王江洋 王新明 錢振東

（1.蘇州市公路管理處 蘇州 215007； 2.東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心 南京 210018）

防水保護(hù)層是鐵路鋼橋的重要組成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響鋼橋結(jié)構(gòu)的使用耐久性。保護(hù)層在使用過程中長(zhǎng)期承受疲勞荷載作用往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂縫、破碎等破環(huán)現(xiàn)象。剛性防水保護(hù)層（水泥混凝土）由于材料自身特點(diǎn)，其抗拉性能和變形協(xié)調(diào)能力較差，較易產(chǎn)生裂縫類病害而使水分侵入到鋼橋面板。隨著鐵路鋼橋的跨徑不斷增大，鐵路鋼橋采用柔性保護(hù)層的研究受到重視。

環(huán)氧瀝青混凝土作為鋼橋面鋪裝材料，已成功應(yīng)用于國內(nèi)外多座大跨徑公路鋼橋，具有強(qiáng)度高、抗疲勞性能好，尤其在高溫下具有較好的抗變形能力，且對(duì)鋼板變形追從性好［1］。在對(duì)公路鋼橋面柔性保護(hù)層的研究中，力學(xué)分析時(shí)車輛荷載直接作用在保護(hù)層表面［2－3］，室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)采用的是公路工程柔性鋪裝材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。而鐵路鋼橋保護(hù)層鋪設(shè)在道砟與橋面板之間，采用的是鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范。

本文從鐵路鋼橋橋面系的結(jié)構(gòu)組成及荷載傳遞特點(diǎn)出發(fā)，研究列車荷載作用下環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)合客運(yùn)專線橋梁保護(hù)層技術(shù)要求以及剛性材料試驗(yàn)方法，試驗(yàn)研究柔性保護(hù)層材料以及與鋼板的復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，檢驗(yàn)環(huán)氧瀝青混凝土在鐵路鋼橋防水保護(hù)層中的適用性。本文研究成果已在南昌樞紐東新贛江特大橋主橋順利應(yīng)用實(shí)施，同時(shí)可為江蘇省內(nèi)即將開工建設(shè)的滬通鐵路長(zhǎng)江大橋和五峰山公鐵大橋提供防水保護(hù)層方案研究基礎(chǔ)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的推廣應(yīng)用前景。

1 鐵路鋼橋道砟槽防護(hù)體系

本文提出“鋼板＋環(huán)氧富鋅漆＋環(huán)氧瀝青粘結(jié)層＋3cm環(huán)氧瀝青混凝土＋環(huán)氧瀝青粘結(jié)層＋3cm環(huán)氧瀝青混凝土”的新型柔性防水保護(hù)層復(fù)合結(jié)構(gòu)體系。在鋼板上進(jìn)行防腐涂裝后，噴涂防水粘結(jié)層，隨后鋪筑柔性保護(hù)層，對(duì)鐵路正交異性鋼橋提出“環(huán)氧瀝青混凝土道砟槽底板＋水泥混凝土防撞墻”的道砟槽形式，見圖1。

圖1 道砟槽設(shè)計(jì)斷面（尺寸單位：mm）

2 柔性防水保護(hù)層復(fù)合結(jié)構(gòu)體系力學(xué)分析

鐵路鋼橋橋面系結(jié)構(gòu)組成較公路鋼橋復(fù)雜，環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層體系的力學(xué)行為可看作高速列車－軌道－環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層－橋梁各結(jié)構(gòu)組成部分的相互作用問題。采用有限元方法建立鐵路鋼橋道砟槽耦合體系模型，見圖2。根據(jù)《新建車速200～250kw／h客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定（鐵建設(shè)［2005］140號(hào)）》［4］，選用 ZK 特種活載作為外載施加在鋼軌表面，考慮按列車豎向荷載的10%計(jì)算制動(dòng)力系數(shù)，計(jì)算荷載圖示見圖3。

圖2 耦合體系作用模型

以東新贛江特大鐵路橋?yàn)槔?，線路等級(jí)為新建車速200kw／h客運(yùn)專線鐵路，I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)鐵路，正線數(shù)目為4線。在有限元建模時(shí)選取的結(jié)構(gòu)各組成部分材料計(jì)算參數(shù)見表1。道床厚度為40 cm，道床頂面寬度為360cm，道砟槽采用1∶1.75的緩坡，橫隔板跨距為2.0m，橋面鋼板厚度為16 mm，柔性保護(hù)層厚度為60mm。

