裝配式地下結(jié)構(gòu)用防水膠條密封性能試驗(yàn)研究*

夏鑫磊 盧辰

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)

引言

近年來(lái), 隨著裝配式結(jié)構(gòu)和市政建設(shè)的發(fā)展, 綜合管廊、 電力隧道、 盾構(gòu)隧道等地下工程也開(kāi)始采用預(yù)制裝配的建造模式。 滲漏水問(wèn)題是困擾地下工程質(zhì)量的通病, 對(duì)裝配式地下工程而言, 其接縫處的防水問(wèn)題也是一直以來(lái)關(guān)注的要點(diǎn)。 針對(duì)裝配式地下結(jié)構(gòu)的特點(diǎn), 普遍做法是在拼縫位置設(shè)置密封材料作為主要的防水措施。 地下工程中主要應(yīng)用的密封材料由早期的瀝青、 彈性發(fā)泡橡膠、 雙組份聚硫酯、 雙組份聚氨酯等材料[1], 逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐詮椥韵鹉z制品為主的密封材料[2,3]。 國(guó)內(nèi)外針對(duì)橡膠制品本身及其防水機(jī)理和防水性能方面進(jìn)行了系列研究, 雷震宇等[4]根據(jù)密封墊靜態(tài)密封原理, 分析了遇水膨脹橡膠密封墊的防水機(jī)理。 薛偉辰等[5]以上海世博會(huì)園區(qū)的預(yù)制綜合管廊為研究對(duì)象, 提出了遇水膨脹膠條的在預(yù)制接頭處的防水壓力計(jì)算公式。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)所采用的密封膠條的研究主要以單一工程或單一膠條為主, 對(duì)新工程和新膠條選用時(shí)的指導(dǎo)性不足。 為了進(jìn)一步了解密封膠條受力性能和密封性能之間的耦合關(guān)系。 本文結(jié)合工程中廣泛采用的四種密封膠條, 開(kāi)展了膠條壓縮和密封性能的試驗(yàn)研究, 試驗(yàn)同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)有相關(guān)工程在布置膠條時(shí)涂刷一層防水涂料的情況進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)分析。

1 膠條壓縮性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)密封材料

圖1 展示了本次試驗(yàn)所采用的四種典型密封膠條的斷面尺寸。 膠條選擇廠家生產(chǎn)的成品膠條, 其主要特征和詳細(xì)尺寸分別如下:

A 膩?zhàn)訌?fù)合橡膠密封條: 膩?zhàn)訌?fù)合橡膠密封條是近年來(lái)開(kāi)始應(yīng)用的密封膠條, 內(nèi)層為三元乙丙發(fā)泡橡膠, 外層為具有高蠕變性、 高粘性的聚合物反應(yīng)性膠泥[6]。 本次研究中所使用的膩?zhàn)訌?fù)合橡膠密封條尺寸為23mm ×22mm ×25mm(下底×上底×高), 膠條截面中間為開(kāi)孔的形式, 孔徑為5mm。

B 遇水膨脹橡膠條: 為目前較常用的密封膠條, 具有彈性防水和遇水膨脹防水的功能, 本研究中所采用的遇水膨脹密封膠條尺寸為20mm ×18mm×15mm, 截面為實(shí)心形式。

C 三元乙丙橡膠條: 三元乙丙橡膠為乙烯、 丙烯和少量的非共軛二烯烴的共聚物[7], 是乙丙橡膠的一種, 其在拼裝結(jié)構(gòu)防水中應(yīng)用較廣泛, 尺寸為20mm×16mm×20mm, 截面中心開(kāi)5mm 孔。

D 遇水膨脹復(fù)合橡膠條: 由遇水膨脹橡膠和三元乙丙彈性橡膠硫化復(fù)合制成[6], 兩種橡膠產(chǎn)品不分層, 使密封膠條具有遇水膨脹和彈性恢復(fù)性?xún)煞N功能互為補(bǔ)充的特性, 尺寸為20mm ×16mm×20mm, 截面中心開(kāi)5mm 孔。

