馮亮洪，邵華，盧彭真

（1.義烏市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理站，浙江 義烏 322000；2.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310014）

硅酮密封劑在橋梁伸縮縫中的應(yīng)用研究

馮亮洪1，邵華2，盧彭真2

（1.義烏市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理站，浙江 義烏 322000；2.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310014）

橋梁伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件之一，因長期暴露于大氣及并受到車輛荷載作用，極易受到破壞且維修存在較大困難［1-5］。文章分析總結(jié)了橋梁小變形伸縮縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其存在的病害問題，闡述了彈塑體伸縮裝置與異型鋼單縫式伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)比分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，并指出了它們?cè)谑褂弥谐霈F(xiàn)的病害問題。分析了硅酮密封劑國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，對(duì)硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析，并對(duì)硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了建議。

橋梁伸縮縫；硅酮密封劑；小變形；應(yīng)用

1 橋梁小變形伸縮縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其存在的病害問題

1.1 彈塑體伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

彈塑體伸縮裝置又稱為埋入式伸縮縫、無縫伸縮縫。彈塑體伸縮裝置其在伸縮縫位置附近一定寬度范圍內(nèi)，使用一種特殊的粘結(jié)料與碎石骨料組成的混合料替換橋面鋪裝層，粘結(jié)料具備良好的塑性變形能力、較強(qiáng)的粘結(jié)性能、較高的彈性變形恢復(fù)性能，而骨料具有良好的力學(xué)承載性能，因此粘接料與骨料拌合后，既能與包括瀝青、鋼材、水泥混凝土在內(nèi)的底面材料粘結(jié)良好，又能抵抗外部傳來的交通車輛荷載作用，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 典型彈塑體伸縮裝置

彈塑體伸縮裝置結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)有：①彈塑體伸縮裝置主體是彈塑體與骨料的混合料，這種混合料既作為伸縮裝置的承重構(gòu)件，又作為位移構(gòu)件與密封構(gòu)件，集多種功能于一身。其適用于水平位移 5cm以內(nèi)的橋梁小變形伸縮縫。高粘附性、高阻尼性、高承載力、高密封性、高塑性變形能力滿足公路橋梁三向伸縮變形要求，同時(shí)噪音更小，更有利于橋梁抗振。②伸縮縫結(jié)構(gòu)簡單，施工方便快速。與其他伸縮縫裝置相比，省去了預(yù)埋鋼筋或其他構(gòu)件的步驟，大大提高了安裝效率。同時(shí)安裝設(shè)備簡單，操作方便，大大降低了對(duì)安裝人員的技能要求?；旌喜牧先吭诂F(xiàn)場(chǎng)攪拌制作完成，各項(xiàng)工程質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)均能得到有效控制。③彈塑體伸縮伸縮縫只適用于水平位移在5cm以內(nèi)的小變形橋梁伸縮縫，并且其施工不宜在大風(fēng)、大雨、低溫等惡劣天氣條件下進(jìn)行［4，6-10］。

1.2 異型鋼單縫式伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

“單縫”是指和梁端伸縮縫相對(duì)應(yīng)所設(shè)置的只有一對(duì)邊梁（一個(gè)間隙）的伸縮裝置。JT/T 327-2004行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將模數(shù)式伸縮裝置中伸縮量小于 80mm的形式分類成“異型鋼單縫”，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 典型異型鋼單縫式伸縮縫

異型鋼橡膠伸縮縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①異型鋼單縫伸縮裝置由整體熱軋成型異型鋼，密封橡膠條，錨固體系組成，結(jié)構(gòu)簡單合理，可充分發(fā)揮橡膠材料的彈性性能；②彈性錨固的異型鋼單縫伸縮裝置埋深淺，與鋪裝層較好的錨固，動(dòng)力特性好；③異型鋼單縫伸縮裝置由于結(jié)構(gòu)簡單尺寸較小，節(jié)約了材料用量，經(jīng)濟(jì)性好；④橡膠條因暴露在外易發(fā)生老化，異物或石塊可能刺破密封條，使其他碎屑?jí)m土隨雨水向下滲漏積存，造成惡化；⑤由于錨固鋼筋的存在，必定造成澆筑過程中出現(xiàn)空隙孔洞，密實(shí)程度不夠等情況，在長期車輛荷載作用下造成隱患［3，11，12］。

