高原大風嚴寒地區無砟軌道嵌縫材料傷損及修復技術研究

楊延強，任 新

(1.中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州西工務段，甘肅蘭州 730050；2.蘭州交通大學 鐵道技術學院，甘肅 蘭州 730030)

蘭新高速鐵路是世界上一次性建設里程最長、海拔最高的高速鐵路，其在路基段創新性地采用了類單元化雙塊式無砟軌道結構形式，并大量采用了聚氨酯高分子嵌縫材料。蘭新高速鐵路所處地區具有大風、嚴寒、干旱、溫差大、普速列車上線運行等顯著特點。特殊的結構形式結合沿線特殊的地理環境使得蘭新高速鐵路無砟軌道嵌縫材料的養護維修具有特殊性。

目前許多學者對無砟軌道嵌縫材料的性能進行了研究。文獻[1]綜合考慮高速鐵路無砟軌道伸縮縫實際工作環境的特殊性，結合聚氨酯、硅酮材料特點，對無砟軌道嵌縫材料的技術要求進行了研究。文獻[2]對低彈性模量的聚氨酯材料進行了耐熱、耐堿、耐水、耐紫外線老化性能研究。文獻[3]對蘭新高速鐵路道床板伸縮縫嵌縫膠劣化現象進行分析，從嵌縫膠配合比、道床板真假縫的打磨處理、泡沫板填塞、環境溫度等方面，提出了防劣化措施。文獻[4]結合高速鐵路建設實際需要，從優化跟隨性、耐久性和黏結性3方面研究了適用于混凝土嵌縫的高性能密封材料。

目前，對高速鐵路無砟軌道道床板真假縫嵌縫材料的研究大多限于一般環境下嵌縫材料力學性能和黏結性能研究[5]，對特殊環境下嵌縫材料的性能、工程應用及傷損修復技術尚研究不足。本文依托中國鐵道科學研究院課題，針對西北高原大風嚴寒地區高速鐵路無砟軌道道床板真假縫聚氨酯嵌縫材料傷損類型及特點，采用新型有機硅柔性密封嵌縫材料，通過現場進行的修補試驗，對其工程特性及修復工藝進行研究，以恢復無砟道床嵌縫材料的防水密封功能，提高無砟道床混凝土結構的耐久性。

1 無砟軌道嵌縫材料傷損調研

1.1 調研范圍

1)蘭新高速鐵路大風嚴寒氣候環境地段。該地段具有海拔高、風速大、溫差大、嚴寒、普速車上線等特點。具體觀測地點為K2326+000—K2327+000。

2)蘭新高速鐵路一般氣候環境地段。該地段具有海拔低、風速小、溫差小、普速車上線等特點。具體觀測地點為K1703+500—K1704+500。

3)嘉峪關南至清泉南地段。該地段具有海拔高、風速大、溫差大、嚴寒、普速車未上線等特點。具體觀測地點為K2353+500—K2353+700。

1.2 傷損檢測

1.2.1 嵌縫材料傷損檢測項目

檢測項目包括無砟道床真假縫嵌縫材料的外觀特征及離縫/裂縫的寬度、深度、長度。

1.2.2 嵌縫材料傷損檢測工具

采用塞尺、卷尺、鋼板尺對嵌縫材料離縫/裂縫寬度、長度、深度進行測量。

1.2.3 檢測要求

1)選取的失效嵌縫材料具體觀測位置必須用紅油漆進行標注，以保證每次觀測位置相同。

2)每月必須定人、定儀器、定時間對目標離縫/裂縫進行周期觀測。

2 特殊環境下嵌縫材料傷損類型及規律

2.1 聚氨酯嵌縫材料傷損類型

周期性的觀測結果表明:觀測區段無砟軌道道床板真、假縫聚氨酯嵌縫材料均出現不同程度傷損；出現聚氨酯嵌縫材料傷損的真縫數量多于假縫；傷損主要表現為單、雙側離縫，開裂及凝膠不固化，傷損以離縫為主，離縫數量多、長度大，且與道床板混凝土完全脫離。聚氨酯嵌縫材料現場傷損類型如圖1所示。

圖1 聚氨酯嵌縫材料傷損類型

2.2 聚氨酯嵌縫材料傷損發展規律

調研統計了一般氣候環境、嚴寒氣候環境、普速列車上線、普速列車未上線等不同條件下的嵌縫材料傷損數量，同時利用塞尺、卷尺、鋼板尺等對嵌縫材料離縫寬度、長度、深度進行定期測量。不同氣候環境下的嵌縫材料離縫傷損數量統計如表1所示。

