張睛睛， 劉朵,2， 趙徐祥， 張建東

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司； 3.南通市海啟高速公路建設(shè)指揮部； 4.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 引言

涵洞是公路工程的重要組成部分，在工程數(shù)量上，占橋涵總數(shù)的60%～70%，平原地區(qū)，每公里有1～3座，山嶺重丘區(qū)，每公里平均有3～5座；在工程造價上，約占橋涵總額40%。中國涵洞工程逐漸推廣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，它具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)并逐漸取代與現(xiàn)場施工為主的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式。預(yù)制拼裝混凝土涵洞最早于1944年由蘇聯(lián)學(xué)者提出，隨后在法國、美國、日本等國家也有研究和應(yīng)用。隨著中國工程建設(shè)領(lǐng)域的需求和規(guī)模的擴(kuò)大，預(yù)制拼裝涵洞在中國得到快速的發(fā)展，目前在湖南、安徽的幾條高速公路上均有很好的應(yīng)用。由于涵洞處于地下環(huán)境并受地下水侵蝕，接縫處防水問題一直是有待解決的關(guān)鍵問題。目前，現(xiàn)澆整體式箱涵普遍采用埋入帶鋼邊緣橡膠止水帶的方法解決結(jié)構(gòu)變形縫的防水問題。預(yù)制拼裝混凝土箱涵采用柔性連接的接頭形式，主要為橡膠密封圈密封+雙組份密封膏，密封圈的種類主要有三元乙丙楔形膠圈、膩?zhàn)訌?fù)合條、遇水膨脹彈性復(fù)合中空膠條以及彈性中空膠條等。

預(yù)制拼裝箱涵包括節(jié)段之間的橫向接縫和上下涵片之間的縱向接縫，是防水的薄弱環(huán)節(jié)，也是預(yù)制裝配式箱涵設(shè)計面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。目前箱涵節(jié)段之間常采用承插式連接構(gòu)造，在連接面設(shè)置止水條作為主要的防水構(gòu)造設(shè)計方案(圖1)，因此研究止水條的防水性能對于保證預(yù)制裝配式箱涵的安全運(yùn)營和耐久性具有重要意義。該文針對國內(nèi)外預(yù)制拼裝混凝土箱涵常用的4種止水材料，開展壓力-壓縮試驗(yàn)、水密性試驗(yàn)及吸水膨脹試驗(yàn)，對比分析止水材料的防水性能，為預(yù)制拼裝混凝土箱涵的防水設(shè)計提供參考。

圖1 箱涵接頭防水構(gòu)造

2 試驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容與方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 壓力-壓縮試驗(yàn)：通過測試止水條的壓力-壓縮變形量之間的關(guān)系，研究止水條的力學(xué)性能。

(2) 水密性試驗(yàn)：通過測試不同壓縮量與止水壓力之間的關(guān)系，研究止水條的防水性能。

(3) 吸水膨脹試驗(yàn)：通過測試吸水膨脹率隨時間的變化曲線，研究止水條吸水膨脹規(guī)律。

針對國內(nèi)外常用的4種止水條開展的試驗(yàn)研究，分析止水條的技術(shù)指標(biāo)和防水性能，為預(yù)制裝配式箱涵止水材料的選用和安裝施工提供理論依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)所用的4種止水條如圖2所示，其技術(shù)指標(biāo)性能如表1所示，分別開展壓力-壓縮試驗(yàn)、水密性試

圖2 4種止水條及截面形式(單位：cm)

種類硬度/度拉伸強(qiáng)度/MPa扯斷伸長率/%體積膨脹倍率/%TYPE-142±7≥3.50≥450≥150TYPE-2膩?zhàn)?0～75≥0.01≥800-發(fā)泡膠10～40≥0.50≥200TYPE-3膩?zhàn)?00.181 900-發(fā)泡膠190.92260-TYPE-450±5≥2.50≥500≥300

注：① TYPE-1：遇水膨脹止水條(中國產(chǎn))；② TYPE-2：膩?zhàn)蛹鞍l(fā)泡復(fù)合橡膠條(中國產(chǎn))；③ TYPE-3：密封膠帶SP-Ⅱ(日本產(chǎn))；④ TYPE-4：高性能吸水膨脹止水條(日本產(chǎn))；⑤ “-”表示吸水無膨脹；⑥ 體積膨脹倍率為試樣在蒸餾水中靜態(tài)浸泡至規(guī)定時間后體積與浸泡前體積的比率。

驗(yàn)以及吸水膨脹試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

(1) 壓力-壓縮試驗(yàn)