圖1 試驗(yàn)密封材料(單位: mm)Fig.1 Test sealing material(unit: mm)

為了保證相同壓縮力下, 膠條與接觸界面的應(yīng)力一致, 所有膠條的頂?shù)壮叽缁窘咏? 考慮A 膠條的外側(cè)膩?zhàn)訋缀鯖](méi)有承載作用, 截面面積相比另外三種增大約50%, 中間彈性材料的底部尺寸為19mm。

1.2 壓縮性能試驗(yàn)方案

圖2 為本次壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置, 圖3 為密封膠條的布置示意圖。 為模擬實(shí)際工程應(yīng)用中地下預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)常采用承插口的拼接形式, 試驗(yàn)裝置的上下部為混凝土平板, 平板表面平整, 下部平板設(shè)置圓環(huán)型凹槽, 凹槽內(nèi)徑為300mm, 截面為 40mm ×34mm ×6mm。 將膠條置于凹槽中,密封膠條長(zhǎng)度為1.1m。 采用液壓千斤頂進(jìn)行加載,四個(gè)量程為30mm 的百分表布置在試件四個(gè)角部,測(cè)量壓縮量變化, 每種材料進(jìn)行三組壓縮試驗(yàn)。

圖2 壓縮性能試驗(yàn)裝置Fig.2 Test device for compression performance

圖3 膠條布置示意(單位: mm)Fig.3 Schematic of rubber arrangement(unit: mm)

1.3 壓縮性能試驗(yàn)結(jié)果

表1 ～表4 為本次四種膠條壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。 圖4 為四種膠條壓縮性能的變化規(guī)律, 可以看出: (1)B、 C、 D 三種膠條的初始彈性模量要遠(yuǎn)大于A 膠條, 而A 膠條在壓縮后期的彈性模量增長(zhǎng)較快, 原因在于A 膠條外層的膩?zhàn)訛楦哒承缘乃苄圆牧? 初始?jí)嚎s時(shí)膩?zhàn)硬牧舷蛲鈹U(kuò)散,內(nèi)層的彈性材料還未發(fā)揮明顯作用； (2)B 膠條的壓縮力與壓縮量的增長(zhǎng)除去初始階段外, 變化基本成線性, 其他密封膠條則是壓縮量隨壓縮力的增長(zhǎng)呈明顯曲線增長(zhǎng), 主要原因是密封膠條的截面形式不同, B 膠條的截面形式為實(shí)心截面無(wú)開(kāi)孔, A、 C、 D 膠條截面為中間開(kāi)孔的形式；(3)D 膠條的彈性模量小于B、 C 膠條, 表明此膠條將遇水膨脹橡膠和三元乙丙彈性橡膠硫化復(fù)合后彈性模量均小于兩者。

表1 A 膠條試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of A rubber

表2 B 膠條試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of B rubber

表3 C 膠條試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of C rubber

表4 D 膠條試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of D rubber

圖4 膠條壓縮量-壓力關(guān)系Fig.4 Compression-pressure relationship of the rubber

2 膠條密封性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

圖5 為本次防水性能試驗(yàn)采用的裝置示意圖, 與壓縮試驗(yàn)相同, 試件采用混凝土制成的上下蓋板, 上蓋板預(yù)埋注水用鋼管, 下部底板設(shè)置為密封橡膠條預(yù)留的環(huán)形凹槽。 考慮當(dāng)止水膠條被壓到厚度很小時(shí), 蓋板之間由于存水較少會(huì)對(duì)試驗(yàn)效果產(chǎn)生影響, 在下部蓋板內(nèi)部設(shè)置一個(gè)集水坑用來(lái)儲(chǔ)存加壓用水。

