高分子弹性体无缝式伸缩装置研究

一、 研究背景

在生活品质日益提升的今天，越来越多的国内城市希望通过建造高架路、构筑立体公路交通网来缓解拥堵，与此同时人们在生活中更加注重行车噪音、行车舒适性等方面的影响，对桥梁建设也提出了更高的要求，桥面无缝化一直是桥梁建设者追求的目标，但目前在位移量较小的高架道路上使用的伸缩缝，主要是型钢或者梳齿板缝，由于路面始终存在明缝，车辆在通过伸缩缝时不可避免地会产生频繁的颠簸和噪音，引起车内乘客和居住在道路两旁居民的不适；再者国内公路交通流量较大，而且普遍存在超载现象，由于车辆的不断冲击，伸缩缝及其周边回填混凝土经常出现损坏的情况，影响了行车的舒适性，严重时甚至会导致交通事故，危及生命安全；伸缩缝的胶条等防水部件，由于维护不到位，桥面漏水的现象也很常见，会导致梁体下部的一些设施受水侵袭，影响使用寿命。

迄今为止，国内路面无缝化的解决方案基本上是使用上世纪八十年代从欧洲引进的高聚物及填料改性沥青填充式伸缩缝（即弹塑体伸缩缝），这种伸缩缝有较好的降噪性能，并且设计简单、安装快捷方便，能够满足位移量在50mm以内小型桥梁的使用需要。但在实际使用中，但由于沥青基填充材料本身的特性，这种伸缩缝也会遇到很多问题：低温下，填充材料变硬、开裂，造成局部渗漏，桥梁在设计时也需考虑此时因材料模量变大而带来的反力增大；高温时，材料变软并且易产生塑性变形，无法恢复；如果车流量较为密集，沥青填充式伸缩缝与其相邻的路面的使用寿命可能会不足5年。因此在欧洲的高速公路、车辆频繁加速和制动的路段（如公交站、红绿灯处）以及有砟轨道铁路桥上是不允许使用沥青填充式伸缩缝的。

在欧洲，近几年出现了一种新型的高分子弹性体无缝式伸缩装置，这种伸缩缝使用聚氨酯弹性体材料填充缝区，只需要很少量的钢结构件和较少的人工，便可以完成安装，安装后路面无明缝，行车舒适性好，聚氨酯弹性体材料本身具有耐磨、耐蚀、耐候、弹性好、粘接性能优良等特点，可以起到良好的防漏水、减噪等作用，显著提高伸缩缝及周边路面的的使用寿命，是目前实现桥面无缝化的最佳解决方案。

二、 研究内容

本项目主要是针对位移量在100mm以内的市政、高速公路高架桥等桥梁，研究能够满足路面无缝化要求、减振降噪、可靠耐用、施工便捷的高分子弹性体无缝式伸缩装置。通过对国外技术的调研，拟定了以下几方面的研究内容： 1. 材料研究

用于填充伸缩装置槽区的材料，是以聚氨酯为基础，加入填料和辅料构成的高分子弹性体，在施工前为液态原料，施工时在现场将不同的组份按一定配比进行混合后浇入槽区内，材料发生化学反应后固化为固态的弹性体。在本研究中，需要对胶料的一些性能进行控制：

a) 液态原料按比例混合后的粘度在一定时间内应处于便于施工操作的范围内，

浇筑时最佳的操作状态应类似于水泥砂浆，在浇筑完后较短的时间内材料能够固化至可通车的状态；

b) 固化后材料的拉伸强度、撕裂强度、伸长率、硬度应该满足伸缩变形及路面

承载的使用要求；

c) 材料与路面材料及金属结构件表面的粘结应当牢固可靠； d) 使用环境中的温度变化不应对材料的性质产生过大的影响； e) 材料应具有优良的耐老化性能。 2. 结构研究

结构研究的目的主要是为了改善胶体的受力情况，避免应力过度集中，并且保证其在工作中不过度变形，需要注意以下两点： a) 伸缩装置于路面层的粘结部位不应承受太大的应力

b) 伸缩装置在伸缩方向受压时，在垂向不会因失稳而产生过大变形。 3. 施工工艺研究

因为本项目所研究的伸缩装置，并不是以成品的形态出厂，而是在施工现场完成成型，所以施工质量对于最后成品的质量起着决定性的作用。整个施工过程中的工序、操作方法、材料器具、注意事项必须详细明确并严格执行，在劳力上也应尽量合理分配，最大程度降低用工成本。 4. 运营效果研究

