高原大風(fēng)嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)砟軌道嵌縫材料傷損及修復(fù)技術(shù)研究

楊延強(qiáng)，任 新

(1.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州西工務(wù)段，甘肅蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué) 鐵道技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

蘭新高速鐵路是世界上一次性建設(shè)里程最長(zhǎng)、海拔最高的高速鐵路，其在路基段創(chuàng)新性地采用了類(lèi)單元化雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)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(qū)具有大風(fēng)、嚴(yán)寒、干旱、溫差大、普速列車(chē)上線(xiàn)運(yùn)行等顯著特點(diǎn)。特殊的結(jié)構(gòu)形式結(jié)合沿線(xiàn)特殊的地理環(huán)境使得蘭新高速鐵路無(wú)砟軌道嵌縫材料的養(yǎng)護(hù)維修具有特殊性。

目前許多學(xué)者對(duì)無(wú)砟軌道嵌縫材料的性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]綜合考慮高速鐵路無(wú)砟軌道伸縮縫實(shí)際工作環(huán)境的特殊性，結(jié)合聚氨酯、硅酮材料特點(diǎn)，對(duì)無(wú)砟軌道嵌縫材料的技術(shù)要求進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]對(duì)低彈性模量的聚氨酯材料進(jìn)行了耐熱、耐堿、耐水、耐紫外線(xiàn)老化性能研究。文獻(xiàn)[3]對(duì)蘭新高速鐵路道床板伸縮縫嵌縫膠劣化現(xiàn)象進(jìn)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(huán)境溫度等方面，提出了防劣化措施。文獻(xiàn)[4]結(jié)合高速鐵路建設(shè)實(shí)際需要，從優(yōu)化跟隨性、耐久性和黏結(jié)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(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道道床板真假縫嵌縫材料的研究大多限于一般環(huán)境下嵌縫材料力學(xué)性能和黏結(jié)性能研究[5]，對(duì)特殊環(huán)境下嵌縫材料的性能、工程應(yīng)用及傷損修復(fù)技術(shù)尚研究不足。本文依托中國(guó)鐵道科學(xué)研究院課題，針對(duì)西北高原大風(fēng)嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路無(wú)砟軌道道床板真假縫聚氨酯嵌縫材料傷損類(lèi)型及特點(diǎn)，采用新型有機(jī)硅柔性密封嵌縫材料，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的修補(bǔ)試驗(yàn)，對(duì)其工程特性及修復(fù)工藝進(jìn)行研究，以恢復(fù)無(wú)砟道床嵌縫材料的防水密封功能，提高無(wú)砟道床混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

1 無(wú)砟軌道嵌縫材料傷損調(diào)研

1.1 調(diào)研范圍

1)蘭新高速鐵路大風(fēng)嚴(yán)寒氣候環(huán)境地段。該地段具有海拔高、風(fēng)速大、溫差大、嚴(yán)寒、普速車(chē)上線(xiàn)等特點(diǎn)。具體觀測(cè)地點(diǎn)為K2326+000—K2327+000。

2)蘭新高速鐵路一般氣候環(huán)境地段。該地段具有海拔低、風(fēng)速小、溫差小、普速車(chē)上線(xiàn)等特點(diǎn)。具體觀測(cè)地點(diǎn)為K1703+500—K1704+500。

3)嘉峪關(guān)南至清泉南地段。該地段具有海拔高、風(fēng)速大、溫差大、嚴(yán)寒、普速車(chē)未上線(xiàn)等特點(diǎn)。具體觀測(cè)地點(diǎn)為K2353+500—K2353+700。

1.2 傷損檢測(cè)

1.2.1 嵌縫材料傷損檢測(cè)項(xiàng)目

檢測(cè)項(xiàng)目包括無(wú)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(zhǎng)度。