表1 不同氣候環境下的嵌縫材料離縫傷損數量統計

從表1可知，不同氣候環境條件下聚氨酯嵌縫材料離縫傷損數量明顯不同，嚴寒氣候環境下聚氨酯嵌縫材料傷損為一般氣候環境下的1.5倍。

道床板裂縫和聚氨酯嵌縫材料傷損是蘭新高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道最典型的病害形式。現場對單線500 m路基道床板伸縮縫(真縫)處聚氨酯嵌縫膠離縫傷損采用比對卡觀測其寬度和長度，測試結果如表2所示。其中，第1次觀測溫度為最低觀測溫度，因此取離縫平均寬度差為第1次測試寬度與觀測范圍內所有離縫的第n次測試寬度差值的平均值。聚氨酯嵌縫材料離縫平均數量差、最長離縫平均寬度差、最長離縫平均長度差和伸縮縫平均寬度差的計算方法與離縫平均寬度差相同。

表2 聚氨酯嵌縫材料離縫傷損數量統計(2016年)

從表2可知，隨著溫度變化(先升高后降低)，雙塊式無砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫材料離縫平均數量差、最長離縫平均寬度差、最長離縫平均長度差和伸縮縫平均寬度差均呈現先增大后減小的趨勢。其中，7月環境溫度最高時(18℃)，測試的雙塊式無砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫膠離縫平均數量差為2條，最長離縫平均寬度差為3 mm，最長離縫平均長度差為62 mm，伸縮縫平均寬度差為3 mm。混凝土道床板受熱膨脹，伸縮縫寬度變窄，聚氨酯嵌縫材料離縫受壓閉合，出現離縫數量減少、寬度降低、長度變短現象。對比3月和11月(溫度相同)觀測數據可以看到，聚氨酯嵌縫材料的離縫數量沒有增加，但是離縫的寬度和長度增大，說明聚氨酯嵌縫材料離縫病害仍在發展。

自2016年3月至2016年10月嘉峪關工務段統計了聚氨酯嵌縫材料離縫傷損數據，分為普速車未上線和普速車上線2種工況，對比統計了伸縮縫嵌縫材料離縫條數和離縫長度情況，見表3。

由表3可以看出，每年6—9月氣溫較高時，嵌縫材料離縫數量較少，隨著10月份氣溫降低，離縫數量開始增加；普速車未上線區段相比普速車上線區段嵌縫材料離縫情況更顯著。分析原因如下:每年6—9月氣溫較高時，嵌縫材料受熱膨脹，離縫數量和長度總體下降，隨著10月份氣溫降低，離縫數量開始增加；普速車未上線區段由于軸重輕，周期性荷載較普速車上線區段小，因此嵌縫材料離縫情況相對顯著。當溫度升高時，道床板熱脹，伸縮縫寬度和聚氨酯嵌縫材料離縫寬度減小，甚至出現離縫閉合情況；溫度降低時，道床板冷縮，伸縮縫寬度和聚氨酯嵌縫材料離縫出現相反變化趨勢。同時，真縫處的聚氨酯嵌縫材料離縫數量基本穩定，但是離縫長度和寬度隨運營時間增加而增大，離縫仍在劣化。

表3 聚氨酯嵌縫材料離縫傷損隨時間變化數據(2016年)

3 嵌縫材料傷損修復技術研究

通過現場實地調研得知，蘭新高速鐵路自運營以來，因嵌縫材料老化失效而導致的道床結構病害已較為普遍。因此，亟需研發與現場環境相適宜的修補材料，通過現場修補試驗，總結修補工藝，以恢復嵌縫材料的防水密封性能，提高混凝土結構的耐久性。

現有的無砟軌道嵌縫材料修復技術多以剔除更換為主，考慮到運營線路夜間天窗作業時間短、病害處所位移變化量大等特點，修補材料性能應滿足施工的便捷性、相容性、穩定性和耐老化性[6]。

3.1 修補材料性能

依托科研課題及現場實際需要，中國鐵道科學研究院研發了能夠滿足TG/GW 119—2013《高速鐵路無砟軌道嵌縫材料暫行技術條件》[7]要求的HD-800L型有機硅柔性密封嵌縫材料[8-9]。該材料以Si—O鍵為主鏈結構，性質穩定，不僅具有良好的柔順性，而且能夠隨伸縮縫的變化而變化，可應用在-50～80℃環境范圍內，且可在-20℃下正常施工，固化性能不受影響。

HD-800L型有機硅柔性密封材料是由耐候硅橡膠、改性助劑以及少量無機填料復合而成的單組份、非下垂型、高耐候性密封材料。該材料具有極低的彈性模量，嵌入到接縫處能夠承受接縫處溫度變形，并能夠抵抗腐蝕介質的腐蝕作用，滿足氣密性及水密性要求，其主要性能要求如表4所示。

