环氧沥青混凝土在铁路钢桥防水保护层中的应用

王江洋 王新明 钱振东

（1.苏州市公路管理处 苏州 215007； 2.东南大学智能运输系统研究中心 南京 210018）

防水保护层是铁路钢桥的重要组成部分，其质量的优劣直接影响钢桥结构的使用耐久性。保护层在使用过程中长期承受疲劳荷载作用往往会出现不同程度的裂缝、破碎等破环现象。刚性防水保护层（水泥混凝土）由于材料自身特点，其抗拉性能和变形协调能力较差，较易产生裂缝类病害而使水分侵入到钢桥面板。随着铁路钢桥的跨径不断增大，铁路钢桥采用柔性保护层的研究受到重视。

环氧沥青混凝土作为钢桥面铺装材料，已成功应用于国内外多座大跨径公路钢桥，具有强度高、抗疲劳性能好，尤其在高温下具有较好的抗变形能力，且对钢板变形追从性好［1］。在对公路钢桥面柔性保护层的研究中，力学分析时车辆荷载直接作用在保护层表面［2－3］，室内试验时采用的是公路工程柔性铺装材料的评价指标体系。而铁路钢桥保护层铺设在道砟与桥面板之间，采用的是铁路桥梁相关规范。

本文从铁路钢桥桥面系的结构组成及荷载传递特点出发，研究列车荷载作用下环氧沥青柔性保护层的力学响应，结合客运专线桥梁保护层技术要求以及刚性材料试验方法，试验研究柔性保护层材料以及与钢板的复合结构的力学性能，检验环氧沥青混凝土在铁路钢桥防水保护层中的适用性。本文研究成果已在南昌枢纽东新赣江特大桥主桥顺利应用实施，同时可为江苏省内即将开工建设的沪通铁路长江大桥和五峰山公铁大桥提供防水保护层方案研究基础，具有重要的现实意义和广阔的推广应用前景。

1 铁路钢桥道砟槽防护体系

本文提出“钢板＋环氧富锌漆＋环氧沥青粘结层＋3cm环氧沥青混凝土＋环氧沥青粘结层＋3cm环氧沥青混凝土”的新型柔性防水保护层复合结构体系。在钢板上进行防腐涂装后，喷涂防水粘结层，随后铺筑柔性保护层，对铁路正交异性钢桥提出“环氧沥青混凝土道砟槽底板＋水泥混凝土防撞墙”的道砟槽形式，见图1。

图1 道砟槽设计断面（尺寸单位：mm）

2 柔性防水保护层复合结构体系力学分析

铁路钢桥桥面系结构组成较公路钢桥复杂，环氧沥青柔性保护层体系的力学行为可看作高速列车－轨道－环氧沥青柔性保护层－桥梁各结构组成部分的相互作用问题。采用有限元方法建立铁路钢桥道砟槽耦合体系模型，见图2。根据《新建车速200～250kw／h客运专线铁路设计暂行规定（铁建设［2005］140号）》［4］，选用 ZK 特种活载作为外载施加在钢轨表面，考虑按列车竖向荷载的10%计算制动力系数，计算荷载图示见图3。

图2 耦合体系作用模型

以东新赣江特大铁路桥为例，线路等级为新建车速200kw／h客运专线铁路，I级标准铁路，正线数目为4线。在有限元建模时选取的结构各组成部分材料计算参数见表1。道床厚度为40 cm，道床顶面宽度为360cm，道砟槽采用1∶1.75的缓坡，横隔板跨距为2.0m，桥面钢板厚度为16 mm，柔性保护层厚度为60mm。

表1 铁路桥面系结构材料计算参数［4－6］

由力学计算结果可知，铁路钢桥柔性保护层最大横向拉应力分布在轨枕两侧以及纵肋上方对应区域，最大纵向拉应力分布在轨枕下方对应区域，这些区域保护层可能产生纵横向开裂；最大横向层间剪应力分布在荷载下方轨枕两侧，最大纵向剪应力分布在荷载下方轨枕对应的保护层区域，这些区域可能发生钢板和保护层的横向层间滑移及剪切破坏。