通过工程应用验证伸缩装置的减振降噪、密封、耐用等综合性能。

三、 关键技术及解决方案

1. 填充材料的力学性能和经济性

填充材料的力学性能主要取决于配方，通过前期的调查研究，宜将材料熟化后的邵氏硬度控制在A65～A70范围内，拉伸强度不低于10MPa，断裂伸长率不小于600%，撕裂强度不小于15N/mm。以上指标对于纯聚氨酯胶料比较容易实现，但是当材料用作伸缩装置填充物时，用量比较大，必须在胶料中掺入无机填料以降低成本，因此在配方上需要综合考虑多元醇、多异氰酸酯、交联剂、扩链剂、无机填料等的比例，进行反复实验，在材料性能和材料成本之间找到平衡。此外，使用聚醚多元醇可以增强材料的耐水性，添加轻质碳酸钙、炭黑等无机填料可以增强材料的抗紫外线性能。 2. 填充材料的粘结性能

填充材料与路面层、金属构件的粘结效果很大程度上决定了伸缩装置的正常使用寿命，其中与沥青路面的粘结拉伸强度不小于2MPa，与金属的粘结剥离强度不小于7N/mm。主要通过在粘结界面涂刷底涂的方式来达到上述要求，底涂可以是偶联剂也可以是粘接剂，需要掺加溶剂以保证操作性，具体配比需要通过粘结实验确定。 3. 填充材料的操作性

为了满足伸缩装置快速施工的要求，填充材料的固化时间不能太长，同时也要保证有充分的时间进行浇筑施工，可操作时间应至少有1小时左右，可通行车辆的时间应控制在12小时以内，可通过控制催化剂的掺量合理调整材料反应速度来达到此目标，同时必须考虑到环境温度对反应速度的影响。对于材料的流变性质，可以通过使用溶剂或增塑剂的方式来调整，以方便工人操作。 4. 结构合理性

结构合理性主要考察伸缩装置在伸缩变形、承受竖向载荷的工况下能否正常工作，可以通过制作截段试样的方式，进行试验验证。 5. 安装施工

根据研究确定的施工方法应该要通过实际工程来验证，可在新建公路上较平缓路段选取一到两条伸缩量在40～60mm的伸缩缝进行试验安装，总结安装经验，完善施工工艺，并同时对安装成本进行比较准确的测算。

四、 研究单位简介

成都市新津新筑路桥机械有限公司成立于1996年9月，于2001年3月作为主发起人，发起设立了成都市新筑路桥机械股份有限公司，并将资产和业务投入了成都市新筑路桥机械股份有限公司。

公司位于成都市四川新津工业园区，注册资金28000万元，资产总额38亿余元，2010年9月在中国A股上市，股票代码：002480，占地面积785,000m2，建筑面积160,000m2，其中生产制造厂房面积120,000m2，员工31人。公司生产的桥梁伸缩装置、桥梁支座、预应力锚具和桥梁检查车等主要产品广泛应用于国内公路桥梁、铁路桥梁和道路建设，获得了“全国用户满意产品”、“中国交通企业名牌产品”、“四川省名牌产品”等光荣称号。公司为“中国桥梁伸缩装置十强企业”、“全国用户满意企业”、京沪高速铁路、杭州湾跨海大桥、武汉天兴洲长江大桥等工程“优秀供应商”，“新筑”牌注册商标被评为“中国驰名商标”。

新筑公司从1996年即开始生产桥梁伸缩装置，多年来积累了大量的经验，并且一直致力于伸缩装置承载能力、动力特性、位移系统、耐久性能以及防腐涂装等方面的研究和开发，公司于2001年完成了国家经贸委的国家重点技术创新项目“超大位移量桥梁伸缩装置”；同中铁大桥勘测设计院有限公司合作研制了1600mm特大位移伸缩装置，并于2012年在武汉二七长江大桥顺利完成安装，投入使用；目前公司正与西南交通大学、湘潭大学合作，率先在国内对大位移伸缩装置的动力学特性进行系统研究，并且还与安徽省交通规划设计研究院合作进行消应力伸缩装置方面的研究。

