運營高速鐵路防水層粉化整治技術(shù)

石越峰 李斯 葉曉宇 李吉亮 謝蛟 張志超

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081）

高速鐵路路基的防水封閉效果對其長期服役性能至關(guān)重要。大氣降水入滲基床是路基出現(xiàn)軟化、翻漿冒泥病害的主要原因，同時也是我國東北、西北季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基產(chǎn)生凍脹的重要原因［1］。目前我國高速鐵路路基主要通過在線間和路肩設(shè)置纖維混凝土、鋼筋混凝土等水泥基防水封閉層，實現(xiàn)對路基的防水保護［2-3］。

嚴(yán)寒地區(qū)溫度低、晝夜溫差大、凍融作用明顯，對混凝土結(jié)構(gòu)的正常服役狀態(tài)產(chǎn)生較大危害。工務(wù)部門日常檢查時發(fā)現(xiàn)哈大、哈齊、沈丹客運專線等不同程度地出現(xiàn)水泥基防水保護層粉化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為面層混凝土粉化、剝落、掉塊，鋼筋外露銹蝕等。此外，防水保護層伸縮縫內(nèi)嵌縫材料已出現(xiàn)部分失效，水進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部后，會進一步加劇防水保護層混凝土的粉化，加之冬季凍脹、春季融沉，嚴(yán)重影響線路平順性。鑒于此，相關(guān)單位采用多種方案對嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路水泥基防水保護層粉化問題開展了整治，但效果整體不佳，混凝土結(jié)構(gòu)粉化與劣化情況未得到根本解決。結(jié)合前期整治工作和實踐經(jīng)驗，現(xiàn)有技術(shù)存在以下局限性［4］：①施工效率低。整治工作主要以人工為主，機械化程度不高，導(dǎo)致施工效率較低。②綜合成本較高。由于整治工作在天窗時間內(nèi)進行，作業(yè)時間受限，施工組織難度較大，致使混凝土粉化整治周期長，人工成本高，且聚氨酯、丙烯酸、氟碳等整治材料單價較高。③長效性差。整治后，早期效果良好，但經(jīng)歷多次的凍融循環(huán)及高溫雨季后，整治材料依舊存在開裂、破損、脫落等失效問題。

瀝青混凝土具有密實抗?jié)B、環(huán)境適應(yīng)性強、施工效率高等特點，目前在鐵路工程中主要作為防水封閉結(jié)構(gòu)全斷面鋪設(shè)于路基基床表層頂面，由于需兼顧瀝青混凝土防水性能和承載能力，故通常采用熱拌熱鋪的中粒式瀝青混凝土［5-6］。為保證中粒式瀝青混凝土的防水效果，必須采用大型壓實設(shè)備進行碾壓，不適用于運營高速鐵路線間、路肩等狹小空間的壓實作業(yè)［7］。冷拌冷鋪瀝青混凝土是將提前拌制完成的瀝青混凝土，通過袋裝貯存與運輸，并利用小型設(shè)備碾壓密實的新技術(shù)、新材料與新工藝，為嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路防水保護層粉化整治提供了新方案和新途徑［8］。

本文以哈大客運專線防水保護層粉化整治為工程背景，針對運營高速鐵路提出了冷拌砂粒式瀝青混凝土防水保護層修復(fù)方案，并從結(jié)構(gòu)形式、材料設(shè)計、施工工藝等方面開展系統(tǒng)的研究，形成了基于冷拌砂粒式瀝青混凝土的運營高速鐵路路基防水層粉化整治成套應(yīng)用技術(shù)。

1 防水保護層結(jié)構(gòu)形式

針對現(xiàn)有無砟軌道路基水泥基防水保護層易出現(xiàn)的粉化、開裂與嵌縫材料失效的病害，對破損的防水保護層進行鑿除，并采用砂粒式瀝青混凝土重新施作。砂粒式瀝青混凝土屬黏彈性材料，可不設(shè)置橫向伸縮縫，減少了防水保護層伸縮縫的數(shù)量，降低了防水失效的風(fēng)險。

