夏鑫磊 卢辰

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

引言

近年来, 随着装配式结构和市政建设的发展, 综合管廊、 电力隧道、 盾构隧道等地下工程也开始采用预制装配的建造模式。 渗漏水问题是困扰地下工程质量的通病, 对装配式地下工程而言, 其接缝处的防水问题也是一直以来关注的要点。 针对装配式地下结构的特点, 普遍做法是在拼缝位置设置密封材料作为主要的防水措施。 地下工程中主要应用的密封材料由早期的沥青、 弹性发泡橡胶、 双组份聚硫酯、 双组份聚氨酯等材料[1], 逐步转变为以弹性橡胶制品为主的密封材料[2,3]。 国内外针对橡胶制品本身及其防水机理和防水性能方面进行了系列研究, 雷震宇等[4]根据密封垫静态密封原理, 分析了遇水膨胀橡胶密封垫的防水机理。 薛伟辰等[5]以上海世博会园区的预制综合管廊为研究对象, 提出了遇水膨胀胶条的在预制接头处的防水压力计算公式。

目前国内外针对预制拼装结构所采用的密封胶条的研究主要以单一工程或单一胶条为主, 对新工程和新胶条选用时的指导性不足。 为了进一步了解密封胶条受力性能和密封性能之间的耦合关系。 本文结合工程中广泛采用的四种密封胶条, 开展了胶条压缩和密封性能的试验研究, 试验同时对国内有相关工程在布置胶条时涂刷一层防水涂料的情况进行了对比试验分析。

1 胶条压缩性能试验

1.1 试验密封材料

图1 展示了本次试验所采用的四种典型密封胶条的断面尺寸。 胶条选择厂家生产的成品胶条, 其主要特征和详细尺寸分别如下:

A 腻子复合橡胶密封条: 腻子复合橡胶密封条是近年来开始应用的密封胶条, 内层为三元乙丙发泡橡胶, 外层为具有高蠕变性、 高粘性的聚合物反应性胶泥[6]。 本次研究中所使用的腻子复合橡胶密封条尺寸为23mm ×22mm ×25mm(下底×上底×高), 胶条截面中间为开孔的形式, 孔径为5mm。

B 遇水膨胀橡胶条: 为目前较常用的密封胶条, 具有弹性防水和遇水膨胀防水的功能, 本研究中所采用的遇水膨胀密封胶条尺寸为20mm ×18mm×15mm, 截面为实心形式。

C 三元乙丙橡胶条: 三元乙丙橡胶为乙烯、 丙烯和少量的非共轭二烯烃的共聚物[7], 是乙丙橡胶的一种, 其在拼装结构防水中应用较广泛, 尺寸为20mm×16mm×20mm, 截面中心开5mm 孔。

D 遇水膨胀复合橡胶条: 由遇水膨胀橡胶和三元乙丙弹性橡胶硫化复合制成[6], 两种橡胶产品不分层, 使密封胶条具有遇水膨胀和弹性恢复性两种功能互为补充的特性, 尺寸为20mm ×16mm×20mm, 截面中心开5mm 孔。

图1 试验密封材料(单位: mm)Fig.1 Test sealing material(unit: mm)

为了保证相同压缩力下, 胶条与接触界面的应力一致, 所有胶条的顶底尺寸基本接近, 考虑A 胶条的外侧腻子几乎没有承载作用, 截面面积相比另外三种增大约50%, 中间弹性材料的底部尺寸为19mm。

1.2 压缩性能试验方案

图2 为本次压缩试验的试验装置, 图3 为密封胶条的布置示意图。 为模拟实际工程应用中地下预制拼装结构常采用承插口的拼接形式, 试验装置的上下部为混凝土平板, 平板表面平整, 下部平板设置圆环型凹槽, 凹槽内径为300mm, 截面为 40mm ×34mm ×6mm。 将胶条置于凹槽中,密封胶条长度为1.1m。 采用液压千斤顶进行加载,四个量程为30mm 的百分表布置在试件四个角部,测量压缩量变化, 每种材料进行三组压缩试验。

