高速铁路无砟轨道嵌缝材料修复技术研究

谭社会，靳 昊，易忠来

(1.上海铁路局 工务处，上海 200071;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

高速铁路无砟轨道嵌缝材料修复技术研究

谭社会1，靳 昊2，易忠来2

(1.上海铁路局 工务处，上海 200071;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

介绍了高速铁路无砟轨道嵌缝材料伤损现状，分析了沥青类嵌缝材料的失效原因及失效嵌缝材料对无砟轨道结构耐久性的危害。根据无砟轨道伸缩缝的工况环境和变形特点，提出了修补材料的性能要求，并自主研发出硅酮嵌缝材料。结合天窗期内修补特点，提出了简便、快捷、高效的修补工艺。同时，在天窗期内，采用硅酮嵌缝材料对高铁线路失效嵌缝材料进行了现场修补，修补效果良好。

无砟轨道 伸缩缝 硅酮嵌缝材料 修补工艺

嵌缝材料是一种具有良好黏结性、可随密封面形状而变形的密封材料，用于填充混凝土接缝，可起到防水密封作用。高速铁路无砟轨道道床板、底座板、线间封闭层等多为长连续浇注结构，其伸缩缝的显著特征是随温度的变化会发生较大变形，这就对嵌缝材料的弹性和延伸率提出了很高的要求［1］。

但是，我国早期高速铁路无砟轨道伸缩缝所用的嵌缝材料以沥青类嵌缝材料为主，沥青类嵌缝材料成本低廉，但性能较差，施工工艺较复杂，如需要加热后才能使用;温度适应性较差，低温脆性较大，高温易流淌;耐老化性较差，使用寿命较短等［2］。嵌缝材料的失效会导致无砟轨道结构接缝位置处防水功能丧失，水从接缝处进入无砟轨道结构内部，会对无砟轨道结构的耐久性造成较大损伤。

从已运营的高速铁路来看，由于嵌缝材料老化失效而导致无砟轨道结构出现大面积病害的情况已较为显著。因此，亟需采用适宜的修补材料及修补工艺对失效的嵌缝材料进行修补，恢复其防水密封功能，提高混凝土结构耐久性。

按照对修补材料施工性、变形性、稳定性和耐老化性的要求，自主研发出柔性硅酮嵌缝材料作为修补材料，并采用了一种高速铁路无砟轨道嵌缝材料修补技术，经基面处理、防护及界面处理、注胶和修饰，对失效嵌缝材料进行修复，恢复其长期防水密封功能。

1 嵌缝材料伤损现状

1.1 伤损形式

通过对多条高铁线路的嵌缝材料应用现状调研发现，沥青类嵌缝材料伤损情况较为普遍，其伤损形式主要包括溢出、开裂、离缝、脱落等，而且一般情况下，多种伤损形式并存。

1.1.1 溢出

夏季时，沥青类嵌缝材料经高温后呈液态，会流淌至混凝土表面，污染轨道板，而且伸缩缝内沥青类嵌缝材料流失，也会导致胶层厚度下降，局部缺失，如图1所示。

图1 沥青类嵌缝材料溢出和局部缺失

1.1.2 开裂

冬季时，沥青类嵌缝材料自身容易出现开裂，失去防水密封功能。沥青类嵌缝材料开裂形式多为通体开裂，开裂长度一般＞1 m，如图2所示。

1.1.3 离缝

冬季时，无砟轨道伸缩缝宽度增加，混凝土易与沥青类嵌缝材料脱开，产生离缝。一般情况下，沿垂直伸缩缝方向，沥青类嵌缝材料为整体脱开状态，如图3所示。

图2 沥青类嵌缝材料开裂

图3 沥青类嵌缝材料离缝

1.1.4 缺损

冬季时，沥青类嵌缝材料会与伸缩缝内的混凝土侧面与底面脱开，经列车动荷载、列车风、自然风等因素影响，出现脱落、掉块等问题，如图4所示。

图4 沥青类嵌缝材料缺损

1.2 原因分析

无砟轨道嵌缝材料失效主要是由材料自身原因导致。沥青类嵌缝材料加热呈液态，灌入伸缩缝中，自然冷却固化，期间无化学交联反应。当夏季温度较高时，它会恢复液体状态，失去阻水作用。而且，混凝土受热膨胀后，伸缩缝宽度变窄，沥青类嵌缝材料会被挤出伸缩缝，防水胶层厚度变薄，污染轨道板。

冬季温度下降时，沥青类嵌缝材料刚度增加，脆性增大，无裂缝跟随性。当混凝土受冷收缩后，伸缩缝距离变宽，沥青类嵌缝材料会受到拉力。当沥青类嵌缝材料的拉伸强度低于混凝土的黏结强度时，易出现开裂现象;当沥青类嵌缝材料的拉伸强度高于混凝土的黏结强度时，易出现离缝、缺损和掉块现象。

