CRTSⅢ型板式無砟軌道底座伸縮縫用環(huán)氧瀝青填縫密封膠性能研究

謝佳欽 閔召輝 王祺昌 林郭鋒 李明月

東南大學(xué)交通學(xué)院，南京211100

無砟軌道具有平順性高、穩(wěn)定性好、維修量少等優(yōu)點(diǎn)，是我國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的主要形式。截至2019年底，我國高速鐵路正線無砟軌道應(yīng)用比例約為60%，其中，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CRTSⅢ型板式無砟軌道應(yīng)用里程已達(dá)6 396.8 km［1］。CRTSⅢ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土層、底座等部分組成，路基地段2～4塊軌道板下設(shè)置一段鋼筋混凝土底座，相鄰底座之間設(shè)置20 mm伸縮縫以適應(yīng)底座伸縮變形。同時(shí)，為防止雨雪通過伸縮縫向下侵蝕路基，伸縮縫須進(jìn)行防水處理。一般在伸縮縫的下部設(shè)置嵌縫板，上部澆注填縫密封膠［2-3］。

填縫密封膠長期暴露于外界環(huán)境中，在熱、光、水等因素作用下易發(fā)生老化現(xiàn)象，還要承受伸縮縫寬度變化導(dǎo)致的拉壓應(yīng)力。目前主要采用的聚硫類、瀝青類、聚氨酯類和硅酮類填縫密封膠在使用過程中均存在一些問題。聚硫類填縫密封膠制備和使用過程會(huì)污染環(huán)境［4］，瀝青類填縫密封膠高低溫性能均較差［5］，聚氨酯類填縫密封膠有毒且固化收縮后須二次施工［6］，硅酮類填縫密封膠造價(jià)較高且固化過程受空氣濕度影響較大［7］。相比而言，環(huán)氧瀝青填縫密封膠由基質(zhì)瀝青、環(huán)氧樹脂、固化劑等按比例配制而成，固化后具有較好的力學(xué)性能和耐老化性能［8-10］，對(duì)無砟軌道伸縮縫具有一定適應(yīng)性，而以往工程中卻鮮有應(yīng)用。因此，本文根據(jù)CRTSⅢ型板式無砟軌道底座伸縮縫變形特性，開展了環(huán)氧瀝青填縫密封膠的拉伸性能、黏結(jié)性能及老化性能試驗(yàn)，以期為后續(xù)工程填縫密封膠選型提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料及制備

①基質(zhì)瀝青采用A-70#型，25℃時(shí)針入度70 dm，軟化點(diǎn)46.7℃，15℃延度177 cm。②環(huán)氧樹脂采用雙酚A型，25℃時(shí)密度和黏度分別為1.110 g∕cm3和13 300 mPa·s，環(huán)氧當(dāng)量195 g∕moL。③采用常溫柔韌性固化劑，25℃時(shí)密度和黏度分別為1.046 g∕cm3和308 mPa·s。④增容劑、改性劑和促進(jìn)劑均為自制，25℃時(shí)增容劑密度和黏度分別為0.963 g∕cm3和144 mPa·s。

環(huán)氧瀝青填縫密封膠制備時(shí)，原材料各組分的質(zhì)量比為基質(zhì)瀝青∶環(huán)氧樹脂∶固化劑∶增容劑∶改性劑∶促進(jìn)劑=1.00∶0.32∶0.90∶0.18∶0.04∶0.04。具體制備工藝：①將基質(zhì)瀝青加熱至160℃，以200 r∕min速度攪拌，并在30 min內(nèi)緩慢加入改性劑，保溫?cái)嚢? h；②將攪拌均勻的改性瀝青降溫至120℃，添加增容劑，以200 r∕min速度攪拌2～5 min；③添加環(huán)氧樹脂，以200 r∕min速 度攪拌2～5 min；④待混合物 溫 度降至80℃時(shí)添加固化劑，以200 r∕min速度攪拌2～5 min，即得到環(huán)氧瀝青填縫密封膠。

