硅酮密封劑在橋梁伸縮縫中的應用研究

馮亮洪，邵華，盧彭真

（1.義烏市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理站，浙江 義烏 322000；2.浙江工業(yè)大學，浙江 杭州 310014）

硅酮密封劑在橋梁伸縮縫中的應用研究

馮亮洪1，邵華2，盧彭真2

（1.義烏市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理站，浙江 義烏 322000；2.浙江工業(yè)大學，浙江 杭州 310014）

橋梁伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件之一，因長期暴露于大氣及并受到車輛荷載作用，極易受到破壞且維修存在較大困難［1-5］。文章分析總結(jié)了橋梁小變形伸縮縫的結(jié)構(gòu)特點及其存在的病害問題，闡述了彈塑體伸縮裝置與異型鋼單縫式伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點，對比分析了其優(yōu)缺點，并指出了它們在使用中出現(xiàn)的病害問題。分析了硅酮密封劑國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，對硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應用的可行性進行了分析，并對硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中的優(yōu)化設計及應用提供了建議。

橋梁伸縮縫；硅酮密封劑；小變形；應用

1 橋梁小變形伸縮縫的結(jié)構(gòu)特點及其存在的病害問題

1.1 彈塑體伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點

彈塑體伸縮裝置又稱為埋入式伸縮縫、無縫伸縮縫。彈塑體伸縮裝置其在伸縮縫位置附近一定寬度范圍內(nèi)，使用一種特殊的粘結(jié)料與碎石骨料組成的混合料替換橋面鋪裝層，粘結(jié)料具備良好的塑性變形能力、較強的粘結(jié)性能、較高的彈性變形恢復性能，而骨料具有良好的力學承載性能，因此粘接料與骨料拌合后，既能與包括瀝青、鋼材、水泥混凝土在內(nèi)的底面材料粘結(jié)良好，又能抵抗外部傳來的交通車輛荷載作用，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 典型彈塑體伸縮裝置

彈塑體伸縮裝置結(jié)構(gòu)主要特點有：①彈塑體伸縮裝置主體是彈塑體與骨料的混合料，這種混合料既作為伸縮裝置的承重構(gòu)件，又作為位移構(gòu)件與密封構(gòu)件，集多種功能于一身。其適用于水平位移 5cm以內(nèi)的橋梁小變形伸縮縫。高粘附性、高阻尼性、高承載力、高密封性、高塑性變形能力滿足公路橋梁三向伸縮變形要求，同時噪音更小，更有利于橋梁抗振。②伸縮縫結(jié)構(gòu)簡單，施工方便快速。與其他伸縮縫裝置相比，省去了預埋鋼筋或其他構(gòu)件的步驟，大大提高了安裝效率。同時安裝設備簡單，操作方便，大大降低了對安裝人員的技能要求?；旌喜牧先吭诂F(xiàn)場攪拌制作完成，各項工程質(zhì)量檢測指標均能得到有效控制。③彈塑體伸縮伸縮縫只適用于水平位移在5cm以內(nèi)的小變形橋梁伸縮縫，并且其施工不宜在大風、大雨、低溫等惡劣天氣條件下進行［4，6-10］。

1.2 異型鋼單縫式伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點

“單縫”是指和梁端伸縮縫相對應所設置的只有一對邊梁（一個間隙）的伸縮裝置。JT/T 327-2004行業(yè)標準將模數(shù)式伸縮裝置中伸縮量小于 80mm的形式分類成“異型鋼單縫”，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 典型異型鋼單縫式伸縮縫

異型鋼橡膠伸縮縫結(jié)構(gòu)特點：①異型鋼單縫伸縮裝置由整體熱軋成型異型鋼，密封橡膠條，錨固體系組成，結(jié)構(gòu)簡單合理，可充分發(fā)揮橡膠材料的彈性性能；②彈性錨固的異型鋼單縫伸縮裝置埋深淺，與鋪裝層較好的錨固，動力特性好；③異型鋼單縫伸縮裝置由于結(jié)構(gòu)簡單尺寸較小，節(jié)約了材料用量，經(jīng)濟性好；④橡膠條因暴露在外易發(fā)生老化，異物或石塊可能刺破密封條，使其他碎屑塵土隨雨水向下滲漏積存，造成惡化；⑤由于錨固鋼筋的存在，必定造成澆筑過程中出現(xiàn)空隙孔洞，密實程度不夠等情況，在長期車輛荷載作用下造成隱患［3，11，12］。

