的粘结力。当混凝土板伸缩时，填缝料能 与混凝土板缝壁粘接牢固，而不致从混凝土缝壁上拉脱； ( 2 ) 具有较高的拉伸率，填缝料必须能随混凝土板伸缩，而不致被拉断； ( 3 ) 耐热及耐嵌入性好，在夏季高温时，填缝料不发生流淌。填缝料应耐砂 第一章绪论 石杂物嵌入，保证混凝土板伸胀不受阻； ( 4 ) 具有较好的低温塑性。在冬季低温时，填缝料不发生脆裂，仍具有一定 的延伸性； ( 5 ) 耐久性好，在野外恶劣的气候条件下，填缝料应能在较长时间保持良好 的使用性能，即耐磨、耐水及耐光老化等，不过早产生老化。 近年来，国外针对水泥混凝土裂缝的修补材料及修补工艺，进行了诸多研 究。各个国家有许多科研机构和学者都在潜心研究开发新材料、新工艺，解决 裂缝问题。美国、日本等国家将常用于建筑混凝土结构裂缝修补的环氧树脂进 行改性，研究出适合用于混凝土路面所需要的抗冲击韧性较大的改性环氧树脂 灌浆材料。还有些国家研制出了低粘度聚合物稀浆用于裂缝宽度为0 5 r a m 左右 的细裂缝修补，用掺加高分子材料的聚合物水泥砂浆及合成聚合物和焦油为主 的油灰胶泥修补较宽的裂缝，用延性较好的聚氨脂树脂、橡胶煤焦油填补 缝料进行路面的接缝修补。 美国的混凝土协会，英国的水泥与混凝土协会、欧洲混凝土协会，俄罗斯 的混凝土及钢筋混凝土研究院等。其产品有：美国的q u t k r e t e 系列产品， 可用于各种建筑的混凝土裂缝修补，但对于水泥混凝土路面裂缝大批量的修补， 造价太高；日本住友大阪水泥公司开发出“放心修补棒”修补混凝土裂缝，施 工工艺非常简单，但它的耐久性及防水性不好，用于混凝土路面的长期效果不 好。印度对有机修补材料研究的较多，如m 一7 2 修补剂，含有环氧树脂、苯甲 基乙醇等有机物，粘结强度很大。美国开发的“派拉蒙特( p y r a m e n t ) 混合水泥 拌制的混凝土，4 h 抗压强度达到1 3 4 m p a 。该水泥在纽约州1 2 h 完成一座桥梁 接缝的修复。日本广泛应用调凝水泥( 或称喷射水泥) 进行路面维修，可在1 2 h 以内完成并恢复交通。 国内早期最常使用的水泥混凝土路面修补材料为沥青质材料，即在路面板 的裂缝、断板处灌以沥青，以起到封闭裂缝的作用。这种方法只是一种应急措 施，不能从根本上解决混凝土路面裂缝的问题【2 j 。 自上世纪8 0 年代以来，我国一些大专院校、科研机构加大了对路面裂缝修 补材料研究的力度，陆续研制出了新的裂缝修补材料，用于水泥路面养护工程。 裂缝修补材料根据其功能可分为补强材料和密封材料。当水泥混凝土路面 由于裂缝造成强度不足时，宜选用补强材料，使其恢复整板的传荷能力。当水 泥混凝土路面仅出现贯穿裂缝，而面板强度仍满足通车要求时，为防止雨水等 4 第一章绪论 的侵蚀，使裂缝扩大而削弱路基，可选用密封修补材料，将裂缝封闭。 常用的补强材料有可用于灌缝的环氧树脂及各种改性环氧树脂、酚醛及各 种改性酚醛树脂类胶粘剂，用于裂缝条带修补的水泥基无机胶凝材料( 如掺j k 系列快速修补剂的早强快硬修补混凝土) 。密封修补材料主要指聚氨酯类、烯类、 橡胶类、沥青类胶粘剂。此处主要介绍密封修补材料。 聚氨脂胶液是一种胶接性能很好的水泥混凝土路面裂缝修补材料。由于聚 氨脂具有柔性的分子链，它的耐振动性及抗疲劳性能都很好。聚氨酯还有一个 重要的特点是它的耐低温性能好，比所有其他任何有机类的胶粘材料耐寒性能 都优异。因此，用聚氨脂配成的裂缝灌浆材料耐气候性好，在各个季节和各个 不同地区都可使用常用的聚胺脂类灌浆材料有：多异氰酸酯胶粘剂、端异氰酸酯 基聚氨酯预聚体型胶粘剂、甲苯二异氰酸酯及其胶凝剂、p u 聚氨酯密封胶及 $ 5 5 - 4 型聚氨脂防水涂料。 