止水條壓力-壓縮試驗(yàn)裝置如圖3所示。試驗(yàn)時，分別將止水條彎曲形成密閉框，放置于鋼制模具上，沿著止水條一周均勻布設(shè)6個位移計，采用小噸位千斤頂對止水條施加垂直壓力，并用位移計測量壓縮變形量。當(dāng)壓縮率γ分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%時，利用壓力傳感器記錄千斤頂?shù)膲毫?，利用壓縮面積，求出相應(yīng)的壓縮應(yīng)力，從而得到止水條所承受的壓應(yīng)力與壓縮變形量之間的關(guān)系，分別測試4種止水條的力學(xué)性能。

圖3 壓力-壓縮試驗(yàn)裝置

(2) 水密性試驗(yàn)

止水條水密性試驗(yàn)步驟如下：① 分別將4種密閉成框的止水條放入模具中，先將止水條壓縮至一定值(此值大于估計的最小水密性壓縮量)，然后加水壓至0.05 MPa，恒壓30 min，若無滲水現(xiàn)象，將壓縮量減小0.5 mm，保持水壓0.05 MPa，若無滲漏，繼續(xù)減小壓縮量，直至產(chǎn)生漏水為止。出現(xiàn)漏水前的止水條壓縮量即為最小水密性壓縮量；② 依次以0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa為水壓控制值，重復(fù)步驟①進(jìn)行試驗(yàn)，分別測試4種止水條的止水壓力與壓縮量之間的關(guān)系。水密性試驗(yàn)裝置如圖4所示。

(3) 吸水膨脹試驗(yàn)

分別對4種長5 cm的止水條進(jìn)行遇水膨脹性能測試。將止水條放入恒溫[(21±2) ℃]的水中，測試1、2、3 d,…的體積膨脹率，直至體積無明顯變化為止，計算吸水膨脹率與浸水時間的關(guān)系。

圖4 水密性試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 壓力-壓縮試驗(yàn)

就實(shí)際工程而言，止水條安裝在箱涵節(jié)段承插口位置的凹槽處，形成密閉框且具有側(cè)向約束作用。試驗(yàn)考慮實(shí)際工程的約束條件，鋼制模具上的槽口尺寸與實(shí)際箱涵工程一致，因此所得試驗(yàn)結(jié)果更具有參考價值。當(dāng)止水壓力為0.3 MPa時，4種止水條壓應(yīng)力與壓縮變形量之間的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 壓力-壓縮試驗(yàn)

從圖5可以看出：① 當(dāng)止水壓力為0.3 MPa時，TYPE-1止水條的壓縮率θ為20%、TYPE-4止水條的壓縮率θ為46%時，對應(yīng)的壓應(yīng)力分別為1.23、4.40 MPa；② TYPE-2、TYPE-3止水條相對較柔極易變形，在較小的壓力下壓縮率θ即達(dá)到70%左右，隨后壓縮量幾乎不再變化，變形增長較緩。

(2) 水密性試驗(yàn)

分別針對4種止水條開展水密性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：① 在試驗(yàn)過程中，止水條垂直受壓的情況下，滲漏水主要發(fā)生在止水條的連接處，主要是因?yàn)橹顾畻l的連接處為整個密閉框結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)。② TYPE-2壓縮率θ增加至70%時，止水壓力為0.22 MPa；TYPE-3壓縮率θ增加至70%時，達(dá)到了0.3 MPa的止水壓力；TYPE-1壓縮率θ增加至約20%時，止水壓力為0.30 MPa；TYPE-4壓縮率θ增加至約46%時，止水壓力為0.30 MPa。③ 在試驗(yàn)過程中，存在如下試驗(yàn)現(xiàn)象：TYPE-2止水條膠黏性極強(qiáng)，安裝拆卸時較難操作；TYPE-3止水條較柔，當(dāng)水壓高于止水壓力時，止水條內(nèi)部容易發(fā)生爆裂；TYPE-1與TYPE-4止水條具有一定的硬度，且彈性較好，但當(dāng)水壓高于止水壓力時，會在止水條連接處滲水。

(3) 吸水膨脹率試驗(yàn)

通過近1個月的試驗(yàn)測試與分析，止水條的吸水膨脹結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸水膨脹率曲線