1.3 橋梁小變形伸縮縫存在的病害問題

彈塑體伸縮裝置存在的主要病害：①伸縮裝置產(chǎn)生裂縫，拌合物填充料開裂，無法滿足脹縮要求，雨水滲入使得填充料與混凝土鋪裝層間粘結(jié)力減小，在車輪荷載作用下，二者相互分離，部分填充料會從伸縮縫槽口拋出，造成橋梁結(jié)構(gòu)破壞。一般多分布于剛性跨縫板兩端對應的頂面，或柔性跨縫板中心對應的頂面，或沿行車方向。②彈塑體伸縮裝置表面出現(xiàn)車轍、混合料局部沉降與突起，造成跳車現(xiàn)象。在高密度重載車輪荷載反復作用下，重載車輪長期碾壓致使拌合物填充料產(chǎn)生局部變形或擠壓移動，彈性不能恢復，出現(xiàn)車轍或局部凹陷與突起。③彈塑體伸縮裝置粘結(jié)料出現(xiàn)局部粘結(jié)失效，可能原因有粘結(jié)性能達不到要求，或施工操作出現(xiàn)嚴重失誤，如集料清潔干燥有問題，拌合不均勻等［4，13-15］。

異型鋼伸縮縫存在的主要病害：①橡膠條老化開裂；②伸縮縫伸縮量超過設計容許值，造成的橡膠條拉斷或脫落；③伸縮裝置標高與兩側(cè)路面瀝青混凝土標高偏差，造成的跳車現(xiàn)象；④型鋼或焊接構(gòu)件因焊接質(zhì)量差引起的過大變形或斷裂現(xiàn)象，在車輪荷載作用下，伸縮裝置三向受力，若焊接質(zhì)量不達標將導致力無法順利傳遞，導致過大變形位移甚至型鋼梁的直接斷裂；⑤錨固混凝土出現(xiàn)孔隙孔洞現(xiàn)象，因錨固鋼筋布置稠密無法進行充分振搗，導致混凝土密實度和強度不足，造成伸縮縫破壞［7，16，17］。

2 建筑用硅酮密封劑國外研究

Swanson，Brian J等［18］研制了一種硅酮密封劑，并進行了多種實驗室試驗以評估該密封劑的張拉強度、壓縮強度、溫度效應、應力松弛、蠕變性能以及對包括鋼、瀝青、混凝土和聚合物混凝土在內(nèi)的各種襯底材料的粘結(jié)性能。并將該密封劑應用到分別位于四個州的伸縮縫中，連續(xù)監(jiān)測溫度、降水和密封劑自身狀況1年以上?；谶@些測試得出結(jié)論，該硅酮密封劑安裝簡單并經(jīng)濟耐用。

Mirza等［19］研究和評估了現(xiàn)場成型密封膠于寒冷氣候水壩中使用的原位性能。基于廣泛的實驗室研究選擇包括：聚氨酯、聚硫化物、硅酮密封劑進行評估。這些選擇的密封劑安裝于魁北克水電大壩不同位置的橫向、豎向、斜向接縫中。經(jīng)過1～4年定期檢查其原位性能。研究結(jié)果表明：硅酮密封劑在魁北克水電大壩接縫中的安裝使用效果良好，建議在惡劣氣候條件下大壩中使用。

Ihara，Takeshi等［20］進行了由硅酮密封膠與聚異丁烯密封膠組成的雙重密封劑的疲勞強度試驗。本研究表明，雙重密封劑的疲勞強度與總密封厚度以及各密封膠的相對運動密切有關(guān)。此外，本試驗截面尺寸也為今后具有更好疲勞強度的密封劑界面尺寸設計提供了參考。

KESHAVARAJ，R等［21］針對結(jié)構(gòu)密封劑受到包括陽光、濕度、風、臭氧氧化、建筑物活荷載等作用，對密封劑的性能存在潛在損壞的情況進行了研究試驗。試驗數(shù)據(jù)表明，單獨水分作用可以觸發(fā)硅酮密封劑的交聯(lián)，但若水分與太陽輻射同時作用則可能是有害的。

3 建筑用硅酮密封劑國內(nèi)研究

史小萌等［22］研究了填料對硅酮改性聚氨酯密封膠的力學性能和流變性能的影響。他們改變硅酮密封膠填料的添加量、粒徑、種類和配比，對其拉伸強度、斷裂伸長率和硬度等力學性能和流變性能進行了測試。通過實驗結(jié)果的比較，找到了填料對硅酮改性聚氨酯密封膠性能的影響規(guī)律。填料種類的不同對硅酮改性聚氨酯密封膠的性能影響較大，此外填料粒徑越小，硅酮改性聚氨酯密封膠的彈性和觸變性越好。合理的填料可以增大硅酮改性聚氨酯密封膠的拉伸強度、撕裂強度、斷裂伸長率和模量。

張海龍、張燕青等［23］研究了不同環(huán)境因素和機械應力作用下硅酮結(jié)構(gòu)密封膠老化前后力學性能的變化情況，對比了不同廠家生產(chǎn)的硅酮結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)強度的衰減速率，得到了不同種類的硅酮結(jié)構(gòu)膠老化過程中力學性能衰減速率存在差異，研究表明通過此方法預測硅酮結(jié)構(gòu)密封膠使用壽命較為科學合理。

