徐 輝,高靜青
(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
防水保護(hù)層是鐵路鋼橋的重要組成部分,其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到鋼橋結(jié)構(gòu)的耐久性。在使用過程中保護(hù)層長期承受疲勞荷載作用,往往會出現(xiàn)不同程度的開裂、破碎等破環(huán)現(xiàn)象。保護(hù)層一旦破壞,便會造成防水層的破壞,進(jìn)而直接影響鋼橋的使用耐久性,因此要求鐵路橋梁保護(hù)層能在長期疲勞荷載作用下不破碎、不崩潰,從而能夠有效地保護(hù)鋼橋結(jié)構(gòu)。鋼橋面板防水保護(hù)層在我國還是一個未能很好解決的難題,至今尚無完善的設(shè)計,也未有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)能達(dá)到各行業(yè)一致認(rèn)可的效果,均處于研究、設(shè)計、實測再改進(jìn)的過程中。
我國鐵路線上鋼橋面板道砟槽防水保護(hù)層有以下4種。
(1)環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧瀝青膠液+玻璃布+水泥砂漿作為保護(hù)層(1992年,淮南復(fù)線柘皋橋上使用[1]),不直接受紫外線的破壞,對鋼板的保護(hù)年限設(shè)計將超過30年。實際運營有20余年,但因各種原因未能在鐵路上推廣使用。
(2)混凝土道砟槽板+防水層+保護(hù)層(京滬高鐵大勝關(guān)長江大橋[2]),見圖1?;炷恋理牟墼阼F路橋梁橋面防護(hù)中應(yīng)用比較普遍,但由于混凝土抗拉能力較差,在荷載、混凝土收縮、溫度荷載的作用下,混凝土道砟槽板承受較大的拉應(yīng)力,即使配有鋼筋仍難保證道砟槽不開裂。一旦道砟槽底板混凝土開裂,將導(dǎo)致混凝土與鋼板間的防水層破壞,進(jìn)而影響鋼結(jié)構(gòu)的耐久性。由于道砟槽底板屬于隱蔽構(gòu)造,其上鋪設(shè)道砟后,道砟槽底板的開裂在日常巡查中很難被發(fā)現(xiàn),即使發(fā)現(xiàn),在行車條件下對道砟槽及防水層進(jìn)行維修也相當(dāng)困難;另一方面,由于采用較厚的混凝土鋪裝結(jié)構(gòu),恒載增加必然加大了橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力,增大工程造價。
圖1 南京大勝關(guān)橋橋面鋪裝示意
(3)聚脲彈性體防水層+聚丙烯腈纖維高性能混凝土保護(hù)層(福廈線木蘭溪及丘后特大橋[3])。實驗室試驗表明:其防護(hù)體系具有良好的防腐、防水效果[4],現(xiàn)已投入運營。但由于該防護(hù)體系面層仍采用混凝土作為其上端防護(hù)層,其必然存在復(fù)雜應(yīng)力作用下混凝土開裂、松散,以致聚脲彈性體脫落等潛在的隱患。
(4)環(huán)氧瀝青柔性防水層(東新贛江橋[5]),見圖2。柔性保護(hù)層除了具備混凝土保護(hù)層的優(yōu)點外,還具有抗變形能力強、追從鋼板變形而協(xié)同變形能力強、與防水層連接緊密的特點,能夠有效分散荷載、保護(hù)防水保護(hù)層免受機械破壞,從而能夠有效地保護(hù)鋼橋結(jié)構(gòu),降低維修次數(shù),延長鐵路橋梁整體使用壽命,對出現(xiàn)的細(xì)微病害可采取灌封、挖補等工藝進(jìn)行修補。但是由于環(huán)氧瀝青混凝土拌和需要特殊設(shè)備和施工工藝,故在較小規(guī)模橋梁和橋面較窄的雙線鐵路橋上使用,會導(dǎo)致施工難度加大、單位成本提高等問題。
