高速鐵路無砟軌道嵌縫材料修復技術研究

譚社會，靳 昊，易忠來

(1.上海鐵路局 工務處，上海 200071;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路無砟軌道嵌縫材料修復技術研究

譚社會1，靳 昊2，易忠來2

(1.上海鐵路局 工務處，上海 200071;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

介紹了高速鐵路無砟軌道嵌縫材料傷損現狀，分析了瀝青類嵌縫材料的失效原因及失效嵌縫材料對無砟軌道結構耐久性的危害。根據無砟軌道伸縮縫的工況環境和變形特點，提出了修補材料的性能要求，并自主研發出硅酮嵌縫材料。結合天窗期內修補特點，提出了簡便、快捷、高效的修補工藝。同時，在天窗期內，采用硅酮嵌縫材料對高鐵線路失效嵌縫材料進行了現場修補，修補效果良好。

無砟軌道 伸縮縫 硅酮嵌縫材料 修補工藝

嵌縫材料是一種具有良好黏結性、可隨密封面形狀而變形的密封材料，用于填充混凝土接縫，可起到防水密封作用。高速鐵路無砟軌道道床板、底座板、線間封閉層等多為長連續澆注結構，其伸縮縫的顯著特征是隨溫度的變化會發生較大變形，這就對嵌縫材料的彈性和延伸率提出了很高的要求［1］。

但是，我國早期高速鐵路無砟軌道伸縮縫所用的嵌縫材料以瀝青類嵌縫材料為主，瀝青類嵌縫材料成本低廉，但性能較差，施工工藝較復雜，如需要加熱后才能使用;溫度適應性較差，低溫脆性較大，高溫易流淌;耐老化性較差，使用壽命較短等［2］。嵌縫材料的失效會導致無砟軌道結構接縫位置處防水功能喪失，水從接縫處進入無砟軌道結構內部，會對無砟軌道結構的耐久性造成較大損傷。

從已運營的高速鐵路來看，由于嵌縫材料老化失效而導致無砟軌道結構出現大面積病害的情況已較為顯著。因此，亟需采用適宜的修補材料及修補工藝對失效的嵌縫材料進行修補，恢復其防水密封功能，提高混凝土結構耐久性。

按照對修補材料施工性、變形性、穩定性和耐老化性的要求，自主研發出柔性硅酮嵌縫材料作為修補材料，并采用了一種高速鐵路無砟軌道嵌縫材料修補技術，經基面處理、防護及界面處理、注膠和修飾，對失效嵌縫材料進行修復，恢復其長期防水密封功能。

1 嵌縫材料傷損現狀

1.1 傷損形式

通過對多條高鐵線路的嵌縫材料應用現狀調研發現，瀝青類嵌縫材料傷損情況較為普遍，其傷損形式主要包括溢出、開裂、離縫、脫落等，而且一般情況下，多種傷損形式并存。

1.1.1 溢出

夏季時，瀝青類嵌縫材料經高溫后呈液態，會流淌至混凝土表面，污染軌道板，而且伸縮縫內瀝青類嵌縫材料流失，也會導致膠層厚度下降，局部缺失，如圖1所示。

圖1 瀝青類嵌縫材料溢出和局部缺失

1.1.2 開裂

冬季時，瀝青類嵌縫材料自身容易出現開裂，失去防水密封功能。瀝青類嵌縫材料開裂形式多為通體開裂，開裂長度一般＞1 m，如圖2所示。

1.1.3 離縫

冬季時，無砟軌道伸縮縫寬度增加，混凝土易與瀝青類嵌縫材料脫開，產生離縫。一般情況下，沿垂直伸縮縫方向，瀝青類嵌縫材料為整體脫開狀態，如圖3所示。

圖2 瀝青類嵌縫材料開裂

圖3 瀝青類嵌縫材料離縫

1.1.4 缺損

冬季時，瀝青類嵌縫材料會與伸縮縫內的混凝土側面與底面脫開，經列車動荷載、列車風、自然風等因素影響，出現脫落、掉塊等問題，如圖4所示。

圖4 瀝青類嵌縫材料缺損

1.2 原因分析

無砟軌道嵌縫材料失效主要是由材料自身原因導致。瀝青類嵌縫材料加熱呈液態，灌入伸縮縫中，自然冷卻固化，期間無化學交聯反應。當夏季溫度較高時，它會恢復液體狀態，失去阻水作用。而且，混凝土受熱膨脹后，伸縮縫寬度變窄，瀝青類嵌縫材料會被擠出伸縮縫，防水膠層厚度變薄，污染軌道板。

