新建巴准重载铁路桥梁接缝密封技术的应用研究

曹 利，王乐然，葛 凯，班新林

(1．神华新准铁路有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

巴准铁路地处内蒙古自治区西南部鄂尔多斯市伊金霍洛旗和准格尔旗境内，西由包神铁路巴图塔站引出，东联大准铁路接入点岱沟站，正线长度134.89 km，采用国铁Ⅰ级干线设计标准，牵引质量100 00 t，是我国首条单线开行万吨列车的铁路。

新建重载铁路及扩能改造的既有普通铁路，都对混凝土桥梁等基础设施的耐久性提出了更高的要求，作为混凝土桥梁桥面整体防排水体系的一部分，梁端的有效防水密封，是保证桥梁及配件耐久性的关键。为此，《铁路混凝土结构耐久性规范》(TB 10005—2010)和拟颁布的《重载铁路设计规范》中明确规定了桥梁接缝处应设置有效的防水设施。

我国既有普通铁路混凝土桥梁梁端一般仅作简单的挡砟覆盖，没有防水、排水的功能，因此梁端和墩台混凝土的劣化和桥梁支座的锈蚀情况比较严重。新建客运专线梁间接缝采用橡胶止水带构造密封，由于该构造对于现场桥梁接缝的适应性较差，导致安装维修难度大，直接影响其防排水质量。目前新建重载线路混凝土桥梁梁间接缝密封构造配合预制并置T梁多采用橡胶止水带，并用钢板覆盖(图1)，其结构形式与高速铁路橡胶止水带伸缩缝略有区别，但主要功能、构造、工艺方法基本相同。安装难度较大、维修更换困难(需要扒砟)、防水功能失效率高仍然是此类密封构造的普遍问题。相比止水带这类梁间密封构造，直接采用高分子密封胶对接缝进行密封，其安装、修复显然更具可操作性、更加简单便捷。本文通过使用聚氨酯弹性体密封胶在巴准铁路32 m简支T梁梁间接缝的防水密封工程上的应用，对TTXF-Ⅰ型弹性体密封材料在客货共线铁路和重载货运铁路常用跨度混凝土简支梁梁间接缝密封的适应性进行了分析。

图1 重载铁路混凝土桥梁梁间密封构造(单位:mm)

1 巴准铁路简支梁及梁端止水带

巴准铁路桥梁除3座连续梁外，其余均为混凝土简支结构，即图号(2005)2101-32 m简支梁，属于时速160 km客货共线铁路预制后张法简支T梁(图2)。该梁设计货车行车速度≤120 km/h，列车设计活载为中—活载，动力系数1+μ=1.194，单线二期恒载为80.81 kN/m，梁间接缝密封构造原设计为图1所示的三元乙丙止水带，变更为TTXF-Ⅰ型弹性体密封构造，见图3。

图2 (2005)2101-32 m梁横向布置(单位:mm)

图3 TTXF-Ⅰ型弹性体密封胶梁端密封构造(单位:mm)

2 梁间接缝变形情况分析

混凝土桥梁梁间接缝变形主要影响因素有5方面，即二期恒载、预应力混凝土的收缩徐变、列车动活载、整体温度力、列车制动力(牵引力)。其中二期恒载和预应力混凝土的收缩徐变属于主力恒载影响因素，引起的是梁间接缝的永久变形;列车动活载属于主力活载影响因素，引起的是动态变形;温度力和纵向力属于附加力影响因素，相比主力因素附加力引起的梁间接缝变形不经常发生，两种及以上附加力共同作用的概率更低。

本文就上述5种因素引起的接缝变形作数值分析［1］，计算模型如图4所示。

图4 (2005)2101-32 m梁仿真计算模型

1)二期恒载的影响

对于新建线路，混凝土桥梁梁间接缝的防水密封一般先于二期恒载的施加，二期恒载导致梁体挠曲，使桥梁接缝处于拉伸状态，根据桥梁的截面特性和混凝土的弹性模量，计算得梁间接缝变形量为+1.75 mm(接缝伸长为+，缩短为－，下同)。

2)预应力混凝土收缩、徐变的影响

预应力混凝土梁的收缩、徐变所造成的梁间接缝变形量计算，应综合考虑混凝土的力学性能、龄期及预施应力的时间，巴准铁路(2005)2101梁混凝土设计强度等级为C55，预施应力时间和进行桥梁伸缩缝施工的混凝土龄期分别按10 d，30 d计算，根据我国桥涵设计规范［2］70%相对湿度下由混凝土干燥收缩引起的最终梁间变形为+9.49 mm，由预应力混凝土徐变引起的最终梁间变形为+17.29 mm。

3)列车动活载影响

列车动荷载引起梁体挠曲使梁端接缝上缘伸长，按巴准铁路设计荷载(中—活载)计算，梁间接缝变形量为+2.62 mm。

4)温度力

影响梁间接缝的主要温度作用为整体温度变化，根据近30年的气象统计资料，极端最高温度和极端最低温度分别为43℃和－30℃，并以各月平均气温为密封施工时的桥址环境温度，计算得到最大温升为+51℃，最大温降为－54℃，则32 m梁伸缩变形量为+17.60 mm(7月施工)～－16.62 mm(1月施工)。

5)纵向力

列车牵引力和制动力引起墩梁间相对位移，导致梁间接缝伸长，理论上按照铺设焊接长钢轨的桥梁下部结构的纵向线刚度限值计算，由纵向力引起梁间接缝伸长量为+17.05 mm。

