铁路新型钢桥面防水保护层设计研究

徐 辉,高静青

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 钢桥面板防水保护层发展概况

防水保护层是铁路钢桥的重要组成部分，其质量的优劣直接影响到钢桥结构的耐久性。在使用过程中保护层长期承受疲劳荷载作用，往往会出现不同程度的开裂、破碎等破环现象。保护层一旦破坏，便会造成防水层的破坏，进而直接影响钢桥的使用耐久性，因此要求铁路桥梁保护层能在长期疲劳荷载作用下不破碎、不崩溃，从而能够有效地保护钢桥结构。钢桥面板防水保护层在我国还是一个未能很好解决的难题，至今尚无完善的设计，也未有规范和标准能达到各行业一致认可的效果，均处于研究、设计、实测再改进的过程中。

我国铁路线上钢桥面板道砟槽防水保护层有以下4种。

(1)环氧富锌底漆+环氧沥青胶液+玻璃布+水泥砂浆作为保护层(1992年，淮南复线柘皋桥上使用[1])，不直接受紫外线的破坏，对钢板的保护年限设计将超过30年。实际运营有20余年，但因各种原因未能在铁路上推广使用。

(2)混凝土道砟槽板+防水层+保护层(京沪高铁大胜关长江大桥[2])，见图1。混凝土道砟槽在铁路桥梁桥面防护中应用比较普遍，但由于混凝土抗拉能力较差，在荷载、混凝土收缩、温度荷载的作用下，混凝土道砟槽板承受较大的拉应力，即使配有钢筋仍难保证道砟槽不开裂。一旦道砟槽底板混凝土开裂，将导致混凝土与钢板间的防水层破坏，进而影响钢结构的耐久性。由于道砟槽底板属于隐蔽构造，其上铺设道砟后，道砟槽底板的开裂在日常巡查中很难被发现，即使发现，在行车条件下对道砟槽及防水层进行维修也相当困难；另一方面，由于采用较厚的混凝土铺装结构，恒载增加必然加大了桥梁结构内力，增大工程造价。

图1 南京大胜关桥桥面铺装示意

(3)聚脲弹性体防水层+聚丙烯腈纤维高性能混凝土保护层(福厦线木兰溪及丘后特大桥[3])。实验室试验表明：其防护体系具有良好的防腐、防水效果[4]，现已投入运营。但由于该防护体系面层仍采用混凝土作为其上端防护层，其必然存在复杂应力作用下混凝土开裂、松散，以致聚脲弹性体脱落等潜在的隐患。

(4)环氧沥青柔性防水层(东新赣江桥[5])，见图2。柔性保护层除了具备混凝土保护层的优点外，还具有抗变形能力强、追从钢板变形而协同变形能力强、与防水层连接紧密的特点，能够有效分散荷载、保护防水保护层免受机械破坏，从而能够有效地保护钢桥结构，降低维修次数，延长铁路桥梁整体使用寿命，对出现的细微病害可采取灌封、挖补等工艺进行修补。但是由于环氧沥青混凝土拌和需要特殊设备和施工工艺，故在较小规模桥梁和桥面较窄的双线铁路桥上使用，会导致施工难度加大、单位成本提高等问题。

图2 东新赣江桥桥面铺装示意

2 新型钢桥面板防腐设计

从目前国内外已实施的钢桥面防水保护层设计分析，环氧沥青混凝土柔性保护层的保护和防水效果最佳，但其高昂的造价和要求严格的施工工艺限制了其在国内的推广应用，且其施工要求桥面有足够的宽度保障施工机械作业，环氧沥青混凝土摊铺时间限制在数小时内。对于铁路双线桥(单线桥) ，桥面宽度小于12.2 m(8.2 m)，不适合环氧沥青混凝土运输和摊铺机械快速作业，因此，结合本国国情，研发易施工和保护效果兼具的新型桥面铺装防水保护层显得尤为重要。

因此，设计研发人员提出全新的采用有复合防腐层的钢桥面板防水保护体系，即采用细石聚酯纤维混凝土[6]+喷涂型聚氨酯防腐层+补偿锈蚀钢板(喷涂特制环氧富锌底漆)+灌注式高分子化学树脂粘结层[8]，该防水保护层兼具施工易操作、质量可保证、质量轻、防腐和耐磨时效长的特点，且造价相对经济。其分层及功能如表1所示。

表1 复合桥面防腐分层及功能介绍

细石混凝土具有较好的防磨性能，介于道砟与聚氨酯防水层之间，有效隔绝了道砟对聚氨酯防水层的磨蚀，但混凝土易开裂。因此，在混凝土中掺和聚酯纤维网，结合钢筋网的铺设，增加了混凝土的延展性，防止混凝土开裂，细石混凝土防磨层厚度不小于6 cm，必要的厚度确保混凝土成为整体板式结构，且粗骨料直径不宜过大。

