CRTSⅢ型板式无砟轨道底座伸缩缝用环氧沥青填缝密封胶性能研究

谢佳钦 闵召辉 王祺昌 林郭锋 李明月

东南大学交通学院，南京211100

无砟轨道具有平顺性高、稳定性好、维修量少等优点，是我国高速铁路轨道结构的主要形式。截至2019年底，我国高速铁路正线无砟轨道应用比例约为60%，其中，具有自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道应用里程已达6 396.8 km［1］。CRTSⅢ型板式无砟轨道由钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土层、底座等部分组成，路基地段2～4块轨道板下设置一段钢筋混凝土底座，相邻底座之间设置20 mm伸缩缝以适应底座伸缩变形。同时，为防止雨雪通过伸缩缝向下侵蚀路基，伸缩缝须进行防水处理。一般在伸缩缝的下部设置嵌缝板，上部浇注填缝密封胶［2-3］。

填缝密封胶长期暴露于外界环境中，在热、光、水等因素作用下易发生老化现象，还要承受伸缩缝宽度变化导致的拉压应力。目前主要采用的聚硫类、沥青类、聚氨酯类和硅酮类填缝密封胶在使用过程中均存在一些问题。聚硫类填缝密封胶制备和使用过程会污染环境［4］，沥青类填缝密封胶高低温性能均较差［5］，聚氨酯类填缝密封胶有毒且固化收缩后须二次施工［6］，硅酮类填缝密封胶造价较高且固化过程受空气湿度影响较大［7］。相比而言，环氧沥青填缝密封胶由基质沥青、环氧树脂、固化剂等按比例配制而成，固化后具有较好的力学性能和耐老化性能［8-10］，对无砟轨道伸缩缝具有一定适应性，而以往工程中却鲜有应用。因此，本文根据CRTSⅢ型板式无砟轨道底座伸缩缝变形特性，开展了环氧沥青填缝密封胶的拉伸性能、黏结性能及老化性能试验，以期为后续工程填缝密封胶选型提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及制备

①基质沥青采用A-70#型，25℃时针入度70 dm，软化点46.7℃，15℃延度177 cm。②环氧树脂采用双酚A型，25℃时密度和黏度分别为1.110 g∕cm3和13 300 mPa·s，环氧当量195 g∕moL。③采用常温柔韧性固化剂，25℃时密度和黏度分别为1.046 g∕cm3和308 mPa·s。④增容剂、改性剂和促进剂均为自制，25℃时增容剂密度和黏度分别为0.963 g∕cm3和144 mPa·s。

环氧沥青填缝密封胶制备时，原材料各组分的质量比为基质沥青∶环氧树脂∶固化剂∶增容剂∶改性剂∶促进剂=1.00∶0.32∶0.90∶0.18∶0.04∶0.04。具体制备工艺：①将基质沥青加热至160℃，以200 r∕min速度搅拌，并在30 min内缓慢加入改性剂，保温搅拌5 h；②将搅拌均匀的改性沥青降温至120℃，添加增容剂，以200 r∕min速度搅拌2～5 min；③添加环氧树脂，以200 r∕min速 度搅拌2～5 min；④待混合物 温 度降至80℃时添加固化剂，以200 r∕min速度搅拌2～5 min，即得到环氧沥青填缝密封胶。

1.2 试验方法

1）拉伸性能试验

按照GB∕T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》要求制作哑铃形试件，见图1。依据GB∕T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》规定的方法将试件夹持在试验机上，并以500 mm∕min的速度拉伸直至断裂，记录试件的拉伸强度和断裂伸长率。试验时，温度分别设置为-20、-10、0、10、23、30、40、50和60℃。因23℃是GB∕T 16777—2008中规定的标准试验温度，且23℃和20℃的温差小，故采用23℃代替20℃进行试验。

图1 拉伸性能试验试件

2）黏结性能试验

在两个平行的混凝土基材之间灌注填缝密封胶，固化后即可作为黏结性能试验的试件，见图2。按照GB∕T 13477.8—2017《建筑密封材料试验方法第8部分：拉伸粘结性的测定》中规定的方法将试件夹持在试验机上，以5 mm∕min的速度拉伸直至断裂，记录试件的最大拉伸强度和断裂伸长率。为避免与拉伸性能试验相关结果混淆，将黏结性能试验测得的最大拉伸强度和断裂伸长率分别表述为黏结强度和黏结伸长率。

