水利工程橡膠止水現(xiàn)場硫化熱粘接接頭強度對比分析

龍志勇，宋慈勇，柯敏勇

（1.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京，210029；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津，300222）

0 引言

橡膠止水帶就是利用橡膠材料在受力時產(chǎn)生高彈形變而設置在混凝土變形縫處來阻止水的流動和擴散而制成的扁帶狀橡膠止水結構，它必須在應用范圍內(nèi)連續(xù)不斷或交圈閉合，在澆筑混凝土時被預埋在變形縫內(nèi)與混凝土連成一體[1]。

目前水利工程橡膠止水施工，因止水材料本身尺寸的限制，多數(shù)情況下現(xiàn)場需要采用硫化熱粘接[2]進行施工，因此橡膠止水接頭[3]是止水結構最薄弱的部位，接頭質量的好壞直接影響到了工程后期的止水效果。橡膠止水接頭質量，主要以接頭抗拉強度與母材抗拉強度的比值來衡量[4]。按照《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》GB/T528-2009/ISO37：2005，接頭按無幫條工況進行檢測（詳見圖1），但現(xiàn)場實際施工時多數(shù)情況增加了上下面幫條[5]措施（詳見圖2）。因此有必要開展增加幫條工況下抗拉強度試驗，進行對比分析。

圖1 無幫條工況連接示意圖

圖2 有幫條工況連接示意圖

1 工程實例

渦河蒙城樞紐[6]建設工程是渦河上一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運于一體的Ⅲ等大（2）型水利樞紐工程，其主要建筑物包括船閘和節(jié)制閘兩部分。節(jié)制閘為大（2）型水閘，開敞式結構，共8聯(lián)16孔，單孔凈寬10m，總過流寬度160m；船閘為Ⅳ級，船型按500t級兼顧1 000t級設計，閘室有效尺寸為240m×23m×4.20m。上閘首與1#閘室、閘室與閘室分縫、下閘首與12#閘室底板、墩墻設置雙道止水（銅片止水+橡膠止水帶），閘室12個結構段輸水廊道之間設置雙道環(huán)形橡膠止水帶，船閘上、下閘首與上、下游聯(lián)結段分縫設置單道橡膠止水帶，上、下游導航墻各結構段分別設置單道橡膠垂直止水帶，上游鋪蓋及下游護坦設置單道橡膠水平止水。節(jié)制閘閘室底板、左右岸墻、上游鋪蓋、下游消力池、上下游翼墻之間設置雙道水平止水（銅片止水+橡膠止水帶）。閘墩縫墩設置了雙道橡膠垂直止水帶，上下游翼墻墻身各結構段迎水面和背水面分別設置雙道橡膠止水帶，左右岸墻墻體和邊墩多處設置雙道橡膠止水帶。

橡膠止水材料的母材料質量和接頭質量直接影響樞紐工程止水效果。由于橡膠止水帶本身尺寸的限制，實際工程使用中需要連接。樞紐主體使用的橡膠止水帶規(guī)格為350mm-12mm-20mm（寬-厚-圓孔半徑）。根據(jù)設計要求，橡膠止水帶母材性能指標應滿足《高分子防水材料第2部分止水帶》（GB18173.2-2014）要求。橡膠止水帶現(xiàn)場連接的方法采用硫化熱粘接。為了增強接頭效果，本工程橡膠止水帶現(xiàn)場粘結工藝是在采用10mm生膠進行硫化熱粘結的基礎上，在橡膠止水帶的兩面還增加了150mm的幫條。

為了分析研究橡膠止水帶增加幫條的接頭效果，我們開展了橡膠止水帶接頭強度的室內(nèi)試驗，分別對無幫條、增加幫條兩組工況下的橡膠止水帶接頭強度進行試驗分析，對比分析兩組工況下的接頭效果，驗證增加幫條工況下橡膠止水帶接頭效果的可靠性。

2 試驗方法及工況

試驗采用SANS生產(chǎn)的萬能試驗機，如照片1所示，最大量程為5kN，配有多種類型的夾具及大變形測量系統(tǒng)，可以進行橡膠止水帶各個形狀試樣的拉伸試驗。

照片1 CMT6503型萬能試驗機

對無幫條和增加幫條兩組不同工況橡膠止水帶接頭強度開展試驗：

（1）無幫條工況，橡膠止水帶的母材及接頭取三種類型試樣：啞鈴狀試樣[7]、條狀試樣和片狀試樣（試驗材料見照片2）。條狀試樣取樣方向為寬度方向，片狀試樣取樣方向為厚度方向，試樣如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 啞鈴狀1型試樣示意圖

圖4 條狀試樣示意圖

圖5 片狀切口型試樣示意圖

圖6 片狀全斷面試樣示意圖

照片2 試驗材料

（2）增加幫條工況，橡膠止水帶的母材及接頭取片狀試樣，寬度分別取2mm和5mm，試樣如圖3。此外采取兩種夾持方式開展試驗，第一種是兩端夾具夾持在幫條部位，進行全斷面拉伸試驗；第二種是兩端夾具夾持在母材部位，真實反映幫條對橡膠止水帶接頭的增強效果。

為了真實反映橡膠止水帶硫化熱粘結接頭效果，接頭試樣和對比的母材試樣取自同一截面。啞鈴型試樣按照《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》（GB/T528-2009/ISO37：2005）進行試驗，條狀試樣和片狀試樣參照《土工合成材料測試規(guī)程》（SL 235-2012）進行試驗。