圖5 防水性能試驗(yàn)裝置Fig.5 Waterproof performance test device

加載至固定加載級(jí)后, 采用水壓機(jī)向試件內(nèi)注水, 通過(guò)水壓表觀察水壓值變化, 待接縫處出現(xiàn)漏水、 加壓時(shí)水壓表數(shù)值不再上升時(shí), 水壓表穩(wěn)定讀數(shù)即為加載時(shí)壓力表最大讀數(shù)。 試驗(yàn)過(guò)程中, 達(dá)到最大壓力值后壓力表讀數(shù)會(huì)因?yàn)榧虞d裝置未完全穩(wěn)定等因素逐漸降低, 導(dǎo)致讀數(shù)不穩(wěn)定, 當(dāng)示數(shù)降低后進(jìn)行多次補(bǔ)壓, 每一次補(bǔ)壓后的壓力表讀數(shù)不會(huì)超過(guò)某一壓力值附近, 同時(shí)膠條與混凝土之間出現(xiàn)滲漏, 此時(shí)的壓力值即為這一加載級(jí)下的極限水壓。

為了考察達(dá)到極限水壓后, 水壓隨時(shí)間的變化規(guī)律, 以混凝土表面有無(wú)防水涂料為變量設(shè)置了一組對(duì)比試驗(yàn), 其中一組對(duì)上下蓋板表面采用環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行均勻涂抹形成防水層, 另一組不做防水處理。 試驗(yàn)時(shí), 在同一加載級(jí)下注水加壓, 達(dá)到極限水壓時(shí)關(guān)閉注水閥門(mén), 并記錄即時(shí)水壓、 10min、 20min 和 30min 后的水壓表讀數(shù)。

2.2 極限水壓試驗(yàn)結(jié)果

圖6 和圖7 為四種膠條極限水壓與壓縮力、壓縮量的關(guān)系曲線, 對(duì)比曲線可以得到以下規(guī)律: (1)當(dāng)壓縮力不超過(guò)20kN/m 時(shí), A 膠條承受的極限水壓要高于B、 C、 D 膠條, 在相同壓縮力下防水性能略?xún)?yōu)于 B、 C、 D 膠條, B、 C、 D(3)曲線表明界面的極限水壓與膠條種類(lèi)的關(guān)系較小, 主要與作用在膠條與混凝土界面的正壓力有關(guān), 四種膠條的壓縮力與極限水壓之間基本呈線性變化關(guān)系, 壓縮時(shí)觀察到膠條均覆蓋凹槽底部, 對(duì)應(yīng) 40mm × 34mm × 6mm 凹槽截面, 取34mm 作為接觸區(qū)域計(jì)算時(shí), 界面壓力與極限水壓比值約為1.96, 即每1.96MPa 的界面壓力可提供1MPa 的極限防水壓力。

圖6 極限水壓與壓縮力關(guān)系Fig.6 Extreme water pressure-pressure relationship

圖7 極限水壓與壓縮量關(guān)系Fig.7 Extreme water pressure-compression relationship

表5 和表6 給出了A、 B 膠條在混凝土板表面有無(wú)防水涂料時(shí), 不同壓縮力下, 防水壓力的測(cè)試結(jié)果。 A、 B 膠條在30min 時(shí), 水壓基本趨于穩(wěn)定。 A 膠條在涂刷有防水涂料時(shí), 各時(shí)間點(diǎn)的水壓值均高于未涂刷涂料的水壓值。 但不論有無(wú)涂刷防水涂料, A 膠條對(duì)應(yīng)的水壓值隨著時(shí)間膠條基本一致, 當(dāng)壓縮力超過(guò)30kN/m 時(shí), 四種密封膠條的極限防水能力相差較??； (2)在達(dá)到相同極限防水能力時(shí), A膠條的壓縮量遠(yuǎn)大于其他三種密封膠條, C、 D 膠條達(dá)到相同防水能力時(shí), 壓縮量相接近,而B(niǎo) 的壓縮量較小, 主要是由于B 膠條為實(shí)心截面而其他密封膠條均采用截面中心開(kāi)孔型；變化均有所降低, 無(wú)防水涂料的水壓值在30min時(shí)下降約40%, 有防水涂料的水壓值下降約35%。 A 膠條的水壓值隨時(shí)間下降的原因主要與材料特點(diǎn)有關(guān), 在加載完成時(shí), 膠條彈性變形發(fā)生完成, 而外層膩?zhàn)硬糠值乃苄宰冃伟l(fā)展滯后,界面壓力也隨著膠條變形的發(fā)展逐漸減小, 導(dǎo)致水壓降低。 B 膠條在有無(wú)涂刷防水涂料時(shí)的即時(shí)水壓值基本相同, 但隨著時(shí)間變化, 無(wú)防水涂料的水壓值僅有輕微的下降, 有防水涂料的水壓值反而下降約33%。 C、 D 兩種膠條的變化規(guī)律與B 膠條基本一致, 不再單獨(dú)敘述。 涂刷防水材料后, 接觸面變得光滑, 結(jié)果表明對(duì)于彈性較好的密封材料, 過(guò)于光滑的表面不利于其防水性能。