附1：高分子弹性体无缝式伸缩装置规格表（单位：mm） 型号 位移量 拉伸量 压缩量 弹性体宽度 弹性体厚度 锚栓间距 TF-10 TF-20 TF-30 TF-40 TF-50 TF-60 TF-70 TF-80 10 20 30 40 50 60 70 80 7 13 20 27 33 40 47 53 3 7 10 13 17 20 23 27 250 300 350 400 450 500 550 650 35 45 50 60 60 60 60 60 250 250 250 250 250 250 250 250

附2：高分子弹性体无缝式伸缩装置施工说明

1. 施工准备 1.1 器械和工具

高分子弹性体无缝式伸缩缝安装所需要的机具如下表所列：

表1

柴油发电机 沥青路面切割机 风镐 电锤 电焊机 设备 空压机 喷水 液化气喷 液化气罐 搅拌钻 电子秤

耗材 工具 抹刀 铁锹 铁皮剪 毛刷 塑料桶 水泥、石头、砂 厚钢板 塑料薄膜 螺纹钢筋 硬纸板 泡沫板 1.2 施工流程及人员配置

新缝施工最少应配置4名工人，安装流程如下：

1. 槽区成形（2人）：确定开槽位置、切除路面和清理。 2. 基底处理（4人）：浇筑早强砼至设计槽深，必要时需要植筋。

3. 主体安装（4人）：清理槽区、埋设锚栓、安装角钢、涂刷底涂、浇筑胶料、处理

胶面等。

1.3 准备工作

1. 施工场地周围作好相应的保护设施和交通警示标志。 2. 寻找废物处理场地，并作必要的处理，避免对环境产生污染。 3. 从侧面观察缝口位置、外形、宽度等情况是否与设计图纸一致。 4. 观察施工位置附近路面的病害情况，必要时通知业主作处理。 2. 新缝施工 2.1 槽区成形 2.1.1确定开槽位置

根据图纸及桥梁实际情况，确定开槽位置，用粉笔在切割位置作好记号。对路面层情况不明时，可在路沿附近开槽区域预挖一个面积约200mm×200mm的坑，了解路面下部的具体情况。 2.1.2切除路面

使用沥青混凝土切割机沿记号线对铺装层进行切割，深度需要达到路面层与路基层的结合面，切割完毕后用扁头风镐沿垂直于切缝的方向进行破碎，将沥青路面层逐段除去，露出路基表面；当路面层下有防水层时，可切至防水层上方1-2cm，再将刀片向槽区内移1cm，然后切至路基层表面，除去路面层后，防水层有1cm露出切口。 2.1.3清理及检测

切割及破碎完毕后清理槽区内所有垃圾，干燥并吹净；多点测量槽区的宽度、深度，作好记录；检查槽区特别是路基的情况，如有异常及时通报业主。 2.1.4基底处理

切除路面层后，若槽区深度大于无缝式伸缩装置的设计厚度，则需要在槽区路基上浇筑混凝度至设计深度，宜使用纤维早强混凝土进行浇筑，混凝土强度等级不低于C40。

如果浇筑混凝土后，膨胀锚栓在路基层中的锚固深度达不到设计要求，在浇筑前还需要在缝口两侧路基层上植竖向钢筋，植筋间距250cm左右，沿槽区走向交错布置（如下图）。

图1

浇筑后抹平混凝土，并用标尺随时测量，控制槽区深度，和混凝土表面平整度，可同步制作混凝土试块，以便观察混凝土硬化情况。 2.2 伸缩装置安装 2.2.1安装前检查

1) 基底混凝土强度应达到30MPa以上，表面抗拔强度不小于1.5MPa，温度不低于5℃，湿度不超过3%。

2) 施工及硬化时间内，槽区保持干燥，空气湿度不高于85%，且环境温度应高于露点3℃以上。

3) 槽区内不能出现明显的裂纹和损坏。 4) 槽区尺寸应符合图纸要求。 2.2.2安装锚栓

1) 将折弯钢板按预定位置安放好，用粉笔在锚栓孔处作好标记，然后移开折弯钢板，用电锤在标记处沿垂直于基底的方向钻孔，在基底浇筑时未植筋的情况下，钻孔深度必须保证膨胀锚栓能够穿透基底进入路基层70mm以上。钻孔结束后，用高压空气对孔进行清洁。