图2 黏结性能试验试件

3）老化试验

热老化和浸水老化试验分别按照GB∕T 16777—2008和Q∕CR 601—2017《铁路无砟轨道嵌缝材料》中规定的方法进行。

紫外老化试验设备为恒温环境箱，紫外辐射强度563 W∕m2，辐射温度60℃，辐射时间240 h，累积辐射能量486 MJ∕m2。

2 试验结果

2.1 应力-应变关系

拉伸性能试验过程中环氧沥青填缝密封胶的应力-应变曲线见图3。可知，环氧沥青填缝密封胶应力-应变关系与温度密切相关，并以0℃为界。在-20～0℃负温区间试件应力-应变曲线分为三个阶段：OA为上升阶段，应力随应变增加而增加；AB为下降阶段，此阶段出现随应变增加应力近似呈线性减小的应变软化现象，这主要是由于应变较大时环氧沥青填缝密封胶分子链各物理交联点发生重组，形成了有利于形变发展的结构；BC为破坏阶段，该阶段试件被拉断。在0～60℃正温区间应力-应变曲线仅有上升和破坏两个阶段，无下降段。这主要是由于随着温度升高，分子运动加剧，分子链易被破坏，致使试件在发生应变软化前便被拉断。

图3 拉伸性能试验应力-应变曲线

黏结性能试验过程中环氧沥青填缝密封胶的应力-应变曲线见图4。可知，与拉伸性能试验相似，在-20～0℃负温区间试件应力-应变曲线分为三个阶段：OA为上升阶段，应力随应变增加而增加；AB为下降阶段，此阶段出现应变软化现象；BC为破坏阶段，该阶段典型特征为应力-应变曲线斜率的突变，这主要是由于试件与混凝土基材黏结面离缝逐渐扩大，黏结区域不断减少，应力快速下降，直至试件与混凝土基材黏结面完全脱离。在0～60℃正温区间试件应力-应变曲线不存在下降阶段，试件在发生应变软化前已与混凝土基材逐渐脱离。

图4 黏结性能试验应力-应变曲线

2.2 失效模式

黏结性能试验表明，环氧沥青填缝密封胶的失效模式是其与混凝土基材之间产生离缝，见图5。离缝的产生主要与环氧沥青填缝密封胶的强度和伸长率有关。

图5 黏结性能试验失效模式

环氧沥青填缝密封胶拉伸及黏结性能试验测得的强度和伸长率见图6。可知：①环氧沥青填缝密封胶的拉伸强度和黏结强度均随温度升高而降低。②环氧沥青填缝密封胶的断裂伸长率和黏结伸长率均随着温度升高呈现先增大后减小的趋势，在0℃时达到最大值，断裂伸长率和黏结伸长率分别为356.54%和264.47%；在60℃达到最小值，断裂伸长率和黏结伸长率分别为230.44%和80.64%。③在-20～60℃温度范围内环氧沥青填缝密封胶拉伸性能试验测得的拉伸强度、断裂伸长率均大于黏结性能试验相应值。因此，当伸缩缝宽度不断增大时，在环氧沥青填缝密封胶本体发生开裂之前，其与混凝土基材之间的黏结面已发生破坏，产生离缝。

图6 环氧沥青填缝密封胶拉伸及黏结性能试验测得的强度和伸长率对比

2.3 耐老化性能

硅酮和聚氨酯是目前高速铁路无砟轨道常用的填缝密封胶。为明确环氧沥青与硅酮、聚氨酯填缝密封胶耐老化性能的差异，按照1.2节中相应试验方法制备硅酮、聚氨酮试件并进行老化处理，并在23℃进行拉伸性能试验。硅酮选用广州白云化工实业有限公司生产的SS861硅酮填缝密封胶，聚氨酯选用河北金坤工程材料有限公司生产的聚氨酯填缝密封胶。试验结果见表1。

表1 三类填缝密封胶老化处理后拉伸性能试验结果%

由表1可知：①热老化处理后，环氧沥青和硅酮填缝密封胶的拉伸强度、断裂伸长率均有所降低，且硅酮填缝密封胶断裂伸长率衰减率相对更大，而聚氨酯填缝密封胶相应值则略有增加；②紫外老化处理后，三种填缝密封胶的拉伸强度、断裂伸长率均有所降低，其中硅酮和聚氨酯填缝密封胶衰减更为显著；③浸水老化处理后，三种填缝密封胶的拉伸强度衰减率基本相当，硅酮和聚氨酯填缝密封胶断裂伸长率衰减更为显著。综上，三种填缝密封胶均受紫外老化和浸水老化影响较大；考虑无砟轨道填缝密封胶以紫外老化为主的使用环境，相比而言，环氧沥青填缝密封胶具有较好的综合性能。

3 结论

1）环氧沥青填缝密封胶拉伸过程中应力-应变关系与温度密切相关。当温度低于0℃时，破坏前存在随应变增加应力近似呈线性减小的应变软化现象，而温度高于0℃时，随应变增加应力不断增大直至破坏。

2）环氧沥青填缝密封胶失效模式是其与混凝土基材之间产生离缝，从而失去防水功能。

3）考虑无砟轨道填缝密封胶的使用环境，环氧沥青比硅酮和聚氨酯填缝密封胶具有更好的耐老化性能。紫外老化和浸水老化对环氧沥青填缝密封胶性能影响较大，热老化影响相对较小。