依托哈大客運專線防水保護層粉化整治工程，橋梁地段處理線間和底座板兩側(cè)的混凝土保護層，路基地段只處理線間混凝土保護層，并按原混凝土保護層的排水系統(tǒng)設(shè)置排水坡。砂粒式瀝青混凝土防水保護層的基本構(gòu)成自上至下為滲透乳液層、彈性體乳液層、砂粒式瀝青混凝土防水層、瀝青乳液層。各主要組成部分的功能與作用見表1。彈性體乳液涂層厚度h1≥1.0 mm，高性能柔性砂粒式瀝青混凝土厚度為h2為30 mm ≤h2≤40 mm。典型斷面如圖1所示。

表1 砂粒式瀝青混凝土防水層各組成部分的功能與作用

圖1 砂粒式瀝青混凝土防水保護層示意（單位：cm）

為保證砂粒式瀝青混凝土與混凝土底座、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)、線間集水井等沿線構(gòu)筑物接觸立面的防水效果，在上述構(gòu)筑物相應(yīng)部位依次涂刷滲透乳液、彈性體乳液和封縫膏，其細部處理如圖2所示。

圖2 接縫細部處理示意（單位：cm）

2 材料設(shè)計

2.1 砂粒式瀝青混凝土防水層各組成部分

1）滲透乳液

滲透乳液是將瀝青（50%～55%）、滲透劑（煤油25%～30%，陽離子滲透劑3%～4%）、表面活性劑（1%～2%）、穩(wěn)定劑（1%～2%）與水（7%～20%）混合形成一種穩(wěn)定的乳液，該乳液具有很強的滲透性。滲透乳液的技術(shù)要求和測試結(jié)果見表2。

表2 滲透乳液的技術(shù)要求與測試結(jié)果

2）彈性體乳液

彈性體乳液是由丁基橡膠（5%～10%）、氯丁橡膠（8%～10%）、天然膠（13%～15%）、瀝青（53%～55%）、表面活性劑（1%～2%）和水（8%～20%）混合制成的水性膏狀體。該乳液具有耐高、低溫性能好，老化周期長，黏度高等特點。彈性體乳液的技術(shù)要求和測試結(jié)果見表3。

表3 彈性體乳液的技術(shù)要求與測試結(jié)果

3）瀝青乳液

瀝青乳液是由瀝青（60%～65%）、表面活性劑（1.5%～2.0%）、穩(wěn)定劑（0.5%）和水（32.5%～38.0%）形成的水溶性液體，具有很強的黏結(jié)性和防水性。封縫膏的技術(shù)要求和測試結(jié)果見表4。

4）封縫膏

封縫膏是由丁苯橡膠（10%～15%）、天然橡膠（10%～12%）、瀝青（45%～50%）、穩(wěn)定劑（1%）和溶劑（22%～34%）混合制成的溶劑型膏狀體。封縫膏的技術(shù)要求和測試結(jié)果見表5。

表5 封縫膏的技術(shù)要求與測試結(jié)果

由表2—表5可知，哈大客運專線防水保護層粉化整治項目所選用的滲透乳液、彈性體乳液、瀝青乳液、封縫膏等均滿足《哈大客專高性能柔性瀝青砂混合料整治防水保護層粉化暫行技術(shù)條件》［9］的技術(shù)要求。