3.2 修復工藝

參照TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》[10]無砟軌道混凝土裂縫修補方法，綜合考慮聚氨酯嵌縫材料傷損結構特點、病害等級、維修作業天窗時間等因素，無砟軌道道床板真假縫嵌縫材料修復技術可總結為表面封閉、離縫嵌填和整體更換3種。

3.2.1 表面封閉

當真假縫嵌縫材料離縫/裂縫數量較多，長度較大，分層等傷損較為普遍，且難于清除時，宜采用雙面自粘非交聯丁基橡膠將伸縮縫全部覆蓋，進行表面封閉防水。表面封閉法修復效果見圖2。主要工藝流程為:伸縮縫清理→涂刷界面劑→粘貼非交聯丁基橡膠→后期處理。

表4 HD-800L型有機硅柔性材料主要性能要求

圖2 表面封閉法修復效果

失效嵌縫材料表面封閉工藝如下:

1)將溢出伸縮縫外的粘貼不緊密的嵌縫材料清除。

2)采用手持式打磨機沿伸縮縫兩側對混凝土進行打磨，并清掃干凈，必要時可采用吹風機進行清掃。

3)在伸縮縫兩側混凝土涂刷界面劑。

4)將非交聯丁基橡膠粘貼在伸縮縫表面，丁基橡膠應將伸縮縫完全遮蓋，且與伸縮縫兩側混凝土黏結寬度≥2 cm。

3.2.2 離縫嵌填

當真假縫嵌縫材料離縫/裂縫傷損較多，容易清除時，對傷損兩側進行切割，使其完全與混凝土表面脫開，然后采用HD-800L型有機硅柔性密封材料進行離縫嵌填。離縫嵌填法修復效果見圖3。主要工藝流程為:聚氨酯嵌縫材料切割→離縫清理→涂刷界面劑→填充HD-800L型有機硅柔性密封材料→后期處理。

圖3 離縫嵌填法修復效果

離縫嵌填施工工藝如下:

1)采用手持式打磨機對伸縮縫兩側混凝土進行打磨。

2)采用壁紙刀等沿伸縮縫離縫進行切割，并清理干凈。

3)將界面劑涂刷至傷損兩側混凝土表面。

4)將有機硅柔性密封材料直接注在原有嵌縫膠表面和離縫處。

5)將有機硅柔性密封材料刮平、修飾。

3.2.3 整體更換

當聚氨酯嵌縫材料傷損嚴重，無法采用表面封閉和離縫嵌填工藝進行修復時，應將原有聚氨酯嵌縫材料剔除，采用HD-800L型有機硅柔性密封材料重新進行嵌縫施工。嵌縫材料整體更換修復效果見圖4。主要工藝流程為:聚氨酯嵌縫材料剔除→基面清理→安裝泡沫板→涂刷界面劑→混凝土防護→嵌縫→后期處理。

圖4 嵌縫材料整體更換修復效果

失效嵌縫膠整體更換工藝如下:

1)采用手持式切割工具將失效的嵌縫材料完全剔除，剔除深度需≥2 cm。

2)采用手持式打磨機對傷損混凝土表面進行打磨處理，去除殘留嵌縫膠。

3)涂刷界面劑。

4)采用有機硅柔性密封材料嵌縫，并抹平修飾。

4 結論

1)蘭新高速鐵路無砟軌道伸縮縫和路間及線間封閉層使用的嵌縫材料出現了較多問題，真縫傷損明顯多于假縫，其病害主要表現為離縫、開裂和凝膠不固化。

2)當溫度升高時，道床板熱脹，伸縮縫寬度和聚氨酯嵌縫材料離縫寬度減小，甚至出現離縫閉合情況；溫度降低時，道床板冷縮，伸縮縫寬度和聚氨酯嵌縫材料離縫出現相反變化趨勢。真縫處的聚氨酯嵌縫材料離縫數量基本穩定，但是離縫長度和寬度隨運營時間增加而增大，離縫仍在劣化。

3)HD-800L型有機硅柔性密封材料變形性能優良，氣密性、水密性良好，且施工簡便，滿足高原大風嚴寒地區無砟軌道嵌縫材料更換及修復性能要求。

4)對于聚氨酯嵌縫材料離縫/裂縫傷損，不易清除時宜采用雙面自粘非交聯丁基橡膠進行表面封閉處理；易于清除時宜采用HD-800L型有機硅柔性密封材料進行離縫嵌填；對于無法采用表面封閉和離縫嵌填工藝進行修復的傷損，應采用HD-800L型有機硅柔性密封材料重新進行嵌縫施工。