圖2 東新贛江橋橋面鋪裝示意
從目前國內(nèi)外已實施的鋼橋面防水保護(hù)層設(shè)計分析,環(huán)氧瀝青混凝土柔性保護(hù)層的保護(hù)和防水效果最佳,但其高昂的造價和要求嚴(yán)格的施工工藝限制了其在國內(nèi)的推廣應(yīng)用,且其施工要求橋面有足夠的寬度保障施工機械作業(yè),環(huán)氧瀝青混凝土攤鋪時間限制在數(shù)小時內(nèi)。對于鐵路雙線橋(單線橋) ,橋面寬度小于12.2 m(8.2 m),不適合環(huán)氧瀝青混凝土運輸和攤鋪機械快速作業(yè),因此,結(jié)合本國國情,研發(fā)易施工和保護(hù)效果兼具的新型橋面鋪裝防水保護(hù)層顯得尤為重要。
因此,設(shè)計研發(fā)人員提出全新的采用有復(fù)合防腐層的鋼橋面板防水保護(hù)體系,即采用細(xì)石聚酯纖維混凝土[6]+噴涂型聚氨酯防腐層+補償銹蝕鋼板(噴涂特制環(huán)氧富鋅底漆)+灌注式高分子化學(xué)樹脂粘結(jié)層[8],該防水保護(hù)層兼具施工易操作、質(zhì)量可保證、質(zhì)量輕、防腐和耐磨時效長的特點,且造價相對經(jīng)濟(jì)。其分層及功能如表1所示。
表1 復(fù)合橋面防腐分層及功能介紹
細(xì)石混凝土具有較好的防磨性能,介于道砟與聚氨酯防水層之間,有效隔絕了道砟對聚氨酯防水層的磨蝕,但混凝土易開裂。因此,在混凝土中摻和聚酯纖維網(wǎng),結(jié)合鋼筋網(wǎng)的鋪設(shè),增加了混凝土的延展性,防止混凝土開裂,細(xì)石混凝土防磨層厚度不小于6 cm,必要的厚度確保混凝土成為整體板式結(jié)構(gòu),且粗骨料直徑不宜過大。
綜合比較目前使用的各項性能指標(biāo)較為優(yōu)異的防水材料,直接用于做防水層的聚氨酯拉伸強度大于6.0 MPa,在高溫、酸、堿等環(huán)境下不易斷裂,-35 ℃以下低溫彎折無裂紋[7],具有優(yōu)異的防水性和粘結(jié)性,選定聚氨酯作為防水層,但其要求對被粘接的材料基層表面進(jìn)行處理。相對于混凝土基層,環(huán)氧富鋅漆噴涂后的鋼板與聚氨酯的粘接有更好保障,聚氨酯因操作不當(dāng)而脫落的概率大為降低,因此作為防水層的第一層在本次研究中得到采用,聚氨酯和補償銹蝕鋼板的復(fù)合防水層確保了整體鋼橋面板的耐久性和使用年限。
一定厚度的補償腐蝕鋼板通過高分子材料與整體鋼橋面板粘結(jié)成整體,在長時間自身受腐蝕的情況下,確保腐蝕不延展至主受力鋼板,也作為橋面板的第二層防水層,同時能與整體鋼橋面板共同參與受力,提高整體橋面板抗力和耐久性。
(1) 粘貼層材料選用
補償腐蝕鋼板采用耐腐蝕的合金鋼[8]較為適宜,根據(jù)受力計算鋼橋面板采用合適鋼種[9],粘貼層采用高分子化學(xué)樹脂材料。為保證防腐效果和質(zhì)量,參照成熟技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計,應(yīng)確保鋼板粘貼牢固,無間隙及空洞,粘接材料性能指標(biāo)見表2。
表2 高分子化學(xué)樹脂材料性能指標(biāo)[10]