考虑列车竖向荷载＋挠曲力＋制动力的综合工况计算得出的力学响应峰值见表2。由表2可知，由于铁路钢桥有钢轨、轨枕、道砟等的力扩散，柔性保护层的力学响应峰值比起公路钢桥桥面的对应值［2］要小很多。

表2 铁路钢桥桥面柔性保护体系力学响应峰值

为验证环氧沥青柔性保护层体系是否能够胜任铁路钢桥桥面的工作状态，下文通过柔性保护层材料与复合结构试验研究，与力学响应结果进行对比。

3 柔性保护层材料研究

在研究环氧沥青柔性保护层材料性能时，仅考虑柔性材料试验方法及评价指标不再合适。基于铁路钢桥的受力变形特征，结合铁路钢桥面通常采用刚性保护层的现状，本文综合运用《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ052－2000）与《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTJE30－2005）、《客运专线桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件（修订版）（科技基函［2007］6号）》［7］，对环氧沥青柔性保护层材料性能进行评价。

3.1 强度及抗冻性能

试验选取国产环氧沥青、玄武岩集料与石灰岩填料，采用马歇尔试验方法确定环氧沥青混凝土最佳油石比为6.7%，对其进行劈拉、抗弯以及抗压强度试验，并与常用铁路钢桥刚性保护层材料进行性能对比［8－9］，见表3。

表3 柔性与刚性保护层强度性能试验结果（15℃）MPa

由表3可见，环氧沥青混凝土的劈拉强度大于C40混凝土28d劈拉强度，略小于纤维混凝土；抗弯强度为2种刚性保护层材料的1.5倍以上；刚性材料本身抗压性能优异，热固性环氧沥青混合料性能介于刚性与柔性之间，其常温下的抗压性能虽略低于C40和纤维混凝土，但与两者28 d的强度值相比仅相差7MPa左右。3种材料均满足暂行技术条件规定的刚性保护层的强度性能技术指标，同时劈拉、抗弯强度满足力学计算分析结果最大横向拉应力0.321 2MPa的要求，抗压强度满足最大压应力0.23MPa的要求。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTJE30－2005）中的“水泥混凝土快冻法”，研究环氧沥青混凝土抵抗水与低温共同作用的能力，抗冻融循环试验结果见表4。

表4 抗冻融循环试验结果

由表4可见，环氧沥青混凝土的抗冻融能力略差于C40水泥混凝土，但规范规定质量损失率达5%时的冻融循环次数为试件的最大抗冻循环次数，暂行技术条件规定铁路钢桥刚性保护层材料抗冻融循环须大于300次；环氧沥青混凝土抗冻融循环达300次时其质量损失率仅为1%，远没有达到材料本身的最大抗冻融能力，因此完全满足技术要求。

3.2 抗氯离子渗透与防水性能

按照《客运专线高性能混凝土暂行技术条件（科技基函［2005］101号）》［10］中的“混凝土的电通量快速测定方法”进行抗氯离子渗透试验。先将试件在真空加压桶中6h，然后在注入3%NaCl＋0.3mol／L NaOH的溶液中进行24h真空饱水，接着取出试件装入塑料试验槽内，试验槽的两侧分别装入配制好的NaCl溶液和NaOH溶液，通电6h后，测量通过试件的电量值，见图4，试验结果见表5。

图4 环氧沥青混凝土抗氯离子渗透试验

表5 环氧沥青混凝土抗氯离子渗透试验结果

由表5可见，环氧沥青混凝土通电6h后平均电量为205C，仅为暂行技术条件规定的最大值（1 000C）的20%左右。因此，环氧沥青混凝土具有优良的抗氯离子侵蚀能力。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的“水泥混凝土抗渗性试验方法”，研究环氧沥青混凝土的防水性能。密封处理试件表面后，水压从0.1MPa开始，每隔8h增加水压0.1MPa，一直加至6个试件中有3个表面发现渗水，记下此时水压力，试验结果见表6。