综上所述，一般情况下沥青类嵌缝材料经历一个冷热循环后(一年)就会失效。

1.3 对无砟轨道结构耐久性的危害

嵌缝材料失效会导致无砟轨道结构接缝处防水功能丧失，水会从接缝处进入到无砟轨道结构内部，对无砟轨道结构的耐久性造成很大的损伤。目前，由于嵌缝材料失效导致高速铁路无砟轨道结构病害已在多条线路上出现。由于嵌缝材料失效导致无砟轨道结构伤损的主要形式分述如下。

1.3.1 道床或基床表层冒浆

嵌缝材料失效后，密封防水功能丧失，水沿着接缝处进入到无砟轨道结构内部，如水泥乳化沥青砂浆层与轨道板之间、道床板与支承层之间等，或者进入无砟轨道与基床表层间缝隙，在高速列车动荷载的作用下，由于动水压的作用，会导致无砟轨道道床或基床表层冒浆，如图5所示。长此以往，会对无砟轨道结构的耐久性造成影响，严重的甚至会影响线路平顺性，危及行车安全。

图5 嵌缝材料失效导致道床冒浆

1.3.2 道床拱起

嵌缝材料失效后，水沿着接缝处进入到无砟轨道结构内部，或者进入无砟轨道与基床表层间缝隙。在严寒地区，水结冰冻胀，会导致道床拱起，影响线路平顺性。因此，必须选用综合性能更加优异的嵌缝材料，以保障高速铁路无砟轨道结构的使用寿命和安全服役。

2 修补材料

2.1 修补材料性能要求

在实地调研高速铁路无砟轨道沥青类嵌缝材料伤损情况基础上，充分考虑夜间天窗期内修补特点，结合高速铁路无砟轨道伸缩缝位移量变化大的特性，提出了修补材料的性能要求。

2.1.1 便捷的施工性

高速铁路无砟轨道失效嵌缝材料需在夜间天窗期内修补，施工时间紧张。双组分或多组分修补材料需要使用天平按照配比秤量和搅拌，增加了施工环节和人为误差。而且，高铁线路风力大，天平称量准确性下降较大，修补材料性能无法保证。液态型修补材料需要采用封闭等措施以防止材料外流，降低了施工效率。而且，液态型修补材料难于灌注，容易滴洒，污染轨道板。特别是风力较大时，材料灌注难度大幅增加，材料外溢、飘洒严重。单组分触变型修补材料无流动性，立面不流挂，且无须称量，直接使用胶枪灌注即可，节约了施工时间，确保了修补材料质量。同时，修补材料可低温施工(－20℃)，满足无砟轨道嵌缝材料冬季施工需要。

2.1.2 优异的变形性

高速铁路无砟轨道修补材料应具有良好的柔顺性，满足50LM等级密封胶的要求，易于跟随伸缩缝的变化而发生形变，缓解和释放应力，防止应力集中，适应于温变引起的位移量变化较大的伸缩缝的防水密封要求。

2.1.3 良好的性能稳定性

修补材料内部应具有交联网状结构，温度变化较大时可保持性状稳定，低温(－20℃)不失柔顺性，高温(80℃)仍具有良好的力学强度，适用于不同地域环境的需要。

2.1.4 优异的耐老化性

修补材料长期暴露在户外，应具有优异的耐热性能、耐水解性能和耐紫外老化性能。而且，修补材料还应适应混凝土碱环境，具有良好的耐碱性。

2.2 硅酮嵌缝材料

根据上述要求研发了满足《高速铁路无砟轨道嵌缝材料暂行技术条件》要求的单组分触变型硅酮嵌缝材料［3］。硅酮以Si—O键为主链结构，且聚硅氧烷分子体积大、内聚能密度低，其柔顺性明显高于聚氨酯等其它材料。同时，硅酮含有的 Si—O键键能高达452 kJ/mol，远大于C—C键键能(356 kJ/mol)和C—O键键能(358 kJ/mol)［4］。因此，其性状稳定，抵抗破坏能力强，可在－50～80℃内正常工作，使用寿命是一般材料的3～6倍［5］。此外，它可在－20℃下正常施工，固化性能不受影响，是其它高分子材料无法替代的。硅酮嵌缝材料性能见表1。

3 修补工艺

夜间天窗期时间有限(≤4 h)，而且，一般情况下修补地点与进场地点距离较远，施工前修补材料与机具的搬运、登记及清查和施工后修补材料与机具的清点、撤离都要在天窗期内进行，实际现场修补时间只有约2～3 h。因此，嵌缝材料的修补工艺应简单、快捷、高效，所需机具数量少，且轻便、易携带。根据现场修补实际需求，提出了无砟轨道嵌缝材料修补工艺，主要包括基础清理、防护及界面处理、注胶和修饰。具体修补工艺如下。

