高原大风严寒地区无砟轨道嵌缝材料伤损及修复技术研究

杨延强，任 新

(1.中国铁路兰州局集团有限公司兰州西工务段，甘肃兰州 730050；2.兰州交通大学 铁道技术学院，甘肃 兰州 730030)

兰新高速铁路是世界上一次性建设里程最长、海拔最高的高速铁路，其在路基段创新性地采用了类单元化双块式无砟轨道结构形式，并大量采用了聚氨酯高分子嵌缝材料。兰新高速铁路所处地区具有大风、严寒、干旱、温差大、普速列车上线运行等显著特点。特殊的结构形式结合沿线特殊的地理环境使得兰新高速铁路无砟轨道嵌缝材料的养护维修具有特殊性。

目前许多学者对无砟轨道嵌缝材料的性能进行了研究。文献[1]综合考虑高速铁路无砟轨道伸缩缝实际工作环境的特殊性，结合聚氨酯、硅酮材料特点，对无砟轨道嵌缝材料的技术要求进行了研究。文献[2]对低弹性模量的聚氨酯材料进行了耐热、耐碱、耐水、耐紫外线老化性能研究。文献[3]对兰新高速铁路道床板伸缩缝嵌缝胶劣化现象进行分析，从嵌缝胶配合比、道床板真假缝的打磨处理、泡沫板填塞、环境温度等方面，提出了防劣化措施。文献[4]结合高速铁路建设实际需要，从优化跟随性、耐久性和黏结性3方面研究了适用于混凝土嵌缝的高性能密封材料。

目前，对高速铁路无砟轨道道床板真假缝嵌缝材料的研究大多限于一般环境下嵌缝材料力学性能和黏结性能研究[5]，对特殊环境下嵌缝材料的性能、工程应用及伤损修复技术尚研究不足。本文依托中国铁道科学研究院课题，针对西北高原大风严寒地区高速铁路无砟轨道道床板真假缝聚氨酯嵌缝材料伤损类型及特点，采用新型有机硅柔性密封嵌缝材料，通过现场进行的修补试验，对其工程特性及修复工艺进行研究，以恢复无砟道床嵌缝材料的防水密封功能，提高无砟道床混凝土结构的耐久性。

1 无砟轨道嵌缝材料伤损调研

1.1 调研范围

1)兰新高速铁路大风严寒气候环境地段。该地段具有海拔高、风速大、温差大、严寒、普速车上线等特点。具体观测地点为K2326+000—K2327+000。

2)兰新高速铁路一般气候环境地段。该地段具有海拔低、风速小、温差小、普速车上线等特点。具体观测地点为K1703+500—K1704+500。

3)嘉峪关南至清泉南地段。该地段具有海拔高、风速大、温差大、严寒、普速车未上线等特点。具体观测地点为K2353+500—K2353+700。

1.2 伤损检测

1.2.1 嵌缝材料伤损检测项目

检测项目包括无砟道床真假缝嵌缝材料的外观特征及离缝/裂缝的宽度、深度、长度。

1.2.2 嵌缝材料伤损检测工具

采用塞尺、卷尺、钢板尺对嵌缝材料离缝/裂缝宽度、长度、深度进行测量。

1.2.3 检测要求

1)选取的失效嵌缝材料具体观测位置必须用红油漆进行标注，以保证每次观测位置相同。

2)每月必须定人、定仪器、定时间对目标离缝/裂缝进行周期观测。

2 特殊环境下嵌缝材料伤损类型及规律

2.1 聚氨酯嵌缝材料伤损类型

周期性的观测结果表明:观测区段无砟轨道道床板真、假缝聚氨酯嵌缝材料均出现不同程度伤损；出现聚氨酯嵌缝材料伤损的真缝数量多于假缝；伤损主要表现为单、双侧离缝，开裂及凝胶不固化，伤损以离缝为主，离缝数量多、长度大，且与道床板混凝土完全脱离。聚氨酯嵌缝材料现场伤损类型如图1所示。

图1 聚氨酯嵌缝材料伤损类型

2.2 聚氨酯嵌缝材料伤损发展规律

调研统计了一般气候环境、严寒气候环境、普速列车上线、普速列车未上线等不同条件下的嵌缝材料伤损数量，同时利用塞尺、卷尺、钢板尺等对嵌缝材料离缝宽度、长度、深度进行定期测量。不同气候环境下的嵌缝材料离缝伤损数量统计如表1所示。

