新建巴準重載鐵路橋梁接縫密封技術的應用研究

曹 利，王樂然，葛 凱，班新林

(1．神華新準鐵路有限責任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000;2．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

巴準鐵路地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部鄂爾多斯市伊金霍洛旗和準格爾旗境內(nèi)，西由包神鐵路巴圖塔站引出，東聯(lián)大準鐵路接入點岱溝站，正線長度134.89 km，采用國鐵Ⅰ級干線設計標準，牽引質(zhì)量100 00 t，是我國首條單線開行萬噸列車的鐵路。

新建重載鐵路及擴能改造的既有普通鐵路，都對混凝土橋梁等基礎設施的耐久性提出了更高的要求，作為混凝土橋梁橋面整體防排水體系的一部分，梁端的有效防水密封，是保證橋梁及配件耐久性的關鍵。為此，《鐵路混凝土結構耐久性規(guī)范》(TB 10005—2010)和擬頒布的《重載鐵路設計規(guī)范》中明確規(guī)定了橋梁接縫處應設置有效的防水設施。

我國既有普通鐵路混凝土橋梁梁端一般僅作簡單的擋砟覆蓋，沒有防水、排水的功能，因此梁端和墩臺混凝土的劣化和橋梁支座的銹蝕情況比較嚴重。新建客運專線梁間接縫采用橡膠止水帶構造密封，由于該構造對于現(xiàn)場橋梁接縫的適應性較差，導致安裝維修難度大，直接影響其防排水質(zhì)量。目前新建重載線路混凝土橋梁梁間接縫密封構造配合預制并置T梁多采用橡膠止水帶，并用鋼板覆蓋(圖1)，其結構形式與高速鐵路橡膠止水帶伸縮縫略有區(qū)別，但主要功能、構造、工藝方法基本相同。安裝難度較大、維修更換困難(需要扒砟)、防水功能失效率高仍然是此類密封構造的普遍問題。相比止水帶這類梁間密封構造，直接采用高分子密封膠對接縫進行密封，其安裝、修復顯然更具可操作性、更加簡單便捷。本文通過使用聚氨酯彈性體密封膠在巴準鐵路32 m簡支T梁梁間接縫的防水密封工程上的應用，對TTXF-Ⅰ型彈性體密封材料在客貨共線鐵路和重載貨運鐵路常用跨度混凝土簡支梁梁間接縫密封的適應性進行了分析。

圖1 重載鐵路混凝土橋梁梁間密封構造(單位:mm)

1 巴準鐵路簡支梁及梁端止水帶

巴準鐵路橋梁除3座連續(xù)梁外，其余均為混凝土簡支結構，即圖號(2005)2101-32 m簡支梁，屬于時速160 km客貨共線鐵路預制后張法簡支T梁(圖2)。該梁設計貨車行車速度≤120 km/h，列車設計活載為中—活載，動力系數(shù)1+μ=1.194，單線二期恒載為80.81 kN/m，梁間接縫密封構造原設計為圖1所示的三元乙丙止水帶，變更為TTXF-Ⅰ型彈性體密封構造，見圖3。

圖2 (2005)2101-32 m梁橫向布置(單位:mm)

圖3 TTXF-Ⅰ型彈性體密封膠梁端密封構造(單位:mm)

2 梁間接縫變形情況分析

混凝土橋梁梁間接縫變形主要影響因素有5方面，即二期恒載、預應力混凝土的收縮徐變、列車動活載、整體溫度力、列車制動力(牽引力)。其中二期恒載和預應力混凝土的收縮徐變屬于主力恒載影響因素，引起的是梁間接縫的永久變形;列車動活載屬于主力活載影響因素，引起的是動態(tài)變形;溫度力和縱向力屬于附加力影響因素，相比主力因素附加力引起的梁間接縫變形不經(jīng)常發(fā)生，兩種及以上附加力共同作用的概率更低。