(2)粘貼設(shè)計研究
為保障兩層鋼板之間形成高分子材料灌注封閉空間,在鋼板與鋼板之間采用聚氨酯彈性體支撐帶,以達(dá)到化學(xué)樹脂灌注層所需高度,樹脂材料采用真空壓力灌注的方式進(jìn)行[11],見圖3。
圖3 化學(xué)樹脂灌注空間示意(單位:mm)
采用真空壓力灌注高分子化學(xué)樹脂材料,保障了材料灌注飽滿、較少出現(xiàn)空洞現(xiàn)象,極少量出現(xiàn)的空洞可經(jīng)修補達(dá)到合格。為達(dá)到真空壓力灌注的效果,在封閉空間上需做進(jìn)一步處理。在上層鋼板一側(cè)設(shè)置注膠孔,另一端設(shè)置排氣孔,在鋼板加工時預(yù)留螺孔,注膠/抽氣孔間距按試驗后得到的樹脂流動范圍合理設(shè)定,在設(shè)置好的孔上安裝注膠/抽氣連接嘴,與注膠泵和真空泵進(jìn)行連接,連接嘴接口采用快裝和單向閥構(gòu)造,滿足快速施工要求。采用上述工藝,單個封閉空間注膠完成時間控制在1 h以內(nèi)。注膠設(shè)備布置見圖4。
圖4 注膠設(shè)備連接示意
試驗結(jié)果表明,采用上述工藝達(dá)到了大塊鋼板之間注膠密實、粘接質(zhì)量優(yōu)良、粘接過程耗時短、易操作的目的,粘接質(zhì)量滿足規(guī)范、規(guī)程要求。
(3)粘貼施工工藝研究
為確保被粘接的兩層鋼板之間的平整度,下層整體鋼橋面的縱橫向焊縫余高需進(jìn)行打磨,焊縫應(yīng)勻順,補充銹蝕鋼板與橋面鋼板平行無翹曲,打磨后焊縫略高于橋面板,隨后對補充銹蝕鋼板與粘貼層的接觸面和橋面鋼板進(jìn)行噴砂除銹處理,噴砂介質(zhì)采用鐵砂,金屬面處理后表面清潔度達(dá)到Sa2.5級和表面粗糙度值為20 μm以上,滿足真空灌注高分子粘接材料所要求的清潔度。橋面噴砂設(shè)備有多種選擇,經(jīng)試驗比較,采用移動式自回收噴砂設(shè)備,在清潔度、清潔效率上能確?,F(xiàn)場噴砂施工過程不對現(xiàn)場造成二次污染。
對鋼板進(jìn)行上述表面處理并檢驗合格后,對處理干凈的表面立即進(jìn)行保護(hù),防止再次銹蝕或污染,立即開展聚氨酯彈性體支撐帶的施作,按照被粘接鋼板的分塊大小,按間距60~80 cm布置支撐帶,支撐帶彈性體尺寸為2 mm×40 mm×40 mm。支撐帶彈性體通過專用粘合劑與鋼板進(jìn)行粘結(jié),過程中利用磁力底座作為反力架對粘結(jié)面進(jìn)行加壓,以保證粘結(jié)彈性體粘接牢固不滑移。
上層鋼板運至施工現(xiàn)場前,在工廠對其進(jìn)行預(yù)加工,預(yù)制工藝包括:整平、放樣、剪裁/切割、刨邊、鉆孔/攻絲、噴砂除銹等,運至現(xiàn)場后再次噴砂除銹,保障粘接前的清潔度。
真空壓力灌注高分子粘接材料,是一種冷粘結(jié)的拼接方式,實現(xiàn)全橋面的整體補償銹蝕鋼板安裝到位,滿足了防護(hù)層對橋面鋼板的協(xié)同變形追從性和溫度變形要求,不再有焊接環(huán)節(jié),避免了焊接產(chǎn)生的鋼板內(nèi)永久二次應(yīng)力的產(chǎn)生。
環(huán)氧富鋅底漆噴涂前,被防護(hù)的鋼板基面清潔度要求達(dá)到Sa3.0的除銹等級,可采用前述的鐵砂除銹工藝。環(huán)氧富鋅底漆噴涂厚度由材料性能及特點決定,干膜厚度不宜過大,厚度在80 μm左右[12]能確保防護(hù)時長滿足30年,底漆分兩層噴涂,每層40 μm。噴涂過程中,工作條件達(dá)到相對環(huán)境濕度小于85%、鋼材表面溫度大于露點溫度3 ℃以上時,能更好保障底漆的附著力。
