淺談鐵路混凝土橋梁用聚氨酯彈性體梁端防水裝置*

張勇 劉志* 趙微微 賈積恒 劉彥光 馬崇

(1. 北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司 北京 102206)

混凝土橋梁在長(zhǎng)期使用過程中極易出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)、混凝土碳化、鋼筋電化學(xué)銹蝕、酸雨破壞和凍融循環(huán)等耐久性病害，這些病害的產(chǎn)生、發(fā)展均與水有關(guān)。鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB 10621—2009《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，橋梁端部應(yīng)采取有效防水措施，防止因污水順梁間接縫流下造成的梁體、梁端表面、支座及下部結(jié)構(gòu)被腐蝕[1]。

傳統(tǒng)鐵路混凝土橋梁梁端伸縮縫防水裝置大多采用橡膠止水帶。結(jié)合軌道形式，客運(yùn)專線鐵路分為無砟軌道橋梁伸縮縫及有砟軌道橋梁伸縮縫，根據(jù)適應(yīng)不同的伸縮量劃分為不同的等級(jí)。無砟軌道橋梁伸縮縫裝置一般由一次成型的金屬型材、防水橡膠條以及錨固裝置3部分構(gòu)成；有砟軌道橋梁伸縮縫除上述3部分外，還包括擋碴蓋板共4部分組成。金屬型材可采用鋁合金及耐候鋼型材；防水橡膠條采用氯丁橡膠或三元乙丙橡膠，膠條擠壓成型，既滿足橋梁伸縮，又能密封防漏。

傳統(tǒng)的橡膠止水帶伸縮縫防水裝置在使用過程中，很容易出現(xiàn)不同程度的病害，喪失梁端防水密封及排水功能[2-3]，嚴(yán)重影響防水裝置使用壽命和橋梁質(zhì)量。橡膠止水帶伸縮縫防水裝置的橡膠開裂、脫落、排水通道堵塞及無法維修更換等問題，已經(jīng)成為鐵路橋梁橋面防排水工程的一大難題。而最近開發(fā)的聚氨酯彈性體伸縮縫防水裝置在滿足橋梁伸縮變形的同時(shí)，可保證梁間防水，提高了混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性，確保行車安全。

1 聚氨酯彈性體梁端防水裝置組成

鐵路混凝土橋梁彈性體梁端防水裝置即聚氨酯彈性體伸縮縫。與橡膠止水帶伸縮縫不同，其無金屬型材、錨固裝置等支承結(jié)構(gòu)，與混凝土梁端連接方式僅為粘接，屬于“非固定式”梁間伸縮縫。聚氨酯彈性體伸縮縫可在施工現(xiàn)場(chǎng)制作，將雙組分聚氨酯兩個(gè)組分按比例混合均勻，澆注至梁間接縫槽中，常溫固化后形成彈性體，并與兩側(cè)梁端牢固粘接。

彈性體梁端防水裝置由聚氨酯彈性體材料、底涂層、面涂層、襯墊、鋼蓋板及錨固裝置等部分組成，其中聚氨酯彈性體材料為主要組成部分，起防水密封的作用，同時(shí)可隨梁體伸縮而變形；底涂層作為界面材料，可使彈性體材料與梁體粘接牢固；面涂層可提高彈性體材料的耐候性；襯墊是輔助成型裝置，在聚氨酯彈性體固化成型后可拆除(見圖1)[4-5]；有砟軌道應(yīng)設(shè)置鋼蓋板。

圖1 彈性體梁端防水裝置示意圖

2 聚氨酯彈性體梁端防水裝置生產(chǎn)

2.1 聚氨酯彈性體組合料生產(chǎn)

聚氨酯彈性體組合料由A、B兩個(gè)組分組成。

A組分由聚醚多元醇、聚四氫呋喃二醇、增塑劑與異氰酸酯預(yù)聚反應(yīng)制得，基本工藝如下：上述2種多元醇脫水，加入異氰酸酯，聚合反應(yīng)約3 h，保溫2 h后降溫、包裝。

