裝配式地下結構用防水膠條密封性能試驗研究*

夏鑫磊 盧辰

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 200092)

引言

近年來, 隨著裝配式結構和市政建設的發展, 綜合管廊、 電力隧道、 盾構隧道等地下工程也開始采用預制裝配的建造模式。 滲漏水問題是困擾地下工程質量的通病, 對裝配式地下工程而言, 其接縫處的防水問題也是一直以來關注的要點。 針對裝配式地下結構的特點, 普遍做法是在拼縫位置設置密封材料作為主要的防水措施。 地下工程中主要應用的密封材料由早期的瀝青、 彈性發泡橡膠、 雙組份聚硫酯、 雙組份聚氨酯等材料[1], 逐步轉變為以彈性橡膠制品為主的密封材料[2,3]。 國內外針對橡膠制品本身及其防水機理和防水性能方面進行了系列研究, 雷震宇等[4]根據密封墊靜態密封原理, 分析了遇水膨脹橡膠密封墊的防水機理。 薛偉辰等[5]以上海世博會園區的預制綜合管廊為研究對象, 提出了遇水膨脹膠條的在預制接頭處的防水壓力計算公式。

目前國內外針對預制拼裝結構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, 對新工程和新膠條選用時的指導性不足。 為了進一步了解密封膠條受力性能和密封性能之間的耦合關系。 本文結合工程中廣泛采用的四種密封膠條, 開展了膠條壓縮和密封性能的試驗研究, 試驗同時對國內有相關工程在布置膠條時涂刷一層防水涂料的情況進行了對比試驗分析。

1 膠條壓縮性能試驗

1.1 試驗密封材料

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

A 膩子復合橡膠密封條: 膩子復合橡膠密封條是近年來開始應用的密封膠條, 內層為三元乙丙發泡橡膠, 外層為具有高蠕變性、 高粘性的聚合物反應性膠泥[6]。 本次研究中所使用的膩子復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, 其在拼裝結構防水中應用較廣泛, 尺寸為20mm×16mm×20mm, 截面中心開5mm 孔。

D 遇水膨脹復合橡膠條: 由遇水膨脹橡膠和三元乙丙彈性橡膠硫化復合制成[6], 兩種橡膠產品不分層, 使密封膠條具有遇水膨脹和彈性恢復性兩種功能互為補充的特性, 尺寸為20mm ×16mm×20mm, 截面中心開5mm 孔。

圖1 試驗密封材料(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力一致, 所有膠條的頂底尺寸基本接近, 考慮A 膠條的外側膩子幾乎沒有承載作用, 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 壓縮性能試驗方案

圖2 為本次壓縮試驗的試驗裝置, 圖3 為密封膠條的布置示意圖。 為模擬實際工程應用中地下預制拼裝結構常采用承插口的拼接形式, 試驗裝置的上下部為混凝土平板, 平板表面平整, 下部平板設置圓環型凹槽, 凹槽內徑為300mm, 截面為 40mm ×34mm ×6mm。 將膠條置于凹槽中,密封膠條長度為1.1m。 采用液壓千斤頂進行加載,四個量程為30mm 的百分表布置在試件四個角部,測量壓縮量變化, 每種材料進行三組壓縮試驗。

圖2 壓縮性能試驗裝置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 壓縮性能試驗結果

表1 ～表4 為本次四種膠條壓縮試驗的試驗結果。 圖4 為四種膠條壓縮性能的變化規律, 可以看出: (1)B、 C、 D 三種膠條的初始彈性模量要遠大于A 膠條, 而A 膠條在壓縮后期的彈性模量增長較快, 原因在于A 膠條外層的膩子為高粘性的塑性材料, 初始壓縮時膩子材料向外擴散,內層的彈性材料還未發揮明顯作用； (2)B 膠條的壓縮力與壓縮量的增長除去初始階段外, 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呈明顯曲線增長, 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心截面無開孔, A、 C、 D 膠條截面為中間開孔的形式；(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合后彈性模量均小于兩者。

表1 A 膠條試驗結果Tab.1 Test results of A rubber

表2 B 膠條試驗結果Tab.2 Test results of B rubber

表3 C 膠條試驗結果Tab.3 Test results of C rubber

表4 D 膠條試驗結果Tab.4 Test results of D rubber

圖4 膠條壓縮量-壓力關系Fig.4 Compression-pressure relationship of the rubber

2 膠條密封性能試驗

2.1 試驗方案

圖5 為本次防水性能試驗采用的裝置示意圖, 與壓縮試驗相同, 試件采用混凝土制成的上下蓋板, 上蓋板預埋注水用鋼管, 下部底板設置為密封橡膠條預留的環形凹槽。 考慮當止水膠條被壓到厚度很小時, 蓋板之間由于存水較少會對試驗效果產生影響, 在下部蓋板內部設置一個集水坑用來儲存加壓用水。