表1 硅酮嵌缝材料性能

3.1 基础清理

基础清理主要包括伸缩缝内沥青嵌缝材料的清除、缝内混凝土黏结面的清理和作业面的清扫。首先，使用冲击钻将沥青嵌缝材料破碎，破碎后用便携式切割工具将缝内仍与混凝土粘连的沥青嵌缝材料清除。然后使用角磨机对缝内混凝土粘结面进行打磨，去除表层粘结松散的沥青嵌缝材料，一般情况下，打磨一遍即可，防止多次打磨导致混凝土粘结面粗糙度下降。最后使用吹风机将整个作业面清扫干净，特别是伸缩缝内及两侧，务必将沥青嵌缝材料碎屑和灰尘清扫干净。基础清理过程见图6。

3.2 防护及界面处理

防护主要是为了防止在灌注或修饰硅酮嵌缝材料时伸缩缝两侧混凝土被材料污染，影响美观。对混凝土进行防护时，采用防护胶带(宽度5～8 cm)粘贴至伸缩缝两侧混凝土表面，防护胶带应与伸缩缝边缘对齐。同时，混凝土为多孔结构，硅酮嵌缝材料与其粘结时，容易在界面出现针眼、空鼓等情况，严重影响材料的粘结性能。因此，需在混凝土粘结面涂刷界面剂，改善界面状态，确保修补材料与混凝土粘结牢固。涂刷界面剂时，应均匀、薄层涂抹，不应漏涂和反复涂抹。漏涂会导致修补材料局部粘结性能降低，成为受拉薄弱点;涂抹过多既浪费材料，又会降低修补材料与混凝土的粘结强度。防护及界面处理如图7所示。

图6 基础清理

图7 防护及界面处理

3.3 注胶

硅酮嵌缝材料的变形性能与伸缩缝内填充的尺寸具有相关性。嵌缝宽深比越小，材料的变形性能越好，但是嵌缝厚度也不宜过薄，否则容易被外力破坏，使用寿命降低。一般情况下，材料的嵌缝宽深比建议为0.5～1.0。为了达到合理的嵌缝宽深比，需要向伸缩缝中填充泡沫条。向缝内放置泡沫条时，泡沫条上端与伸缩缝上部的距离应与设计高度相符，且确保泡沫条在伸缩缝内“卡死”，防止灌胶后泡沫上浮。泡沫条安装后，用专用胶枪将硅酮嵌缝材料注入至伸缩缝内。注胶时，胶枪口应深入缝的底部，灌注速度应缓慢均匀，避免内部空鼓，减少气泡产生。当注胶位置的修补材料高度超过伸缩缝约0.5 cm时，停止注胶，向后移动，对下一个位置进行注胶。镶嵌泡沫条和注胶如图8所示。

3.4 修饰

修补材料具有触变性，需要使用工具将其刮平，保证表面密封严实。使用工具修饰时，应尽量一次刮平，减少刮抹次数，确保材料表面无气泡、凹坑等。一般情况下修补材料刮平约5 m后，开始拆除保护胶带。如保护胶带拆除不及时，修补材料表面凝胶会粘上保护胶带，拆除时会破坏修补材料，影响防水密封性能。修补材料的修饰和保护胶带的拆除如图9所示。

图8 镶嵌泡沫条和注胶

图9 修饰修补材料和拆除胶带

4 修补效果

目前，研究提出的单组分触变型硅酮嵌缝材料及修补工艺已在高铁线路推广应用。2012年开始修补至今，嵌缝材料工作状态良好，没有出现新的伤损情况，修补效果良好。修补效果如图10所示。

图10 修补效果

5 结论

1)沥青类嵌缝材料性状不稳定，低温脆，高温流淌，使用寿命短，易出现溢出、开裂、离缝、脱落等问题。

2)单组分触变型硅酮嵌缝材料具有施工便捷、变形性良好、性能稳定和耐老化性能优异等特点，能够满足高速铁路无砟轨道嵌缝材料性能要求。

3)本文所采用的高速铁路无砟轨道嵌缝材料修补工艺简单、快捷、高效，能够满足高速铁路无砟轨道嵌缝材料夜间修补的特殊工况要求;同时，该修补技术成熟、可靠，修补效果良好，可恢复长期防水密封功能。

［1］易忠来，靳昊，李化建，等.高速铁路无砟轨道嵌缝材料技术要求研究［J］.中国铁路，2015(4):45-49.

［2］毛国新，程地琴.高寒地区混凝土防渗渠伸缩缝填料选择［J］.中国农村水利水电，2008(8):72-74.

［3］黄文润.硅油及二次加工品［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［4］刘聪盼.高性能脱醇型RTV-1有机硅密封胶的研究［D］.广州:华南理工大学，2011.

［5］中国铁路总公司.TG/GW 119—2013 高速铁路无砟轨道嵌缝材料暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，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

(责任审编 周彦彦)

2015-03-07;

:2015-07-04

国家自然科学基金项目(51308546);中国铁道科学研究院基金项目(2013YJ026)

谭社会(1973— )，男，高级工程师。

1003-1995(2015)11-0108-05