1.2.2 嵌縫材料傷損檢測(cè)工具

采用塞尺、卷尺、鋼板尺對(duì)嵌縫材料離縫/裂縫寬度、長(zhǎng)度、深度進(jìn)行測(cè)量。

1.2.3 檢測(cè)要求

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

2)每月必須定人、定儀器、定時(shí)間對(duì)目標(biāo)離縫/裂縫進(jìn)行周期觀測(cè)。

2 特殊環(huán)境下嵌縫材料傷損類(lèi)型及規(guī)律

2.1 聚氨酯嵌縫材料傷損類(lèi)型

周期性的觀測(cè)結(jié)果表明:觀測(cè)區(qū)段無(wú)砟軌道道床板真、假縫聚氨酯嵌縫材料均出現(xiàn)不同程度傷損；出現(xiàn)聚氨酯嵌縫材料傷損的真縫數(shù)量多于假縫；傷損主要表現(xiàn)為單、雙側(cè)離縫，開(kāi)裂及凝膠不固化，傷損以離縫為主，離縫數(shù)量多、長(zhǎng)度大，且與道床板混凝土完全脫離。聚氨酯嵌縫材料現(xiàn)場(chǎng)傷損類(lèi)型如圖1所示。

圖1 聚氨酯嵌縫材料傷損類(lèi)型

2.2 聚氨酯嵌縫材料傷損發(fā)展規(guī)律

調(diào)研統(tǒng)計(jì)了一般氣候環(huán)境、嚴(yán)寒氣候環(huán)境、普速列車(chē)上線(xiàn)、普速列車(chē)未上線(xiàn)等不同條件下的嵌縫材料傷損數(shù)量，同時(shí)利用塞尺、卷尺、鋼板尺等對(duì)嵌縫材料離縫寬度、長(zhǎng)度、深度進(jìn)行定期測(cè)量。不同氣候環(huán)境下的嵌縫材料離縫傷損數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 不同氣候環(huán)境下的嵌縫材料離縫傷損數(shù)量統(tǒng)計(jì)

從表1可知，不同氣候環(huán)境條件下聚氨酯嵌縫材料離縫傷損數(shù)量明顯不同，嚴(yán)寒氣候環(huán)境下聚氨酯嵌縫材料傷損為一般氣候環(huán)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(wú)砟軌道最典型的病害形式?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)單線(xiàn)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(duì)卡觀測(cè)其寬度和長(zhǎng)度，測(cè)試結(jié)果如表2所示。其中，第1次觀測(cè)溫度為最低觀測(cè)溫度，因此取離縫平均寬度差為第1次測(cè)試寬度與觀測(cè)范圍內(nèi)所有離縫的第n次測(cè)試寬度差值的平均值。聚氨酯嵌縫材料離縫平均數(shù)量差、最長(zhǎng)離縫平均寬度差、最長(zhǎng)離縫平均長(zhǎng)度差和伸縮縫平均寬度差的計(jì)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(shù)量統(tǒng)計(jì)(2016年)

從表2可知，隨著溫度變化(先升高后降低)，雙塊式無(wú)砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫材料離縫平均數(shù)量差、最長(zhǎng)離縫平均寬度差、最長(zhǎng)離縫平均長(zhǎng)度差和伸縮縫平均寬度差均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。其中，7月環(huán)境溫度最高時(shí)(18℃)，測(cè)試的雙塊式無(wú)砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫膠離縫平均數(shù)量差為2條，最長(zhǎng)離縫平均寬度差為3 mm，最長(zhǎng)離縫平均長(zhǎng)度差為62 mm，伸縮縫平均寬度差為3 mm?；炷恋来舶迨軣崤蛎?，伸縮縫寬度變窄，聚氨酯嵌縫材料離縫受壓閉合，出現(xiàn)離縫數(shù)量減少、寬度降低、長(zhǎng)度變短現(xiàn)象。對(duì)比3月和11月(溫度相同)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看到，聚氨酯嵌縫材料的離縫數(shù)量沒(méi)有增加，但是離縫的寬度和長(zhǎng)度增大，說(shuō)明聚氨酯嵌縫材料離縫病害仍在發(fā)展。

