0 引言

连续配筋路面(CRCP)属永久性路面结构的一种形式，主要用于重载交通，使用历史已经超过一百年^[1-2], 在中国应用范围也越来越广。因水泥混凝土材料本身具有显著的热胀冷缩特性^[3-4]，CRCP在与其他结构物相连的端部，会设置过渡构件，以防连续配筋混凝土的端部膨胀位移对相邻结构造成拱胀破坏^[5]。CRCP重点关注路面的连续与传荷性能^[6]，且认为伸缩缝会使路面有过多开口，从而导致骨料嵌锁损失和密封性损坏。因此设计环节更倾向于去除不必要的伸缩缝，只在与相邻结构设置隔离缝和收缩缝进行过渡^[7]，并将横向施工缝作为约束板体收胀的结构物^[8]。

中国路面依旧大规模使用水泥稳定碎石基层。区别于欧美国家常用的沥青处治基层^[9]，二者对CRCP层的约束效果不一样。按以前的设计方法，当下武汉地区大多数现存连续配筋路面约700~1 000 m设置一道伸缩缝，且目前使用最多的伸缩缝结构为毛勒式伸缩缝。毛勒式伸缩缝属于路面主体结构附属工程，在主体工程实施期间往往得不到足够的重视。因其存在水泥混凝土填缝料-锚固区钢筋-相邻路面结构层多级模量过渡，所以缝体局部材料的损伤会快速发育导致严重病害，极大影响行车舒适性和安全性。同时，锚固钢筋尺寸设计及焊接工艺、填缝混凝土设计强度及养生情况、橡胶止水带质量及后期定期更换、混凝土局部凿除及倒边施工过程中对相邻混凝土的振动影响等各方面因素，均会导致毛勒缝的提前破坏。继而陷入周期性的维修陷阱之中，给交通管理部门带来巨大的保通压力。

经过实际调查，当毛勒式伸缩缝填缝混凝土实测强度超过40 MPa时，缝体往往能具有较好的实际使用寿命；而低于30 MPa时，病害则开展较为迅速。虽然混凝土设计强度往往是50 MPa，但基于混凝土配合比、现场振捣和养生条件、强度形成过程中的扰动、钢纤维质量等原因，实际强度差异性很大。

解决毛勒缝的寿命问题，可以向两个方向思考：一个方向为往缝体刚性发展，用高强度的材料以刚制刚，按交通轴载等级进行混凝土的强度分级选用，比如高速公路可选用超高性能混凝土(UHPC)^[10]，而一、二级公路可选用高强混凝土；另一个方向为往柔性缝体发展，用柔韧的材料“以柔克刚”，比如沥青+连续配筋组合式路面结构中，采用环氧或者聚氨酯材料作为填缝材料。无论选用什么材料，在实施推广过程中的成本核算均需纳入缝体材料的使用寿命及保通成本，进行综合考虑分析。

本研究通过对新提出的免型钢伸缩缝进行结构、材料室内评价及现场试验段实施与数据监测，开展路面伸缩缝结构的应用尝试，以期为解决行业痛点问题提供一种新的思路和备选的全套解决方案。

1 毛勒缝构造及其病害 1.1 毛勒缝构造

毛勒式伸缩缝，也称异形钢单缝式伸缩缝。缝体主要材料包括通长的异型钢、缝体填充的高强水泥混凝土材料、封闭缝间距的橡胶密封条，其适用于伸缩量不大于80 mm的公路桥梁工程。服役状态良好的毛勒式伸缩缝应具备自由伸缩、缝体结构强度高且牢固可靠、车辆平顺驶过、杂物清理方便等特点。毛勒式伸缩缝的一般构造形式见图 1，其是桥梁建设中成熟的梁板端头拼接方式^[11-12]。

1.2 毛勒缝现场病害调研

通过对武汉市某区域国省主干道47道桥梁毛勒缝及69道连续配筋路面毛勒缝的实地调研，发现毛勒缝的破坏形式可分为以下4大类：(1)混凝土填缝料的破环，具体表现为混凝土裂缝、麻面、露骨、剥落、破损露筋; (2)型钢破坏，具体表现为型钢变形、间距过窄、断裂; (3)橡胶条破损，具体表现为破裂破损、杂物堆积; (4)毛勒缝填缝混凝土与相邻结构的脱离开裂、缝体脱空。