2.2 砂粒式瀝青混凝土

區(qū)別于全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)，面向運營高速鐵路防水保護層的瀝青混凝土僅作為功能層使用，以滿足防水性能、環(huán)境適應(yīng)性、耐久性等為目標(biāo)，選擇空隙率更低、防水效果更好、壓實更容易的砂粒式瀝青混凝土［10-11］。砂粒式瀝青混凝土由級配石料、乳化瀝青、水泥、水等拌制而成，其中石料應(yīng)選擇石灰?guī)r，且砂當(dāng)量應(yīng)大于60%。根據(jù)各骨料篩分結(jié)果及骨料級配范圍的要求，經(jīng)計算各骨料的用量比例，得到砂粒式瀝青混凝土的配合比。其級配曲線見圖3?？芍浼壟淝€呈平滑的S 形，且靠近級配中值，說明砂粒式瀝青混凝土中骨料嵌擠良好，處于密實狀態(tài)，便于制備低空隙率的砂粒式瀝青混凝土，滿足防水要求。

借鑒土工試驗擊實試驗和Marshall 試驗方法，確定砂粒式瀝青混凝土的配合比，并對該配合比的砂粒式瀝青混凝土性能進行綜合評定，其結(jié)果見表6。

圖3 砂粒式瀝青混凝土的級配曲線

表6 砂粒式瀝青混凝土的技術(shù)要求與測試結(jié)果

其中：砂粒式瀝青混凝土的油石比與其柔性、低溫抗開裂等性能密切相關(guān)；飛散損失為砂粒式瀝青混凝土表面骨料脫落而散失的程度，用以評價瀝青用量或黏結(jié)性是否滿足要求；耐溫變性和耐紫外老化性分別表征砂粒式瀝青混凝土抗凍融循環(huán)和抗紫外老化的性能［12］。由表6 可知，所配制的砂粒式瀝青混凝土的各項性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求的規(guī)定，該配合比的砂粒式瀝青混凝土具有良好的抗剝落、抗凍融和耐候性，可用于工程實踐。

3 施工工藝

冷拌砂粒式瀝青混凝土防水保護層的施工工藝包括：病害情況調(diào)查→基面清理與梁端處理→滲透乳液施工→彈性體乳液施工→轉(zhuǎn)角及混凝土接縫封縫膏處理→砂粒式瀝青混凝土施工→瀝青乳液施工。

3.1 病害情況調(diào)研

調(diào)查施工范圍內(nèi)保護層混凝土病害情況，按粉化、開裂、剝離和強度等級進行分類，確定病害范圍及病害程度。針對不同病害，確定具體的整治方案：①混凝土粉化不嚴(yán)重地段，使用銑刨機清理至“麻面”，須漏出堅實的混凝土基面；②混凝土粉化較為嚴(yán)重或者基面坑洼不平地段，銑刨機無法有效打磨時，需使用電鎬和平鏟進行鑿毛處理；③混凝土粉化非常嚴(yán)重、漏出鋼筋地段時，須對鋼筋切割處理，并涂抹防銹蝕涂料。

3.2 基面清理與梁端處理

根據(jù)病害調(diào)查確定的方案，在粉化的混凝土基面上采用銑刨機、電鎬等鑿毛處理混凝土基面上的浮漿、雜渣等疏松部位，尖角、凸起部位要予以剔除并打磨平整；然后采用鏟刀、壁紙刀、打磨機等工機具將原防水保護層混凝土與底座板、防撞墻轉(zhuǎn)角部位失效的防水涂料及原防水保護層混凝土接縫填充物清除；最后采用吹風(fēng)機將清理的雜質(zhì)吹掃干凈。橋梁梁端擋水臺距離梁端約20～30 cm 處，切割不小于3 cm 深的混凝土，如遇鋼筋時不切除鋼筋，保證混凝土清除深度即可，并清除疏松混凝土及雜渣。

3.3 滲透乳液與彈性體乳液施工

基面清潔、干燥后方可進行滲透乳液施工。轉(zhuǎn)角部位、混凝土接縫處涂刷時要求沿防撞墻、底座板向上涂刷40 mm 高。滲透乳液的涂刷量應(yīng)根據(jù)工藝性試驗確定，滲透乳液層應(yīng)涂刷均勻，不漏白、不堆積，必要時可根據(jù)環(huán)境溫度、乳液表干情況等進行二遍涂刷修整。距離梁端5～30 cm 內(nèi)的擋水臺混凝土裸露在外，不予涂刷。