自2016年3月至2016年10月嘉峪關(guān)工務(wù)段統(tǒng)計(jì)了聚氨酯嵌縫材料離縫傷損數(shù)據(jù)，分為普速車(chē)未上線(xiàn)和普速車(chē)上線(xiàn)2種工況，對(duì)比統(tǒng)計(jì)了伸縮縫嵌縫材料離縫條數(shù)和離縫長(zhǎng)度情況，見(jiàn)表3。

由表3可以看出，每年6—9月氣溫較高時(shí)，嵌縫材料離縫數(shù)量較少，隨著10月份氣溫降低，離縫數(shù)量開(kāi)始增加；普速車(chē)未上線(xiàn)區(qū)段相比普速車(chē)上線(xiàn)區(qū)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(shí)，嵌縫材料受熱膨脹，離縫數(shù)量和長(zhǎng)度總體下降，隨著10月份氣溫降低，離縫數(shù)量開(kāi)始增加；普速車(chē)未上線(xiàn)區(qū)段由于軸重輕，周期性荷載較普速車(chē)上線(xiàn)區(qū)段小，因此嵌縫材料離縫情況相對(duì)顯著。當(dāng)溫度升高時(shí)，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(xiàn)離縫閉合情況；溫度降低時(shí)，道床板冷縮，伸縮縫寬度和聚氨酯嵌縫材料離縫出現(xiàn)相反變化趨勢(shì)。同時(shí)，真縫處的聚氨酯嵌縫材料離縫數(shù)量基本穩(wěn)定，但是離縫長(zhǎng)度和寬度隨運(yùn)營(yíng)時(shí)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(shí)間變化數(shù)據(jù)(2016年)

3 嵌縫材料傷損修復(fù)技術(shù)研究

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研得知，蘭新高速鐵路自運(yùn)營(yíng)以來(lái)，因嵌縫材料老化失效而導(dǎo)致的道床結(jié)構(gòu)病害已較為普遍。因此，亟需研發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相適宜的修補(bǔ)材料，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)試驗(yàn)，總結(jié)修補(bǔ)工藝，以恢復(fù)嵌縫材料的防水密封性能，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

現(xiàn)有的無(wú)砟軌道嵌縫材料修復(fù)技術(shù)多以剔除更換為主，考慮到運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路夜間天窗作業(yè)時(shí)間短、病害處所位移變化量大等特點(diǎn)，修補(bǔ)材料性能應(yīng)滿(mǎn)足施工的便捷性、相容性、穩(wěn)定性和耐老化性[6]。

3.1 修補(bǔ)材料性能

依托科研課題及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研發(fā)了能夠滿(mǎn)足TG/GW 119—2013《高速鐵路無(wú)砟軌道嵌縫材料暫行技術(shù)條件》[7]要求的HD-800L型有機(jī)硅柔性密封嵌縫材料[8-9]。該材料以Si—O鍵為主鏈結(jié)構(gòu)，性質(zhì)穩(wěn)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(yīng)用在-50～80℃環(huán)境范圍內(nèi)，且可在-20℃下正常施工，固化性能不受影響。

HD-800L型有機(jī)硅柔性密封材料是由耐候硅橡膠、改性助劑以及少量無(wú)機(jī)填料復(fù)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(zhì)的腐蝕作用，滿(mǎn)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(fù)工藝

參照TG/GW 115—2012《高速鐵路無(wú)砟軌道線(xiàn)路維修規(guī)則》[10]無(wú)砟軌道混凝土裂縫修補(bǔ)方法，綜合考慮聚氨酯嵌縫材料傷損結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、病害等級(jí)、維修作業(yè)天窗時(shí)間等因素，無(wú)砟軌道道床板真假縫嵌縫材料修復(fù)技術(shù)可總結(jié)為表面封閉、離縫嵌填和整體更換3種。

