羅陽明，王平波，李佳容

(1.廣西南玉鐵路有限公司，廣西 南寧 530025；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710061)

0 引言

在鐵路無砟軌道的各項技術(shù)中，結(jié)構(gòu)防水是其中的重要環(huán)節(jié)，而混凝土底座板伸縮縫防水更是重中之重[1]。不良的伸縮縫防水，會導(dǎo)致底座板內(nèi)部鋼筋的銹蝕，降低底座板承載能力，從而嚴(yán)重影響高鐵運營的安全性。因此，使用灌縫膠為接縫防水提供屏障，防止徑流水和雜物通過軌道上的縱向和橫向接縫流向板底，對軌道結(jié)構(gòu)防水具有重要作用。廣西地處低緯度，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)和熱帶季風(fēng)氣候，夏季日照時間長、氣溫高、降水多[2]。廣西高速鐵路無砟軌道夏季所處環(huán)境溫度較高，灌縫膠材料需要滿足抗高溫性能。因此，本文以廣西典型高溫多雨環(huán)境為背景，對高溫多雨環(huán)境下高鐵無砟軌道瀝青基灌縫膠的設(shè)計制備展開研究，并對其性能進(jìn)行測試和分析。

1 灌縫膠材料寬厚比設(shè)計

灌縫膠材料的寬厚比直接影響其耐久性，相關(guān)文獻(xiàn)表明寬厚比存在一個最優(yōu)設(shè)計[3-6]。選取寬厚比分別為2∶1、1∶1和1∶2的灌縫膠體系，建立不同寬厚比的灌縫膠體系有限元模型，該體系由灌縫膠材料和剛性混凝土組成。

無砟軌道灌縫膠受軌道不同作用力以及環(huán)境因素影響表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，為準(zhǔn)確反映灌縫膠材料在承受拉伸和壓縮載荷時的不同特性，選取單向拉伸和壓縮作用對灌縫膠力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，分別模擬拉伸和壓縮條件下灌縫膠受力分布結(jié)果。對混凝土的兩端沿寬度方向施加非零拉伸位移邊界條件模擬拉伸試驗；對混凝土的兩端沿寬度方向施加非零壓縮位移邊界條件模擬壓縮試驗。其中寬厚比為2∶1的灌縫膠體系模型計算結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 拉伸條件下灌縫膠應(yīng)力水平分布云圖

圖2 壓縮條件下灌縫膠應(yīng)力水平分布云圖

對不同寬厚比的灌縫膠材料進(jìn)行拉伸時，隨著寬厚比的減小，最大峰值應(yīng)力增加。相較于其他兩種尺寸，灌縫膠的寬厚比為2∶1時拉應(yīng)力最小，尺寸最優(yōu)。同時，對不同寬厚比的密封橡膠材料進(jìn)行壓縮時，隨著寬厚比的減小，最大峰值應(yīng)力增加，相較于其他兩種尺寸，灌縫膠的寬厚比為2∶1時拉應(yīng)力最小，尺寸最優(yōu)。

由圖1～2可以看出，無論灌縫膠承受的是拉伸力還是壓縮力，高應(yīng)力區(qū)域基本分布在角點處以及灌縫膠本體中間位置，灌縫膠邊角位置與混凝土粘結(jié)，屬于兩種不同材料的過渡區(qū)，受力時易產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時受拉伸或壓縮作用后，灌縫膠中間部位也是應(yīng)力集中之處。顯然，灌縫材料應(yīng)具有較高的位移能力以抵消材料中部產(chǎn)生的應(yīng)力集中，同時應(yīng)具有較低模量和較好的粘結(jié)性。