(1)采用雙組分自干環(huán)氧富鋅底漆,噴涂前,對組分A(中分子環(huán)氧樹脂、特種樹脂、鋅粉、助劑和溶劑)進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁股舷聦悠崃暇鶆蛞恢?,無任何沉積物或結(jié)塊存在。將組分A與組分B(胺固化劑)按包裝桶上注明的配比進(jìn)行配置,準(zhǔn)確稱量,組分B倒入組分A的操作過程中邊倒入邊攪拌,倒入完成后,再將兩組分充分?jǐn)嚢柚辆鶆颉嚢柰瓿珊笥脤S孟♂寗⑵崃舷♂屩凉ぷ黟ざ?,便于噴涂均勻及噴涂過程中不堵塞噴槍,要求的刷涂黏度為20~25 s、噴涂黏度為18~22 s[13]。
(2)由于富鋅涂料中鋅粉含量高、沉淀速率快、易結(jié)塊、容易堵塞噴涂系統(tǒng)、損壞無氣噴涂機中高壓泵等壓送設(shè)備,因此,噴涂富鋅底漆選用專用擋無氣噴涂機較為適宜。
(3)噴涂過程中,按照試驗確定值調(diào)整壓縮空氣收縮壓至0.4~0.6 MPa和合理區(qū)間,高壓泵壓力標(biāo)定為11~15 MPa,噴槍移動速度保持在60~100 cm/s,每層涂層的搭接邊為涂層幅寬的1/6~1/5??偤?0 μm的底漆分為兩層噴涂,在經(jīng)過表面噴砂處理的鋼板表面涂第一層環(huán)氧富鋅底漆,干燥4~12 h后測試干膜厚度,確保不小于40 μm。檢驗合格后用無氣噴涂的方法進(jìn)行第二次噴涂,干燥4~12 h后再次測試干膜厚度,同樣不小于40 μm。
參照國內(nèi)外已完工工程,直接用于防水層的聚氨酯防水涂料總涂膜厚度定為2.0 mm[14],采用人工刮涂的方式進(jìn)行。刮涂前的準(zhǔn)備工作:涂料的主劑(甲組分)、固化劑(乙組分)按配合比2∶1進(jìn)行配制,每種組分的稱量誤差不應(yīng)大于±2%,按照先主劑、后固化劑的順序?qū)⒁后w倒入容器,采用機械攪拌,確保主劑和固化劑混合均勻,攪拌器的轉(zhuǎn)速控制在200~300 r/min、攪拌時長為3~5 min。刮涂分2次進(jìn)行,使用平板在基面上刮涂第一層,涂膜厚度0.2 mm左右,達(dá)到一定干燥程度后,根據(jù)材料特性,在1~2 h內(nèi)使用金屬鋸齒板進(jìn)行第二次刮涂。依據(jù)固化劑的性能要求,配制好的涂料必須在20 min內(nèi)涂刷完成,否則超過固化劑的凝固時間,造成施工質(zhì)量問題,且施工環(huán)境溫度不低于5 ℃。
聚氨酯防水涂料完全干硬后,在鋼板上開始人工綁扎鋼筋網(wǎng)片,鋼筋網(wǎng)片間距100 mm×100 mm,直徑7 mm。鋼筋網(wǎng)片綁扎完成經(jīng)檢查符合要求進(jìn)行橋面混凝土澆筑?;炷撩鏉仓瓿尚杓皶r采取必要的保水養(yǎng)護(hù)措施,測試環(huán)境相對濕度,相對濕度小于60%時,自然養(yǎng)護(hù)大于28 d方能保證混凝土強度達(dá)標(biāo);相對濕度在60%以上時,自然養(yǎng)護(hù)不少于14 d。
(1)質(zhì)量檢查