表5 A 膠條測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of A rubber

表6 B 膠條測(cè)試結(jié)果Tab.6 Test results of B rubber

3 防水膠條的選型和建議

裝配式地下工程中, 防水膠條的選擇主要根據(jù)使用環(huán)境和拼接面條件來(lái)確定。 對(duì)于使用環(huán)境而言, 需要考察的指標(biāo)包括膠條的耐久性、 耐腐蝕性等, 主要由膠條本身的材料特性所確定, 拼接面條件則決定了膠條實(shí)際的防水性能。

通過(guò)本次試驗(yàn)研究, 在實(shí)際工程進(jìn)行密封膠條選擇時(shí), 建議可首先根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行膠條篩選； 然后依據(jù)所需要的界面防水壓力, 在預(yù)留足夠安全余量的情況下可參考本次試驗(yàn)結(jié)果, 算出所需要的界面壓力； 根據(jù)計(jì)算所得的界面壓力參考膠條的壓縮曲線選取合適的膠條尺寸及凹槽尺寸； 在確定膠條和凹槽尺寸后進(jìn)行一組壓縮試驗(yàn)獲得一組在凹槽內(nèi)的壓縮曲線, 同時(shí)獲得了達(dá)到界面壓力時(shí)膠條所需要的壓縮量, 用于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)對(duì)膠條安裝和擠壓時(shí)的控制。

針對(duì)本次試驗(yàn)的四種膠條, 其相同壓力下的防水性能基本一致, 但由于其對(duì)應(yīng)壓縮量的不同適用于不同的使用場(chǎng)景。 A 膠條在達(dá)到防水壓力時(shí), 壓縮量較大, 變形能力相對(duì)較強(qiáng), 對(duì)于類(lèi)似節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊的線性工程需要抵抗不均勻沉降時(shí)較為適用, 但由于其壓縮變形的非線性關(guān)系, 施工精度較難控制； B 膠條所需的壓縮量較少, 線性關(guān)系較好, 施工易于控制, 但膠條偏硬, 對(duì)安裝面的平整度要求較高。 C、 D 膠條介于A 和B 膠條之間, 四種膠條各有優(yōu)勢(shì), 需根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行選用。

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程中常見(jiàn)的四種典型密封膠條,對(duì)膠條的受力性能與防水性能進(jìn)行試驗(yàn)研究, 主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論與建議:

(1)本次試驗(yàn)采用的試驗(yàn)手段獲得了良好的試驗(yàn)效果, 其余膠條的壓縮性能和防水性能測(cè)試可參考本試驗(yàn)進(jìn)行；

(2)試驗(yàn)得到了四種典型膠條的壓縮量-壓縮力-界面極限水壓之間的關(guān)系曲線, 后續(xù)實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)可參考選??；

(3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明裝配式地下結(jié)構(gòu)拼縫處的防水性能主要與拼縫處的界面壓力相關(guān), 不同的膠條種類(lèi)對(duì)防水壓力的影響不大；

(4)在進(jìn)行裝配式地下結(jié)構(gòu)拼縫處防水設(shè)計(jì)時(shí), 建議結(jié)合施工條件合理地進(jìn)行膠條選擇。