冬季溫度下降時，瀝青類嵌縫材料剛度增加，脆性增大，無裂縫跟隨性。當混凝土受冷收縮后，伸縮縫距離變寬，瀝青類嵌縫材料會受到拉力。當瀝青類嵌縫材料的拉伸強度低于混凝土的黏結強度時，易出現開裂現象;當瀝青類嵌縫材料的拉伸強度高于混凝土的黏結強度時，易出現離縫、缺損和掉塊現象。

綜上所述，一般情況下瀝青類嵌縫材料經歷一個冷熱循環后(一年)就會失效。

1.3 對無砟軌道結構耐久性的危害

嵌縫材料失效會導致無砟軌道結構接縫處防水功能喪失，水會從接縫處進入到無砟軌道結構內部，對無砟軌道結構的耐久性造成很大的損傷。目前，由于嵌縫材料失效導致高速鐵路無砟軌道結構病害已在多條線路上出現。由于嵌縫材料失效導致無砟軌道結構傷損的主要形式分述如下。

1.3.1 道床或基床表層冒漿

嵌縫材料失效后，密封防水功能喪失，水沿著接縫處進入到無砟軌道結構內部，如水泥乳化瀝青砂漿層與軌道板之間、道床板與支承層之間等，或者進入無砟軌道與基床表層間縫隙，在高速列車動荷載的作用下，由于動水壓的作用，會導致無砟軌道道床或基床表層冒漿，如圖5所示。長此以往，會對無砟軌道結構的耐久性造成影響，嚴重的甚至會影響線路平順性，危及行車安全。

圖5 嵌縫材料失效導致道床冒漿

1.3.2 道床拱起

嵌縫材料失效后，水沿著接縫處進入到無砟軌道結構內部，或者進入無砟軌道與基床表層間縫隙。在嚴寒地區，水結冰凍脹，會導致道床拱起，影響線路平順性。因此，必須選用綜合性能更加優異的嵌縫材料，以保障高速鐵路無砟軌道結構的使用壽命和安全服役。

2 修補材料

2.1 修補材料性能要求

在實地調研高速鐵路無砟軌道瀝青類嵌縫材料傷損情況基礎上，充分考慮夜間天窗期內修補特點，結合高速鐵路無砟軌道伸縮縫位移量變化大的特性，提出了修補材料的性能要求。

2.1.1 便捷的施工性

高速鐵路無砟軌道失效嵌縫材料需在夜間天窗期內修補，施工時間緊張。雙組分或多組分修補材料需要使用天平按照配比秤量和攪拌，增加了施工環節和人為誤差。而且，高鐵線路風力大，天平稱量準確性下降較大，修補材料性能無法保證。液態型修補材料需要采用封閉等措施以防止材料外流，降低了施工效率。而且，液態型修補材料難于灌注，容易滴灑，污染軌道板。特別是風力較大時，材料灌注難度大幅增加，材料外溢、飄灑嚴重。單組分觸變型修補材料無流動性，立面不流掛，且無須稱量，直接使用膠槍灌注即可，節約了施工時間，確保了修補材料質量。同時，修補材料可低溫施工(－20℃)，滿足無砟軌道嵌縫材料冬季施工需要。

2.1.2 優異的變形性

高速鐵路無砟軌道修補材料應具有良好的柔順性，滿足50LM等級密封膠的要求，易于跟隨伸縮縫的變化而發生形變，緩解和釋放應力，防止應力集中，適應于溫變引起的位移量變化較大的伸縮縫的防水密封要求。

