运营高速铁路防水层粉化整治技术

石越峰 李斯 叶晓宇 李吉亮 谢蛟 张志超

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081）

高速铁路路基的防水封闭效果对其长期服役性能至关重要。大气降水入渗基床是路基出现软化、翻浆冒泥病害的主要原因，同时也是我国东北、西北季节性冻土地区高速铁路路基产生冻胀的重要原因［1］。目前我国高速铁路路基主要通过在线间和路肩设置纤维混凝土、钢筋混凝土等水泥基防水封闭层，实现对路基的防水保护［2-3］。

严寒地区温度低、昼夜温差大、冻融作用明显，对混凝土结构的正常服役状态产生较大危害。工务部门日常检查时发现哈大、哈齐、沈丹客运专线等不同程度地出现水泥基防水保护层粉化现象，主要表现为面层混凝土粉化、剥落、掉块，钢筋外露锈蚀等。此外，防水保护层伸缩缝内嵌缝材料已出现部分失效，水进入混凝土结构内部后，会进一步加剧防水保护层混凝土的粉化，加之冬季冻胀、春季融沉，严重影响线路平顺性。鉴于此，相关单位采用多种方案对严寒地区高速铁路水泥基防水保护层粉化问题开展了整治，但效果整体不佳，混凝土结构粉化与劣化情况未得到根本解决。结合前期整治工作和实践经验，现有技术存在以下局限性［4］：①施工效率低。整治工作主要以人工为主，机械化程度不高，导致施工效率较低。②综合成本较高。由于整治工作在天窗时间内进行，作业时间受限，施工组织难度较大，致使混凝土粉化整治周期长，人工成本高，且聚氨酯、丙烯酸、氟碳等整治材料单价较高。③长效性差。整治后，早期效果良好，但经历多次的冻融循环及高温雨季后，整治材料依旧存在开裂、破损、脱落等失效问题。

沥青混凝土具有密实抗渗、环境适应性强、施工效率高等特点，目前在铁路工程中主要作为防水封闭结构全断面铺设于路基基床表层顶面，由于需兼顾沥青混凝土防水性能和承载能力，故通常采用热拌热铺的中粒式沥青混凝土［5-6］。为保证中粒式沥青混凝土的防水效果，必须采用大型压实设备进行碾压，不适用于运营高速铁路线间、路肩等狭小空间的压实作业［7］。冷拌冷铺沥青混凝土是将提前拌制完成的沥青混凝土，通过袋装贮存与运输，并利用小型设备碾压密实的新技术、新材料与新工艺，为严寒地区高速铁路防水保护层粉化整治提供了新方案和新途径［8］。

本文以哈大客运专线防水保护层粉化整治为工程背景，针对运营高速铁路提出了冷拌砂粒式沥青混凝土防水保护层修复方案，并从结构形式、材料设计、施工工艺等方面开展系统的研究，形成了基于冷拌砂粒式沥青混凝土的运营高速铁路路基防水层粉化整治成套应用技术。

1 防水保护层结构形式

针对现有无砟轨道路基水泥基防水保护层易出现的粉化、开裂与嵌缝材料失效的病害，对破损的防水保护层进行凿除，并采用砂粒式沥青混凝土重新施作。砂粒式沥青混凝土属黏弹性材料，可不设置横向伸缩缝，减少了防水保护层伸缩缝的数量，降低了防水失效的风险。

依托哈大客运专线防水保护层粉化整治工程，桥梁地段处理线间和底座板两侧的混凝土保护层，路基地段只处理线间混凝土保护层，并按原混凝土保护层的排水系统设置排水坡。砂粒式沥青混凝土防水保护层的基本构成自上至下为渗透乳液层、弹性体乳液层、砂粒式沥青混凝土防水层、沥青乳液层。各主要组成部分的功能与作用见表1。弹性体乳液涂层厚度h1≥1.0 mm，高性能柔性砂粒式沥青混凝土厚度为h2为30 mm ≤h2≤40 mm。典型断面如图1所示。

表1 砂粒式沥青混凝土防水层各组成部分的功能与作用

图1 砂粒式沥青混凝土防水保护层示意（单位：cm）

为保证砂粒式沥青混凝土与混凝土底座、接触网支柱基础、线间集水井等沿线构筑物接触立面的防水效果，在上述构筑物相应部位依次涂刷渗透乳液、弹性体乳液和封缝膏，其细部处理如图2所示。