兩組工況的試驗項目匯總表如表1所示。

表1 各工況試樣數(shù)量、試樣形狀及試樣尺寸

3 試驗結果分析

3.1 無幫條工況橡膠止水帶拉伸試驗結果

啞鈴型試樣母材拉伸和接頭拉伸試驗結果見表2。

由表2可知，啞鈴型試樣橡膠止水帶的母材斷裂強度平均值為14.9MPa，斷裂伸長率平均值為487%，符合規(guī)范[8]≥380%的要求。啞鈴型試樣橡膠止水帶的接頭斷裂強度為8.4MPa，滿足不小于7.5MPa的要求值。我們定義接頭效率=接頭強度/母材強度，可計算得到啞鈴型試樣接頭效率，見表3。

表2 啞鈴型試樣母材及接頭拉伸試驗結果

表3 啞鈴型試樣接頭效率

條狀試樣（25mm×2mm）母材拉伸和接頭拉伸試驗結果見表4，計算的接頭效率見表5。

表4 條狀試樣（厚度2mm）母材及接頭拉伸試驗結果

表5 條狀試樣（厚度2mm）接頭效率

片狀試樣（寬度2mm）母材拉伸和接頭拉伸試驗結果見表6，計算的接頭效率見表7。

表6 片狀試樣（寬度2mm）母材及接頭拉伸試驗結果

表7 片狀試樣（寬度2mm）接頭效率

3.2 增加幫條工況橡膠止水帶拉伸試驗結果

片狀試樣（寬度2mm，兩端夾持幫條部位）母材拉伸和接頭拉伸試驗結果見表8，計算的接頭效率見表9。

表8 片狀試樣（寬度2mm）母材及接頭拉伸試驗結果

表9 片狀試樣（寬度2mm）接頭效率

片狀試樣（寬度5mm、兩端夾持幫條部位）母材拉伸和接頭拉伸試驗結果見表10，計算的接頭效率見表11。

表10 片狀試樣（寬度5mm）母材及接頭拉伸試驗結果

表11 片狀試樣（寬度5mm）接頭效率

片狀試樣（寬度2mm、兩端夾持母材部位）母材拉伸和接頭拉伸試驗結果見表12，計算的接頭效率見表13。

表12 片狀試樣（寬度2mm）母材拉伸試驗結果

表13 片狀試樣（寬度2mm）接頭效率

片狀試樣（寬度5mm、兩端夾持母材部位）母材拉伸和接頭拉伸試驗結果見表14，計算的接頭效率見表15。

表14 片狀試樣（寬度5mm）母材拉伸試驗結果

表15 片狀試樣（寬度5mm）接頭效率

3.3 試驗結果分析

根據(jù)7組試驗的橡膠止水接頭效率分析可知：

無幫條工況下3種試樣形狀的橡膠止水帶接頭效率，啞鈴型試樣為0.56，條狀試樣和片狀試樣均為0.54，試樣形狀對橡膠止水帶的接頭效率幾乎沒有影響。

對比分析增加幫條工況2種試樣形狀的橡膠止水帶接頭效率，在夾持幫條部位情況下，寬度2mm試樣的接頭效率為0.85，寬度5mm試樣接頭效率為0.80；在夾持母材部位情況下，寬度2mm試樣的接頭效率為0.62，寬度5mm試樣接頭效率為0.64。厚度對接頭效率的相關性不明顯。實際上，由于橡膠止水帶制樣過程中需要打磨，在制作成寬度2mm試樣時，試樣容易受到磨損，可能試樣會有一點的不均勻性，因此接縫效率可能存在的一定的偏差。

橡膠止水帶硫化熱粘結時在無幫條工況下接頭效率為0.54，在增加幫條后，全斷面拉伸強度提高至母材強度接頭效率的0.85，增強效果明顯，但分析實際橡膠止水帶在增加幫條時的增強效果，應采用母材斷面的試驗結果，也就是增加幫條工況，橡膠止水帶的接頭效率從0.54增加至0.62，增加了14.7%。

4 結語

以渦河蒙城水利樞紐橡膠止水施工為實例，通過現(xiàn)場硫化熱粘接接頭強度試驗對比分析，得到如下結論：

（1）橡膠止水帶的母材斷裂強度平均值為14.9MPa，斷裂伸長率平均值為487%，符合規(guī)范≥380%的要求。接頭強度為8.4MPa，符合規(guī)范第10.2.3條“必要時進行強度檢查，拉伸強度不應低于母材強度的75%”[9]的規(guī)定，即接頭拉伸強度應不小于7.5MPa。

（2）增加幫條后，幫條部位全斷面拉伸強度達到母材強度的0.80以上，增加幫條工況橡膠止水帶的接頭強度比無幫條工況的接頭強度增加了14.7%，增加幫條對橡膠止水帶接頭強度有明顯的增強作用。

（3）現(xiàn)場由于硫化熱粘結條件的限制，接頭效率實際難以達到0.6，在增加幫條后，接頭效率增加至0.62以上，滿足了規(guī)范中6.1.4規(guī)定：橡膠止水帶的接頭強度與母材強度之比應滿足不小于0.6的要求[10]。

建議在工程后續(xù)橡膠止水帶的粘結時，注重分析總結橡膠止水帶接頭粘接工藝，不斷提高橡膠止水帶接頭質量，保證橡膠止水帶的止水效果和工程安全運行。