烯类裂缝修补材料主要采用烯类聚合物配制而成，通常有两大类，一类是 以烯类单体或预聚体作胶粘剂，在固化过程中发生聚合反应；另一类是以高分 子聚合物本身作胶粘剂，如热熔胶、乳液胶粘剂和溶液型胶粘剂常用的烯类修 补材料有：氰基丙烯酸酯胶粘剂、( 甲基) 丙烯酸酯树脂胶粘剂及聚酯酸乙烯乳 液胶粘剂。 黑龙江工程学院以美国“克来福”加热式填缝料为蓝本，研制出了性能相 当，成本大大降低的l k j l 型沥青类灌缝胶。其主要应用于寒区高等级混凝土 路面裂缝的修补。但是其性能尚有不足，与混凝土路面裂缝的粘结性以及灌缝 工艺仍有待进一步研究。 目前国内比较常用的裂缝修补材料主要是以下几种： 表1 1 裂缝修补类型 材料类型材料名称生产厂家及材料特点施工工艺 水泥水泥砂浆现场调| 西常温施t 聚氨酯预聚体改性环 改性环氧树脂现场调配常温施工 氧树脂 道康j2 牌8 8 8 砗尉路美国道康。j 。公一j ，管状 碎酮常温施工 面拿用密封胶成品材料 高分子聚合物h 1 6 4 犁道路密封胶郧州百和国际经济发加热施t 第一章绪论 展有限公司，必须运用 专业灌缝机的泵送系 统灌缝 1 2 2 沥青混凝土路面裂缝密封胶 传统的裂缝修补材料有热沥青、乳化沥青和沥青混合料等，使用这些修补 材料，养护费用较低，但这些材料的抗老化性、粘结性、温度敏感性以及韧性 较差，维修后的裂缝容易在原裂缝处重新开裂，其失效率在8 5 以上。另外， 简单的挪用水泥路面裂缝的密封材料有存在着使用局限性和不适应性。 例如在2 0 0 1 年广珠段沥青混凝土路面裂缝出现初期，曾经采用乳化沥青对 早期裂缝进行了灌注和封闭处理。但是由于乳化沥青粘性较差，冬天易变脆， 天热易发生流动、产生轮迹，而且使用寿命低，处理及时性差，维修后的裂缝 失效率半年内就达到了8 5 以上，1 年后基本全部失效，须重新灌注。这不仅 加大了养护工作量，还增加了养护费用，频繁的路面维修作业也给车辆通行造 成诸多不便和不安全因素。 1 3 路面裂缝密封胶国内外研究现状 目前市场上大多的密封胶多应用于于伸缩缝( 胀缝) 、施工缝、传力杆接缝、 拉杆接缝、缩缝、假缝等工艺接缝，针对沥青路面或水泥路面裂缝开发的密封 胶品种并不多，其中沥青类更是寥寥无几。下文就市场上主流的沥青类密封胶， 做一个简要的介绍。 市场上应用于道路工程的沥青类密封胶主要品种有：橡胶沥青防水嵌缝油 膏、热熔橡胶沥青嵌缝膏、桐油沥青防水油膏、橡胶桐油改性沥青嵌缝油膏、 s b s 改性沥青弹性密封膏、再生胶浆沥青嵌缝密封膏、建筑防水沥青油膏、冷 施工沥青橡胶密封胶、沥青油狄密封胶、石棉漆、f s 型中华牌油膏以及“长寿 牌”嵌缝油膏。其中，可用于道路接缝的是橡胶沥青防水嵌缝油膏、热熔橡胶 沥青嵌缝膏、s b s 改性沥青弹性密封膏和“长寿牌”嵌缝油膏。下面就这几种 密封胶，做一个简要地介绍。 橡胶沥青防水嵌缝油膏又称改性沥青防水嵌缝油膏，是以石油沥青为基料， 加入香蕉改性材料以及填充料等混合加工而成，是一种弹塑性冷施工防水嵌缝 6 第一章绪论 材料，它具有优良的防水防潮性能，粘结性能好，延伸率高，当基层结构伸缩 变形时，能随结构伸缩而伸缩，而且耐高低温性能好，老化缓慢。其在公路中 主要用于混凝土跑道、车道、桥梁和各种建筑物伸缩缝、施工缝、沉降缝等处。 热熔橡胶沥青嵌缝胶是以沥青为基料，加入橡胶改性材料及填充料经加工 制成。是一种单组分型黑色热施工嵌缝胶，对混凝土和沥青基料材料具有良好 的黏着力，一般适用于密封水泥混凝土和沥青混凝土表面接缝，也可以用于低 斜度坡面接缝，产品分为a 型、b 型、c 型三种。