環氧瀝青混凝土在鐵路鋼橋防水保護層中的應用

王江洋 王新明 錢振東

（1.蘇州市公路管理處 蘇州 215007； 2.東南大學智能運輸系統研究中心 南京 210018）

防水保護層是鐵路鋼橋的重要組成部分，其質量的優劣直接影響鋼橋結構的使用耐久性。保護層在使用過程中長期承受疲勞荷載作用往往會出現不同程度的裂縫、破碎等破環現象。剛性防水保護層（水泥混凝土）由于材料自身特點，其抗拉性能和變形協調能力較差，較易產生裂縫類病害而使水分侵入到鋼橋面板。隨著鐵路鋼橋的跨徑不斷增大，鐵路鋼橋采用柔性保護層的研究受到重視。

環氧瀝青混凝土作為鋼橋面鋪裝材料，已成功應用于國內外多座大跨徑公路鋼橋，具有強度高、抗疲勞性能好，尤其在高溫下具有較好的抗變形能力，且對鋼板變形追從性好［1］。在對公路鋼橋面柔性保護層的研究中，力學分析時車輛荷載直接作用在保護層表面［2－3］，室內試驗時采用的是公路工程柔性鋪裝材料的評價指標體系。而鐵路鋼橋保護層鋪設在道砟與橋面板之間，采用的是鐵路橋梁相關規范。

本文從鐵路鋼橋橋面系的結構組成及荷載傳遞特點出發，研究列車荷載作用下環氧瀝青柔性保護層的力學響應，結合客運專線橋梁保護層技術要求以及剛性材料試驗方法，試驗研究柔性保護層材料以及與鋼板的復合結構的力學性能，檢驗環氧瀝青混凝土在鐵路鋼橋防水保護層中的適用性。本文研究成果已在南昌樞紐東新贛江特大橋主橋順利應用實施，同時可為江蘇省內即將開工建設的滬通鐵路長江大橋和五峰山公鐵大橋提供防水保護層方案研究基礎，具有重要的現實意義和廣闊的推廣應用前景。

1 鐵路鋼橋道砟槽防護體系

本文提出“鋼板＋環氧富鋅漆＋環氧瀝青粘結層＋3cm環氧瀝青混凝土＋環氧瀝青粘結層＋3cm環氧瀝青混凝土”的新型柔性防水保護層復合結構體系。在鋼板上進行防腐涂裝后，噴涂防水粘結層，隨后鋪筑柔性保護層，對鐵路正交異性鋼橋提出“環氧瀝青混凝土道砟槽底板＋水泥混凝土防撞墻”的道砟槽形式，見圖1。

圖1 道砟槽設計斷面（尺寸單位：mm）

2 柔性防水保護層復合結構體系力學分析

鐵路鋼橋橋面系結構組成較公路鋼橋復雜，環氧瀝青柔性保護層體系的力學行為可看作高速列車－軌道－環氧瀝青柔性保護層－橋梁各結構組成部分的相互作用問題。采用有限元方法建立鐵路鋼橋道砟槽耦合體系模型，見圖2。根據《新建車速200～250kw／h客運專線鐵路設計暫行規定（鐵建設［2005］140號）》［4］，選用 ZK 特種活載作為外載施加在鋼軌表面，考慮按列車豎向荷載的10%計算制動力系數，計算荷載圖示見圖3。

圖2 耦合體系作用模型

以東新贛江特大鐵路橋為例，線路等級為新建車速200kw／h客運專線鐵路，I級標準鐵路，正線數目為4線。在有限元建模時選取的結構各組成部分材料計算參數見表1。道床厚度為40 cm，道床頂面寬度為360cm，道砟槽采用1∶1.75的緩坡，橫隔板跨距為2.0m，橋面鋼板厚度為16 mm，柔性保護層厚度為60mm。

表1 鐵路橋面系結構材料計算參數［4－6］

由力學計算結果可知，鐵路鋼橋柔性保護層最大橫向拉應力分布在軌枕兩側以及縱肋上方對應區域，最大縱向拉應力分布在軌枕下方對應區域，這些區域保護層可能產生縱橫向開裂；最大橫向層間剪應力分布在荷載下方軌枕兩側，最大縱向剪應力分布在荷載下方軌枕對應的保護層區域，這些區域可能發生鋼板和保護層的橫向層間滑移及剪切破壞。