2) 确定钻孔与折弯钢板上的锚栓孔是否能够一一对应，然后沿垂直于基底的方向植入膨胀锚栓。

2.2.3安装折弯钢板、盖缝板

将垫块、折弯钢板、垫片及螺母依次套在膨胀锚栓上套上，然后拧紧螺母。整个过程中注意折弯钢板表面不能被油污污染。

在缝口塞入泡沫板，盖上盖缝板压实，用胶带封住盖缝板之间的缝隙。 2.2.4涂刷底涂

槽区内折弯钢板间的区域至角钢前2cm不需要涂刷底涂，其余槽区侧立面、底面，及

折弯钢板上均要涂刷底涂。涂刷时注意不能有遗漏，如涂刷后12小时能仍不能进行浇筑，则需要在浇筑前打磨底涂并再次涂刷。 2.2.5覆盖隔离膜

不涂刷底涂的区域为非粘接区，按非粘接区的尺寸裁剪塑料薄膜并覆盖住非粘接区，覆盖时注意薄膜不能有明显的褶皱。 2.2.6浇注胶料

浇筑前，先在沿槽区两侧距槽边1cm左右的路面上粘贴约10cm宽的胶带。

将A、B料按规定的配比称量好，将B料倒入A料并立即开始搅拌，达到规定搅拌时间后，开始向槽区进行浇注。

在已浇入的部分，用刮刀将胶料抹平至覆盖住折弯钢板下缘，然后按规定间距装入稳定杆，安装稳定杆时注意要与折弯钢板相垂直，并且不挡住折弯钢板立面上的开孔（一般情况下，折弯钢板立面开孔间距与稳定杆布置间距一致，因此稳定杆安装位置一般在两个开孔中间）。

应以3m左右为单位逐段浇注，在浇至与路面齐平后，由1-2人负责抹平及后续处理，其余人员继续浇注下一段。

当不能连续施工完成一整条伸缩装置时，需要在端部设置泡沫挡块，挡块面向胶料一面应尽量处理成凹凸不平的形状，尽量增大下一次浇注时接头的表面积，保证两次浇注界面的粘接。在下一次浇施工时，彻底除去挡块，打毛接头并涂刷底涂，然后再进行浇筑。

浇注到路沿部分时，应先拉线标记出胶面在路沿石上的高度，然后在相应部分涂刷底涂，用泡沫填塞路沿上的缝隙，再进行浇筑。

管线不宜浇注在胶体或其下的基底混凝土中，应将管线置于胶体上，通过覆盖盖板等方式保证通行。 2.2.7胶面处理

抹平后胶料基本失去流动性时，可将防滑胶粒（或粒径1mm左右的石英砂）铺洒在其表面，并撕去槽区两侧的胶带；表干后（2-3h）吹去多余的颗粒，根据需要在伸缩装置表面涂刷面涂。

如不涂刷面涂，表干后可以允许行人通过，12小时后可以允许汽车通行；如涂刷面涂则养护时间相应后延。

3. 旧缝更换 3.1 槽区成形 3.1.1开槽

确定切割位置，用粉笔在路面上描出切割路线；没有图纸时可以在路沿附近缝区开挖一个坑，了解路面下部结构状况。

切割至设计槽深，然后用风镐破碎切割区内的混凝土，破碎深度不小于设计浇筑弹性体厚度的两倍，然后将露出的型钢、钢筋切除，低于设计纤维砼表面10mm的钢筋应尽量予以保留，并搭焊横穿钢筋，作为植筋使用。 3.1.2浇筑基底

在缝口设置泡沫板作为模板，使用标号不低于C40的早强纤维混凝土在缝口两侧浇筑基底，浇筑时应用直尺随时测量槽深，保证浇筑后的深度与设计一致，并且控制砼面平整度。 3.2 伸缩装置安装