B組分由聚醚多元醇、擴(kuò)鏈劑、防老劑和催化劑等混合制得，基本工藝如下：采用高速分散機(jī)將防老劑與聚醚多元醇混合并研磨，加入擴(kuò)鏈劑后脫水，降溫后加入催化劑，攪拌30 min后包裝。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝

彈性體梁端防水裝置現(xiàn)場(chǎng)施工具體操作流程詳見圖2，現(xiàn)場(chǎng)安裝嚴(yán)禁在負(fù)溫和大風(fēng)雨雪天氣進(jìn)行施工。

圖2 彈性體梁端防水裝置現(xiàn)場(chǎng)施工流程圖

(1)基層處理

將混凝土表面的油污、脫模劑、浮渣、浮土以及空鼓、松動(dòng)、蜂窩麻面打磨處理，確保粘接面混凝土表面密實(shí)、平整、清潔和干燥[4]，若存在影響彈性體與混凝土粘接質(zhì)量的情況，應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)處理。

(2)襯墊安裝

根據(jù)接縫寬度和梁端構(gòu)造尺寸選擇襯墊種類及規(guī)格，確保聚氨酯兩個(gè)組分混合后在澆注過程中不下沉、不漏液及不變形，成型面平順，確保聚氨酯彈性體成型后的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸要求。

(3)底涂料施工

底涂料施工前應(yīng)確認(rèn)粘接面狀態(tài)，涂膜應(yīng)均勻、不露底面、不堆積，涂刷面外輪廓尺寸應(yīng)大于底涂料與彈性體接觸邊界，用量不小于0.4 kg/m2，聚氨酯彈性體澆注前保證底涂層表面清潔、干燥[5]。

(4)彈性體材料澆注[6]

澆注前準(zhǔn)備工作：根據(jù)環(huán)境條件和使用說明確定聚氨酯彈性體的澆注時(shí)間及出料溫度等參數(shù)。氣溫25 ℃以上時(shí)，出料溫度控制在25～30 ℃，氣溫0～25 ℃時(shí)，出料溫度控制在30～45 ℃。先對(duì)A、B組分進(jìn)行真空脫泡，確保A、B組分出料計(jì)量誤差不大于1%。通過澆注機(jī)將混合料液注入固定容器中，固化后做初步檢測(cè)。澆注過程中應(yīng)避免帶入空氣，混合好的彈性體應(yīng)在30 min內(nèi)完成澆注，澆注后檢查表面氣泡并除泡。聚氨酯彈性體固化期間應(yīng)避免水、灰塵等雜質(zhì)混入以及機(jī)械損傷。

(5)面涂料施工

彈性體材料澆注12 h內(nèi)且膠面不粘手時(shí)，可進(jìn)行面涂料的噴涂，涂膜應(yīng)均勻、不露底面、不堆積，用量不小于0.4 kg/m2。施工完成后應(yīng)覆蓋養(yǎng)護(hù)，避免水、灰塵等雜質(zhì)混入，防止機(jī)械損傷以及后續(xù)施工破壞[4]。

3 聚氨酯彈性體梁端防水裝置的特點(diǎn)

彈性體梁端防水裝置主要部分通過現(xiàn)場(chǎng)澆注成型，無需結(jié)構(gòu)支撐，為“非固定式”產(chǎn)品，具有很好的形狀適應(yīng)性，安裝、維護(hù)及更換簡(jiǎn)便快捷，適用于普通鐵路、高速鐵路、貨運(yùn)和客貨共線鐵路常用跨度混凝土簡(jiǎn)支梁接縫密封及密封修復(fù)，城市軌道交通高架橋簡(jiǎn)支梁也適用于本產(chǎn)品。