考慮列車豎向荷載＋撓曲力＋制動力的綜合工況計算得出的力學響應峰值見表2。由表2可知，由于鐵路鋼橋有鋼軌、軌枕、道砟等的力擴散，柔性保護層的力學響應峰值比起公路鋼橋橋面的對應值［2］要小很多。

表2 鐵路鋼橋橋面柔性保護體系力學響應峰值

為驗證環氧瀝青柔性保護層體系是否能夠勝任鐵路鋼橋橋面的工作狀態，下文通過柔性保護層材料與復合結構試驗研究，與力學響應結果進行對比。

3 柔性保護層材料研究

在研究環氧瀝青柔性保護層材料性能時，僅考慮柔性材料試驗方法及評價指標不再合適?；阼F路鋼橋的受力變形特征，結合鐵路鋼橋面通常采用剛性保護層的現狀，本文綜合運用《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》（JTJ052－2000）與《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTJE30－2005）、《客運專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術條件（修訂版）（科技基函［2007］6號）》［7］，對環氧瀝青柔性保護層材料性能進行評價。

3.1 強度及抗凍性能

試驗選取國產環氧瀝青、玄武巖集料與石灰巖填料，采用馬歇爾試驗方法確定環氧瀝青混凝土最佳油石比為6.7%，對其進行劈拉、抗彎以及抗壓強度試驗，并與常用鐵路鋼橋剛性保護層材料進行性能對比［8－9］，見表3。

表3 柔性與剛性保護層強度性能試驗結果（15℃）MPa

由表3可見，環氧瀝青混凝土的劈拉強度大于C40混凝土28d劈拉強度，略小于纖維混凝土；抗彎強度為2種剛性保護層材料的1.5倍以上；剛性材料本身抗壓性能優異，熱固性環氧瀝青混合料性能介于剛性與柔性之間，其常溫下的抗壓性能雖略低于C40和纖維混凝土，但與兩者28 d的強度值相比僅相差7MPa左右。3種材料均滿足暫行技術條件規定的剛性保護層的強度性能技術指標，同時劈拉、抗彎強度滿足力學計算分析結果最大橫向拉應力0.321 2MPa的要求，抗壓強度滿足最大壓應力0.23MPa的要求。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTJE30－2005）中的“水泥混凝土快凍法”，研究環氧瀝青混凝土抵抗水與低溫共同作用的能力，抗凍融循環試驗結果見表4。

表4 抗凍融循環試驗結果

由表4可見，環氧瀝青混凝土的抗凍融能力略差于C40水泥混凝土，但規范規定質量損失率達5%時的凍融循環次數為試件的最大抗凍循環次數，暫行技術條件規定鐵路鋼橋剛性保護層材料抗凍融循環須大于300次；環氧瀝青混凝土抗凍融循環達300次時其質量損失率僅為1%，遠沒有達到材料本身的最大抗凍融能力，因此完全滿足技術要求。

3.2 抗氯離子滲透與防水性能

按照《客運專線高性能混凝土暫行技術條件（科技基函［2005］101號）》［10］中的“混凝土的電通量快速測定方法”進行抗氯離子滲透試驗。先將試件在真空加壓桶中6h，然后在注入3%NaCl＋0.3mol／L NaOH的溶液中進行24h真空飽水，接著取出試件裝入塑料試驗槽內，試驗槽的兩側分別裝入配制好的NaCl溶液和NaOH溶液，通電6h后，測量通過試件的電量值，見圖4，試驗結果見表5。

圖4 環氧瀝青混凝土抗氯離子滲透試驗

表5 環氧瀝青混凝土抗氯離子滲透試驗結果

由表5可見，環氧瀝青混凝土通電6h后平均電量為205C，僅為暫行技術條件規定的最大值（1 000C）的20%左右。因此，環氧瀝青混凝土具有優良的抗氯離子侵蝕能力。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》的“水泥混凝土抗滲性試驗方法”，研究環氧瀝青混凝土的防水性能。密封處理試件表面后，水壓從0.1MPa開始，每隔8h增加水壓0.1MPa，一直加至6個試件中有3個表面發現滲水，記下此時水壓力，試驗結果見表6。