图2 压缩性能试验装置Fig.2 Test device for compression performance

图3 胶条布置示意(单位: mm)Fig.3 Schematic of rubber arrangement(unit: mm)

1.3 压缩性能试验结果

表1 ～表4 为本次四种胶条压缩试验的试验结果。 图4 为四种胶条压缩性能的变化规律, 可以看出: (1)B、 C、 D 三种胶条的初始弹性模量要远大于A 胶条, 而A 胶条在压缩后期的弹性模量增长较快, 原因在于A 胶条外层的腻子为高粘性的塑性材料, 初始压缩时腻子材料向外扩散,内层的弹性材料还未发挥明显作用； (2)B 胶条的压缩力与压缩量的增长除去初始阶段外, 变化基本成线性, 其他密封胶条则是压缩量随压缩力的增长呈明显曲线增长, 主要原因是密封胶条的截面形式不同, B 胶条的截面形式为实心截面无开孔, A、 C、 D 胶条截面为中间开孔的形式；(3)D 胶条的弹性模量小于B、 C 胶条, 表明此胶条将遇水膨胀橡胶和三元乙丙弹性橡胶硫化复合后弹性模量均小于两者。

表1 A 胶条试验结果Tab.1 Test results of A rubber

表2 B 胶条试验结果Tab.2 Test results of B rubber

表3 C 胶条试验结果Tab.3 Test results of C rubber

表4 D 胶条试验结果Tab.4 Test results of D rubber

图4 胶条压缩量-压力关系Fig.4 Compression-pressure relationship of the rubber

2 胶条密封性能试验

2.1 试验方案

图5 为本次防水性能试验采用的装置示意图, 与压缩试验相同, 试件采用混凝土制成的上下盖板, 上盖板预埋注水用钢管, 下部底板设置为密封橡胶条预留的环形凹槽。 考虑当止水胶条被压到厚度很小时, 盖板之间由于存水较少会对试验效果产生影响, 在下部盖板内部设置一个集水坑用来储存加压用水。

图5 防水性能试验装置Fig.5 Waterproof performance test device

加载至固定加载级后, 采用水压机向试件内注水, 通过水压表观察水压值变化, 待接缝处出现漏水、 加压时水压表数值不再上升时, 水压表稳定读数即为加载时压力表最大读数。 试验过程中, 达到最大压力值后压力表读数会因为加载装置未完全稳定等因素逐渐降低, 导致读数不稳定, 当示数降低后进行多次补压, 每一次补压后的压力表读数不会超过某一压力值附近, 同时胶条与混凝土之间出现渗漏, 此时的压力值即为这一加载级下的极限水压。

为了考察达到极限水压后, 水压随时间的变化规律, 以混凝土表面有无防水涂料为变量设置了一组对比试验, 其中一组对上下盖板表面采用环氧树脂胶进行均匀涂抹形成防水层, 另一组不做防水处理。 试验时, 在同一加载级下注水加压, 达到极限水压时关闭注水阀门, 并记录即时水压、 10min、 20min 和 30min 后的水压表读数。

2.2 极限水压试验结果

图6 和图7 为四种胶条极限水压与压缩力、压缩量的关系曲线, 对比曲线可以得到以下规律: (1)当压缩力不超过20kN/m 时, A 胶条承受的极限水压要高于B、 C、 D 胶条, 在相同压缩力下防水性能略优于 B、 C、 D 胶条, B、 C、 D(3)曲线表明界面的极限水压与胶条种类的关系较小, 主要与作用在胶条与混凝土界面的正压力有关, 四种胶条的压缩力与极限水压之间基本呈线性变化关系, 压缩时观察到胶条均覆盖凹槽底部, 对应 40mm × 34mm × 6mm 凹槽截面, 取34mm 作为接触区域计算时, 界面压力与极限水压比值约为1.96, 即每1.96MPa 的界面压力可提供1MPa 的极限防水压力。