本文就上述5種因素引起的接縫變形作數(shù)值分析［1］，計算模型如圖4所示。

圖4 (2005)2101-32 m梁仿真計算模型

1)二期恒載的影響

對于新建線路，混凝土橋梁梁間接縫的防水密封一般先于二期恒載的施加，二期恒載導致梁體撓曲，使橋梁接縫處于拉伸狀態(tài)，根據(jù)橋梁的截面特性和混凝土的彈性模量，計算得梁間接縫變形量為+1.75 mm(接縫伸長為+，縮短為－，下同)。

2)預應力混凝土收縮、徐變的影響

預應力混凝土梁的收縮、徐變所造成的梁間接縫變形量計算，應綜合考慮混凝土的力學性能、齡期及預施應力的時間，巴準鐵路(2005)2101梁混凝土設計強度等級為C55，預施應力時間和進行橋梁伸縮縫施工的混凝土齡期分別按10 d，30 d計算，根據(jù)我國橋涵設計規(guī)范［2］70%相對濕度下由混凝土干燥收縮引起的最終梁間變形為+9.49 mm，由預應力混凝土徐變引起的最終梁間變形為+17.29 mm。

3)列車動活載影響

列車動荷載引起梁體撓曲使梁端接縫上緣伸長，按巴準鐵路設計荷載(中—活載)計算，梁間接縫變形量為+2.62 mm。

4)溫度力

影響梁間接縫的主要溫度作用為整體溫度變化，根據(jù)近30年的氣象統(tǒng)計資料，極端最高溫度和極端最低溫度分別為43℃和－30℃，并以各月平均氣溫為密封施工時的橋址環(huán)境溫度，計算得到最大溫升為+51℃，最大溫降為－54℃，則32 m梁伸縮變形量為+17.60 mm(7月施工)～－16.62 mm(1月施工)。

5)縱向力

列車牽引力和制動力引起墩梁間相對位移，導致梁間接縫伸長，理論上按照鋪設焊接長鋼軌的橋梁下部結構的縱向線剛度限值計算，由縱向力引起梁間接縫伸長量為+17.05 mm。

鐵路混凝土橋梁梁間構造在上述諸因素的影響下，以伸長為主要變形狀態(tài)，密封結構受力以受拉為主，原方案中的三元乙丙橡膠止水帶，采用懸垂設計，留有止水帶伸長的余量，因此橋梁縱向變形對其正常使用基本沒有影響。TTXF-Ⅰ型彈性密封材料以其低彈模((23±2)℃時≤0.3 MPa)、高強度(標準條件≥3.0 MPa)、大延伸率(標準條件≥900%)、強耐久性等良好的物理力學性能以及與混凝土界面牢固的粘接力，很好地解決了這個問題。通過上述計算，主力恒載引起的接縫永久變形量為28.53 mm，占接縫原寬度的+40.76%(接縫原寬按照70 mm計，下同);主力活載引起的接縫動態(tài)變形量為+2.62 mm，占接縫原寬度的+3.74%;附加力引起的接縫變形量為+34.65～－16.62 mm，占接縫原寬度的+49.50% ～－23.74%。

3 TTXF-Ⅰ型彈性密封材料疲勞試驗［3］

為切實保證TTXF-Ⅰ型彈性材料用于巴準鐵路混凝土橋梁梁間接縫密封的適用性，設計并進行了疲勞試驗。

TTXF-Ⅰ型彈性密封材料的疲勞過程分為裂紋引發(fā)和裂紋擴展兩個階段。在裂紋引發(fā)階段有明顯的應力軟化現(xiàn)象，然后應力變化較緩慢，這是材料內(nèi)部或表面的微觀和細觀損傷發(fā)展，并引發(fā)宏觀裂紋的過程;第二階段裂紋不斷擴展，直至材料疲勞破壞，是由彈性體材料內(nèi)部、表面或粘接面的微觀和細觀損傷發(fā)展，并擴展連通直至破壞的過程。彈性體材料先天的缺陷主要以氣泡為主，特別是在高溫環(huán)境里，氣泡在外加荷載和高溫膨脹的共同作用下，擴展連通的速度快、范圍大，很容易造成破裂。