鑒于聚氨酯材料特殊的分子結(jié)構(gòu)形式，聚氨酯彈性體伸縮縫防水裝置具有優(yōu)異的性能：

(1)拉伸性能好。常溫下斷裂伸長(zhǎng)率大于900%，最高可達(dá)1 300%，即聚氨酯可被拉伸至其長(zhǎng)度的9～13倍，同時(shí)拉伸強(qiáng)度大于3 MPa，最高可達(dá)6 MPa。橋梁長(zhǎng)度越大，其接縫伸縮量也越大，聚氨酯彈性體伸縮縫可適應(yīng)各種伸縮量的橋梁接縫。

(2)彈性恢復(fù)率大于95%。冬季橋梁收縮，彈性體伸縮縫處于拉伸狀態(tài)，夏季橋梁伸長(zhǎng)，彈性體可恢復(fù)原狀態(tài)，不易發(fā)生蠕變而導(dǎo)致材料破壞。

(3)耐疲勞。聚氨酯彈性體伸縮縫在經(jīng)過400萬次高周疲勞測(cè)試和200萬次低周疲勞測(cè)試后無裂紋和破壞。列車高速通過時(shí)，橋梁會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，聚氨酯由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，軟段與硬段結(jié)合，軟段可以消除震動(dòng)產(chǎn)生的破壞能量，硬段可以提供一定的強(qiáng)度。而橡膠分子的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力不均勻，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成局部分子鏈斷裂。當(dāng)橡膠處于周期性變形時(shí)，分子鏈來不及松弛，應(yīng)變對(duì)應(yīng)力有一定滯后性，分子鏈中總是保持著一定的應(yīng)力梯度，從而使分子鏈容易發(fā)生斷裂。

(4)耐低溫。在-30 ℃溫度條件下使用，聚氨酯彈性體不會(huì)變硬變脆，彈性模量低至0.2 MPa，仍然保持原有的彈性、拉伸強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率。這得益于聚氨酯分子中聚醚和異氰酸酯等軟硬段相結(jié)合而產(chǎn)生的微相分離。而橡膠產(chǎn)品中炭黑粒子與橡膠分子結(jié)合形成剛性鏈段，炭黑與橡膠之間由范德華力和化學(xué)鍵聯(lián)系在一起，在低溫時(shí)，范德華力很大，剛性鏈段的作用力大，橡膠分子的運(yùn)動(dòng)受阻，表現(xiàn)出高模量，產(chǎn)品變硬變脆。

(5)耐久性。聚氨酯彈性伸縮縫耐腐蝕性強(qiáng)(如耐酸、鹽等)，其本身耐紫外和人工氣候老化性能優(yōu)于橡膠材料，且面涂料為有機(jī)硅涂料，涂覆在聚氨酯彈性體伸縮縫表面，提高防水性能，整體耐久性能非常優(yōu)異。

(6)與混凝土附著力強(qiáng)。聚氨酯彈性體伸縮縫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅為粘接，由于底涂料的界面作用，加上聚氨酯材料本身較強(qiáng)的粘接力，粘接非常牢固。而橡膠止水帶伸縮縫的橡膠條與型鋼通過嵌固槽物理連接，容易脫落而失效[7]。

4 結(jié)束語

混凝土橋梁梁端防水裝置既要有防水功能又要能適應(yīng)梁的整體伸縮變形。公路梁端防水裝置因?yàn)檐囕v通過輪胎直接接觸，無法使用低模量產(chǎn)品，因此普遍使用的鋼結(jié)構(gòu)-橡膠止水帶或?yàn)r青材料，使用過程中容易老化失效[8]。鐵路混凝土橋梁起初也是沿用了公路橋梁的梁端防水裝置，但是鐵路橋梁梁端接縫無車輛直接接觸，可以使用性能更好的低模量聚氨酯彈性體防水裝置，提高使用壽命，且防水效果好，可長(zhǎng)期推廣使用。