1.3 橋梁小變形伸縮縫存在的病害問題

彈塑體伸縮裝置存在的主要病害：①伸縮裝置產(chǎn)生裂縫，拌合物填充料開裂，無法滿足脹縮要求，雨水滲入使得填充料與混凝土鋪裝層間粘結(jié)力減小，在車輪荷載作用下，二者相互分離，部分填充料會(huì)從伸縮縫槽口拋出，造成橋梁結(jié)構(gòu)破壞。一般多分布于剛性跨縫板兩端對(duì)應(yīng)的頂面，或柔性跨縫板中心對(duì)應(yīng)的頂面，或沿行車方向。②彈塑體伸縮裝置表面出現(xiàn)車轍、混合料局部沉降與突起，造成跳車現(xiàn)象。在高密度重載車輪荷載反復(fù)作用下，重載車輪長期碾壓致使拌合物填充料產(chǎn)生局部變形或擠壓移動(dòng)，彈性不能恢復(fù)，出現(xiàn)車轍或局部凹陷與突起。③彈塑體伸縮裝置粘結(jié)料出現(xiàn)局部粘結(jié)失效，可能原因有粘結(jié)性能達(dá)不到要求，或施工操作出現(xiàn)嚴(yán)重失誤，如集料清潔干燥有問題，拌合不均勻等［4，13-15］。

異型鋼伸縮縫存在的主要病害：①橡膠條老化開裂；②伸縮縫伸縮量超過設(shè)計(jì)容許值，造成的橡膠條拉斷或脫落；③伸縮裝置標(biāo)高與兩側(cè)路面瀝青混凝土標(biāo)高偏差，造成的跳車現(xiàn)象；④型鋼或焊接構(gòu)件因焊接質(zhì)量差引起的過大變形或斷裂現(xiàn)象，在車輪荷載作用下，伸縮裝置三向受力，若焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)將導(dǎo)致力無法順利傳遞，導(dǎo)致過大變形位移甚至型鋼梁的直接斷裂；⑤錨固混凝土出現(xiàn)孔隙孔洞現(xiàn)象，因錨固鋼筋布置稠密無法進(jìn)行充分振搗，導(dǎo)致混凝土密實(shí)度和強(qiáng)度不足，造成伸縮縫破壞［7，16，17］。

2 建筑用硅酮密封劑國外研究

Swanson，Brian J等［18］研制了一種硅酮密封劑，并進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以評(píng)估該密封劑的張拉強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、溫度效應(yīng)、應(yīng)力松弛、蠕變性能以及對(duì)包括鋼、瀝青、混凝土和聚合物混凝土在內(nèi)的各種襯底材料的粘結(jié)性能。并將該密封劑應(yīng)用到分別位于四個(gè)州的伸縮縫中，連續(xù)監(jiān)測(cè)溫度、降水和密封劑自身狀況1年以上?；谶@些測(cè)試得出結(jié)論，該硅酮密封劑安裝簡單并經(jīng)濟(jì)耐用。

Mirza等［19］研究和評(píng)估了現(xiàn)場(chǎng)成型密封膠于寒冷氣候水壩中使用的原位性能?；趶V泛的實(shí)驗(yàn)室研究選擇包括：聚氨酯、聚硫化物、硅酮密封劑進(jìn)行評(píng)估。這些選擇的密封劑安裝于魁北克水電大壩不同位置的橫向、豎向、斜向接縫中。經(jīng)過1～4年定期檢查其原位性能。研究結(jié)果表明：硅酮密封劑在魁北克水電大壩接縫中的安裝使用效果良好，建議在惡劣氣候條件下大壩中使用。