图6 极限水压与压缩力关系Fig.6 Extreme water pressure-pressure relationship

图7 极限水压与压缩量关系Fig.7 Extreme water pressure-compression relationship

表5 和表6 给出了A、 B 胶条在混凝土板表面有无防水涂料时, 不同压缩力下, 防水压力的测试结果。 A、 B 胶条在30min 时, 水压基本趋于稳定。 A 胶条在涂刷有防水涂料时, 各时间点的水压值均高于未涂刷涂料的水压值。 但不论有无涂刷防水涂料, A 胶条对应的水压值随着时间胶条基本一致, 当压缩力超过30kN/m 时, 四种密封胶条的极限防水能力相差较小； (2)在达到相同极限防水能力时, A胶条的压缩量远大于其他三种密封胶条, C、 D 胶条达到相同防水能力时, 压缩量相接近,而B 的压缩量较小, 主要是由于B 胶条为实心截面而其他密封胶条均采用截面中心开孔型；变化均有所降低, 无防水涂料的水压值在30min时下降约40%, 有防水涂料的水压值下降约35%。 A 胶条的水压值随时间下降的原因主要与材料特点有关, 在加载完成时, 胶条弹性变形发生完成, 而外层腻子部分的塑性变形发展滞后,界面压力也随着胶条变形的发展逐渐减小, 导致水压降低。 B 胶条在有无涂刷防水涂料时的即时水压值基本相同, 但随着时间变化, 无防水涂料的水压值仅有轻微的下降, 有防水涂料的水压值反而下降约33%。 C、 D 两种胶条的变化规律与B 胶条基本一致, 不再单独叙述。 涂刷防水材料后, 接触面变得光滑, 结果表明对于弹性较好的密封材料, 过于光滑的表面不利于其防水性能。

表5 A 胶条测试结果Tab.5 Test results of A rubber

表6 B 胶条测试结果Tab.6 Test results of B rubber

3 防水胶条的选型和建议

装配式地下工程中, 防水胶条的选择主要根据使用环境和拼接面条件来确定。 对于使用环境而言, 需要考察的指标包括胶条的耐久性、 耐腐蚀性等, 主要由胶条本身的材料特性所确定, 拼接面条件则决定了胶条实际的防水性能。

通过本次试验研究, 在实际工程进行密封胶条选择时, 建议可首先根据使用环境进行胶条筛选； 然后依据所需要的界面防水压力, 在预留足够安全余量的情况下可参考本次试验结果, 算出所需要的界面压力； 根据计算所得的界面压力参考胶条的压缩曲线选取合适的胶条尺寸及凹槽尺寸； 在确定胶条和凹槽尺寸后进行一组压缩试验获得一组在凹槽内的压缩曲线, 同时获得了达到界面压力时胶条所需要的压缩量, 用于现场施工时对胶条安装和挤压时的控制。

针对本次试验的四种胶条, 其相同压力下的防水性能基本一致, 但由于其对应压缩量的不同适用于不同的使用场景。 A 胶条在达到防水压力时, 压缩量较大, 变形能力相对较强, 对于类似节段预制拼装综合管廊的线性工程需要抵抗不均匀沉降时较为适用, 但由于其压缩变形的非线性关系, 施工精度较难控制； B 胶条所需的压缩量较少, 线性关系较好, 施工易于控制, 但胶条偏硬, 对安装面的平整度要求较高。 C、 D 胶条介于A 和B 胶条之间, 四种胶条各有优势, 需根据实际工程进行选用。

4 结论

本文结合工程中常见的四种典型密封胶条,对胶条的受力性能与防水性能进行试验研究, 主要得到以下几点结论与建议:

(1)本次试验采用的试验手段获得了良好的试验效果, 其余胶条的压缩性能和防水性能测试可参考本试验进行；

(2)试验得到了四种典型胶条的压缩量-压缩力-界面极限水压之间的关系曲线, 后续实际工程应用时可参考选取；

(3)试验数据表明装配式地下结构拼缝处的防水性能主要与拼缝处的界面压力相关, 不同的胶条种类对防水压力的影响不大；

(4)在进行装配式地下结构拼缝处防水设计时, 建议结合施工条件合理地进行胶条选择。