经分析，导致锚固区混凝土破坏的原因有：(1)伸缩缝橡胶条破损或拉扯断裂，导致其不再具备防水功能，雨水沿缝体流入造成路基承载能力下降，锚固区受荷载往复作用产生裂缝。(2)部分原材料品质不合格，致使混凝土强度不足。(3)型钢埋置于板体内钢筋的混凝土保护层厚度较小，表征为裂缝在沿行车方向呈等距规律发展, 见图 2。若雨水沿裂缝处进入混凝土内部接触到钢筋，会导致钢筋锈蚀，而钢筋的锈蚀膨胀会导致裂的进一步发展，最后导致锚固区破碎^[13]。(4)沥青混凝土路面与毛勒式伸缩缝锚固区的黏接面不牢固。调研结果显示，多数毛勒式伸缩缝都存在交界面裂缝，这导致实际毛勒缝板体的工作状态更类似于一片细窄梁，经车辆荷载往复作用致锚固区产生破损^[14]。

型钢破环成因如下：(1)车辆冲击导致型钢变形，此破坏形式大都与锚固区破损同时发生。锚固区破碎后，整体性更好的型钢将直接承受车辆的冲击，因此在重车道或轮迹带处，型钢变形较为多发。(2)缝体间距设置不当，调研时间为4月份，当时武汉日最高气温为19 ℃，并未达到武汉市年最高气温，说明CRCP板体的膨胀还未达到最大值，但已经有多处发生型钢顶死，少量缝体出现错台及边缘混凝土挤碎现象，形成这种病害多是由于施工时预留的缝间距不足。(3)型钢断裂与锚固钢筋的裸露、翘起，此病害是由于锚固区混凝土破碎缺失所导致，且已严重影响道路行车安全，可能会导致车辆爆胎等安全事故^[15]。

橡胶止水带破坏成因如下：(1)橡胶条老化，另由于路面灰尘、破碎石子等杂物在止水带处累积，在车辆作用下挤压橡胶条；(2)板体收缩量过大导致橡胶条拉断，此病害的产生多为设计与施工不对应。

2 新型免型钢伸缩缝结构

根据实际工况并结合工程经验，提出一种免型钢伸缩缝结构用于连续配筋混凝土路面。

2.1 免型钢伸缩缝NSJ

免型钢伸缩缝是一种间断缝结构，将原有脆硬锚固混凝土用高性能弹韧树脂混凝土代替，取消了型钢结构，但缝宽仍然存在。由于去除了型钢，亦不再采用易老化的氯丁橡胶止缝条，代以高性能的硅酮类材料进行填缝跨越。免型钢伸缩缝省去与型钢和橡胶条相关的所有异型材料和操作工序，端头不再设置锚固钢筋，减少了钢筋焊接前置工序，节约材料，施工简单。图 3为连续配筋混凝土路面免型钢伸缩缝图。

免型钢伸缩缝的特点是：(1)缝体弹韧：弹性好, 强度高, 抗变形能力强, 降噪, 安全, 舒适, 美观；(2)构造简单：减少应力集中与冲击荷载；(3)材料协同：黏结稳固, 协调变形, 整体受力；(4)工艺简便：环氧砂浆自流平, 自密实, 维修快捷方便。

2.2 免型钢伸缩缝材料性能验证

为评价免型钢伸缩缝的性能，并与现场实际工况相结合，采用施工现场取样而非室内成型样品的方式进行工程性能评价。因此项目在武汉市某在建公路选取了两处进行试验段施工，取实验室标准模具于现场进行成型试件，之后将试件带回室内实验室准备进行相关试验。于现场制备的试件包括：(1)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm标准三联模成型抗压试件15个；(2)底部直径101.6 mm标准马歇尔试件10个；(3)300 mm×300 mm×50 mm标准车辙板试件3个；(4)用于切割成型SCB试件的底部直径150 mm大型马歇尔试件8个；(5)250 mm×30 mm×35 mm三点小梁试件3个(自制钢模)；(6)用于室内取芯成型单轴抗压试件的300 mm×300 mm×130 mm长方体试件两个。所有试块成型12 h脱模后放置于室温条件自然养生，养生期一周内气温在17~28 ℃之间。

待马歇尔试件强度形成后，沿底部直径将其一分为二，用以室内半圆弯曲低温试验与重复加载疲劳。300 mm×300 mm×130 mm长方体试块用于实验室取芯。目标取芯试件尺寸为底部直径50 mm，高度100 mm圆柱体试件，取芯完成后用双端面切石机与磨石机对试件进行端面处理，用以进行动态单轴试验及动态模量试验。