a 型为软质，适合密封间距 不超过1 2 m 混凝土铺面等低位移构筑物的接缝。b 型为硬质型，适合密封公路、 跑道等接缝间距靠近的低位移构筑的接缝。c 型与b 型相似，但适用于气温较 高的环境中。 s b s 改性沥青弹性密封胶是用s b s 热塑性弹性体改性沥青加入软化剂、防 老化剂配制而成的。主要用于各种建筑的屋面、墙板接缝、水工、地下建筑、 混凝土公路路面的接缝防水，也适用于建筑物裂缝的修补，并可作屋面防水层。 本品采用喷灯或焊枪热熔施工。 “长寿牌 嵌缝油膏具有炎热不流淌、寒冬不皱裂、粘结力强、延伸率大、 回弹率高、耐低温性能好、耐酸碱、抗老化、施工方便、价格便宜等特点。本 产品主要适用于各种工业与民用建筑屋面、墙板接缝、水道、地下结构，混凝 土公路接缝防水和各种建筑裂缝的修补。 美国c r a f c o 公司研发了公路路面和机场道面裂缝修补材料密封胶，该 密封胶属于聚合物改性沥青，外观为固体状，使用前需要加热成液体。密封胶 在常温和低温时均有着较高的弹性，可随着裂缝的涨缩而发生弹性变形，始终 保持着密封作用，可长期、有效地密封沥青路面的裂缝。 壳牌“克裂王”和韩国路保沥青路面密封胶也均属于聚合物改性沥青材料， 是由合成橡胶、矿物填料和特殊沥青调配而成的，具有极佳的耐久性、抗衰老 性和特强的粘附力，同时具有足够的韧性可抵抗石子和其他硬物进入裂缝【l 】。 美国d e e r y 公司生产的d e c r y 系列灌缝胶性能优越，国内已经大量进口并广 泛使用，性能表现突出。其为高质量热修补的沥青裂缝密封胶，成份包括合成 橡胶或者再生橡胶或者两者混合并添加沥青胶结料和其它改性材料。常温下呈 固体块状，经加热熔化后变成具有超强伸展性和粘结性的黑色胶体，能够高效 地密封路面裂缝和接缝，并长期保持密封效果；完成施工后即可恢复交通。该 灌缝胶按照使用地区的气候条件的不同分为多个系列。 7 第一章绪论 1 4 沥青类密封胶性能优越 美国c r a f c o 公司、d e e r ) , 公司、壳牌以及韩国等生产厂家生产的聚合物改 性沥青类密封胶均以其优越的修补效果迅速占领了全球路面裂缝密封胶市场。 实践证明，相比于传统的硅酮类、聚氨酯类常温型密封胶，沥青类密封胶具有 良好的耐候性，优秀的耐久性已经极佳的密封效果。另外，伴随着新机械技术 的发展，对该类加热型密封胶配备相应的施工设备大大改善了其修补效果，克 服了高温施工带来的不便，为高温型密封胶的发展开辟了广阔的前景。 1 5 本文研究内容 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 本文从路面裂缝形成和发展的机理出发，证实了裂缝修补能够有效减 缓裂缝扩张，延长裂缝扩张寿命。分析了灌缝胶处于缝体内部时的物理力学性 质，对灌缝胶提出了一整套性能要求，以保证其性能的发挥。 ( 2 ) 本文在国内外现有的关于路面灌缝胶技术标准研究的基础上，对上述 标准进行了综合和补充，对各项技术指标的试验方法进行了详细说明，并给出 了保守目标值。 ( 3 ) 对灌缝胶的室内制备方法进行了系统研究。包括各改性剂制备方式、 时间、温度等要素以及复合改性时改性剂的添加顺序及时间融合。 ( 4 ) 本文大量的工作集中在新型沥青类灌缝胶的室内调配上。针对不同的 适用气候条件，对多种改性剂进行了筛选，寻找沥青的复合改性规律，并采用 了独创的组分调配方法，缩小了工作量和调配时间，成功调配出三类灌缝胶 低温型、严寒型以及普通型。 ( 5 ) 良好的灌缝效果除了要有高质量的灌缝胶，还必须具有科学的施工方 法。针对沥青类灌缝胶，本文介绍了其详细的施工工艺，给出了合理的建议。 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 研究密封胶的性能首先应当弄清沥青路面裂缝产生机理及其发展演变规 律。本文将从机理出发，分析路面裂缝产生及其发展演变规律，并从受力后应 力应变变化分析密封胶的作用及功能。 2 1 沥青路面裂缝分类及其产生机理 沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的。影响裂缝轻重程度的主 要因素有：沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质、气候条件、交通量和 车辆类型以及施工因素等。按开裂的主要原因，沥青路面的裂缝可以分为以下 几类。 荷载型裂缝 在行车荷载作用下，基层的底部产生拉应力，当拉应力大于基层材料的抗 拉强度时，基层的底部就会开裂。在行车荷载的反复作用下，基层底部的裂缝 会逐渐扩展到沥青面层，使沥青面层开裂。荷载裂缝在形式上主要表现为沿轮 迹方向的纵向裂缝和龟裂。 温度裂缝 由于沥青面层温度变化而产生的裂缝称为温度裂缝，这包括低温收缩裂缝 和温度疲劳裂缝。温度裂缝为非荷载型裂缝。在温度降低特别是气温骤降时， 面层表面的温度最低，其温度变化率也最大，因此，表面产生的温度拉应力最 大。表层材料受下层材料的约束而不能自由伸缩，产生较大的张拉应力，当张 拉应力大于表面材料的抗拉强度时，沥青面层就会开裂。温度裂缝在形式上主 要表现为横向裂缝和块状裂缝，有时也表现为纵向裂缝【2 1 1 。 反射裂缝 对于半刚性基层沥青路面，半刚性基层材料由于干缩和温缩产生开裂，干 缩和温缩裂缝的产生和扩展会引起裂缝上方面层底部先开裂并逐渐向上扩展， 最终将沥青面层拉裂，这种裂缝习惯上称为反射裂缝。反射裂缝在形式上主要 表现为横向裂缝。 沉降裂缝 9 第= 覃沥青路面疆麓行为理论及其对密封腔性能薹隶 它是由于壤土固结或路基不均匀沉陷所引起的双向和横向裂缝，常出现在 桥涵的两头或路基半填半挖处 其他裂缝 此井在沥青路面麓工的级向接缝处，由于施工接茬处理不善也容易产生纵 向裂缝沥青老化容易在沥青表面产生龟裂脚。 2 2 裂缝发展和演变规律 2 2 1 晴囊力学基本理论 在行车荷筑和温度荷袭的共同作用下沥青路面会出现各种形式的路面裂 缝，路面裂缝不仅影响路面使用功能。还会影响路面的结构功能，并且随着裂 缝长度的增加，裂缝还会导致路面在慨应力下发生断裂破坏，因此十分有必要 研究裂缝的扩展理论，为密封胶的使用提供理论基础，并对其技术要求进行规 范。目前的裂缝扩展理论基于断裂力学。 由于所受的外荷载的不同，袭毁的开展表现为不同的形式，断裂力学中将 裂纹分为三种不同的类型，即张开星0 塑) 剪切型型) 和撕开型i 型) 如 图2 1 所示： - - ，三。 b ，- j j t 。 、螽? i ) 簟开量tl 鼍蜘羞毫 o 开量曩量 圈2 i 三种基本的开裂攫型 ( 1 ) 张开型( i 型) 裂纹：是在与裂纹面正交的拉应力下，裂纹面产生张 i o 髟v 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 开位移而形成的，位移与裂纹面正交即沿拉应力方向。裂纹表面的位移垂直于 这个表面，裂纹面的上表面点与下表面点沿拉应力方向的位移分量不连续。 ( 2 ) 剪切型或滑移型( i i 型) 裂纹：是在平行于裂纹面而与裂纹尖端线垂直 方向的剪应力作用下，使裂纹面沿剪应力的作用方向产生相对滑移而形成的一 种裂纹，裂纹面上的上表面点与下表面点沿剪应力方向的位移分量不连续。 ( 3 ) 撕开型( 型) 裂纹：是在平行于裂纹面而与裂纹尖端线平行方向的切 应力作用下，使裂纹面产生沿裂纹面外，即沿作用的切应力方向产生相对滑动 而形成的一种裂纹，裂纹面上的上表面点与下表面点沿切应力方向的位移分量 不连续。 以上三种类型的裂纹是从很多破坏情况中总结出来的三种基本开裂模式， 实际情况中既有单独某一种形式的开裂，也有两种或两种以上形式综合的复合 型开裂。在路面结构分析中i 型裂纹和i i 型裂纹都有涉及，而对型裂纹一般 不考虑。 r e 孓 一 一a k 图2 2 平面问题的应力状态 z 图2 2 中，以裂纹尖端作为坐标系的原点建立坐标系，以裂纹的扩展方向 为x 轴的正方向，y 方向是裂纹面的法向方向，图中单元的位置由极坐标( r ， 0 ) 确定，r 远小于裂缝长度。通过w e s t e r g a a r d 复变函数方法可以求得线弹性 断裂力学中的裂纹尖端奇异场。 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 对于i 型裂纹，裂纹尖端附近的应力场及位移场的表达式为： t 6 p t 啦 l 一咖旦s m _ 3e 2 2 ：垒纨“旦i n3 _ecos11 1s i l l= = 釜一+ s l 一 4 2 7 r r 2i2 2 件叁压 s 1 n 旦s i l l 三9n 一一 22 式中：k 厂i 型裂纹应力强度因子 r ，0 以裂纹尖端为坐标原点的极坐标 g 含裂纹弹性体的剪切模量 卜弹性系数，对于平面应变问题k = 3 4u ，而对于平面应力问题则k = ( 3 1 a ) ( 1 + | i ) i i 材料泊松比 此处仅以i 型裂纹为例说明灌缝材料的作用。i i 型裂纹和i i i 型裂纹的应力 场此处省略。 从上述的裂缝尖端应力场的表达式中我们可以看到：应力分量表达式中都 含有f “2 项，从数学的角度来看，当r 趋向于0 的时候，裂纹尖端的每个应力 分量都趋于无穷大，即裂纹尖端的应力场表现为奇异性，同时位移场的表达式 没有奇异项，这与事实相符合。 应力强度因子是表征裂纹尖端附近应力场奇异性程度强弱的个重要参 数，也是判断是否出现失稳和计算含裂缝构件剩余寿命的一个重要参数。应力 强度因子越大，则裂缝越可能出现失稳，裂缝疲劳扩展的速度越快，其疲劳寿 命也越短。 应力强度因子k 是表征裂纹尖端附近应力场强度大小的参量。裂纹是否发 生失稳扩展取决于k 值的大小，因此可以采用应力强度因子k 及材料断裂韧度 k 来建立断裂准则( 办称k 准则) ，即k = k c ，其含义是：当含裂纹的弹性体在 外加荷载的作用下，裂纹尖端的k 因子达到裂纹发生失稳扩展时材料的临界值 1 2 、0lrj p 一2 秒一2 n 瞎 虹 2 2 + 一，二_二 一 9 2 9 2 磊 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 k c 时，裂纹就出现失稳扩展，甚至直接导致构件的破坏。以张开型裂纹为例， 在平面应变条件下，其断裂准则为： k l = k i c 其中，k i 是i 型裂纹的应力强度因子，可以通过理论计算方法确定。k l c 是材料断裂韧度，是平面应变情况下k l 的临界值，他是材料常数，可以通过试 验确定。以下的分析仅以i 型扩张说明，其它扩张方式同理可得【4 】【1 8 】【1 叭。 