表1 不同气候环境下的嵌缝材料离缝伤损数量统计

从表1可知，不同气候环境条件下聚氨酯嵌缝材料离缝伤损数量明显不同，严寒气候环境下聚氨酯嵌缝材料伤损为一般气候环境下的1.5倍。

道床板裂缝和聚氨酯嵌缝材料伤损是兰新高速铁路CRTSⅠ型双块式无砟轨道最典型的病害形式。现场对单线500 m路基道床板伸缩缝(真缝)处聚氨酯嵌缝胶离缝伤损采用比对卡观测其宽度和长度，测试结果如表2所示。其中，第1次观测温度为最低观测温度，因此取离缝平均宽度差为第1次测试宽度与观测范围内所有离缝的第n次测试宽度差值的平均值。聚氨酯嵌缝材料离缝平均数量差、最长离缝平均宽度差、最长离缝平均长度差和伸缩缝平均宽度差的计算方法与离缝平均宽度差相同。

表2 聚氨酯嵌缝材料离缝伤损数量统计(2016年)

从表2可知，随着温度变化(先升高后降低)，双块式无砟轨道伸缩缝聚氨酯嵌缝材料离缝平均数量差、最长离缝平均宽度差、最长离缝平均长度差和伸缩缝平均宽度差均呈现先增大后减小的趋势。其中，7月环境温度最高时(18℃)，测试的双块式无砟轨道伸缩缝聚氨酯嵌缝胶离缝平均数量差为2条，最长离缝平均宽度差为3 mm，最长离缝平均长度差为62 mm，伸缩缝平均宽度差为3 mm。混凝土道床板受热膨胀，伸缩缝宽度变窄，聚氨酯嵌缝材料离缝受压闭合，出现离缝数量减少、宽度降低、长度变短现象。对比3月和11月(温度相同)观测数据可以看到，聚氨酯嵌缝材料的离缝数量没有增加，但是离缝的宽度和长度增大，说明聚氨酯嵌缝材料离缝病害仍在发展。

自2016年3月至2016年10月嘉峪关工务段统计了聚氨酯嵌缝材料离缝伤损数据，分为普速车未上线和普速车上线2种工况，对比统计了伸缩缝嵌缝材料离缝条数和离缝长度情况，见表3。

由表3可以看出，每年6—9月气温较高时，嵌缝材料离缝数量较少，随着10月份气温降低，离缝数量开始增加；普速车未上线区段相比普速车上线区段嵌缝材料离缝情况更显著。分析原因如下:每年6—9月气温较高时，嵌缝材料受热膨胀，离缝数量和长度总体下降，随着10月份气温降低，离缝数量开始增加；普速车未上线区段由于轴重轻，周期性荷载较普速车上线区段小，因此嵌缝材料离缝情况相对显著。当温度升高时，道床板热胀，伸缩缝宽度和聚氨酯嵌缝材料离缝宽度减小，甚至出现离缝闭合情况；温度降低时，道床板冷缩，伸缩缝宽度和聚氨酯嵌缝材料离缝出现相反变化趋势。同时，真缝处的聚氨酯嵌缝材料离缝数量基本稳定，但是离缝长度和宽度随运营时间增加而增大，离缝仍在劣化。

表3 聚氨酯嵌缝材料离缝伤损随时间变化数据(2016年)

3 嵌缝材料伤损修复技术研究

通过现场实地调研得知，兰新高速铁路自运营以来，因嵌缝材料老化失效而导致的道床结构病害已较为普遍。因此，亟需研发与现场环境相适宜的修补材料，通过现场修补试验，总结修补工艺，以恢复嵌缝材料的防水密封性能，提高混凝土结构的耐久性。

现有的无砟轨道嵌缝材料修复技术多以剔除更换为主，考虑到运营线路夜间天窗作业时间短、病害处所位移变化量大等特点，修补材料性能应满足施工的便捷性、相容性、稳定性和耐老化性[6]。

3.1 修补材料性能

依托科研课题及现场实际需要，中国铁道科学研究院研发了能够满足TG/GW 119—2013《高速铁路无砟轨道嵌缝材料暂行技术条件》[7]要求的HD-800L型有机硅柔性密封嵌缝材料[8-9]。该材料以Si—O键为主链结构，性质稳定，不仅具有良好的柔顺性，而且能够随伸缩缝的变化而变化，可应用在-50～80℃环境范围内，且可在-20℃下正常施工，固化性能不受影响。

HD-800L型有机硅柔性密封材料是由耐候硅橡胶、改性助剂以及少量无机填料复合而成的单组份、非下垂型、高耐候性密封材料。该材料具有极低的弹性模量，嵌入到接缝处能够承受接缝处温度变形，并能够抵抗腐蚀介质的腐蚀作用，满足气密性及水密性要求，其主要性能要求如表4所示。

