高速鐵路無砟軌道嵌縫材料修復(fù)技術(shù)研究

譚社會，靳 昊，易忠來

(1.上海鐵路局 工務(wù)處，上海 200071;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路無砟軌道嵌縫材料修復(fù)技術(shù)研究

譚社會1，靳 昊2，易忠來2

(1.上海鐵路局 工務(wù)處，上海 200071;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

介紹了高速鐵路無砟軌道嵌縫材料傷損現(xiàn)狀，分析了瀝青類嵌縫材料的失效原因及失效嵌縫材料對無砟軌道結(jié)構(gòu)耐久性的危害。根據(jù)無砟軌道伸縮縫的工況環(huán)境和變形特點，提出了修補材料的性能要求，并自主研發(fā)出硅酮嵌縫材料。結(jié)合天窗期內(nèi)修補特點，提出了簡便、快捷、高效的修補工藝。同時，在天窗期內(nèi)，采用硅酮嵌縫材料對高鐵線路失效嵌縫材料進行了現(xiàn)場修補，修補效果良好。

無砟軌道 伸縮縫 硅酮嵌縫材料 修補工藝

嵌縫材料是一種具有良好黏結(jié)性、可隨密封面形狀而變形的密封材料，用于填充混凝土接縫，可起到防水密封作用。高速鐵路無砟軌道道床板、底座板、線間封閉層等多為長連續(xù)澆注結(jié)構(gòu)，其伸縮縫的顯著特征是隨溫度的變化會發(fā)生較大變形，這就對嵌縫材料的彈性和延伸率提出了很高的要求［1］。

但是，我國早期高速鐵路無砟軌道伸縮縫所用的嵌縫材料以瀝青類嵌縫材料為主，瀝青類嵌縫材料成本低廉，但性能較差，施工工藝較復(fù)雜，如需要加熱后才能使用;溫度適應(yīng)性較差，低溫脆性較大，高溫易流淌;耐老化性較差，使用壽命較短等［2］。嵌縫材料的失效會導(dǎo)致無砟軌道結(jié)構(gòu)接縫位置處防水功能喪失，水從接縫處進入無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部，會對無砟軌道結(jié)構(gòu)的耐久性造成較大損傷。

從已運營的高速鐵路來看，由于嵌縫材料老化失效而導(dǎo)致無砟軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大面積病害的情況已較為顯著。因此，亟需采用適宜的修補材料及修補工藝對失效的嵌縫材料進行修補，恢復(fù)其防水密封功能，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

按照對修補材料施工性、變形性、穩(wěn)定性和耐老化性的要求，自主研發(fā)出柔性硅酮嵌縫材料作為修補材料，并采用了一種高速鐵路無砟軌道嵌縫材料修補技術(shù)，經(jīng)基面處理、防護及界面處理、注膠和修飾，對失效嵌縫材料進行修復(fù)，恢復(fù)其長期防水密封功能。

1 嵌縫材料傷損現(xiàn)狀

1.1 傷損形式

通過對多條高鐵線路的嵌縫材料應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研發(fā)現(xiàn)，瀝青類嵌縫材料傷損情況較為普遍，其傷損形式主要包括溢出、開裂、離縫、脫落等，而且一般情況下，多種傷損形式并存。

1.1.1 溢出

夏季時，瀝青類嵌縫材料經(jīng)高溫后呈液態(tài)，會流淌至混凝土表面，污染軌道板，而且伸縮縫內(nèi)瀝青類嵌縫材料流失，也會導(dǎo)致膠層厚度下降，局部缺失，如圖1所示。

圖1 瀝青類嵌縫材料溢出和局部缺失

1.1.2 開裂

冬季時，瀝青類嵌縫材料自身容易出現(xiàn)開裂，失去防水密封功能。瀝青類嵌縫材料開裂形式多為通體開裂，開裂長度一般＞1 m，如圖2所示。

1.1.3 離縫

冬季時，無砟軌道伸縮縫寬度增加，混凝土易與瀝青類嵌縫材料脫開，產(chǎn)生離縫。一般情況下，沿垂直伸縮縫方向，瀝青類嵌縫材料為整體脫開狀態(tài)，如圖3所示。

圖2 瀝青類嵌縫材料開裂

圖3 瀝青類嵌縫材料離縫

1.1.4 缺損

冬季時，瀝青類嵌縫材料會與伸縮縫內(nèi)的混凝土側(cè)面與底面脫開，經(jīng)列車動荷載、列車風(fēng)、自然風(fēng)等因素影響，出現(xiàn)脫落、掉塊等問題，如圖4所示。