2 2 2 密封胶减缓裂缝开裂 基于裂缝修补的实际效果可以认为，对裂缝进行修补可以减小k 值。达到 这一效果一是密封胶的直接作用，二是其间接作用的效果。此处以表面裂缝扩 展为例，说明密封胶的灌缝效果。面层表面裂缝由于裂缝尖端靠近车轮荷载， 受正荷载作用时，裂缝尖端受压。经计算张拉型应力强度因子k l 为负值，故在 表面裂缝扩张分析中，只考虑偏荷载的作用，且只考虑k l i o 1 ) k 2 影响因素 应力强度因子k 2 的大小由加载方式、裂缝长度、面层、基层、底基层以及 土基的模量和厚度以及构件几何尺寸来决定。密封胶性能与加载方式无关，与 各层的厚度和模量也无直接联系；其只可能影响裂缝的长度。 长度因素： 裂缝扩展途中不进行填缝处理时，裂缝尖端的应力强度因子随裂缝深度变 化趋势如图2 3 所示： f 趸 芒 芝 ， 磁 c a 图2 3 k ii 随裂缝深度变化趋势图 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 分析图2 3 ，c a ( 裂缝长度占面层厚度百分比) 在4 急速增大，达到 0 4 之后缓慢下降，降幅微弱。由此说明，对裂缝进行修补可以降低e a 值，从 而降低k l i 值，减缓裂缝的扩展。在0 4 时k l i 值最大，这说明在裂缝开裂初期 修补裂缝可以有效减缓裂缝开裂，而且前期的雨水侵入较少，修补时间佳。如 果在后期修补，一方面由于修补的厚度有限，o d a 值降幅不大，则k l i 值也没有 明显下降，修补基本无效。且在修补后期，大量的雨水入侵已经造成路面结构 的破坏，丧失了最佳修补时机。 面层厚度和模量 经计算面层模量、厚度与表面裂缝扩展寿命关系见图2 4 ( 在断裂力学方法 中，认为疲劳是材料初始微裂缝在荷载作用下，扩展至破坏的过程。) 。面层模 量增大，表面裂缝扩展寿命减小。面层模量从1 0 0 0 m p a 增加到18 0 0 m p a ，裂缝 扩展寿命降低了2 3 ，且随面层模量的增大，裂缝扩展寿命降低的幅度将减缓。 而面层厚度增大，表面裂缝扩展寿命将呈线性增加。面层厚度从1 2 c m 增加到 2 0 c m ，裂缝扩展寿命提高了6 6 。对路表裂缝进行灌注，将提高裂缝处的有效 厚度，从而延长裂缝扩展寿命。 l ，m p a 伍) 摸量 客1 0 7 7 1 0 7 踅6 妒 o 5 1 0 7 4 x1 0 7 h l l c m ( b ) 蓐度 图2 4 不同面层模量和厚度时表面裂缝寿命比较 基层厚度和模量 基层模量、厚度与表面裂缝扩展寿命关系见图2 5 。随基层模量的增加，表 面裂缝扩展寿命随之线性增大，基层模量从1 1 0 0 m p a 增加到1 9 0 0 m p a ，裂缝扩 展寿命增大了2 6 。而随基层厚度的增大，裂缝扩展寿命也将线性增大。基层 厚度从2 6 c m 增大到3 4 c m ，裂缝扩展寿命增加了2 。 1 4 妒 妒 7 6 5 笛，z 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 岛脯h ( ) 覆置 h 圣渤i i b 辱震 图2 5 不同基层模量、厚度时表面裂缝扩展寿命比较 路面开裂后，雨水侵入裂缝内部，一方面对路面材料进行侵蚀，降低路面 局部强度，加速裂缝的扩张。严重时裂缝贯穿整个面层，雨水侵入基层并滞留 在基层顶面。在车辆荷载作用下，雨水产生动水压力对路基产生冲刷和侵蚀， 久而久之，造成路基材料松散甚至缺失，模量下降，裂缝扩展加速。 