1.2 試驗(yàn)方法

1）拉伸性能試驗(yàn)

按照GB∕T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》要求制作啞鈴形試件，見圖1。依據(jù)GB∕T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法將試件夾持在試驗(yàn)機(jī)上，并以500 mm∕min的速度拉伸直至斷裂，記錄試件的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。試驗(yàn)時(shí)，溫度分別設(shè)置為-20、-10、0、10、23、30、40、50和60℃。因23℃是GB∕T 16777—2008中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度，且23℃和20℃的溫差小，故采用23℃代替20℃進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 拉伸性能試驗(yàn)試件

2）黏結(jié)性能試驗(yàn)

在兩個(gè)平行的混凝土基材之間灌注填縫密封膠，固化后即可作為黏結(jié)性能試驗(yàn)的試件，見圖2。按照GB∕T 13477.8—2017《建筑密封材料試驗(yàn)方法第8部分：拉伸粘結(jié)性的測定》中規(guī)定的方法將試件夾持在試驗(yàn)機(jī)上，以5 mm∕min的速度拉伸直至斷裂，記錄試件的最大拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。為避免與拉伸性能試驗(yàn)相關(guān)結(jié)果混淆，將黏結(jié)性能試驗(yàn)測得的最大拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別表述為黏結(jié)強(qiáng)度和黏結(jié)伸長率。

圖2 黏結(jié)性能試驗(yàn)試件

3）老化試驗(yàn)

熱老化和浸水老化試驗(yàn)分別按照GB∕T 16777—2008和Q∕CR 601—2017《鐵路無砟軌道嵌縫材料》中規(guī)定的方法進(jìn)行。

紫外老化試驗(yàn)設(shè)備為恒溫環(huán)境箱，紫外輻射強(qiáng)度563 W∕m2，輻射溫度60℃，輻射時(shí)間240 h，累積輻射能量486 MJ∕m2。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

拉伸性能試驗(yàn)過程中環(huán)氧瀝青填縫密封膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3?？芍?，環(huán)氧瀝青填縫密封膠應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與溫度密切相關(guān)，并以0℃為界。在-20～0℃負(fù)溫區(qū)間試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為三個(gè)階段：OA為上升階段，應(yīng)力隨應(yīng)變增加而增加；AB為下降階段，此階段出現(xiàn)隨應(yīng)變增加應(yīng)力近似呈線性減小的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這主要是由于應(yīng)變較大時(shí)環(huán)氧瀝青填縫密封膠分子鏈各物理交聯(lián)點(diǎn)發(fā)生重組，形成了有利于形變發(fā)展的結(jié)構(gòu)；BC為破壞階段，該階段試件被拉斷。在0～60℃正溫區(qū)間應(yīng)力-應(yīng)變曲線僅有上升和破壞兩個(gè)階段，無下降段。這主要是由于隨著溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，分子鏈易被破壞，致使試件在發(fā)生應(yīng)變軟化前便被拉斷。

圖3 拉伸性能試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

黏結(jié)性能試驗(yàn)過程中環(huán)氧瀝青填縫密封膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4?？芍c拉伸性能試驗(yàn)相似，在-20～0℃負(fù)溫區(qū)間試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為三個(gè)階段：OA為上升階段，應(yīng)力隨應(yīng)變增加而增加；AB為下降階段，此階段出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象；BC為破壞階段，該階段典型特征為應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率的突變，這主要是由于試件與混凝土基材黏結(jié)面離縫逐漸擴(kuò)大，黏結(jié)區(qū)域不斷減少，應(yīng)力快速下降，直至試件與混凝土基材黏結(jié)面完全脫離。在0～60℃正溫區(qū)間試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線不存在下降階段，試件在發(fā)生應(yīng)變軟化前已與混凝土基材逐漸脫離。