滲透乳液表干后再涂刷彈性體乳液。彈性體乳液采用軟毛刷涂刷，涂刷量應(yīng)根據(jù)工藝性試驗確定，確保涂刷均勻、無堆積，涂刷部位與滲透乳液一致。

3.4 轉(zhuǎn)角及混凝土接縫封縫膏處理

彈性體乳液實干或間隔24 h 后，方可進行砂粒式瀝青混凝土施工。砂粒式瀝青混凝土攤鋪前，應(yīng)將轉(zhuǎn)角部位、接縫處、排水口等部位涂刷封縫膏，并沿防撞墻、底座板向上涂刷30 mm 高，確保轉(zhuǎn)角及混凝土接縫處的防水效果。

3.5 砂粒式瀝青混凝土施工

砂粒式瀝青混凝土攤鋪前，應(yīng)提前做好排水孔位置標(biāo)志并安裝PVC 管預(yù)留孔，防止砂粒式瀝青混凝土堵塞排水孔；軌道板需要提前覆蓋彩條布進行防污保護。砂粒式瀝青混凝土在后場完成集中拌制，裝袋運輸至現(xiàn)場作業(yè)面。砂粒式瀝青混凝土應(yīng)按照工藝性試驗確定的松鋪系數(shù)進行攤鋪，松鋪厚度通常35～45 mm，保證壓實厚度不小于30 mm。梁端攤鋪時保證梁端鋪設(shè)的砂粒式瀝青混凝土厚度不小于30 mm，且梁端砂粒式瀝青混凝土表面與擋水臺混凝土面平齊。利用小型壓路機或夯拍機壓實2～4遍后，應(yīng)確保線間砂粒式瀝青混凝土橫向呈V 形，縱向呈人字形，便于地表水有序排出。

3.6 瀝青乳液施工

鋪筑完砂粒式瀝青混凝土24 h 后，進行瀝青乳液涂刷施工，涂刷時僅涂刷砂粒式瀝青混凝土表面位置。其余工藝參數(shù)與要求同滲透乳液、彈性體乳液施工。

4 工程應(yīng)用及效果

基于冷拌砂粒式瀝青混凝土的運營高速鐵路防水層粉化整治技術(shù)在哈大客運專線進行了成功應(yīng)用。工程實踐表明：該技術(shù)具有耐久性好、施工快速、質(zhì)量可控等優(yōu)點，特別適用于天窗時間內(nèi)高速鐵路防水層粉化整治。利用無核密度儀檢測砂粒式瀝青混凝土的壓實度，均大于92%，有效保證了砂粒式瀝青混凝土的防水效果。此外，壓實后砂粒式瀝青混凝土防水層的平整度、厚度和外觀均控制良好，具體見表7。

表7 砂粒式瀝青混凝土防水層的技術(shù)要求與測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗等提出了路基和橋梁地段的砂粒式瀝青混凝土防水層的結(jié)構(gòu)形式及其接口細部處理方案。對滲透乳液、彈性體乳液、瀝青乳液、封縫膏等性能要求進行了規(guī)定，配制了滿足哈大客運專線氣候與使用要求的砂粒式瀝青混凝土，并評價了其抗飛散、耐溫變性、耐紫外老化等性能。結(jié)合現(xiàn)場工程應(yīng)用，形成了適用于天窗時間的砂粒式瀝青混凝土防水層施工工藝。依托哈大客運專線防水層粉化整治工程，進一步驗證了砂粒式瀝青混凝土防水層的適用性與應(yīng)用效果。研究成果為冷拌砂粒式瀝青混凝土技術(shù)在我國運營高速鐵路防水層粉化整治工程中的應(yīng)用提供了有力支撐。