表6 抗滲性試驗結果

由表6可見，普通混凝土抗滲性能不能滿足技術要求，纖維混凝土和環氧瀝青混凝土的抗滲等級為普通混凝土的2～3倍，且均滿足暫行技術條件規定要求，具有優良的防水性能。

3.3 抗磨耗性能

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中的“水泥混凝土耐磨性試驗方法”，試件在200 N的負荷下磨30r，刷凈表面粉塵稱重m1，作為試件初始質量；同樣負荷下磨至60r，刷凈表面粉塵稱剩余質量m2；接著繼續磨至500r，刷凈表面粉塵稱剩余質量m3，以單位面積的磨損量來表示，試驗過程見圖5，試驗結果見表7。

圖5 環氧瀝青混合料質磨耗損失量試驗

表7 環氧瀝青混合料與水泥混凝土耐磨性能對比

試驗過程中，聚丙烯纖維混凝土在磨耗近400r后，儀器的刀片因混凝土表面磨損較嚴重而無法繼續操作。《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中規定水泥混凝土耐磨性試驗評價指標采用60r條件下的質磨耗損失量，環氧瀝青混凝土在60r條件下的質磨耗損失量僅為聚丙烯纖維混凝土的50%左右，同樣優于普通混凝土。因此，環氧瀝青混凝土表面抵抗磨損的能力優于普通水泥混凝土以及摻加聚丙烯纖維網的高性能混凝土，能夠滿足鐵路鋼橋保護層的耐磨要求。

4 柔性防護體系復合結構試驗研究

通過柔性防護體系多層復合結構的剪切與拉拔試驗，檢驗在列車荷載作用下，“鋼板＋環氧富鋅漆＋環氧瀝青粘結層＋3cm環氧瀝青混凝土＋環氧瀝青粘結層＋3cm環氧瀝青混凝土”防水保護層的各層層間抗剪切與粘結性能。

4.1 復合結構剪切試驗研究

根據鋼橋正交異性鋼橋面板的使用環境與條件，列車在行駛過程中，減速或者剎車時對防水層施加的剪切力在高溫條件下最為不利，選取常溫20℃和高溫60℃2種條件。試驗時，試件受剪面剪切強度τ＝（P×sinα）／S。式中：P為作用荷載，N，S為試件受剪截面積，cm2。

由力學分析過程可知，列車制動力或牽引力應按列車豎向靜活載的10%計算，因此α角須小于84°，根據已有經驗及試驗條件，本文試件受力面與加載方向夾角取α＝60°，加載速率為50 mm／min，試驗過程見圖6，試驗結果見表8。

圖6 復合結構剪切試驗示意圖

圖7 復合結構拉拔試驗示意圖

表8 柔性防護體系復合結構剪切試驗結果

由表8可見，60℃條件下復合結構各層層間抗剪性能僅為常溫條件下的30%左右，因此高溫時可能導致保護層產生剪切破壞。鋼板與保護層之間抗剪性能略優于保護層層間，同時復合體系的整體抗剪切性能完全滿足理論分析結果0.302 3MPa的要求。

4.2 復合結構拉拔試驗研究

試驗溫度選取常溫20℃和高溫60℃2種條件，以100～200N／s的速度對拉桿加載，直至試樣破壞，試驗過程見圖7，試驗結果見表9。

表9 柔性防護體系復合結構拉拔試驗結果

由表9可見，60℃條件下復合結構各層層間粘結能力是常溫條件下的65%左右，高溫時復合體系仍具有較好的粘結性能。鋼板與保護層之間粘結強度與保護層層間相比相差不大，說明復合體系的整體粘結性能較好。鋼板與保護層之間的粘結強度完全滿足暫行技術條件規定的保護層與防水層粘結強度大于0.5MPa的要求。

5 結語

本文在對典型鐵路鋼橋面系結構受力特點分析的基礎上，通過環氧瀝青混凝土以及柔性防護體系復合結構室內試驗，表明環氧瀝青柔性保護層材料在強度、抗凍性能上與剛性保護層材料相差無幾，在防水性、抗侵蝕性、抗磨耗性能方面優于剛性材料。同時，柔性保護層性能均滿足力學分析控制指標值和《客運專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術條件》中相應技術要求。

提出的“鋼板＋環氧富鋅漆＋環氧瀝青粘結層＋3cm環氧瀝青混凝土＋環氧瀝青粘結層＋3 cm環氧瀝青混凝土”的柔性防水保護體系具有優良的層間抗剪性能，以及與鋼板間良好的粘結性能。環氧瀝青混凝土柔性保護層總厚度僅為60 mm，與剛性保護層相比減輕了橋面自重，可以作為一種新型的高性能柔性防水保護體系應用于跨徑長大的鐵路鋼橋。

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