注膠環(huán)節(jié)的質(zhì)量缺陷主要表現(xiàn)為粘接膠在注入過程中形成空洞,壓力灌注結(jié)束時即刻展開檢查工作,采用敲擊檢測法和超聲波檢測法兩種方法進(jìn)行聯(lián)合檢測。 將粘貼的鋼板分區(qū),逐區(qū)測定空鼓面積(即無效粘貼面積),敲擊范圍應(yīng)遍布整塊鋼板。在敲擊過程中疑有空洞時,采用超聲波對疑似空洞處進(jìn)行第二次檢測,標(biāo)定空洞的有無以及存在的空洞區(qū)域面積。
經(jīng)敲擊檢測法和超聲波檢測法聯(lián)合檢測后,檢測有效粘貼面積大于總粘貼面積的95%[15]時,注膠判定為合格。
(2)質(zhì)量缺陷的處理
經(jīng)聯(lián)合檢測后,檢定的空洞面積大于總面積的5%時,注膠過程判定為不合格,需進(jìn)行二次處理至合格。若單個空鼓面積不大于104mm2,采用鉆孔注射法補充注膠進(jìn)行修復(fù),注射方法類同于圖4的處理方法;若單個空鼓面積大于104mm2,在樹脂未凝固前,揭開粘貼鋼板,處理干凈后,重新進(jìn)行壓力注膠至檢測合格。
質(zhì)量檢驗含工序間檢驗和最終檢驗兩個環(huán)節(jié)。工序檢驗包括表面處理是否達(dá)到要求,漆層的厚度與完整性。表面應(yīng)完整、均勻、無漏涂現(xiàn)象。最終檢驗包括涂層連續(xù)、均勻、平整、無顆粒、無流掛或其他缺陷,顏色均勻一致,厚度達(dá)到要求。漆膜厚度理論允許偏差為±5 μm,涂層厚度、外觀、附著力達(dá)到表3的標(biāo)準(zhǔn)即為合格。
聚氨酯防水層施工質(zhì)量檢驗按檢測面積要求和檢測項目兩項展開。
檢測面積要求按涂層面積每100 m2抽查1處,每處面積為10 m2且位置不少于3處。
檢測項目分為主控項目和一般項目。主控項目要求:涂料防水層所用材料及配合比符合《鐵路混凝土橋面防水層技術(shù)條件》要求,材料進(jìn)場后檢查出廠合格證、質(zhì)量檢驗報告,制定計量措施和現(xiàn)場抽樣試驗報告。涂料防水層及其轉(zhuǎn)角處、變形縫、泄水管道等細(xì)部需全封閉,封閉完成后用人工觀察法檢查并填寫隱蔽工程檢查驗收記錄。一般項目的要求:涂料防水層的基層應(yīng)牢固,基面應(yīng)潔凈、平整,不得有空鼓、松動、起砂和脫皮現(xiàn)象;基層陰陽角處做成圓弧形。檢驗方法同主控項目,涂料防水層與基層粘結(jié)牢固,干膜表面平整、涂刷均勻、無涂料流淌印跡、無皺折、不鼓泡、不露胎體和無翹邊。利用針測法和取樣法的綜合檢測進(jìn)行干膜厚度測量,涂料防水層的平均厚度達(dá)到要求的2 mm,取樣尺寸為20 mm×20 mm,樣本用卡尺測量干膜厚度。
不合格者進(jìn)行割除后二次刮涂。
表3 涂層質(zhì)量、外觀、附著力測定方法
圖5 山西中南部鐵路通道列車活載圖式(單位:cm)
山西中南部鐵路通道為國內(nèi)第一條真正意義上的重載鐵路,建設(shè)年度為2008年至2014年,設(shè)計運營速度120 km/h, 年設(shè)計運量2億t,列車活載采用ZH活載,系數(shù)Z=1.2[17],見圖5。本研究成果成功運用于將軍渡黃河特大橋主橋整體橋面板的防護(hù)工程上。
將軍渡黃河特大橋主橋為1-100 m+10-128 m下承式簡支鋼桁梁,橋面寬12.2 m,主橋長1 391 m,南北引橋各長約7 km與3 km,橋面無環(huán)氧瀝青混凝土拌和站位置,長距離運輸,無法保障環(huán)氧瀝青混凝土拌和及攤鋪,采用了新型復(fù)合橋面鋪裝設(shè)計,見圖6。其施工工藝流程見圖7。
圖6 將軍渡黃河特大橋鋼桁梁橋面鋪裝
圖7 施工工藝流程