圖4 黏結(jié)性能試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 失效模式

黏結(jié)性能試驗(yàn)表明，環(huán)氧瀝青填縫密封膠的失效模式是其與混凝土基材之間產(chǎn)生離縫，見圖5。離縫的產(chǎn)生主要與環(huán)氧瀝青填縫密封膠的強(qiáng)度和伸長率有關(guān)。

圖5 黏結(jié)性能試驗(yàn)失效模式

環(huán)氧瀝青填縫密封膠拉伸及黏結(jié)性能試驗(yàn)測得的強(qiáng)度和伸長率見圖6?？芍孩侪h(huán)氧瀝青填縫密封膠的拉伸強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均隨溫度升高而降低。②環(huán)氧瀝青填縫密封膠的斷裂伸長率和黏結(jié)伸長率均隨著溫度升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在0℃時(shí)達(dá)到最大值，斷裂伸長率和黏結(jié)伸長率分別為356.54%和264.47%；在60℃達(dá)到最小值，斷裂伸長率和黏結(jié)伸長率分別為230.44%和80.64%。③在-20～60℃溫度范圍內(nèi)環(huán)氧瀝青填縫密封膠拉伸性能試驗(yàn)測得的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率均大于黏結(jié)性能試驗(yàn)相應(yīng)值。因此，當(dāng)伸縮縫寬度不斷增大時(shí)，在環(huán)氧瀝青填縫密封膠本體發(fā)生開裂之前，其與混凝土基材之間的黏結(jié)面已發(fā)生破壞，產(chǎn)生離縫。

圖6 環(huán)氧瀝青填縫密封膠拉伸及黏結(jié)性能試驗(yàn)測得的強(qiáng)度和伸長率對(duì)比

2.3 耐老化性能

硅酮和聚氨酯是目前高速鐵路無砟軌道常用的填縫密封膠。為明確環(huán)氧瀝青與硅酮、聚氨酯填縫密封膠耐老化性能的差異，按照1.2節(jié)中相應(yīng)試驗(yàn)方法制備硅酮、聚氨酮試件并進(jìn)行老化處理，并在23℃進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。硅酮選用廣州白云化工實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的SS861硅酮填縫密封膠，聚氨酯選用河北金坤工程材料有限公司生產(chǎn)的聚氨酯填縫密封膠。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 三類填縫密封膠老化處理后拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果%

由表1可知：①熱老化處理后，環(huán)氧瀝青和硅酮填縫密封膠的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率均有所降低，且硅酮填縫密封膠斷裂伸長率衰減率相對(duì)更大，而聚氨酯填縫密封膠相應(yīng)值則略有增加；②紫外老化處理后，三種填縫密封膠的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率均有所降低，其中硅酮和聚氨酯填縫密封膠衰減更為顯著；③浸水老化處理后，三種填縫密封膠的拉伸強(qiáng)度衰減率基本相當(dāng)，硅酮和聚氨酯填縫密封膠斷裂伸長率衰減更為顯著。綜上，三種填縫密封膠均受紫外老化和浸水老化影響較大；考慮無砟軌道填縫密封膠以紫外老化為主的使用環(huán)境，相比而言，環(huán)氧瀝青填縫密封膠具有較好的綜合性能。

3 結(jié)論

1）環(huán)氧瀝青填縫密封膠拉伸過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與溫度密切相關(guān)。當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，破壞前存在隨應(yīng)變增加應(yīng)力近似呈線性減小的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而溫度高于0℃時(shí)，隨應(yīng)變增加應(yīng)力不斷增大直至破壞。

2）環(huán)氧瀝青填縫密封膠失效模式是其與混凝土基材之間產(chǎn)生離縫，從而失去防水功能。

3）考慮無砟軌道填縫密封膠的使用環(huán)境，環(huán)氧瀝青比硅酮和聚氨酯填縫密封膠具有更好的耐老化性能。紫外老化和浸水老化對(duì)環(huán)氧瀝青填縫密封膠性能影響較大，熱老化影響相對(duì)較小。