3.2 修复工艺

参照TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则》[10]无砟轨道混凝土裂缝修补方法，综合考虑聚氨酯嵌缝材料伤损结构特点、病害等级、维修作业天窗时间等因素，无砟轨道道床板真假缝嵌缝材料修复技术可总结为表面封闭、离缝嵌填和整体更换3种。

3.2.1 表面封闭

当真假缝嵌缝材料离缝/裂缝数量较多，长度较大，分层等伤损较为普遍，且难于清除时，宜采用双面自粘非交联丁基橡胶将伸缩缝全部覆盖，进行表面封闭防水。表面封闭法修复效果见图2。主要工艺流程为:伸缩缝清理→涂刷界面剂→粘贴非交联丁基橡胶→后期处理。

表4 HD-800L型有机硅柔性材料主要性能要求

图2 表面封闭法修复效果

失效嵌缝材料表面封闭工艺如下:

1)将溢出伸缩缝外的粘贴不紧密的嵌缝材料清除。

2)采用手持式打磨机沿伸缩缝两侧对混凝土进行打磨，并清扫干净，必要时可采用吹风机进行清扫。

3)在伸缩缝两侧混凝土涂刷界面剂。

4)将非交联丁基橡胶粘贴在伸缩缝表面，丁基橡胶应将伸缩缝完全遮盖，且与伸缩缝两侧混凝土黏结宽度≥2 cm。

3.2.2 离缝嵌填

当真假缝嵌缝材料离缝/裂缝伤损较多，容易清除时，对伤损两侧进行切割，使其完全与混凝土表面脱开，然后采用HD-800L型有机硅柔性密封材料进行离缝嵌填。离缝嵌填法修复效果见图3。主要工艺流程为:聚氨酯嵌缝材料切割→离缝清理→涂刷界面剂→填充HD-800L型有机硅柔性密封材料→后期处理。

图3 离缝嵌填法修复效果

离缝嵌填施工工艺如下:

1)采用手持式打磨机对伸缩缝两侧混凝土进行打磨。

2)采用壁纸刀等沿伸缩缝离缝进行切割，并清理干净。

3)将界面剂涂刷至伤损两侧混凝土表面。

4)将有机硅柔性密封材料直接注在原有嵌缝胶表面和离缝处。

5)将有机硅柔性密封材料刮平、修饰。

3.2.3 整体更换

当聚氨酯嵌缝材料伤损严重，无法采用表面封闭和离缝嵌填工艺进行修复时，应将原有聚氨酯嵌缝材料剔除，采用HD-800L型有机硅柔性密封材料重新进行嵌缝施工。嵌缝材料整体更换修复效果见图4。主要工艺流程为:聚氨酯嵌缝材料剔除→基面清理→安装泡沫板→涂刷界面剂→混凝土防护→嵌缝→后期处理。

图4 嵌缝材料整体更换修复效果

失效嵌缝胶整体更换工艺如下:

1)采用手持式切割工具将失效的嵌缝材料完全剔除，剔除深度需≥2 cm。

2)采用手持式打磨机对伤损混凝土表面进行打磨处理，去除残留嵌缝胶。

3)涂刷界面剂。

4)采用有机硅柔性密封材料嵌缝，并抹平修饰。

4 结论

1)兰新高速铁路无砟轨道伸缩缝和路间及线间封闭层使用的嵌缝材料出现了较多问题，真缝伤损明显多于假缝，其病害主要表现为离缝、开裂和凝胶不固化。

2)当温度升高时，道床板热胀，伸缩缝宽度和聚氨酯嵌缝材料离缝宽度减小，甚至出现离缝闭合情况；温度降低时，道床板冷缩，伸缩缝宽度和聚氨酯嵌缝材料离缝出现相反变化趋势。真缝处的聚氨酯嵌缝材料离缝数量基本稳定，但是离缝长度和宽度随运营时间增加而增大，离缝仍在劣化。

3)HD-800L型有机硅柔性密封材料变形性能优良，气密性、水密性良好，且施工简便，满足高原大风严寒地区无砟轨道嵌缝材料更换及修复性能要求。

4)对于聚氨酯嵌缝材料离缝/裂缝伤损，不易清除时宜采用双面自粘非交联丁基橡胶进行表面封闭处理；易于清除时宜采用HD-800L型有机硅柔性密封材料进行离缝嵌填；对于无法采用表面封闭和离缝嵌填工艺进行修复的伤损，应采用HD-800L型有机硅柔性密封材料重新进行嵌缝施工。