表1 鐵路橋面系結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)［4－6］

由力學(xué)計(jì)算結(jié)果可知，鐵路鋼橋柔性保護(hù)層最大橫向拉應(yīng)力分布在軌枕兩側(cè)以及縱肋上方對(duì)應(yīng)區(qū)域，最大縱向拉應(yīng)力分布在軌枕下方對(duì)應(yīng)區(qū)域，這些區(qū)域保護(hù)層可能產(chǎn)生縱橫向開裂；最大橫向?qū)娱g剪應(yīng)力分布在荷載下方軌枕兩側(cè)，最大縱向剪應(yīng)力分布在荷載下方軌枕對(duì)應(yīng)的保護(hù)層區(qū)域，這些區(qū)域可能發(fā)生鋼板和保護(hù)層的橫向?qū)娱g滑移及剪切破壞。

考慮列車豎向荷載＋撓曲力＋制動(dòng)力的綜合工況計(jì)算得出的力學(xué)響應(yīng)峰值見表2。由表2可知，由于鐵路鋼橋有鋼軌、軌枕、道砟等的力擴(kuò)散，柔性保護(hù)層的力學(xué)響應(yīng)峰值比起公路鋼橋橋面的對(duì)應(yīng)值［2］要小很多。

表2 鐵路鋼橋橋面柔性保護(hù)體系力學(xué)響應(yīng)峰值

為驗(yàn)證環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層體系是否能夠勝任鐵路鋼橋橋面的工作狀態(tài)，下文通過柔性保護(hù)層材料與復(fù)合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，與力學(xué)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3 柔性保護(hù)層材料研究

在研究環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層材料性能時(shí)，僅考慮柔性材料試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)不再合適。基于鐵路鋼橋的受力變形特征，結(jié)合鐵路鋼橋面通常采用剛性保護(hù)層的現(xiàn)狀，本文綜合運(yùn)用《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052－2000）與《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJE30－2005）、《客運(yùn)專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術(shù)條件（修訂版）（科技基函［2007］6號(hào)）》［7］，對(duì)環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層材料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 強(qiáng)度及抗凍性能

試驗(yàn)選取國產(chǎn)環(huán)氧瀝青、玄武巖集料與石灰?guī)r填料，采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定環(huán)氧瀝青混凝土最佳油石比為6.7%，對(duì)其進(jìn)行劈拉、抗彎以及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并與常用鐵路鋼橋剛性保護(hù)層材料進(jìn)行性能對(duì)比［8－9］，見表3。

表3 柔性與剛性保護(hù)層強(qiáng)度性能試驗(yàn)結(jié)果（15℃）MPa

由表3可見，環(huán)氧瀝青混凝土的劈拉強(qiáng)度大于C40混凝土28d劈拉強(qiáng)度，略小于纖維混凝土；抗彎強(qiáng)度為2種剛性保護(hù)層材料的1.5倍以上；剛性材料本身抗壓性能優(yōu)異，熱固性環(huán)氧瀝青混合料性能介于剛性與柔性之間，其常溫下的抗壓性能雖略低于C40和纖維混凝土，但與兩者28 d的強(qiáng)度值相比僅相差7MPa左右。3種材料均滿足暫行技術(shù)條件規(guī)定的剛性保護(hù)層的強(qiáng)度性能技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)劈拉、抗彎強(qiáng)度滿足力學(xué)計(jì)算分析結(jié)果最大橫向拉應(yīng)力0.321 2MPa的要求，抗壓強(qiáng)度滿足最大壓應(yīng)力0.23MPa的要求。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJE30－2005）中的“水泥混凝土快凍法”，研究環(huán)氧瀝青混凝土抵抗水與低溫共同作用的能力，抗凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 抗凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由表4可見，環(huán)氧瀝青混凝土的抗凍融能力略差于C40水泥混凝土，但規(guī)范規(guī)定質(zhì)量損失率達(dá)5%時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)為試件的最大抗凍循環(huán)次數(shù)，暫行技術(shù)條件規(guī)定鐵路鋼橋剛性保護(hù)層材料抗凍融循環(huán)須大于300次；環(huán)氧瀝青混凝土抗凍融循環(huán)達(dá)300次時(shí)其質(zhì)量損失率僅為1%，遠(yuǎn)沒有達(dá)到材料本身的最大抗凍融能力，因此完全滿足技術(shù)要求。