根據(jù)梁間接縫的變形分析，設計并實施200次低周和400萬次高周疲勞試驗，模擬了TTXF-Ⅰ型彈性體伸縮縫在主力荷載和附加力荷載作用下的疲勞狀態(tài)，疲勞試件示意如圖5。試驗完成后密封材料外觀和內(nèi)部未出現(xiàn)裂紋、粘接處未開裂，充分驗證了其使用性能。

圖5 疲勞試件示意

4 TTXF-Ⅰ彈性材料密封工藝設計［4-5］

根據(jù)重載鐵路特點，混凝土橋梁采用TTXF-Ⅰ型彈性材料進行梁間接縫密封，分為以下步驟:清除道砟并取出擋砟蓋板→混凝土和角鋼金屬基面處理→襯墊定位及安裝→底涂料涂刷→彈性體澆注→面涂料噴涂→覆蓋養(yǎng)護→瀝青砂漿澆注→恢復蓋板及道砟。

1)采用人工清除軌枕兩側(cè)部分道砟，抽出道砟蓋板，至整體露出梁間接縫，必要時進行鋼軌臨時支撐。

2)混凝土和金屬角鋼基面處理。根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇人工或機械打磨并清理，處理后基面應保證平整、密實、清潔、干燥，不得有空鼓、松動、金屬銹蝕等，不得粘有浮渣、浮土、浮銹、脫模劑、油污等污物。

3)根據(jù)梁端接縫實際狀況選擇襯墊的種類和規(guī)格，襯墊的安裝要求成形面平順、無接頭，在彈性體澆注過程中不下沉、不漏液。安裝完成后，檢查襯墊的定位尺寸，誤差控制在 ±5 mm以內(nèi)。

4)底涂料為本彈性體材料專用的界面處理劑，涂刷面應均勻、不露底面、不堆積，并至少大于粘接面外輪廓10 mm，涂刷完成后覆蓋養(yǎng)護。

5)TTXF-Ⅰ型彈性密封材料，由A、B組份在現(xiàn)場澆注機內(nèi)恒溫混合而成?；旌贤瓿珊?，可選擇人工或機械方法進行澆注(澆注過程中避免帶入空氣，隨時注意除泡)，配制好的液態(tài)密封材料應在30 min用完，隨用隨配，保證澆注過程的連續(xù)性，上表面應該略高于角鋼側(cè)表面。澆注完成后覆蓋養(yǎng)護，確保密封材料外觀的清潔、干燥。

6)澆注完成12 h以內(nèi)且膠面不粘手時，進行面涂料噴涂，噴涂完成后繼續(xù)覆蓋養(yǎng)護至材料實干，養(yǎng)護中避免水分、灰塵、雜質(zhì)落入，并防止機械損傷。

7)支模并進行瀝青砂漿澆注，待瀝青砂漿達到設計強度后，拆除模具。

8)恢復道砟蓋板和道砟。

5 結語

1)本文根據(jù)新建巴準鐵路特點，擬采用TTXF-Ⅰ型彈性密封材料對線上常用跨度混凝土簡支梁梁間接縫進行密封，分析(2005)2101-32 m梁接縫變形，其中主力恒載引起的接縫最大永久變形率為+40.76%，主力活載引起的接縫最大動態(tài)變形率為+3.74%，附加力引起的接縫最大變形率為+49.50%～－23.74%。

2)根據(jù)計算結果，設計并實施疲勞試驗，一定程度上驗證了TTXF-Ⅰ型彈性材料用于重載鐵路混凝土簡支結構橋梁接縫密封的適用性。

3)結合TTXF-Ⅰ型彈性密封材料的應用經(jīng)驗和重載鐵路的特點，制定巴準鐵路混凝土橋梁梁間接縫密封工藝方案。

［1］陳強，王樂然．鐵路橋梁接縫密封材料及密封技術研究［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2009．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10002．3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB/T 13477—2002 建筑密封材料試驗方法［S］．北京:中國標準出版社，2002．

［4］AMSTOCK J S．Handbook of adhesives and sealants in construction［M］．McGraw-Hill Professional，2000．

［5］王樂然，牛斌，肖祥淋，等．客運專線常用跨度橋梁彈性體伸縮縫材料的應用研究［J］．鐵道建筑，2009(8):8-11．