Ihara，Takeshi等［20］進(jìn)行了由硅酮密封膠與聚異丁烯密封膠組成的雙重密封劑的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。本研究表明，雙重密封劑的疲勞強(qiáng)度與總密封厚度以及各密封膠的相對(duì)運(yùn)動(dòng)密切有關(guān)。此外，本試驗(yàn)截面尺寸也為今后具有更好疲勞強(qiáng)度的密封劑界面尺寸設(shè)計(jì)提供了參考。

KESHAVARAJ，R等［21］針對(duì)結(jié)構(gòu)密封劑受到包括陽光、濕度、風(fēng)、臭氧氧化、建筑物活荷載等作用，對(duì)密封劑的性能存在潛在損壞的情況進(jìn)行了研究試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，單獨(dú)水分作用可以觸發(fā)硅酮密封劑的交聯(lián)，但若水分與太陽輻射同時(shí)作用則可能是有害的。

3 建筑用硅酮密封劑國內(nèi)研究

史小萌等［22］研究了填料對(duì)硅酮改性聚氨酯密封膠的力學(xué)性能和流變性能的影響。他們改變硅酮密封膠填料的添加量、粒徑、種類和配比，對(duì)其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和硬度等力學(xué)性能和流變性能進(jìn)行了測(cè)試。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，找到了填料對(duì)硅酮改性聚氨酯密封膠性能的影響規(guī)律。填料種類的不同對(duì)硅酮改性聚氨酯密封膠的性能影響較大，此外填料粒徑越小，硅酮改性聚氨酯密封膠的彈性和觸變性越好。合理的填料可以增大硅酮改性聚氨酯密封膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和模量。

張海龍、張燕青等［23］研究了不同環(huán)境因素和機(jī)械應(yīng)力作用下硅酮結(jié)構(gòu)密封膠老化前后力學(xué)性能的變化情況，對(duì)比了不同廠家生產(chǎn)的硅酮結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)強(qiáng)度的衰減速率，得到了不同種類的硅酮結(jié)構(gòu)膠老化過程中力學(xué)性能衰減速率存在差異，研究表明通過此方法預(yù)測(cè)硅酮結(jié)構(gòu)密封膠使用壽命較為科學(xué)合理。

馮培等［24］研究了施工因素因素對(duì)雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能的影響，從混合比例與施工溫度兩個(gè)方面分析了施工不當(dāng)對(duì)雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能的影響。李萬勇，謝真等［25］研究了固化比例和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能的影響，通過調(diào)節(jié)固化比和養(yǎng)護(hù)溫度，考察了雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的主要性能指標(biāo)，指出過剩的固化劑和較低的使用溫度對(duì)密封劑性能產(chǎn)生不良影響，這些為硅酮密封劑的實(shí)際施工和應(yīng)用過程提供了參考。

4 硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應(yīng)用的可行性

硅酮密封劑作為橋梁小變形伸縮縫的密封材料，具有以下特點(diǎn)：①耐久性：在車輛荷載作用和惡劣的氣候條件下，仍能在較長時(shí)間保持良好的使用性能，有效粘結(jié)混凝土橋面，同時(shí)良好的位移變形能力也能滿足小變形伸縮縫的防水需求。②耐候性與耐腐蝕性：具有良好的耐候性與耐腐蝕性，相對(duì)瀝青或聚氨酯，硅酮密封劑受紫外線照射不會(huì)發(fā)生硬化、劣化，不易受到酸堿化學(xué)試劑侵蝕。③位移能力與變形回復(fù)能力：在溫度及車輛荷載作用下，水平方向與豎直方向發(fā)生相應(yīng)位移，現(xiàn)有道路用硅酮密封劑的模量即可達(dá)到+100%/-50%，其高變形回復(fù)性保證其不會(huì)因車輛碾壓而剝離，也使得路面碎石嵌入伸縮縫的概率大大降低。④溫度穩(wěn)定性：硅酮密封劑具有良好的高溫穩(wěn)定性與低溫變形能力，高溫不流淌、低溫不脆裂。能保證適應(yīng)橋面熱脹冷縮與車輛荷載作用所產(chǎn)生的位移。