2.2.1 力学性能参数

(1) 抗压强度

将环氧砂浆70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试样置于室温养护，分别在0.5，1，3，5，7，14 d及28 d进行强度试验，采用万能压力试验机进行试验，加载速率为0.2 kN/s，立方体抗压强度随龄期的发展见图 4。

由试验结果可以看出：环氧砂浆24 h的强度可达到28 d龄期强度的70%左右，3 d即可完全形成终了强度，之后随着龄期的发展强度趋于稳定。

(2) 动态模量

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行单轴压缩动态模量试验(T 0738)，试验频率选取0.1，0.5，1，5，10，25 Hz，试验温度选取― 10，4，21，37，54 ℃。动态模量拟合主曲线见图 5。

由试验结果可知：取定加载频率时，环氧砂浆混合料的动态模量随温度的升高而减小；同一试验温度下，混合料的动态模量随频率的增加而增大。但当频率超过10 Hz时，环氧砂浆的动态模量值相对普通沥青混合料模量值要小，且其变化很小，说明环氧砂浆具有较好的低温性能；在主曲线低频段，虽然环氧砂浆的动态模量较小，但经测试发现，60 ℃时环氧砂浆的抗压强度达到3 MPa。环氧属有机材料，在夏季路面高温情况下，环氧砂浆依旧能维持近3 MPa的抗压强度，表明所用环氧砂浆具有较好的路面高温持荷能力。

2.2.2 路用性能参数

(1) 动态单轴试验

动态单轴试验采用液压伺服UTM-100试验机进行，试件尺寸为ϕ5 cm×h10 cm的圆柱体，荷载水平为0.7，1.4，2.1 MPa和2.8 MPa，作用频率1 Hz，环境温度60 ℃，试验结果见图 6。

从图 6可以看出，0.7 MPa和1.4 MPa荷载作用水平的试验总共进行4.5万余次，其中0.7 MPa作用下试件的弹性变形幅度约为0.9 mm，1.4 MPa时约为1.5 mm。但总体上在0.7 MPa和1.4 MPa力的作用时，材料均属弹性变形范围，趋势上来看可以近乎无限次承载，且试验结束后试件产生明显形变，说明此荷载水平下环氧砂浆的承载能力足以满足路面长期服役要求。当试件加载2.1 MPa荷载水平时，试件在承受4.4万余次重复作用时发生破坏；2.8 MPa荷载水平试验时试件在1 580次即达到破坏。总体来看，即便针对2.1 MPa和2.8 MPa的路面极端受载条件，本结构所采用环氧砂浆仍然具有一定的持荷能力，表现出良好的疲劳耐久性。

(2) 车辙试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行车辙试验(T 0719)。试验结果显示环氧砂浆60 ℃动稳定度均值为21 000次/mm，相比于常规基质沥青混合料的车辙试验动稳定度值800~1 600次/mm，常规SBS改性沥青混合料的车辙试验动稳定度值4 000~6 000次/mm^[15-16]，可以看出环氧砂浆填缝料具有优异的抗车辙性能。

(3) 半圆弯曲试验

半圆弯曲(Semi-circular Bending，SCB)试验是基于断裂学原理的一种沥青混合料低温性能评价方法^[17-18]。本试验所采用的环氧砂浆半圆柱试件为现场制作的ϕ150 mm×h63.5 mm马歇尔试件对半切割所得。试验进行时，先将试件置于― 10 ℃的UTM环境保温箱中保温6 h，然后以1 mm/min的速率进行加载至试件破坏，至其荷载应力低于0.1 kN时停止试验。

SCB试验结果为：最大断裂力为29.43 kN，断裂能为3 176.7 J/m²，见图 7(a)。查阅文献得知：常规SBS改性沥青混合料断裂能为1 500~1 700 J/m²，常规基质沥青混合料断裂能为900~1 100 J/m²。环氧砂浆混合料断裂能分别约为SBS改性沥青混合料和基质沥青混合料的2倍和3倍。这表明所用环氧砂浆具有优异的低温抗裂性能。

(4) 三点小梁弯曲试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行三点小梁弯曲试验(T 0715)。于现场通过自制钢模制得3个三点小梁试件：长250 mm×宽30 mm×高35 mm。所用试验机具为UTM-100，进行― 10 ℃条件的三点小梁弯曲试验，试验加载速率为50 mm/min。试验结果见表 1，示意如图 7(b)所示。

表 1中试验结果显示，在― 10 ℃环境条件下，环氧砂浆的抗弯拉强度超过11 MPa，破坏弯拉应变超过3 500 με，弯曲劲度模量在3 200~3 300 MPa之间，相应指标均远优于沥青混凝土材料。数据表明在低温条件下，环氧砂浆材料具有强度高和抗变形能力强的突出优点。