圖4 瀝青類嵌縫材料缺損

1.2 原因分析

無砟軌道嵌縫材料失效主要是由材料自身原因?qū)е?。瀝青類嵌縫材料加熱呈液態(tài)，灌入伸縮縫中，自然冷卻固化，期間無化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)。當(dāng)夏季溫度較高時，它會恢復(fù)液體狀態(tài)，失去阻水作用。而且，混凝土受熱膨脹后，伸縮縫寬度變窄，瀝青類嵌縫材料會被擠出伸縮縫，防水膠層厚度變薄，污染軌道板。

冬季溫度下降時，瀝青類嵌縫材料剛度增加，脆性增大，無裂縫跟隨性。當(dāng)混凝土受冷收縮后，伸縮縫距離變寬，瀝青類嵌縫材料會受到拉力。當(dāng)瀝青類嵌縫材料的拉伸強度低于混凝土的黏結(jié)強度時，易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象;當(dāng)瀝青類嵌縫材料的拉伸強度高于混凝土的黏結(jié)強度時，易出現(xiàn)離縫、缺損和掉塊現(xiàn)象。

綜上所述，一般情況下瀝青類嵌縫材料經(jīng)歷一個冷熱循環(huán)后(一年)就會失效。

1.3 對無砟軌道結(jié)構(gòu)耐久性的危害

嵌縫材料失效會導(dǎo)致無砟軌道結(jié)構(gòu)接縫處防水功能喪失，水會從接縫處進入到無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對無砟軌道結(jié)構(gòu)的耐久性造成很大的損傷。目前，由于嵌縫材料失效導(dǎo)致高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)病害已在多條線路上出現(xiàn)。由于嵌縫材料失效導(dǎo)致無砟軌道結(jié)構(gòu)傷損的主要形式分述如下。

1.3.1 道床或基床表層冒漿

嵌縫材料失效后，密封防水功能喪失，水沿著接縫處進入到無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部，如水泥乳化瀝青砂漿層與軌道板之間、道床板與支承層之間等，或者進入無砟軌道與基床表層間縫隙，在高速列車動荷載的作用下，由于動水壓的作用，會導(dǎo)致無砟軌道道床或基床表層冒漿，如圖5所示。長此以往，會對無砟軌道結(jié)構(gòu)的耐久性造成影響，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懢€路平順性，危及行車安全。

圖5 嵌縫材料失效導(dǎo)致道床冒漿

1.3.2 道床拱起

嵌縫材料失效后，水沿著接縫處進入到無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部，或者進入無砟軌道與基床表層間縫隙。在嚴(yán)寒地區(qū)，水結(jié)冰凍脹，會導(dǎo)致道床拱起，影響線路平順性。因此，必須選用綜合性能更加優(yōu)異的嵌縫材料，以保障高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全服役。

2 修補材料

2.1 修補材料性能要求

在實地調(diào)研高速鐵路無砟軌道瀝青類嵌縫材料傷損情況基礎(chǔ)上，充分考慮夜間天窗期內(nèi)修補特點，結(jié)合高速鐵路無砟軌道伸縮縫位移量變化大的特性，提出了修補材料的性能要求。

2.1.1 便捷的施工性

高速鐵路無砟軌道失效嵌縫材料需在夜間天窗期內(nèi)修補，施工時間緊張。雙組分或多組分修補材料需要使用天平按照配比秤量和攪拌，增加了施工環(huán)節(jié)和人為誤差。而且，高鐵線路風(fēng)力大，天平稱量準(zhǔn)確性下降較大，修補材料性能無法保證。液態(tài)型修補材料需要采用封閉等措施以防止材料外流，降低了施工效率。而且，液態(tài)型修補材料難于灌注，容易滴灑，污染軌道板。特別是風(fēng)力較大時，材料灌注難度大幅增加，材料外溢、飄灑嚴(yán)重。單組分觸變型修補材料無流動性，立面不流掛，且無須稱量，直接使用膠槍灌注即可，節(jié)約了施工時間，確保了修補材料質(zhì)量。同時，修補材料可低溫施工(－20℃)，滿足無砟軌道嵌縫材料冬季施工需要。

2.1.2 優(yōu)異的變形性

高速鐵路無砟軌道修補材料應(yīng)具有良好的柔順性，滿足50LM等級密封膠的要求，易于跟隨伸縮縫的變化而發(fā)生形變，緩解和釋放應(yīng)力，防止應(yīng)力集中，適應(yīng)于溫變引起的位移量變化較大的伸縮縫的防水密封要求。