3.2.1 表面封閉

當(dāng)真假縫嵌縫材料離縫/裂縫數(shù)量較多，長(zhǎng)度較大，分層等傷損較為普遍，且難于清除時(shí)，宜采用雙面自粘非交聯(lián)丁基橡膠將伸縮縫全部覆蓋，進(jìn)行表面封閉防水。表面封閉法修復(fù)效果見(jiàn)圖2。主要工藝流程為:伸縮縫清理→涂刷界面劑→粘貼非交聯(lián)丁基橡膠→后期處理。

表4 HD-800L型有機(jī)硅柔性材料主要性能要求

圖2 表面封閉法修復(fù)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(jī)沿伸縮縫兩側(cè)對(duì)混凝土進(jìn)行打磨，并清掃干凈，必要時(shí)可采用吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行清掃。

3)在伸縮縫兩側(cè)混凝土涂刷界面劑。

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

3.2.2 離縫嵌填

當(dāng)真假縫嵌縫材料離縫/裂縫傷損較多，容易清除時(shí)，對(duì)傷損兩側(cè)進(jìn)行切割，使其完全與混凝土表面脫開(kāi)，然后采用HD-800L型有機(jī)硅柔性密封材料進(jìn)行離縫嵌填。離縫嵌填法修復(fù)效果見(jiàn)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(jī)硅柔性密封材料→后期處理。

圖3 離縫嵌填法修復(fù)效果

離縫嵌填施工工藝如下:

1)采用手持式打磨機(jī)對(duì)伸縮縫兩側(cè)混凝土進(jìn)行打磨。

2)采用壁紙刀等沿伸縮縫離縫進(jìn)行切割，并清理干凈。

3)將界面劑涂刷至傷損兩側(cè)混凝土表面。

4)將有機(jī)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(jī)硅柔性密封材料刮平、修飾。

3.2.3 整體更換

當(dāng)聚氨酯嵌縫材料傷損嚴(yán)重，無(wú)法采用表面封閉和離縫嵌填工藝進(jìn)行修復(fù)時(shí)，應(yīng)將原有聚氨酯嵌縫材料剔除，采用HD-800L型有機(jī)硅柔性密封材料重新進(jìn)行嵌縫施工。嵌縫材料整體更換修復(fù)效果見(jiàn)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(hù)→嵌縫→后期處理。

圖4 嵌縫材料整體更換修復(fù)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(jī)對(duì)傷損混凝土表面進(jìn)行打磨處理，去除殘留嵌縫膠。

3)涂刷界面劑。

4)采用有機(jī)硅柔性密封材料嵌縫，并抹平修飾。

4 結(jié)論

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

2)當(dāng)溫度升高時(shí)，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(xiàn)離縫閉合情況；溫度降低時(shí)，道床板冷縮，伸縮縫寬度和聚氨酯嵌縫材料離縫出現(xiàn)相反變化趨勢(shì)。真縫處的聚氨酯嵌縫材料離縫數(shù)量基本穩(wěn)定，但是離縫長(zhǎng)度和寬度隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加而增大，離縫仍在劣化。

3)HD-800L型有機(jī)硅柔性密封材料變形性能優(yōu)良，氣密性、水密性良好，且施工簡(jiǎn)便，滿(mǎn)足高原大風(fēng)嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)砟軌道嵌縫材料更換及修復(fù)性能要求。

4)對(duì)于聚氨酯嵌縫材料離縫/裂縫傷損，不易清除時(shí)宜采用雙面自粘非交聯(lián)丁基橡膠進(jìn)行表面封閉處理；易于清除時(shí)宜采用HD-800L型有機(jī)硅柔性密封材料進(jìn)行離縫嵌填；對(duì)于無(wú)法采用表面封閉和離縫嵌填工藝進(jìn)行修復(fù)的傷損，應(yīng)采用HD-800L型有機(jī)硅柔性密封材料重新進(jìn)行嵌縫施工。