2.1.3 良好的性能穩定性

修補材料內部應具有交聯網狀結構，溫度變化較大時可保持性狀穩定，低溫(－20℃)不失柔順性，高溫(80℃)仍具有良好的力學強度，適用于不同地域環境的需要。

2.1.4 優異的耐老化性

修補材料長期暴露在戶外，應具有優異的耐熱性能、耐水解性能和耐紫外老化性能。而且，修補材料還應適應混凝土堿環境，具有良好的耐堿性。

2.2 硅酮嵌縫材料

根據上述要求研發了滿足《高速鐵路無砟軌道嵌縫材料暫行技術條件》要求的單組分觸變型硅酮嵌縫材料［3］。硅酮以Si—O鍵為主鏈結構，且聚硅氧烷分子體積大、內聚能密度低，其柔順性明顯高于聚氨酯等其它材料。同時，硅酮含有的 Si—O鍵鍵能高達452 kJ/mol，遠大于C—C鍵鍵能(356 kJ/mol)和C—O鍵鍵能(358 kJ/mol)［4］。因此，其性狀穩定，抵抗破壞能力強，可在－50～80℃內正常工作，使用壽命是一般材料的3～6倍［5］。此外，它可在－20℃下正常施工，固化性能不受影響，是其它高分子材料無法替代的。硅酮嵌縫材料性能見表1。

3 修補工藝

夜間天窗期時間有限(≤4 h)，而且，一般情況下修補地點與進場地點距離較遠，施工前修補材料與機具的搬運、登記及清查和施工后修補材料與機具的清點、撤離都要在天窗期內進行，實際現場修補時間只有約2～3 h。因此，嵌縫材料的修補工藝應簡單、快捷、高效，所需機具數量少，且輕便、易攜帶。根據現場修補實際需求，提出了無砟軌道嵌縫材料修補工藝，主要包括基礎清理、防護及界面處理、注膠和修飾。具體修補工藝如下。

表1 硅酮嵌縫材料性能

3.1 基礎清理

基礎清理主要包括伸縮縫內瀝青嵌縫材料的清除、縫內混凝土黏結面的清理和作業面的清掃。首先，使用沖擊鉆將瀝青嵌縫材料破碎，破碎后用便攜式切割工具將縫內仍與混凝土粘連的瀝青嵌縫材料清除。然后使用角磨機對縫內混凝土粘結面進行打磨，去除表層粘結松散的瀝青嵌縫材料，一般情況下，打磨一遍即可，防止多次打磨導致混凝土粘結面粗糙度下降。最后使用吹風機將整個作業面清掃干凈，特別是伸縮縫內及兩側，務必將瀝青嵌縫材料碎屑和灰塵清掃干凈。基礎清理過程見圖6。

3.2 防護及界面處理

防護主要是為了防止在灌注或修飾硅酮嵌縫材料時伸縮縫兩側混凝土被材料污染，影響美觀。對混凝土進行防護時，采用防護膠帶(寬度5～8 cm)粘貼至伸縮縫兩側混凝土表面，防護膠帶應與伸縮縫邊緣對齊。同時，混凝土為多孔結構，硅酮嵌縫材料與其粘結時，容易在界面出現針眼、空鼓等情況，嚴重影響材料的粘結性能。因此，需在混凝土粘結面涂刷界面劑，改善界面狀態，確保修補材料與混凝土粘結牢固。涂刷界面劑時，應均勻、薄層涂抹，不應漏涂和反復涂抹。漏涂會導致修補材料局部粘結性能降低，成為受拉薄弱點;涂抹過多既浪費材料，又會降低修補材料與混凝土的粘結強度。防護及界面處理如圖7所示。