2.1.3 良好的性能穩(wěn)定性

修補材料內(nèi)部應(yīng)具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，溫度變化較大時可保持性狀穩(wěn)定，低溫(－20℃)不失柔順性，高溫(80℃)仍具有良好的力學(xué)強度，適用于不同地域環(huán)境的需要。

2.1.4 優(yōu)異的耐老化性

修補材料長期暴露在戶外，應(yīng)具有優(yōu)異的耐熱性能、耐水解性能和耐紫外老化性能。而且，修補材料還應(yīng)適應(yīng)混凝土堿環(huán)境，具有良好的耐堿性。

2.2 硅酮嵌縫材料

根據(jù)上述要求研發(fā)了滿足《高速鐵路無砟軌道嵌縫材料暫行技術(shù)條件》要求的單組分觸變型硅酮嵌縫材料［3］。硅酮以Si—O鍵為主鏈結(jié)構(gòu)，且聚硅氧烷分子體積大、內(nèi)聚能密度低，其柔順性明顯高于聚氨酯等其它材料。同時，硅酮含有的 Si—O鍵鍵能高達(dá)452 kJ/mol，遠(yuǎn)大于C—C鍵鍵能(356 kJ/mol)和C—O鍵鍵能(358 kJ/mol)［4］。因此，其性狀穩(wěn)定，抵抗破壞能力強，可在－50～80℃內(nèi)正常工作，使用壽命是一般材料的3～6倍［5］。此外，它可在－20℃下正常施工，固化性能不受影響，是其它高分子材料無法替代的。硅酮嵌縫材料性能見表1。

3 修補工藝

夜間天窗期時間有限(≤4 h)，而且，一般情況下修補地點與進場地點距離較遠(yuǎn)，施工前修補材料與機具的搬運、登記及清查和施工后修補材料與機具的清點、撤離都要在天窗期內(nèi)進行，實際現(xiàn)場修補時間只有約2～3 h。因此，嵌縫材料的修補工藝應(yīng)簡單、快捷、高效，所需機具數(shù)量少，且輕便、易攜帶。根據(jù)現(xiàn)場修補實際需求，提出了無砟軌道嵌縫材料修補工藝，主要包括基礎(chǔ)清理、防護及界面處理、注膠和修飾。具體修補工藝如下。

表1 硅酮嵌縫材料性能

3.1 基礎(chǔ)清理

基礎(chǔ)清理主要包括伸縮縫內(nèi)瀝青嵌縫材料的清除、縫內(nèi)混凝土黏結(jié)面的清理和作業(yè)面的清掃。首先，使用沖擊鉆將瀝青嵌縫材料破碎，破碎后用便攜式切割工具將縫內(nèi)仍與混凝土粘連的瀝青嵌縫材料清除。然后使用角磨機對縫內(nèi)混凝土粘結(jié)面進行打磨，去除表層粘結(jié)松散的瀝青嵌縫材料，一般情況下，打磨一遍即可，防止多次打磨導(dǎo)致混凝土粘結(jié)面粗糙度下降。最后使用吹風(fēng)機將整個作業(yè)面清掃干凈，特別是伸縮縫內(nèi)及兩側(cè)，務(wù)必將瀝青嵌縫材料碎屑和灰塵清掃干凈。基礎(chǔ)清理過程見圖6。

3.2 防護及界面處理

防護主要是為了防止在灌注或修飾硅酮嵌縫材料時伸縮縫兩側(cè)混凝土被材料污染，影響美觀。對混凝土進行防護時，采用防護膠帶(寬度5～8 cm)粘貼至伸縮縫兩側(cè)混凝土表面，防護膠帶應(yīng)與伸縮縫邊緣對齊。同時，混凝土為多孔結(jié)構(gòu)，硅酮嵌縫材料與其粘結(jié)時，容易在界面出現(xiàn)針眼、空鼓等情況，嚴(yán)重影響材料的粘結(jié)性能。因此，需在混凝土粘結(jié)面涂刷界面劑，改善界面狀態(tài)，確保修補材料與混凝土粘結(jié)牢固。涂刷界面劑時，應(yīng)均勻、薄層涂抹，不應(yīng)漏涂和反復(fù)涂抹。漏涂會導(dǎo)致修補材料局部粘結(jié)性能降低，成為受拉薄弱點;涂抹過多既浪費材料，又會降低修補材料與混凝土的粘結(jié)強度。防護及界面處理如圖7所示。