图2 接缝细部处理示意（单位：cm）

2 材料设计

2.1 砂粒式沥青混凝土防水层各组成部分

1）渗透乳液

渗透乳液是将沥青（50%～55%）、渗透剂（煤油25%～30%，阳离子渗透剂3%～4%）、表面活性剂（1%～2%）、稳定剂（1%～2%）与水（7%～20%）混合形成一种稳定的乳液，该乳液具有很强的渗透性。渗透乳液的技术要求和测试结果见表2。

表2 渗透乳液的技术要求与测试结果

2）弹性体乳液

弹性体乳液是由丁基橡胶（5%～10%）、氯丁橡胶（8%～10%）、天然胶（13%～15%）、沥青（53%～55%）、表面活性剂（1%～2%）和水（8%～20%）混合制成的水性膏状体。该乳液具有耐高、低温性能好，老化周期长，黏度高等特点。弹性体乳液的技术要求和测试结果见表3。

表3 弹性体乳液的技术要求与测试结果

3）沥青乳液

沥青乳液是由沥青（60%～65%）、表面活性剂（1.5%～2.0%）、稳定剂（0.5%）和水（32.5%～38.0%）形成的水溶性液体，具有很强的黏结性和防水性。封缝膏的技术要求和测试结果见表4。

4）封缝膏

封缝膏是由丁苯橡胶（10%～15%）、天然橡胶（10%～12%）、沥青（45%～50%）、稳定剂（1%）和溶剂（22%～34%）混合制成的溶剂型膏状体。封缝膏的技术要求和测试结果见表5。

表5 封缝膏的技术要求与测试结果

由表2—表5可知，哈大客运专线防水保护层粉化整治项目所选用的渗透乳液、弹性体乳液、沥青乳液、封缝膏等均满足《哈大客专高性能柔性沥青砂混合料整治防水保护层粉化暂行技术条件》［9］的技术要求。

2.2 砂粒式沥青混凝土

区别于全断面沥青混凝土防水封闭结构，面向运营高速铁路防水保护层的沥青混凝土仅作为功能层使用，以满足防水性能、环境适应性、耐久性等为目标，选择空隙率更低、防水效果更好、压实更容易的砂粒式沥青混凝土［10-11］。砂粒式沥青混凝土由级配石料、乳化沥青、水泥、水等拌制而成，其中石料应选择石灰岩，且砂当量应大于60%。根据各骨料筛分结果及骨料级配范围的要求，经计算各骨料的用量比例，得到砂粒式沥青混凝土的配合比。其级配曲线见图3。可知，其级配曲线呈平滑的S 形，且靠近级配中值，说明砂粒式沥青混凝土中骨料嵌挤良好，处于密实状态，便于制备低空隙率的砂粒式沥青混凝土，满足防水要求。

借鉴土工试验击实试验和Marshall 试验方法，确定砂粒式沥青混凝土的配合比，并对该配合比的砂粒式沥青混凝土性能进行综合评定，其结果见表6。

图3 砂粒式沥青混凝土的级配曲线

表6 砂粒式沥青混凝土的技术要求与测试结果

其中：砂粒式沥青混凝土的油石比与其柔性、低温抗开裂等性能密切相关；飞散损失为砂粒式沥青混凝土表面骨料脱落而散失的程度，用以评价沥青用量或黏结性是否满足要求；耐温变性和耐紫外老化性分别表征砂粒式沥青混凝土抗冻融循环和抗紫外老化的性能［12］。由表6 可知，所配制的砂粒式沥青混凝土的各项性能均满足相关技术要求的规定，该配合比的砂粒式沥青混凝土具有良好的抗剥落、抗冻融和耐候性，可用于工程实践。

3 施工工艺

冷拌砂粒式沥青混凝土防水保护层的施工工艺包括：病害情况调查→基面清理与梁端处理→渗透乳液施工→弹性体乳液施工→转角及混凝土接缝封缝膏处理→砂粒式沥青混凝土施工→沥青乳液施工。

3.1 病害情况调研

调查施工范围内保护层混凝土病害情况，按粉化、开裂、剥离和强度等级进行分类，确定病害范围及病害程度。针对不同病害，确定具体的整治方案：①混凝土粉化不严重地段，使用铣刨机清理至“麻面”，须漏出坚实的混凝土基面；②混凝土粉化较为严重或者基面坑洼不平地段，铣刨机无法有效打磨时，需使用电镐和平铲进行凿毛处理；③混凝土粉化非常严重、漏出钢筋地段时，须对钢筋切割处理，并涂抹防锈蚀涂料。