圖5 防水性能試驗裝置Fig.5 Waterproof performance test device

加載至固定加載級后, 采用水壓機向試件內注水, 通過水壓表觀察水壓值變化, 待接縫處出現漏水、 加壓時水壓表數值不再上升時, 水壓表穩定讀數即為加載時壓力表最大讀數。 試驗過程中, 達到最大壓力值后壓力表讀數會因為加載裝置未完全穩定等因素逐漸降低, 導致讀數不穩定, 當示數降低后進行多次補壓, 每一次補壓后的壓力表讀數不會超過某一壓力值附近, 同時膠條與混凝土之間出現滲漏, 此時的壓力值即為這一加載級下的極限水壓。

為了考察達到極限水壓后, 水壓隨時間的變化規律, 以混凝土表面有無防水涂料為變量設置了一組對比試驗, 其中一組對上下蓋板表面采用環氧樹脂膠進行均勻涂抹形成防水層, 另一組不做防水處理。 試驗時, 在同一加載級下注水加壓, 達到極限水壓時關閉注水閥門, 并記錄即時水壓、 10min、 20min 和 30min 后的水壓表讀數。

2.2 極限水壓試驗結果

圖6 和圖7 為四種膠條極限水壓與壓縮力、壓縮量的關系曲線, 對比曲線可以得到以下規律: (1)當壓縮力不超過20kN/m 時, 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優于 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的關系較小, 主要與作用在膠條與混凝土界面的正壓力有關, 四種膠條的壓縮力與極限水壓之間基本呈線性變化關系, 壓縮時觀察到膠條均覆蓋凹槽底部, 對應 40mm × 34mm × 6mm 凹槽截面, 取34mm 作為接觸區域計算時, 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系Fig.6 Extreme water pressure-pressure relationship

圖7 極限水壓與壓縮量關系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防水涂料時, 不同壓縮力下, 防水壓力的測試結果。 A、 B 膠條在30min 時, 水壓基本趨于穩定。 A 膠條在涂刷有防水涂料時, 各時間點的水壓值均高于未涂刷涂料的水壓值。 但不論有無涂刷防水涂料, A 膠條對應的水壓值隨著時間膠條基本一致, 當壓縮力超過30kN/m 時, 四種密封膠條的極限防水能力相差較??； (2)在達到相同極限防水能力時, A膠條的壓縮量遠大于其他三種密封膠條, C、 D 膠條達到相同防水能力時, 壓縮量相接近,而B 的壓縮量較小, 主要是由于B 膠條為實心截面而其他密封膠條均采用截面中心開孔型；變化均有所降低, 無防水涂料的水壓值在30min時下降約40%, 有防水涂料的水壓值下降約35%。 A 膠條的水壓值隨時間下降的原因主要與材料特點有關, 在加載完成時, 膠條彈性變形發生完成, 而外層膩子部分的塑性變形發展滯后,界面壓力也隨著膠條變形的發展逐漸減小, 導致水壓降低。 B 膠條在有無涂刷防水涂料時的即時水壓值基本相同, 但隨著時間變化, 無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 兩種膠條的變化規律與B 膠條基本一致, 不再單獨敘述。 涂刷防水材料后, 接觸面變得光滑, 結果表明對于彈性較好的密封材料, 過于光滑的表面不利于其防水性能。

表5 A 膠條測試結果Tab.5 Test results of A rubber

表6 B 膠條測試結果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使用環境和拼接面條件來確定。 對于使用環境而言, 需要考察的指標包括膠條的耐久性、 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際的防水性能。

通過本次試驗研究, 在實際工程進行密封膠條選擇時, 建議可首先根據使用環境進行膠條篩選； 然后依據所需要的界面防水壓力, 在預留足夠安全余量的情況下可參考本次試驗結果, 算出所需要的界面壓力； 根據計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行一組壓縮試驗獲得一組在凹槽內的壓縮曲線, 同時獲得了達到界面壓力時膠條所需要的壓縮量, 用于現場施工時對膠條安裝和擠壓時的控制。

針對本次試驗的四種膠條, 其相同壓力下的防水性能基本一致, 但由于其對應壓縮量的不同適用于不同的使用場景。 A 膠條在達到防水壓力時, 壓縮量較大, 變形能力相對較強, 對于類似節段預制拼裝綜合管廊的線性工程需要抵抗不均勻沉降時較為適用, 但由于其壓縮變形的非線性關系, 施工精度較難控制； B 膠條所需的壓縮量較少, 線性關系較好, 施工易于控制, 但膠條偏硬, 對安裝面的平整度要求較高。 C、 D 膠條介于A 和B 膠條之間, 四種膠條各有優勢, 需根據實際工程進行選用。

4 結論

本文結合工程中常見的四種典型密封膠條,對膠條的受力性能與防水性能進行試驗研究, 主要得到以下幾點結論與建議:

(1)本次試驗采用的試驗手段獲得了良好的試驗效果, 其余膠條的壓縮性能和防水性能測試可參考本試驗進行；

(2)試驗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系曲線, 后續實際工程應用時可參考選??；

(3)試驗數據表明裝配式地下結構拼縫處的防水性能主要與拼縫處的界面壓力相關, 不同的膠條種類對防水壓力的影響不大；

(4)在進行裝配式地下結構拼縫處防水設計時, 建議結合施工條件合理地進行膠條選擇。