(5) 水损性能试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行冻融劈裂和浸水马歇尔试验，试验结果见表 2。高强弹韧环氧树脂砂浆冻融劈裂残留强度比的试验结果为94.3%，浸水残留度为88.1%。

(6) 疲劳试验

进行20 ℃条件下的SCB重复加载试验，采取控制应力加载模式^[19]并分别以0.4，0.5，0.6，0.7，0.8和0.9等5个应力水平进行疲劳试验。在加载过程中所施加应力的峰谷值始终保持不变，随加载次数的增加致试件破坏，同时仪器自动停止并记录试件到达破坏状态时的作用次数。

对疲劳寿命-应力水平进行半对数回归后得到疲劳方程，此处将其疲劳性能与相关SBS改性沥青混合料试验数据^[20-23]进行对比，SBS改性沥青混合料的疲劳寿命包络区域见图 8。

一般而言，普通基质沥青混合料试验结果为F_max=2~4 kN，0.4应力强度比作用下的疲劳寿命次数N_f为2 000~5 000次；SBS改性沥青混合料试验结果为F_max=6~8 kN，0.4应力强度比作用下的疲劳寿命次数N_f为8 000~20 000次。使用63.5 mm厚的环氧砂浆混合料半圆试件进行疲劳试验时F_max=31.2 kN，若试验采取相关应力水平进行试验，所要求的主轴施加力已超出液压伺服系统UTM的重复加载测试量程，此处考虑将试件厚度由63.3 mm消减至45 mm进行试验，试验结果为F_max=14.3 kN，0.4应力强度比作用下的疲劳寿命次数N_f为50 818次。由于破坏力不一样，若将SBS承担的应力值施加于环氧砂浆上，则会对应于环氧砂浆的极小应力水平和极大疲劳寿命。对比之下，更显环氧砂浆混合料优异的抗疲劳性能。

3 现场试验段 3.1 施工过程简介

试验段施工过程简介如下：将横向钢筋对称地设置在伸缩缝两侧，并用箍筋固定；箍筋锚固位置为预留纵筋位置，形成整体受力；在原混凝土端面处涂抹水泥混凝土黏接剂，之后对绑扎钢筋笼处进行CRCP同质水泥混凝土浇注，待水泥混凝土强度形成后拆除缝内模板；清理混凝土表面后在其上浇注高强弹韧树脂砂浆，中缝处填充弹性体。

相关界面黏接的处理工序为：伸缩缝处基层顶面涂刷封层材料；钢筋涂刷防锈层防止锈蚀；环氧砂浆缝体底面与端部混泥土板顶面涂刷层间黏接胶；高强弹韧树脂砂浆与沥青面层交界处灌注填缝胶；伸缩缝表面洒布防滑碎石并与两侧沥青面层找平；中缝弹性体顶部灌注硅酮类跨缝胶，跨缝胶将弹性体与中缝间的缝隙全部密封。

3.2 端部的伸缩位移变形量监测

在试验段实施的同时，在混凝土端头内部埋设了VWD振弦式测缝计，为得到CRCP板体端部在温度变化下的胀缩数据，并为将来伸缩缝缝宽的设计提供参考(图 9)。

VWD型振弦式测缝计的工作原理为：当伸缩缝两端的混凝土板发生位移时将会带动位移计变化，通过前、后端座传递给振弦使其产生应力变化，从而改变振弦的振动频率，电缆线圈测量其振动频率，频率信号经观测电缆传输至读数装置，即可测出伸缩缝的位移量，并同步测量埋设点的温度值。

试验段施工时伸缩缝采用40 mm施行。从施工起监测缝宽的变化，取7月13日0 : 00至16日0 : 00的监测数据见图 10；取5月下旬至次年5月下旬数据见图 11，其中图 11(a)为1年间内缝宽变化绝对值，11(b)为期间混凝土板内实时温度值。图中编号1为位于道路横向中心的位移计；编号2为位于道路边缘的位移计，即缝边缘；T为温度；D为缝宽数据。