考慮防護(hù)層的追從性和溫度變形要求,防腐鋼板僅考慮耐久性防護(hù)作用,防腐鋼板的拼接采用彈性體支撐、高分子材料冷粘結(jié)的拼接方式,施作過程無焊接程序。鋼板縱向按照橋梁下橫梁的節(jié)間距離及鋼材出廠尺寸合理進(jìn)行了分區(qū),粘貼鋼板尺寸定為1.6 m×4.25 m,考慮到橋梁雙向橫坡的設(shè)置,鋼板在橫橋向在橋面中軸線處設(shè)置了1道彈性搭接縫。
為保證高分子化學(xué)樹脂材料灌注飽滿,避免出現(xiàn)脫空現(xiàn)象,現(xiàn)場采用了前述真空壓力灌注方式,注入 /抽氣嘴與鋼板預(yù)留孔采用螺口連接,注入 /抽氣嘴間距設(shè)置為40 cm左右為宜??焖俳宇^的運用滿足了快速施工要求。注入 /抽氣嘴位置布置處于彈性體支撐帶所形成的隔艙的邊緣部位,在真空吸力作用下保障了鋼板全域樹脂材料灌注飽滿。
在上層防腐鋼板安裝前,于聚氨酯彈性體支撐帶上表面涂刷專用粘合劑,在專用粘合劑固化前,完成上鋼板的安裝就位。
壓力灌注準(zhǔn)備工作完成、材料固化后,采用真空灌注工藝對中間粘結(jié)層進(jìn)行壓力灌注。灌注過程中按試驗結(jié)果得出的預(yù)設(shè)灌注持壓時間和壓力進(jìn)行。灌注完成后對成品進(jìn)行養(yǎng)護(hù),避免因強烈的振動和擾動影響粘接質(zhì)量。
養(yǎng)護(hù)48 h后,對注入/抽氣嘴進(jìn)行冷切割處理,并對其表面進(jìn)行填平修復(fù)處理。
鋼板粘貼樹脂在1.6 m×4.25 m的獨立空間內(nèi)操作,順接至鋼桁梁主橋全長范圍。防腐鋼板分塊后,粘接操作時間可控,橋面鋪裝施工嚴(yán)格執(zhí)行了上述標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)質(zhì)量檢驗和驗收[18],判定合格。該橋已開通運營達(dá)4.5年,目前橋面鋪裝層完好無病害,需在更長時間范圍內(nèi)判定其防腐蝕和耐磨性保護(hù)效果。
本復(fù)合防腐層方案是一新型的鋼橋面防護(hù)方案,該方案較好地控制了橋梁附屬結(jié)構(gòu)恒載的增加,通過多層防護(hù),長期有效地解決鋼橋面防腐問題。
通過剛?cè)峤Y(jié)合的多層防護(hù)方式,避免了單一剛性或柔性防護(hù)材料可能出現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)境作用下防護(hù)失效的風(fēng)險。
在橋梁承受活荷載情況下,復(fù)合防腐層可以有效降低正交異性橋面板鋼面板的應(yīng)力峰值,降低鋼面板疲勞損傷的風(fēng)險。
本方案對施工設(shè)備要求較低、操作簡單、質(zhì)量可控、工程造價適中,為鐵路鋼橋提供了一種新型橋面防水保護(hù)層。2017年6月,《一種鋼橋面板橋面鋪裝結(jié)構(gòu)及其鋪裝方法》獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)(專利號:ZL201410145596.4)[19]。在對將軍渡黃河橋運營的后期檢測基礎(chǔ)上,向其他類似橋梁推廣運用。
在此項目中,復(fù)合防護(hù)層僅起到復(fù)合防腐保護(hù)作用。今后類似橋梁項目中,可通過進(jìn)一步研究定量探討復(fù)合防腐層具備的集中應(yīng)力分散功能效果,以提高復(fù)合防腐層的應(yīng)用范圍和價值。