馮培等［24］研究了施工因素因素對雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能的影響，從混合比例與施工溫度兩個方面分析了施工不當對雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能的影響。李萬勇，謝真等［25］研究了固化比例和養(yǎng)護溫度對雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能的影響，通過調(diào)節(jié)固化比和養(yǎng)護溫度，考察了雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的主要性能指標，指出過剩的固化劑和較低的使用溫度對密封劑性能產(chǎn)生不良影響，這些為硅酮密封劑的實際施工和應用過程提供了參考。

4 硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應用的可行性

硅酮密封劑作為橋梁小變形伸縮縫的密封材料，具有以下特點：①耐久性：在車輛荷載作用和惡劣的氣候條件下，仍能在較長時間保持良好的使用性能，有效粘結(jié)混凝土橋面，同時良好的位移變形能力也能滿足小變形伸縮縫的防水需求。②耐候性與耐腐蝕性：具有良好的耐候性與耐腐蝕性，相對瀝青或聚氨酯，硅酮密封劑受紫外線照射不會發(fā)生硬化、劣化，不易受到酸堿化學試劑侵蝕。③位移能力與變形回復能力：在溫度及車輛荷載作用下，水平方向與豎直方向發(fā)生相應位移，現(xiàn)有道路用硅酮密封劑的模量即可達到+100%/-50%，其高變形回復性保證其不會因車輛碾壓而剝離，也使得路面碎石嵌入伸縮縫的概率大大降低。④溫度穩(wěn)定性：硅酮密封劑具有良好的高溫穩(wěn)定性與低溫變形能力，高溫不流淌、低溫不脆裂。能保證適應橋面熱脹冷縮與車輛荷載作用所產(chǎn)生的位移。

硅酮密封劑已在高速公路水泥混凝土路面、機場混凝土路面接縫等類似情況得到順利運用，并可為硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中的可行性提供參考。李海川等［26］研究了硅酮密封膠在機場混凝土道面灌縫中的應用，其在機場灌縫中的使用結(jié)果表明，接縫的水密性、粘結(jié)性能都很好。在該機場投入使用以來，沒有發(fā)現(xiàn)接縫部位出現(xiàn)開膠、夾雜異物、積水、滲水等現(xiàn)象。張相杰等［27］研究了道路硅酮密封膠在高速公路水泥混凝土路面中的應用，從目前粵贛高速公路通車運營階段硅酮道路密封膠的使用狀況看，其性能良好，耐久性等路用性能也經(jīng)歷了長期的路用檢驗，硅酮道路密封膠用作水泥混凝土路面填縫料是適宜的。

綜上，從硅酮密封劑自身性能與相似環(huán)境應用情況，說明了硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應用的可行性。

5 硅酮密封劑橋梁小變形伸縮縫的優(yōu)化設計及應用

基于硅酮密封劑具有良好耐久性、耐候性與耐腐蝕性、位移能力與變形回復能力、溫度穩(wěn)定性的特點，硅酮密封劑運用于橋梁小變形伸縮縫具有良好的前景，但是仍需進行相應的實驗室試驗與實橋監(jiān)測，以對配合比與施工工藝進行相應的優(yōu)化設計。為了評估硅酮泡沫密封劑的性能并進行相應的優(yōu)化設計，需進行了如下實驗室試驗，包括抗拉性能、維修/改造、溫度效應、鹽水浸漬、模量時變效應、固化速率、凍結(jié)效應和密封滲水效果試驗，以上結(jié)果均為硅酮密封劑優(yōu)化設計和現(xiàn)場應用提供參考。

6 結(jié) 論

根據(jù)國內(nèi)外硅酮密封劑與橋梁小變形伸縮縫研究的文獻資料，本文對橋梁小變形伸縮縫的結(jié)構(gòu)特點與病害問題進行了簡要介紹，對硅酮密封劑的國內(nèi)外研究進行了相關(guān)總結(jié)，對硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應用可行性進行了分析，并對硅酮密封劑橋梁小變形伸縮縫的優(yōu)化設計與應用提出了相關(guān)建議。目前常用橋梁小變形伸縮縫主要有彈塑體伸縮裝置與異型鋼單縫式伸縮縫，但因其結(jié)構(gòu)自身特點，均會出現(xiàn)材料老化、接縫處跳車等現(xiàn)象。在對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的查閱和總結(jié)后，根據(jù)硅酮密封劑具有良好耐久性、耐候性、位移能力、溫度穩(wěn)定性等特點，總結(jié)了硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應用的可行性，并對其優(yōu)化設計及實驗室試驗重點內(nèi)容提出了建議。

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U445.4

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1007-7359（2016）02-0126-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.043