3.2 基面清理与梁端处理

根据病害调查确定的方案，在粉化的混凝土基面上采用铣刨机、电镐等凿毛处理混凝土基面上的浮浆、杂渣等疏松部位，尖角、凸起部位要予以剔除并打磨平整；然后采用铲刀、壁纸刀、打磨机等工机具将原防水保护层混凝土与底座板、防撞墙转角部位失效的防水涂料及原防水保护层混凝土接缝填充物清除；最后采用吹风机将清理的杂质吹扫干净。桥梁梁端挡水台距离梁端约20～30 cm 处，切割不小于3 cm 深的混凝土，如遇钢筋时不切除钢筋，保证混凝土清除深度即可，并清除疏松混凝土及杂渣。

3.3 渗透乳液与弹性体乳液施工

基面清洁、干燥后方可进行渗透乳液施工。转角部位、混凝土接缝处涂刷时要求沿防撞墙、底座板向上涂刷40 mm 高。渗透乳液的涂刷量应根据工艺性试验确定，渗透乳液层应涂刷均匀，不漏白、不堆积，必要时可根据环境温度、乳液表干情况等进行二遍涂刷修整。距离梁端5～30 cm 内的挡水台混凝土裸露在外，不予涂刷。

渗透乳液表干后再涂刷弹性体乳液。弹性体乳液采用软毛刷涂刷，涂刷量应根据工艺性试验确定，确保涂刷均匀、无堆积，涂刷部位与渗透乳液一致。

3.4 转角及混凝土接缝封缝膏处理

弹性体乳液实干或间隔24 h 后，方可进行砂粒式沥青混凝土施工。砂粒式沥青混凝土摊铺前，应将转角部位、接缝处、排水口等部位涂刷封缝膏，并沿防撞墙、底座板向上涂刷30 mm 高，确保转角及混凝土接缝处的防水效果。

3.5 砂粒式沥青混凝土施工

砂粒式沥青混凝土摊铺前，应提前做好排水孔位置标志并安装PVC 管预留孔，防止砂粒式沥青混凝土堵塞排水孔；轨道板需要提前覆盖彩条布进行防污保护。砂粒式沥青混凝土在后场完成集中拌制，装袋运输至现场作业面。砂粒式沥青混凝土应按照工艺性试验确定的松铺系数进行摊铺，松铺厚度通常35～45 mm，保证压实厚度不小于30 mm。梁端摊铺时保证梁端铺设的砂粒式沥青混凝土厚度不小于30 mm，且梁端砂粒式沥青混凝土表面与挡水台混凝土面平齐。利用小型压路机或夯拍机压实2～4遍后，应确保线间砂粒式沥青混凝土横向呈V 形，纵向呈人字形，便于地表水有序排出。

3.6 沥青乳液施工

铺筑完砂粒式沥青混凝土24 h 后，进行沥青乳液涂刷施工，涂刷时仅涂刷砂粒式沥青混凝土表面位置。其余工艺参数与要求同渗透乳液、弹性体乳液施工。

4 工程应用及效果

基于冷拌砂粒式沥青混凝土的运营高速铁路防水层粉化整治技术在哈大客运专线进行了成功应用。工程实践表明：该技术具有耐久性好、施工快速、质量可控等优点，特别适用于天窗时间内高速铁路防水层粉化整治。利用无核密度仪检测砂粒式沥青混凝土的压实度，均大于92%，有效保证了砂粒式沥青混凝土的防水效果。此外，压实后砂粒式沥青混凝土防水层的平整度、厚度和外观均控制良好，具体见表7。

表7 砂粒式沥青混凝土防水层的技术要求与测试结果

5 结语

本文通过现场调研、室内试验等提出了路基和桥梁地段的砂粒式沥青混凝土防水层的结构形式及其接口细部处理方案。对渗透乳液、弹性体乳液、沥青乳液、封缝膏等性能要求进行了规定，配制了满足哈大客运专线气候与使用要求的砂粒式沥青混凝土，并评价了其抗飞散、耐温变性、耐紫外老化等性能。结合现场工程应用，形成了适用于天窗时间的砂粒式沥青混凝土防水层施工工艺。依托哈大客运专线防水层粉化整治工程，进一步验证了砂粒式沥青混凝土防水层的适用性与应用效果。研究成果为冷拌砂粒式沥青混凝土技术在我国运营高速铁路防水层粉化整治工程中的应用提供了有力支撑。