通過研究灌縫材料寬厚比的設(shè)計，認(rèn)為嵌縫材料的寬厚比可設(shè)計為2∶1，此寬厚比能夠使灌縫體系在力的作用下獲得最長效耐久的性能。

2 瀝青基灌縫膠的制備

結(jié)合以往研究以及高鐵無砟軌道灌縫材料性能技術(shù)要求[7-8]，采用SBS、橡膠粉改性劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，分別調(diào)整SBS和橡膠粉的摻配比例，通過試驗確定兩者最優(yōu)摻配比例，制備瀝青基灌縫膠。制備工藝流程如圖3所示。

圖3 制備工藝流程圖

3 瀝青基灌縫膠的性能測試

3.1 基本性能

參考相關(guān)規(guī)范[9-10]對自制瀝青基灌縫膠的錐入度、軟化點、彈性回復(fù)率以及23 ℃條件下的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率進(jìn)行了測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青基灌縫膠基本性能測試結(jié)果表

從表1可以看出，自制瀝青基灌縫膠軟化點達(dá)到90 ℃以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫性能。

3.2 高溫流變性能

無砟軌道灌縫膠在行車荷載的作用下受到列車動態(tài)加載作用，而動態(tài)剪切流變儀(DSR)通常用來評價瀝青材料的粘彈性質(zhì)[11]，如圖4所示。瀝青基灌縫膠的粘彈特性會隨著不同溫度和荷載作用的頻率變化而發(fā)生變化，采用DSR的溫度掃描和頻率掃描試驗來表征灌縫膠的動態(tài)粘彈性能。溫度掃描試驗中溫度變化范圍為40 ℃～82 ℃，頻率掃描試驗的頻率變化范圍為0.1～100 rad/s。試驗結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖4 動態(tài)剪切流變儀基本原理示意圖

圖5 灌縫膠復(fù)數(shù)模量和相位角隨溫度變化曲線圖

圖6 不同溫度下灌縫膠復(fù)數(shù)模量與頻率關(guān)系圖

由圖5可知，瀝青基灌縫膠的相位角隨著溫度的升高而增大，而復(fù)數(shù)模量隨著溫度的升高而減小。這表明溫度升高致使瀝青基灌縫膠由彈性向黏性轉(zhuǎn)變，即溫度愈高，瀝青表現(xiàn)出的黏性流體性質(zhì)愈明顯。

瀝青材料的力學(xué)性能很大程度上取決于溫度和加載頻率。根據(jù)粘彈性材料的時間-溫度等效原理，可以構(gòu)建主曲線來分析力學(xué)參數(shù)的變化，預(yù)測瀝青基灌縫材料在溫度和頻率域下的性能[12]。本文取一種橡膠瀝青密封材料和一種改性瀝青密封材料與自制瀝青基灌縫膠相比較，對這三類瀝青灌縫膠樣品進(jìn)行頻率掃描測試，其復(fù)數(shù)模量的主曲線對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 灌縫膠頻率掃描測試復(fù)數(shù)模量主曲線對比圖

由圖7可知，所有樣品的主曲線在整個縮減頻率范圍內(nèi)都顯示出不同的變化。總體而言，復(fù)數(shù)模量保持從低頻到高頻的上升趨勢。具體來說，在低頻范圍(高溫)內(nèi)，橡膠瀝青灌縫膠復(fù)數(shù)模量低于成品改性瀝青灌縫膠，而自制的瀝青基灌縫膠獲得了最高的復(fù)數(shù)模量，這意味著自制瀝青基灌縫膠表現(xiàn)出最好的抗車轍性能和彈性性能。相反，在較高頻率區(qū)域(低溫)，自制瀝青基灌縫膠的復(fù)數(shù)模量值最低，而其他兩種灌縫膠的復(fù)數(shù)模量高于自制瀝青基灌縫膠。就瀝青灌縫膠而言，高頻(低溫)區(qū)域的模量較高，低頻(高溫)區(qū)域的模量較低是較為理想的結(jié)果。結(jié)合試驗結(jié)果，自制的灌縫膠具有優(yōu)異的高溫性能，更適合高溫條件下的混凝土灌縫。