3.2 抗氯離子滲透與防水性能

按照《客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件（科技基函［2005］101號(hào)）》［10］中的“混凝土的電通量快速測(cè)定方法”進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)。先將試件在真空加壓桶中6h，然后在注入3%NaCl＋0.3mol／L NaOH的溶液中進(jìn)行24h真空飽水，接著取出試件裝入塑料試驗(yàn)槽內(nèi)，試驗(yàn)槽的兩側(cè)分別裝入配制好的NaCl溶液和NaOH溶液，通電6h后，測(cè)量通過試件的電量值，見圖4，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖4 環(huán)氧瀝青混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)

表5 環(huán)氧瀝青混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見，環(huán)氧瀝青混凝土通電6h后平均電量為205C，僅為暫行技術(shù)條件規(guī)定的最大值（1 000C）的20%左右。因此，環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)良的抗氯離子侵蝕能力。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的“水泥混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)方法”，研究環(huán)氧瀝青混凝土的防水性能。密封處理試件表面后，水壓從0.1MPa開始，每隔8h增加水壓0.1MPa，一直加至6個(gè)試件中有3個(gè)表面發(fā)現(xiàn)滲水，記下此時(shí)水壓力，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見，普通混凝土抗?jié)B性能不能滿足技術(shù)要求，纖維混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土的抗?jié)B等級(jí)為普通混凝土的2～3倍，且均滿足暫行技術(shù)條件規(guī)定要求，具有優(yōu)良的防水性能。

3.3 抗磨耗性能

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的“水泥混凝土耐磨性試驗(yàn)方法”，試件在200 N的負(fù)荷下磨30r，刷凈表面粉塵稱重m1，作為試件初始質(zhì)量；同樣負(fù)荷下磨至60r，刷凈表面粉塵稱剩余質(zhì)量m2；接著繼續(xù)磨至500r，刷凈表面粉塵稱剩余質(zhì)量m3，以單位面積的磨損量來表示，試驗(yàn)過程見圖5，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

圖5 環(huán)氧瀝青混合料質(zhì)磨耗損失量試驗(yàn)

表7 環(huán)氧瀝青混合料與水泥混凝土耐磨性能對(duì)比

試驗(yàn)過程中，聚丙烯纖維混凝土在磨耗近400r后，儀器的刀片因混凝土表面磨損較嚴(yán)重而無法繼續(xù)操作?！豆饭こ趟嗉八嗷炷猎囼?yàn)規(guī)程》中規(guī)定水泥混凝土耐磨性試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用60r條件下的質(zhì)磨耗損失量，環(huán)氧瀝青混凝土在60r條件下的質(zhì)磨耗損失量?jī)H為聚丙烯纖維混凝土的50%左右，同樣優(yōu)于普通混凝土。因此，環(huán)氧瀝青混凝土表面抵抗磨損的能力優(yōu)于普通水泥混凝土以及摻加聚丙烯纖維網(wǎng)的高性能混凝土，能夠滿足鐵路鋼橋保護(hù)層的耐磨要求。

4 柔性防護(hù)體系復(fù)合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

通過柔性防護(hù)體系多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的剪切與拉拔試驗(yàn)，檢驗(yàn)在列車荷載作用下，“鋼板＋環(huán)氧富鋅漆＋環(huán)氧瀝青粘結(jié)層＋3cm環(huán)氧瀝青混凝土＋環(huán)氧瀝青粘結(jié)層＋3cm環(huán)氧瀝青混凝土”防水保護(hù)層的各層層間抗剪切與粘結(jié)性能。

4.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)研究

根據(jù)鋼橋正交異性鋼橋面板的使用環(huán)境與條件，列車在行駛過程中，減速或者剎車時(shí)對(duì)防水層施加的剪切力在高溫條件下最為不利，選取常溫20℃和高溫60℃2種條件。試驗(yàn)時(shí)，試件受剪面剪切強(qiáng)度τ＝（P×sinα）／S。式中：P為作用荷載，N，S為試件受剪截面積，cm2。

由力學(xué)分析過程可知，列車制動(dòng)力或牽引力應(yīng)按列車豎向靜活載的10%計(jì)算，因此α角須小于84°，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)條件，本文試件受力面與加載方向夾角取α＝60°，加載速率為50 mm／min，試驗(yàn)過程見圖6，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