硅酮密封劑已在高速公路水泥混凝土路面、機(jī)場(chǎng)混凝土路面接縫等類似情況得到順利運(yùn)用，并可為硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中的可行性提供參考。李海川等［26］研究了硅酮密封膠在機(jī)場(chǎng)混凝土道面灌縫中的應(yīng)用，其在機(jī)場(chǎng)灌縫中的使用結(jié)果表明，接縫的水密性、粘結(jié)性能都很好。在該機(jī)場(chǎng)投入使用以來，沒有發(fā)現(xiàn)接縫部位出現(xiàn)開膠、夾雜異物、積水、滲水等現(xiàn)象。張相杰等［27］研究了道路硅酮密封膠在高速公路水泥混凝土路面中的應(yīng)用，從目前粵贛高速公路通車運(yùn)營階段硅酮道路密封膠的使用狀況看，其性能良好，耐久性等路用性能也經(jīng)歷了長期的路用檢驗(yàn)，硅酮道路密封膠用作水泥混凝土路面填縫料是適宜的。

綜上，從硅酮密封劑自身性能與相似環(huán)境應(yīng)用情況，說明了硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應(yīng)用的可行性。

5 硅酮密封劑橋梁小變形伸縮縫的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

基于硅酮密封劑具有良好耐久性、耐候性與耐腐蝕性、位移能力與變形回復(fù)能力、溫度穩(wěn)定性的特點(diǎn)，硅酮密封劑運(yùn)用于橋梁小變形伸縮縫具有良好的前景，但是仍需進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與實(shí)橋監(jiān)測(cè)，以對(duì)配合比與施工工藝進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了評(píng)估硅酮泡沫密封劑的性能并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，包括抗拉性能、維修/改造、溫度效應(yīng)、鹽水浸漬、模量時(shí)變效應(yīng)、固化速率、凍結(jié)效應(yīng)和密封滲水效果試驗(yàn)，以上結(jié)果均為硅酮密封劑優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

6 結(jié) 論

根據(jù)國內(nèi)外硅酮密封劑與橋梁小變形伸縮縫研究的文獻(xiàn)資料，本文對(duì)橋梁小變形伸縮縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與病害問題進(jìn)行了簡要介紹，對(duì)硅酮密封劑的國內(nèi)外研究進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)，對(duì)硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應(yīng)用可行性進(jìn)行了分析，并對(duì)硅酮密封劑橋梁小變形伸縮縫的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提出了相關(guān)建議。目前常用橋梁小變形伸縮縫主要有彈塑體伸縮裝置與異型鋼單縫式伸縮縫，但因其結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，均會(huì)出現(xiàn)材料老化、接縫處跳車等現(xiàn)象。在對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的查閱和總結(jié)后，根據(jù)硅酮密封劑具有良好耐久性、耐候性、位移能力、溫度穩(wěn)定性等特點(diǎn)，總結(jié)了硅酮密封劑在橋梁小變形伸縮縫中應(yīng)用的可行性，并對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)重點(diǎn)內(nèi)容提出了建議。

［1］GBJ124-88，道路工程術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］李楊海，程潮陽.公路橋梁伸縮裝置實(shí)用手冊(cè)（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］趙衡平.現(xiàn)代橋梁伸縮裝置［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［4］林琳.小變位量橋涵彈塑性伸縮裝置的應(yīng)用研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

［5］李保成.淺論公路橋梁伸縮縫［J］.湖南交通科技，1997，23（4）：30-32.