3.3 粘附性能

單位表面積上的能量隨著新界面的產(chǎn)生而變化，被定義為表面自由能(SFE)，而SFE一直被用作表征瀝青與集料之間粘附性能的指標(biāo)[13]。灌縫膠表面張力的測定是通過測量蒸餾水、丙三醇和甲酰胺這三種已知表面能的液體在瀝青表面的接觸角而后經(jīng)分析計算得出的[13]。這三種液體的表面能如表2所示。

表2 三種測試液體的表面能值一覽表(mJ·m-2)

四種測試材料在上述三種測試液體中的表面接觸角與測試液體表面能之間的關(guān)系如圖8所示，線性關(guān)系良好，表明測試結(jié)果可靠。

圖8 樣品的接觸角和測試液體表面能之間的線性關(guān)系圖

結(jié)合成品橡膠瀝青灌縫膠、改性瀝青灌縫膠、集料和自制瀝青基灌縫膠的接觸角測試結(jié)果(如表3所示)，說明瀝青類灌縫膠的接觸角高于集料，尤其是蒸餾水作為測試液體的情況下接觸角>90°。瀝青是一種非極性材料，非極性組分起主導(dǎo)作用，使瀝青表現(xiàn)出很強(qiáng)的疏水性，這也是測試液體潤濕能力較低的原因。然而，集料的親水性較瀝青高，導(dǎo)致測試液體更容易在其表面擴(kuò)散和分布，因此集料的接觸角小于瀝青灌縫膠樣品的接觸角。

表3 不同灌縫膠材料與三種測試液體表面接觸角測定結(jié)果表(°)

表4給出了三種瀝青灌縫膠和集料的極性分量、色散分量和總表面能的測試結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，被測灌縫膠的SFE為18～20 mJ/m2，且自制瀝青基灌縫膠的表面能最高。在SFE的兩個主要組成中，色散組分的比例遠(yuǎn)高于極性組分。這是因為瀝青的主要成分是非極性烴，極性成分相對較少。自制瀝青灌縫膠的極性成分高于其他兩種成品瀝青灌縫膠，這表明自制瀝青基灌縫膠表面表現(xiàn)出較高的極性，可能是由于改性劑的增加提高了灌縫膠中的極性成分。然而，集料的SFE明顯大于所有的瀝青灌縫膠，而且極性組分與分散組分的比例與灌縫膠的比例相反，這意味著集料表現(xiàn)出更高的極性，因此水更易于潤濕集料表面。

表4 樣品表面的SFE及其組分測試結(jié)果表(mJ·m-2)

由灌縫膠與集料界面的粘附功可知，自制瀝青基灌縫膠的粘附功更大，表明自制瀝青灌縫膠在混凝土嵌縫中可以獲得更好的粘結(jié)性能。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)底座板防水材料受力特性，灌縫膠的最優(yōu)寬厚比為2∶1；對灌縫膠體系施加拉伸和壓縮條件發(fā)現(xiàn)，灌縫膠和混凝土粘結(jié)的縫壁屬于兩種不同性能材料的過渡區(qū)，角點處分布應(yīng)力最高；同時，灌縫膠本體中間部位亦屬于應(yīng)力集中處。

(2)瀝青基灌縫膠的錐入度以及軟化點試驗表明其具有良好的抗高溫性能，彈性恢復(fù)率滿足規(guī)范要求，23 ℃時的拉伸強(qiáng)度較小，斷裂伸長率較大。

(3)相比于橡膠瀝青灌縫膠和成品改性瀝青灌縫膠，自制的瀝青基灌縫膠獲得了最高的復(fù)數(shù)模量，說明自制瀝青基灌縫膠表現(xiàn)出更好的抗車轍性能和彈性性能。

(4)由灌縫膠與集料界面的粘附功可知，自制瀝青基灌縫膠的粘附功更大，表明自制瀝青灌縫膠在混凝土嵌縫中可以獲得更好的粘結(jié)性能。