圖6 基礎(chǔ)清理

圖7 防護及界面處理

3.3 注膠

硅酮嵌縫材料的變形性能與伸縮縫內(nèi)填充的尺寸具有相關(guān)性。嵌縫寬深比越小，材料的變形性能越好，但是嵌縫厚度也不宜過薄，否則容易被外力破壞，使用壽命降低。一般情況下，材料的嵌縫寬深比建議為0.5～1.0。為了達(dá)到合理的嵌縫寬深比，需要向伸縮縫中填充泡沫條。向縫內(nèi)放置泡沫條時，泡沫條上端與伸縮縫上部的距離應(yīng)與設(shè)計高度相符，且確保泡沫條在伸縮縫內(nèi)“卡死”，防止灌膠后泡沫上浮。泡沫條安裝后，用專用膠槍將硅酮嵌縫材料注入至伸縮縫內(nèi)。注膠時，膠槍口應(yīng)深入縫的底部，灌注速度應(yīng)緩慢均勻，避免內(nèi)部空鼓，減少氣泡產(chǎn)生。當(dāng)注膠位置的修補材料高度超過伸縮縫約0.5 cm時，停止注膠，向后移動，對下一個位置進行注膠。鑲嵌泡沫條和注膠如圖8所示。

3.4 修飾

修補材料具有觸變性，需要使用工具將其刮平，保證表面密封嚴(yán)實。使用工具修飾時，應(yīng)盡量一次刮平，減少刮抹次數(shù)，確保材料表面無氣泡、凹坑等。一般情況下修補材料刮平約5 m后，開始拆除保護膠帶。如保護膠帶拆除不及時，修補材料表面凝膠會粘上保護膠帶，拆除時會破壞修補材料，影響防水密封性能。修補材料的修飾和保護膠帶的拆除如圖9所示。

圖8 鑲嵌泡沫條和注膠

圖9 修飾修補材料和拆除膠帶

4 修補效果

目前，研究提出的單組分觸變型硅酮嵌縫材料及修補工藝已在高鐵線路推廣應(yīng)用。2012年開始修補至今，嵌縫材料工作狀態(tài)良好，沒有出現(xiàn)新的傷損情況，修補效果良好。修補效果如圖10所示。

圖10 修補效果

5 結(jié)論

1)瀝青類嵌縫材料性狀不穩(wěn)定，低溫脆，高溫流淌，使用壽命短，易出現(xiàn)溢出、開裂、離縫、脫落等問題。

2)單組分觸變型硅酮嵌縫材料具有施工便捷、變形性良好、性能穩(wěn)定和耐老化性能優(yōu)異等特點，能夠滿足高速鐵路無砟軌道嵌縫材料性能要求。

3)本文所采用的高速鐵路無砟軌道嵌縫材料修補工藝簡單、快捷、高效，能夠滿足高速鐵路無砟軌道嵌縫材料夜間修補的特殊工況要求;同時，該修補技術(shù)成熟、可靠，修補效果良好，可恢復(fù)長期防水密封功能。

［1］易忠來，靳昊，李化建，等.高速鐵路無砟軌道嵌縫材料技術(shù)要求研究［J］.中國鐵路，2015(4):45-49.

［2］毛國新，程地琴.高寒地區(qū)混凝土防滲渠伸縮縫填料選擇［J］.中國農(nóng)村水利水電，2008(8):72-74.

［3］黃文潤.硅油及二次加工品［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［4］劉聰盼.高性能脫醇型RTV-1有機硅密封膠的研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2011.

［5］中國鐵路總公司.TG/GW 119—2013 高速鐵路無砟軌道嵌縫材料暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2014.

Study on repairing technology for high speed railway ballastless track with joint sealant material

TAN Shehui1，JIN Hao2，YI Zhonglai2
(1.Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China;2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Joint sealant material damage status of high speed railway ballastless track was introduced，the failure reason of asphalt joint sealant material was analyzed，and the harm of failure joint sealant material to structure durability of ballastless track was described.According to working environment and deformation features of ballastless track expansion joints，the performance requirements of repair materials was presented and silicone joint sealant material was developed independently.By combing with repair characteristics in the“skylight period”，a simple，fast and efficient repair process was proposed and silicone joint sealant material was used to repair failure joint sealant material of high speed railway during the same time，the repair effect of which is good.

Ballastless track;Expansion joint;Silicone joint sealant material;Repair process

U213.2+44

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.31

(責(zé)任審編 周彥彥)

2015-03-07;

:2015-07-04

國家自然科學(xué)基金項目(51308546);中國鐵道科學(xué)研究院基金項目(2013YJ026)

譚社會(1973— )，男，高級工程師。

1003-1995(2015)11-0108-05