圖6 復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)示意圖

圖7 復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗(yàn)示意圖

表8 柔性防護(hù)體系復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)結(jié)果

由表8可見，60℃條件下復(fù)合結(jié)構(gòu)各層層間抗剪性能僅為常溫條件下的30%左右，因此高溫時(shí)可能導(dǎo)致保護(hù)層產(chǎn)生剪切破壞。鋼板與保護(hù)層之間抗剪性能略優(yōu)于保護(hù)層層間，同時(shí)復(fù)合體系的整體抗剪切性能完全滿足理論分析結(jié)果0.302 3MPa的要求。

4.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗(yàn)研究

試驗(yàn)溫度選取常溫20℃和高溫60℃2種條件，以100～200N／s的速度對(duì)拉桿加載，直至試樣破壞，試驗(yàn)過程見圖7，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 柔性防護(hù)體系復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗(yàn)結(jié)果

由表9可見，60℃條件下復(fù)合結(jié)構(gòu)各層層間粘結(jié)能力是常溫條件下的65%左右，高溫時(shí)復(fù)合體系仍具有較好的粘結(jié)性能。鋼板與保護(hù)層之間粘結(jié)強(qiáng)度與保護(hù)層層間相比相差不大，說明復(fù)合體系的整體粘結(jié)性能較好。鋼板與保護(hù)層之間的粘結(jié)強(qiáng)度完全滿足暫行技術(shù)條件規(guī)定的保護(hù)層與防水層粘結(jié)強(qiáng)度大于0.5MPa的要求。

5 結(jié)語

本文在對(duì)典型鐵路鋼橋面系結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，通過環(huán)氧瀝青混凝土以及柔性防護(hù)體系復(fù)合結(jié)構(gòu)室內(nèi)試驗(yàn)，表明環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層材料在強(qiáng)度、抗凍性能上與剛性保護(hù)層材料相差無幾，在防水性、抗侵蝕性、抗磨耗性能方面優(yōu)于剛性材料。同時(shí)，柔性保護(hù)層性能均滿足力學(xué)分析控制指標(biāo)值和《客運(yùn)專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術(shù)條件》中相應(yīng)技術(shù)要求。

提出的“鋼板＋環(huán)氧富鋅漆＋環(huán)氧瀝青粘結(jié)層＋3cm環(huán)氧瀝青混凝土＋環(huán)氧瀝青粘結(jié)層＋3 cm環(huán)氧瀝青混凝土”的柔性防水保護(hù)體系具有優(yōu)良的層間抗剪性能，以及與鋼板間良好的粘結(jié)性能。環(huán)氧瀝青混凝土柔性保護(hù)層總厚度僅為60 mm，與剛性保護(hù)層相比減輕了橋面自重，可以作為一種新型的高性能柔性防水保護(hù)體系應(yīng)用于跨徑長(zhǎng)大的鐵路鋼橋。

［1］ HUANG W，QIAN Z D，CHEN G，et al.Epoxy asphalt concrete paving on the deck of long－span steel bridges［J］.Chinese Science Bulletin，2003，48（21）：2391－2394.

［2］ 錢振東，劉 云，黃 衛(wèi).考慮不平度的橋面鋪裝動(dòng)響應(yīng)分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2007，40（4）：49－53.

［3］ 錢振東，黃 衛(wèi)，杜昕等.車載作用下大跨徑纜索支承橋橋型對(duì)鋪裝層受力的影響研究［J］.中國工程科學(xué)，2006，8（9）：35－41.

［4］ 中國人民共和國鐵道部.新建時(shí)速200～250公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［5］ HEE MUN PARK，JI YOUNG CHOI，HYUN JONG LEE.Performance evaluation of a high durability asphaltbinder and a high durability asphalt mixture for bridge deck pavements［J］.Construction and Building Materials，2009，23：219－225.

［6］ 中國人民共和國鐵道部.TB10082－2005鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［7］ 中華人民共和國鐵道部.客運(yùn)專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術(shù)條件［S］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［8］ 張 皓.聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土的路用性能研究［J］.北方交通，2009（12）：57－58.

［9］ 宗 榮.聚丙烯纖維混凝土使用性能研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

［10］ 中華人民共和國鐵道部.客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.