待纤维混凝土强度达到30MPa以上，即可开始伸缩装置的安装，因纤维砼层中有植筋，膨胀锚栓不必插入路基层70mm以上，其他安装过程与2.3节相同。

附3：高分子弹性体无缝式伸缩装置材料试验一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 项 目 硬度（邵尔 A） 拉伸强度（MPa） 扯断伸长率（%） 撕裂强度（N/mm） 与镀锌钢板的粘结剥离强度（N/mm） 与混凝土的粘结拉伸强度（MPa） 低温脆性（℃） 固体含量（%） 流平性 表干时间（h） 适用期（h） 硬度（邵尔 A） 12 人工气候老化 拉伸强度（%） 扯断伸长率（%） 要 求 65±5 ≥10 ≥650 ≥15 ≥7 ≥2 ≤-60 ≥99.5 光滑平整 ≤3 ≥1 ±5 ±15% ±20%

附4：高分子弹性体无缝式伸缩装置截段试验方法（草案）

1

试样

1.1 整体性能试验所使用的样品，应包含混凝土基础、金属结构件及弹性伸缩体；如无特殊要求，按位移量60mm的产品结构及尺寸制作（参照表7）， 样品长度不宜小于300mm（见图1）。

1.2 样品伸缩体在浇筑完成后，需在23℃±5℃下停放5天以上，再进行试验。

固定端

作动器加载

图1 整体性能试验示意图

2

试验仪器

2.1 试验机应具备以下功能：微机控制，能够自动、平稳连续加载、卸载，并且无冲击和颤动现象，可自动采集数据、储存并能绘制和打印应力—应变曲线。

2.2 测量伸缩体竖向变形量的仪表量程应满足变形量的需要，分度值为0.01mm。 3

试验方法

3.1 试验准备

将样品一端固定，另一端作为活动端与试验机作动器相连接，并注意对活动端采取竖向限位措施，防止由于弹性伸缩体受压时竖向失稳引起活动端翘起；连接时注意保证作动器轴心线对准伸缩体轴心线；连接完毕后在伸缩体表面沿中间线均匀布置三只百分表（见图1）。 3.2 拉伸试验

以0.2mm/s的加载速度先对样品施加拉伸载荷，达到设计拉伸位移量时，保载60s，读取百分表数据，然后匀速卸载至0位移，再以相同的方法重新加载两次，采集数据并绘制应力—应变曲线、计算百分表读数平均值。

3.3 压缩试验

以0.1mm/s的加载速度对样品施加压缩载荷，达到设计压缩位移量时，保载60s，读取百分表数据，然后匀速卸载至0位移，再以相同的方法重新加载两次，采集数据并绘制应力—应变曲线、计算百分表读数平均值。 3.4 极限拉伸试验

以0.2mm/s的加载速度对样品施加拉伸载荷，达到设计拉伸位移量的1.2倍时，保载60s，观察弹性伸缩体本体及各粘接界面的状况。 3.5 疲劳试验

疲劳试验分为日位移试验和年位移试验，日位移测试按设计最大拉伸压缩量的30%做3000次循环加载，加载速度为0.2mm/s；年位移测试按设计最大拉伸压缩量，做20次循环加载，加载速度为0.2mm/s。试验完毕后观察弹性伸缩缝本体及各粘接界面是否完好。 3.6 防水性能试验

对伸缩装置截段试样进行防水性能试验时，将伸缩装置周边封堵后注满水并保持24h，然后观察渗漏情况。 4

试验要求

序号 1 2 3 4 项 目 拉伸、压缩时最大竖向变形 极限拉伸性能 疲劳性能 防水性能 要 求 ≤6mm 伸缩体、粘结无破坏 伸缩体、粘结无破坏 注满水24h无渗漏 5

试验记录

试验结束后应保留试验记录，至少应包含以下内容： a) 产品名称、规格型号 b) 制造商、委托人 c) 送样日期、试验日期 d) 试验条件

e) 试样的情况描述：弹性伸缩体的尺寸（长、宽、高）； f)

试样的设计位移量（总位移、拉伸位移、压缩位移）；

g) 试样拉伸、压缩试验的应力—应变曲线；

h) 试样拉伸、压缩试验中各百分表的竖向变形读数及平均值； i) j)

极限拉伸、疲劳及防水试验后弹性伸缩体及粘接面的状态描述； 试验照片或视频