［6］楊濤.改性瀝青橋梁伸縮縫性能及其應(yīng)用技術(shù)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

［7］郝曉彬，李俊遠(yuǎn).TST彈塑體橋梁伸縮縫性能及使用情況分析［J］.遼寧省交通高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2000（4）：42-44.

［8］陳建新，陸濤，陳飛.橋梁無縫伸縮縫與無縫橋梁的適用性分析［J］.公路交通科技，2006（1）：115-116，120.

［9］樊統(tǒng)江.小變位量埋置式橋梁無縫伸縮裝置研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（5）：20-22，88.

［10］Yanjun Xiea，Liantong Moa.Investigation into fundamental properties of bituminous plug expansion joint filling mixtures containing rubber granules［J］.Construction and Building Materials，2013，Volume 47：984-989.

［11］陽初.橋梁伸縮裝置損傷分析和選型應(yīng)用［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2014.

［12］虞翠云.橋梁伸縮裝置評(píng)述［J］.山西交通科技，1999（5）：27-28.

［13］Jo?o Marques Lima，Jorge de Brito.Inspection survey of 150 expansion joints in road bridges［J］.Engineering Structures，2009，31（5）：1077-1084.

［14］趙衡平.彈塑體伸縮裝置應(yīng)用探討［J］.國外公路，1998（3）：40-44.

［15］翟天璽.TST彈塑體伸縮縫的應(yīng)用研究［J］.河南科技，2004（5）：34-35.

［16］鄭萬成，盛海峰，王彥杰.異型鋼單縫式伸縮縫破壞原因及對(duì)策［J］.內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2012（5）：7-9.

［17］趙鵬.型鋼類伸縮裝置破壞原因［J］.交通世界（建養(yǎng).機(jī)械），2011（5）：263-264.

［18］Swanson BJ，Malla RB，Shaw MT.Laboratory Testing，F(xiàn)ield Installation，and Monitoring of a Silicone Foam Sealant for Bridge Expansion Joints［J］.Journal Of Bridge Engineering.2013（18）.

［19］Mirza J，Bhutta MAR，Tahir MM.In situ performance of field-moulded joint sealants in dams［J］.Construction And Building Materials.2013（41）.

［20］Ihara T，Gustavsen A，Jelle BP.Fatigue resistance of double sealant composed of polyisobutylene sealant adjacent to silicone sealant［J］.Construction And Building Materials.2014.

［21］Keshavaraj R，Tock RW.MODELING OF CHANGES IN CROSS-LINKING FOR STRUCTURAL SILICONE SEALANTS SUBJECTED to MOISTURE AND SUNLIGHT［J］.Polymer-Plastics Technology And Engineering.1994.

［22］史小萌，戴海林.填料對(duì)硅酮改性聚氨酯密封膠性能影響的研究［J］.石油化工，2003（4）：294-296.

［23］張海龍，張燕青，王曉紅，崔洪.硅酮結(jié)構(gòu)密封膠使用壽命的影響因素及評(píng)價(jià)方法［J］.中國建筑防水，2012（13）：21-25.

［24］馮培，張燕紅，楊曉菲，楊玉寧.施工因素對(duì)雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能的影響［J］.中國建筑防水，2013（18）：8-11.

［25］李萬勇，謝真，余奕帆.固化比例和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能的影響［J］.中國建筑防水，2013（6）：9-11.

［26］李海川，許金余，邵式亮，李博棟，梁峰.道康寧硅酮密封膠在機(jī)場(chǎng)混凝土道面灌縫中的應(yīng)用［J］.新型建筑材料，2006（4）：60-62.

［27］張相杰，張勁超.道路硅酮密封膠在高速公路水泥混凝土路面中的應(yīng)用［J］.廣東公路交通，2007（1）：6-7，11.

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1007-7359（2016）02-0126-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.043