圖6 基礎清理

圖7 防護及界面處理

3.3 注膠

硅酮嵌縫材料的變形性能與伸縮縫內填充的尺寸具有相關性。嵌縫寬深比越小，材料的變形性能越好，但是嵌縫厚度也不宜過薄，否則容易被外力破壞，使用壽命降低。一般情況下，材料的嵌縫寬深比建議為0.5～1.0。為了達到合理的嵌縫寬深比，需要向伸縮縫中填充泡沫條。向縫內放置泡沫條時，泡沫條上端與伸縮縫上部的距離應與設計高度相符，且確保泡沫條在伸縮縫內“卡死”，防止灌膠后泡沫上浮。泡沫條安裝后，用專用膠槍將硅酮嵌縫材料注入至伸縮縫內。注膠時，膠槍口應深入縫的底部，灌注速度應緩慢均勻，避免內部空鼓，減少氣泡產生。當注膠位置的修補材料高度超過伸縮縫約0.5 cm時，停止注膠，向后移動，對下一個位置進行注膠。鑲嵌泡沫條和注膠如圖8所示。

3.4 修飾

修補材料具有觸變性，需要使用工具將其刮平，保證表面密封嚴實。使用工具修飾時，應盡量一次刮平，減少刮抹次數，確保材料表面無氣泡、凹坑等。一般情況下修補材料刮平約5 m后，開始拆除保護膠帶。如保護膠帶拆除不及時，修補材料表面凝膠會粘上保護膠帶，拆除時會破壞修補材料，影響防水密封性能。修補材料的修飾和保護膠帶的拆除如圖9所示。

圖8 鑲嵌泡沫條和注膠

圖9 修飾修補材料和拆除膠帶

4 修補效果

目前，研究提出的單組分觸變型硅酮嵌縫材料及修補工藝已在高鐵線路推廣應用。2012年開始修補至今，嵌縫材料工作狀態良好，沒有出現新的傷損情況，修補效果良好。修補效果如圖10所示。

圖10 修補效果

5 結論

1)瀝青類嵌縫材料性狀不穩定，低溫脆，高溫流淌，使用壽命短，易出現溢出、開裂、離縫、脫落等問題。

2)單組分觸變型硅酮嵌縫材料具有施工便捷、變形性良好、性能穩定和耐老化性能優異等特點，能夠滿足高速鐵路無砟軌道嵌縫材料性能要求。

3)本文所采用的高速鐵路無砟軌道嵌縫材料修補工藝簡單、快捷、高效，能夠滿足高速鐵路無砟軌道嵌縫材料夜間修補的特殊工況要求;同時，該修補技術成熟、可靠，修補效果良好，可恢復長期防水密封功能。

［1］易忠來，靳昊，李化建，等.高速鐵路無砟軌道嵌縫材料技術要求研究［J］.中國鐵路，2015(4):45-49.

［2］毛國新，程地琴.高寒地區混凝土防滲渠伸縮縫填料選擇［J］.中國農村水利水電，2008(8):72-74.

［3］黃文潤.硅油及二次加工品［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［4］劉聰盼.高性能脫醇型RTV-1有機硅密封膠的研究［D］.廣州:華南理工大學，2011.

［5］中國鐵路總公司.TG/GW 119—2013 高速鐵路無砟軌道嵌縫材料暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2014.

Study on repairing technology for high speed railway ballastless track with joint sealant material

TAN Shehui1，JIN Hao2，YI Zhonglai2
(1.Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China;2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Joint sealant material damage status of high speed railway ballastless track was introduced，the failure reason of asphalt joint sealant material was analyzed，and the harm of failure joint sealant material to structure durability of ballastless track was described.According to working environment and deformation features of ballastless track expansion joints，the performance requirements of repair materials was presented and silicone joint sealant material was developed independently.By combing with repair characteristics in the“skylight period”，a simple，fast and efficient repair process was proposed and silicone joint sealant material was used to repair failure joint sealant material of high speed railway during the same time，the repair effect of which is good.

Ballastless track;Expansion joint;Silicone joint sealant material;Repair process

U213.2+44

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.31

(責任審編 周彥彥)

2015-03-07;

:2015-07-04

國家自然科學基金項目(51308546);中國鐵道科學研究院基金項目(2013YJ026)

譚社會(1973— )，男，高級工程師。

1003-1995(2015)11-0108-05