預制拼裝混凝土箱涵止水材料性能試驗研究

張睛睛， 劉朵,2， 趙徐祥， 張建東

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

1 引言

涵洞是公路工程的重要組成部分，在工程數量上，占橋涵總數的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)標準化建設，它具有節(jié)能環(huán)保的特點并逐漸取代與現場施工為主的傳統(tǒng)生產方式。預制拼裝混凝土涵洞最早于1944年由蘇聯學者提出，隨后在法國、美國、日本等國家也有研究和應用。隨著中國工程建設領域的需求和規(guī)模的擴大，預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鍵問題。目前，現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構變形縫的防水問題。預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、膩子復合條、遇水膨脹彈性復合中空膠條以及彈性中空膠條等。

預制拼裝箱涵包括節(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)，也是預制裝配式箱涵設計面臨的關鍵技術問題之一。目前箱涵節(jié)段之間常采用承插式連接構造，在連接面設置止水條作為主要的防水構造設計方案(圖1)，因此研究止水條的防水性能對于保證預制裝配式箱涵的安全運營和耐久性具有重要意義。該文針對國內外預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、水密性試驗及吸水膨脹試驗，對比分析止水材料的防水性能，為預制拼裝混凝土箱涵的防水設計提供參考。

圖1 箱涵接頭防水構造

2 試驗目的、內容與方法

2.1 試驗目的

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

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

(3) 吸水膨脹試驗：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。

針對國內外常用的4種止水條開展的試驗研究，分析止水條的技術指標和防水性能，為預制裝配式箱涵止水材料的選用和安裝施工提供理論依據。

2.2 試驗內容

試驗所用的4種止水條如圖2所示，其技術指標性能如表1所示，分別開展壓力-壓縮試驗、水密性試

圖2 4種止水條及截面形式(單位：cm)

種類硬度/度拉伸強度/MPa扯斷伸長率/%體積膨脹倍率/%TYPE-142±7≥3.50≥450≥150TYPE-2膩子60～75≥0.01≥800-發(fā)泡膠10～40≥0.50≥200TYPE-3膩子600.181 900-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)；② TYPE-2：膩子及發(fā)泡復合橡膠條(中國產)；③ TYPE-3：密封膠帶SP-Ⅱ(日本產)；④ TYPE-4：高性能吸水膨脹止水條(日本產)；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。

驗以及吸水膨脹試驗。

2.3 試驗方法

(1) 壓力-壓縮試驗

止水條壓力-壓縮試驗裝置如圖3所示。試驗時，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的壓力，利用壓縮面積，求出相應的壓縮應力，從而得到止水條所承受的壓應力與壓縮變形量之間的關系，分別測試4種止水條的力學性能。

圖3 壓力-壓縮試驗裝置

(2) 水密性試驗

止水條水密性試驗步驟如下：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，直至產生漏水為止。出現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，重復步驟①進行試驗，分別測試4種止水條的止水壓力與壓縮量之間的關系。水密性試驗裝置如圖4所示。

(3) 吸水膨脹試驗

分別對4種長5 cm的止水條進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系。

圖4 水密性試驗裝置

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

(1) 壓力-壓縮試驗

就實際工程而言，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向約束作用。試驗考慮實際工程的約束條件，鋼制模具上的槽口尺寸與實際箱涵工程一致，因此所得試驗結果更具有參考價值。當止水壓力為0.3 MPa時，4種止水條壓應力與壓縮變形量之間的試驗結果如圖5所示。

圖5 壓力-壓縮試驗

從圖5可以看出：① 當止水壓力為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，對應的壓應力分別為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

分別針對4種止水條開展水密性能試驗，試驗結果如表2所示。

從表2可以看出：① 在試驗過程中，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，主要是因為止水條的連接處為整個密閉框結構中最薄弱的環(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 在試驗過程中，存在如下試驗現象：TYPE-2止水條膠黏性極強，安裝拆卸時較難操作；TYPE-3止水條較柔，當水壓高于止水壓力時，止水條內部容易發(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

通過近1個月的試驗測試與分析，止水條的吸水膨脹結果如圖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 試驗結果分析

從止水條防水性能試驗結果可以看出：

(1) 箱涵節(jié)段在預制過程中，連接界面將不可避免地出現一些制作誤差，接縫無法實現完全貼合。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力，可抵消由于預制構件拼裝時松弛引發(fā)的接觸應力降低，從而達到較好的防水效果。TYPE-2與TYPE-3止水條沒有吸水膨脹性，當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條件，且應達到較大的壓縮率。

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

(3) 根據某一水深條件下接縫水密性所需的最小壓縮量，可進行連接界面預留凹槽深度的優(yōu)化。該試驗所用的模具預留溝槽深度為5 mm，TYPE-4止水條厚度為20 mm，當止水壓力為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，這將加速地下復雜環(huán)境對止水條的侵蝕并降低接頭防水性能。所以應基于試驗結果對防水構造進行優(yōu)化?？扇☆A留溝槽深度為13.1 mm，以實現模具的上下表面完全閉合。

4 結論

通過對國內外4種常用的止水條進行防水性能試驗，得出如下結論：

(1) 膩子及發(fā)泡復合橡膠條(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，對應的止水條界面應力滿足了規(guī)范要求；遇水膨脹止水條(TYPE-1)需增大壓應力同時滿足實際工程的止水壓力和相關規(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) 根據試驗結果可對預制箱涵拼裝連接面止水條預留槽口深度進行優(yōu)化。如TYPE-4止水條同時滿足設計水壓為0.30 MPa以及界面應力不小于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，為達到預制拼裝箱涵接頭完全閉合，止水條預留溝槽深度可設計為13.1 mm。

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