图 11主要以大温差对缝宽的影响进行分析，凸显阶段的温度变化对缝宽的影响。

通过对年缝宽变化的监测可以看出：(1)板边缘处总是比板中处的温度要低且缝宽要大，表明路面中部聚热量大，边缘散热快。该发现与文献[24]中以有限元软件Abaqus的模拟结果是相同的，沥青路面热物性对竖向深度处的影响由路面中线至路肩侧逐渐减弱。路基温度场向上对路面结构层的影响也是如此，这种变化趋势在秋末及冬季显得尤为明显。(2)监测数据同时表明缝宽、板内温度都以年为周期进行发展，年数据首尾相近。(3)试验段所在地监测的板内年温差为40.2 ℃，监测缝宽收缩量极值为4.8 mm，扩张量极值为10.7 mm，试验段服役效果达到预期。

后期返回试验段对新型伸缩缝及同期安装的毛勒式伸缩缝的服役状况进行回访，具体情况为：新的缝体形式现场使用良好，防滑碎石黏结良好且几乎无掉落，各黏结面都无病害发生。毛勒式伸缩在仅通车两个月时缝体就已经发展出多处等距规则裂缝；一年后，新型免型钢式伸缩缝在经历胀缩极值后仍外观良好无病害产生，但毛勒式伸缩缝已产生多种典型病害，具体表现为：等距的纵向裂缝、缝体脱离路面、缝内橡胶条杂物堆积。

3.3 适用性及经济性分析

本次试验段的应用表明：在缝宽以40 mm预留、年温差幅度为40 ℃的武汉地区，缝宽变化绝对值范围处于安全阈值内；其中，中缝弹性体的受拉变形可达300%，本次试验段所使用弹性体受压变形达10%，受拉达25%，说明新型伸缩缝在更大温差地区仍然大有可为。同时，大温差寒冷地区的适用性验证需结合当地传统伸缩缝的设置经验、温差范围、施工季节进行缝宽参考施行。

在后期建设过程中，新型伸缩缝的主要预算包括：人工、机械工、物料。试验段的经济分析显示：毛勒式伸缩缝造价可控制在2 000~3 000元/m，略高于型钢式毛勒缝，后期可通过降低免型钢伸缩缝的宽度进行进一步的成本节省。单看建设成本，新型伸缩缝的建设使用带来成本的增加，但结合一年的通车现状及长远所面临的维修成本来综合考量，尤其是毛勒式伸缩缝维修与养护的保通成本巨大，且严重影响社会正常出行。

4 结论

通过现场调研，分析了毛勒式伸缩缝病害发生的原因，提出了新型免型钢伸缩缝结构，进行了室内材料性能验证与现场试验段施工，并安装了缝体间距实时监测装置。得到的结果如下：

(1) 通过对一定量的毛勒式伸缩缝的破坏情况进行分析，可得知其有如下特点：刚度过高、构造复杂、材料多样，上述特点会造成缝体的高变异性和大的冲击荷载，其破损的主要成因为：缝体脆硬、材料突变、构造分离和应力集中。

(2) 提出用于路面新形式伸缩缝免型钢伸缩缝，主要内容为：去除型钢、氯丁橡胶与锚固混凝土等脆性材料，改以高性能弹韧树脂混凝土来替代，在缝间距处改以高性能的硅酮类材料进行填缝跨越，主要拼接面与填缝处处理方法为涂抹或灌注特用环氧树脂胶，通过在树脂砂浆表面铺筑防滑碎石来保证路面防滑性能。试验段经实际检验服役性能优越，无特征病害。

(3) 新型免型钢式伸缩缝所采用的环氧砂浆填缝料具有优异的路用性能，通过对CRC板内部埋设位移计数据分析，结果显示：温度变化对缝间距变化有显著影响，缝体年温差变化幅度达30 ℃以上。缝宽早7 : 00最大，晚20 : 00最小；且路侧边缘较道路中部温度更低缝宽更大。混凝土浇注的适宜月份为4—5、10—11月份，该时段浇注的混凝土能较大可能保证缝宽变化在合理范围。但考虑到施工工期常常不受控，因此选择适宜的缝间距预留量便尤为重要。简言之，适宜施工的月份预留量为40 mm是合适的，低温时节宜增大预留量，高温时节宜减小预留量。后续将对缝宽变化开展多年周期性的监测研究，以期更加科学、精确地指导伸缩缝施工。

(4) 新的缝体结构可减少一定的施工工序，与传统毛勒式伸缩缝相比，施工工期显著缩短；在经济方面来看，新结构前期试验段施工成本略有增加，但就目前试验段来看，其能充分满足公路重交通下的耐久性及结构要求，并且服役性能明显好于同期完工的毛勒式伸缩缝，考虑到毛勒缝的长期服役过程中需多次维修所面临的保通压力，更突出免型钢伸缩缝具有的经济与社会效益，具备推广使用的前景。