由圖6可以看出：① 止水條吸水膨脹后可以填充部分孔隙，直接影響了涵洞接縫處的防水效果；② TYPE-2和TYPE-3在整個浸水過程中幾乎不膨脹，TYPE-1在整個浸水過程中前期膨脹較快，后期膨脹逐漸緩慢，最終膨脹率倍約為200%。TYPE-4在整個浸水過程中膨脹速率逐漸減小，最終膨脹倍率約為350%。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從止水條防水性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1) 箱涵節(jié)段在預(yù)制過程中，連接界面將不可避免地出現(xiàn)一些制作誤差，接縫無法實(shí)現(xiàn)完全貼合。因此，具有膨脹性的止水條能夠繼續(xù)吸水膨脹，填充無法貼合的空間，以便具有更好的防水效果。同時，止水條吸水膨脹會增大接觸應(yīng)力，可抵消由于預(yù)制構(gòu)件拼裝時松弛引發(fā)的接觸應(yīng)力降低，從而達(dá)到較好的防水效果。TYPE-2與TYPE-3止水條沒有吸水膨脹性，當(dāng)TYPE-2壓縮率θ為70%時，止水壓力為0.22 MPa；TYPE-3壓縮率θ為70%時，止水壓力為0.30 MPa，且水壓高于止水壓力時易發(fā)生破裂。因此，兩種止水條比較適用于地下水壓較低的地質(zhì)條件，且應(yīng)達(dá)到較大的壓縮率。

(2) 當(dāng)設(shè)計止水壓力為0.3 MPa時，TYPE-1壓縮率θ為20%、TYPE-4壓縮率θ為46%，對應(yīng)的壓應(yīng)力分別為1.23、4.40 MPa。止水條應(yīng)滿足GB 50 838-2 015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》第8.5.7條的規(guī)定：拼縫防水應(yīng)采用預(yù)制成型彈性密封墊為主要防水措施，彈性密封墊的界面應(yīng)力不應(yīng)低于1.5 MPa。因此，止水條的止水應(yīng)力應(yīng)滿足實(shí)際工程需求，同時界面應(yīng)力滿足規(guī)范的要求。

(3) 根據(jù)某一水深條件下接縫水密性所需的最小壓縮量，可進(jìn)行連接界面預(yù)留凹槽深度的優(yōu)化。該試驗(yàn)所用的模具預(yù)留溝槽深度為5 mm，TYPE-4止水條厚度為20 mm，當(dāng)止水壓力為0.30 MPa時，TYPE-4所需最小壓縮率θ為46%，即壓縮量為6.9 mm，因此模具的上下面未完全閉合，這將加速地下復(fù)雜環(huán)境對止水條的侵蝕并降低接頭防水性能。所以應(yīng)基于試驗(yàn)結(jié)果對防水構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化?？扇☆A(yù)留溝槽深度為13.1 mm，以實(shí)現(xiàn)模具的上下表面完全閉合。

4 結(jié)論

通過對國內(nèi)外4種常用的止水條進(jìn)行防水性能試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1) 膩?zhàn)蛹鞍l(fā)泡復(fù)合橡膠條(TYPE-2)與日本密封膠帶SP-Ⅱ(TYPE-3)止水條適用于地下水位較低或無地下水情況，且壓縮率需達(dá)到70%以上。

(2) 高性能吸水膨脹止水條(TYPE-4)在止水壓力為0.30 MPa時，對應(yīng)的止水條界面應(yīng)力滿足了規(guī)范要求；遇水膨脹止水條(TYPE-1)需增大壓應(yīng)力同時滿足實(shí)際工程的止水壓力和相關(guān)規(guī)范要求。

(3) 遇水膨脹止水條(TYPE-1)與高性能吸水膨脹止水條(TYPE-4)具有吸水膨脹性會使裝配式箱涵拼裝接縫處有更好的防水效果。

(4) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可對預(yù)制箱涵拼裝連接面止水條預(yù)留槽口深度進(jìn)行優(yōu)化。如TYPE-4止水條同時滿足設(shè)計水壓為0.30 MPa以及界面應(yīng)力不小于1.5 MPa的條件下，止水條所需最小壓縮率為46%，即壓縮量為6.9 mm，為達(dá)到預(yù)制拼裝箱涵接頭完全閉合，止水條預(yù)留溝槽深度可設(shè)計為13.1 mm。

針對具體工程的實(shí)際地下水位情況，可通過水密性試驗(yàn)確定止水條在滿足水壓要求下的壓縮量，可通過壓力-壓縮試驗(yàn)確定止水條界面應(yīng)力，界面應(yīng)力需滿足實(shí)際工程地下水壓情況和規(guī)范要求。吸水膨脹率試驗(yàn)可驗(yàn)證止水條吸水膨脹性指標(biāo)是否與廠家提供的一致。