铁路混凝土桥梁梁间构造在上述诸因素的影响下，以伸长为主要变形状态，密封结构受力以受拉为主，原方案中的三元乙丙橡胶止水带，采用悬垂设计，留有止水带伸长的余量，因此桥梁纵向变形对其正常使用基本没有影响。TTXF-Ⅰ型弹性密封材料以其低弹模((23±2)℃时≤0.3 MPa)、高强度(标准条件≥3.0 MPa)、大延伸率(标准条件≥900%)、强耐久性等良好的物理力学性能以及与混凝土界面牢固的粘接力，很好地解决了这个问题。通过上述计算，主力恒载引起的接缝永久变形量为28.53 mm，占接缝原宽度的+40.76%(接缝原宽按照70 mm计，下同);主力活载引起的接缝动态变形量为+2.62 mm，占接缝原宽度的+3.74%;附加力引起的接缝变形量为+34.65～－16.62 mm，占接缝原宽度的+49.50% ～－23.74%。

3 TTXF-Ⅰ型弹性密封材料疲劳试验［3］

为切实保证TTXF-Ⅰ型弹性材料用于巴准铁路混凝土桥梁梁间接缝密封的适用性，设计并进行了疲劳试验。

TTXF-Ⅰ型弹性密封材料的疲劳过程分为裂纹引发和裂纹扩展两个阶段。在裂纹引发阶段有明显的应力软化现象，然后应力变化较缓慢，这是材料内部或表面的微观和细观损伤发展，并引发宏观裂纹的过程;第二阶段裂纹不断扩展，直至材料疲劳破坏，是由弹性体材料内部、表面或粘接面的微观和细观损伤发展，并扩展连通直至破坏的过程。弹性体材料先天的缺陷主要以气泡为主，特别是在高温环境里，气泡在外加荷载和高温膨胀的共同作用下，扩展连通的速度快、范围大，很容易造成破裂。

根据梁间接缝的变形分析，设计并实施200次低周和400万次高周疲劳试验，模拟了TTXF-Ⅰ型弹性体伸缩缝在主力荷载和附加力荷载作用下的疲劳状态，疲劳试件示意如图5。试验完成后密封材料外观和内部未出现裂纹、粘接处未开裂，充分验证了其使用性能。

图5 疲劳试件示意

4 TTXF-Ⅰ弹性材料密封工艺设计［4-5］

根据重载铁路特点，混凝土桥梁采用TTXF-Ⅰ型弹性材料进行梁间接缝密封，分为以下步骤:清除道砟并取出挡砟盖板→混凝土和角钢金属基面处理→衬垫定位及安装→底涂料涂刷→弹性体浇注→面涂料喷涂→覆盖养护→沥青砂浆浇注→恢复盖板及道砟。

1)采用人工清除轨枕两侧部分道砟，抽出道砟盖板，至整体露出梁间接缝，必要时进行钢轨临时支撑。

2)混凝土和金属角钢基面处理。根据现场情况，选择人工或机械打磨并清理，处理后基面应保证平整、密实、清洁、干燥，不得有空鼓、松动、金属锈蚀等，不得粘有浮渣、浮土、浮锈、脱模剂、油污等污物。

3)根据梁端接缝实际状况选择衬垫的种类和规格，衬垫的安装要求成形面平顺、无接头，在弹性体浇注过程中不下沉、不漏液。安装完成后，检查衬垫的定位尺寸，误差控制在 ±5 mm以内。

4)底涂料为本弹性体材料专用的界面处理剂，涂刷面应均匀、不露底面、不堆积，并至少大于粘接面外轮廓10 mm，涂刷完成后覆盖养护。

5)TTXF-Ⅰ型弹性密封材料，由A、B组份在现场浇注机内恒温混合而成。混合完成后，可选择人工或机械方法进行浇注(浇注过程中避免带入空气，随时注意除泡)，配制好的液态密封材料应在30 min用完，随用随配，保证浇注过程的连续性，上表面应该略高于角钢侧表面。浇注完成后覆盖养护，确保密封材料外观的清洁、干燥。

6)浇注完成12 h以内且胶面不粘手时，进行面涂料喷涂，喷涂完成后继续覆盖养护至材料实干，养护中避免水分、灰尘、杂质落入，并防止机械损伤。

7)支模并进行沥青砂浆浇注，待沥青砂浆达到设计强度后，拆除模具。

8)恢复道砟盖板和道砟。

5 结语

1)本文根据新建巴准铁路特点，拟采用TTXF-Ⅰ型弹性密封材料对线上常用跨度混凝土简支梁梁间接缝进行密封，分析(2005)2101-32 m梁接缝变形，其中主力恒载引起的接缝最大永久变形率为+40.76%，主力活载引起的接缝最大动态变形率为+3.74%，附加力引起的接缝最大变形率为+49.50%～－23.74%。

2)根据计算结果，设计并实施疲劳试验，一定程度上验证了TTXF-Ⅰ型弹性材料用于重载铁路混凝土简支结构桥梁接缝密封的适用性。

3)结合TTXF-Ⅰ型弹性密封材料的应用经验和重载铁路的特点，制定巴准铁路混凝土桥梁梁间接缝密封工艺方案。

［1］陈强，王乐然．铁路桥梁接缝密封材料及密封技术研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2009．

［2］中华人民共和国铁道部．TB 10002．3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［3］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB/T 13477—2002 建筑密封材料试验方法［S］．北京:中国标准出版社，2002．

［4］AMSTOCK J S．Handbook of adhesives and sealants in construction［M］．McGraw-Hill Professional，2000．

［5］王乐然，牛斌，肖祥淋，等．客运专线常用跨度桥梁弹性体伸缩缝材料的应用研究［J］．铁道建筑，2009(8):8-11．