对裂缝进行灌注修补之后，从根源上阻止了水分的入侵，截断了雨水进入 路面内部的渠道，较少了基层的冲刷。从而阻止了基层模量的降低，间接降低 了k i 的增大速度，减缓了裂缝的继续发展，延长了裂缝扩展寿命【5 】【6 】。 2 2 3 密封胶受力状态 对沥青路面裂缝填缝后，裂缝总的填缝材料在交通荷载及外界环境的综合 作用下承受着各种外力的作用。 1 ) 受拉、压应力作用 在交通荷载作用下，沥青路面结构内各点处于不同的应力应变状态( 见图 2 6 、2 7 和2 8 ) ，而裂缝中填缝材料起着传递拉、压应力的作用，同时其自身 也受到拉、压应力的作用( 见图2 9 ) 。在拉应力作用下，会促使裂缝有不断扩 张及填缝料与裂缝壁面问被拉脱的趋势；而在压应力作用下，裂缝呈不断弥合 及填料被挤出的趋势。 1 5 2 3 4 d 6让“柚弘 鬈| 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 八 一 、莲t 努耐隧： 图2 6 路面面层在车轮作用下的受力状态图2 7b 点应力随时间的变化 ，f 、；燕上方时、 i 时商 w 图2 8a 点应力随时间的变化 幕 图2 9 裂缝填缝材料受拉、压应力作用 2 ) 受剪应力作用 当行驶的车辆接近裂缝或驶离裂缝时，裂缝中填缝材料起着传递剪应力的 作用，同时其自身也收到剪应力的作用。在剪应力作用下，裂缝两侧出现错台 及填缝材料被剪断或填缝料与裂缝壁面被剪切丌的趋势。受力状况如图2 1 0 所 不o 1 6 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 图2 1 0 裂缝填缝材料受剪应力作用 3 ) 受动水压力和真空吸力作用 当降雨或裂缝处有积水时，行驶的车辆会对裂缝填缝料产生一定的水力冲 刷作用，即在车辆驶近裂缝时，轮胎前面的水受轮胎挤压挤入裂缝，使裂缝填 缝料受到动水压力作用；在车辆通过裂缝后，轮胎后方与路面间形成暂时的真 空，使裂缝填缝料受到真空吸力的作用。在动水压力和真空吸力反复作用下， 会造成裂缝填缝料自身粘结力下降及填缝料与裂缝壁面间粘附性强度降低，有 使裂缝填缝料松散、脱出的趋势。受力状况如图2 1 l 所示【7 1 。 _ 酋_。一鹚：l 图2 1 l 裂缝填缝材料受动水压力和真空吸力作用 2 3 密封胶性能要求 要发挥密封胶减缓裂缝开裂，延长裂缝贯穿时间的功效，前提是保证密封 胶良好的工作性能。从上述的受力状态可知，密封胶在交通荷载和水损害的双 重作用下，承受着各种应力应变的作用。 填封料要与裂缝壁面形成一个整体，才能够有良好的抗拉、压、剪应力的 作用，这就要求填封料本身要有足够的粘结强度，并且要有一定的抗拉强度。 为了抵抗剪应力作用，防止填封料从裂缝中脱出，填封料与裂缝壁面间必须具 1 7 第二章沥青路面裂缝行为理论及其对密封胶性能要求 有较强的粘附性，即填封料与裂缝壁面就料件应具有良好的相容性，两者的化 学性质、物理性质都相容时，其粘附性能就能大大加强；同时填封料本身还必 须具有良好的渗透性，能很好地渗入到裂缝壁面旧骨料孔隙和微缝中，待填封 料固化后，便楔入和锚固在裂缝壁面上。这样填封料与裂缝壁面间就会产生很 强的粘附力。 在受拉压力作用时，为了避免产生变形过大或被挤出，应具有足够的抗变 形能力；在夏季高温情况下，为了防止砂石、碎屑等不可压缩的杂物嵌入裂缝， 影响修补效果，填封料也应具有一定的抗变形能力，也就是要求填封料要有一 定的韧性。 填封料的变形由弹性变形和塑性变形组成，塑性变形为不可恢复变形。填 封料要具有足够的弹性，使其在拉压应力作用下产生的弹性变形能够