表6 抗渗性试验结果

由表6可见，普通混凝土抗渗性能不能满足技术要求，纤维混凝土和环氧沥青混凝土的抗渗等级为普通混凝土的2～3倍，且均满足暂行技术条件规定要求，具有优良的防水性能。

3.3 抗磨耗性能

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的“水泥混凝土耐磨性试验方法”，试件在200 N的负荷下磨30r，刷净表面粉尘称重m1，作为试件初始质量；同样负荷下磨至60r，刷净表面粉尘称剩余质量m2；接着继续磨至500r，刷净表面粉尘称剩余质量m3，以单位面积的磨损量来表示，试验过程见图5，试验结果见表7。

图5 环氧沥青混合料质磨耗损失量试验

表7 环氧沥青混合料与水泥混凝土耐磨性能对比

试验过程中，聚丙烯纤维混凝土在磨耗近400r后，仪器的刀片因混凝土表面磨损较严重而无法继续操作。《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中规定水泥混凝土耐磨性试验评价指标采用60r条件下的质磨耗损失量，环氧沥青混凝土在60r条件下的质磨耗损失量仅为聚丙烯纤维混凝土的50%左右，同样优于普通混凝土。因此，环氧沥青混凝土表面抵抗磨损的能力优于普通水泥混凝土以及掺加聚丙烯纤维网的高性能混凝土，能够满足铁路钢桥保护层的耐磨要求。

4 柔性防护体系复合结构试验研究

通过柔性防护体系多层复合结构的剪切与拉拔试验，检验在列车荷载作用下，“钢板＋环氧富锌漆＋环氧沥青粘结层＋3cm环氧沥青混凝土＋环氧沥青粘结层＋3cm环氧沥青混凝土”防水保护层的各层层间抗剪切与粘结性能。

4.1 复合结构剪切试验研究

根据钢桥正交异性钢桥面板的使用环境与条件，列车在行驶过程中，减速或者刹车时对防水层施加的剪切力在高温条件下最为不利，选取常温20℃和高温60℃2种条件。试验时，试件受剪面剪切强度τ＝（P×sinα）／S。式中：P为作用荷载，N，S为试件受剪截面积，cm2。

由力学分析过程可知，列车制动力或牵引力应按列车竖向静活载的10%计算，因此α角须小于84°，根据已有经验及试验条件，本文试件受力面与加载方向夹角取α＝60°，加载速率为50 mm／min，试验过程见图6，试验结果见表8。

图6 复合结构剪切试验示意图

图7 复合结构拉拔试验示意图

表8 柔性防护体系复合结构剪切试验结果

由表8可见，60℃条件下复合结构各层层间抗剪性能仅为常温条件下的30%左右，因此高温时可能导致保护层产生剪切破坏。钢板与保护层之间抗剪性能略优于保护层层间，同时复合体系的整体抗剪切性能完全满足理论分析结果0.302 3MPa的要求。

4.2 复合结构拉拔试验研究

试验温度选取常温20℃和高温60℃2种条件，以100～200N／s的速度对拉杆加载，直至试样破坏，试验过程见图7，试验结果见表9。

表9 柔性防护体系复合结构拉拔试验结果

由表9可见，60℃条件下复合结构各层层间粘结能力是常温条件下的65%左右，高温时复合体系仍具有较好的粘结性能。钢板与保护层之间粘结强度与保护层层间相比相差不大，说明复合体系的整体粘结性能较好。钢板与保护层之间的粘结强度完全满足暂行技术条件规定的保护层与防水层粘结强度大于0.5MPa的要求。

5 结语

本文在对典型铁路钢桥面系结构受力特点分析的基础上，通过环氧沥青混凝土以及柔性防护体系复合结构室内试验，表明环氧沥青柔性保护层材料在强度、抗冻性能上与刚性保护层材料相差无几，在防水性、抗侵蚀性、抗磨耗性能方面优于刚性材料。同时，柔性保护层性能均满足力学分析控制指标值和《客运专线桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件》中相应技术要求。

提出的“钢板＋环氧富锌漆＋环氧沥青粘结层＋3cm环氧沥青混凝土＋环氧沥青粘结层＋3 cm环氧沥青混凝土”的柔性防水保护体系具有优良的层间抗剪性能，以及与钢板间良好的粘结性能。环氧沥青混凝土柔性保护层总厚度仅为60 mm，与刚性保护层相比减轻了桥面自重，可以作为一种新型的高性能柔性防水保护体系应用于跨径长大的铁路钢桥。

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