综合比较目前使用的各项性能指标较为优异的防水材料，直接用于做防水层的聚氨酯拉伸强度大于6.0 MPa，在高温、酸、碱等环境下不易断裂，-35 ℃以下低温弯折无裂纹[7]，具有优异的防水性和粘结性，选定聚氨酯作为防水层，但其要求对被粘接的材料基层表面进行处理。相对于混凝土基层，环氧富锌漆喷涂后的钢板与聚氨酯的粘接有更好保障，聚氨酯因操作不当而脱落的概率大为降低，因此作为防水层的第一层在本次研究中得到采用，聚氨酯和补偿锈蚀钢板的复合防水层确保了整体钢桥面板的耐久性和使用年限。

一定厚度的补偿腐蚀钢板通过高分子材料与整体钢桥面板粘结成整体，在长时间自身受腐蚀的情况下，确保腐蚀不延展至主受力钢板，也作为桥面板的第二层防水层，同时能与整体钢桥面板共同参与受力，提高整体桥面板抗力和耐久性。

3 新型桥面铺装施工工艺研究

3.1 钢板粘结层施工工艺研究

(1) 粘贴层材料选用

补偿腐蚀钢板采用耐腐蚀的合金钢[8]较为适宜，根据受力计算钢桥面板采用合适钢种[9]，粘贴层采用高分子化学树脂材料。为保证防腐效果和质量，参照成熟技术产品进行设计，应确保钢板粘贴牢固，无间隙及空洞，粘接材料性能指标见表2。

表2 高分子化学树脂材料性能指标[10]

(2)粘贴设计研究

为保障两层钢板之间形成高分子材料灌注封闭空间，在钢板与钢板之间采用聚氨酯弹性体支撑带，以达到化学树脂灌注层所需高度，树脂材料采用真空压力灌注的方式进行[11]，见图3。

图3 化学树脂灌注空间示意(单位：mm)

采用真空压力灌注高分子化学树脂材料，保障了材料灌注饱满、较少出现空洞现象，极少量出现的空洞可经修补达到合格。为达到真空压力灌注的效果，在封闭空间上需做进一步处理。在上层钢板一侧设置注胶孔，另一端设置排气孔，在钢板加工时预留螺孔，注胶/抽气孔间距按试验后得到的树脂流动范围合理设定，在设置好的孔上安装注胶/抽气连接嘴，与注胶泵和真空泵进行连接，连接嘴接口采用快装和单向阀构造，满足快速施工要求。采用上述工艺，单个封闭空间注胶完成时间控制在1 h以内。注胶设备布置见图4。

图4 注胶设备连接示意

试验结果表明，采用上述工艺达到了大块钢板之间注胶密实、粘接质量优良、粘接过程耗时短、易操作的目的，粘接质量满足规范、规程要求。

(3)粘贴施工工艺研究

为确保被粘接的两层钢板之间的平整度，下层整体钢桥面的纵横向焊缝余高需进行打磨，焊缝应匀顺，补充锈蚀钢板与桥面钢板平行无翘曲，打磨后焊缝略高于桥面板，随后对补充锈蚀钢板与粘贴层的接触面和桥面钢板进行喷砂除锈处理，喷砂介质采用铁砂，金属面处理后表面清洁度达到Sa2.5级和表面粗糙度值为20 μm以上，满足真空灌注高分子粘接材料所要求的清洁度。桥面喷砂设备有多种选择，经试验比较，采用移动式自回收喷砂设备，在清洁度、清洁效率上能确保现场喷砂施工过程不对现场造成二次污染。

对钢板进行上述表面处理并检验合格后，对处理干净的表面立即进行保护，防止再次锈蚀或污染，立即开展聚氨酯弹性体支撑带的施作，按照被粘接钢板的分块大小，按间距60～80 cm布置支撑带，支撑带弹性体尺寸为2 mm×40 mm×40 mm。支撑带弹性体通过专用粘合剂与钢板进行粘结，过程中利用磁力底座作为反力架对粘结面进行加压，以保证粘结弹性体粘接牢固不滑移。

上层钢板运至施工现场前，在工厂对其进行预加工，预制工艺包括：整平、放样、剪裁/切割、刨边、钻孔/攻丝、喷砂除锈等，运至现场后再次喷砂除锈，保障粘接前的清洁度。

真空压力灌注高分子粘接材料，是一种冷粘结的拼接方式，实现全桥面的整体补偿锈蚀钢板安装到位，满足了防护层对桥面钢板的协同变形追从性和温度变形要求，不再有焊接环节，避免了焊接产生的钢板内永久二次应力的产生。

3.2 环氧富锌底漆喷涂施工工艺研究

环氧富锌底漆喷涂前，被防护的钢板基面清洁度要求达到Sa3.0的除锈等级，可采用前述的铁砂除锈工艺。环氧富锌底漆喷涂厚度由材料性能及特点决定，干膜厚度不宜过大，厚度在80 μm左右[12]能确保防护时长满足30年，底漆分两层喷涂，每层40 μm。喷涂过程中，工作条件达到相对环境湿度小于85%、钢材表面温度大于露点温度3 ℃以上时，能更好保障底漆的附着力。

(1)采用双组分自干环氧富锌底漆，喷涂前，对组分A(中分子环氧树脂、特种树脂、锌粉、助剂和溶剂)进行充分搅拌，使上下层漆料均匀一致，无任何沉积物或结块存在。将组分A与组分B(胺固化剂)按包装桶上注明的配比进行配置，准确称量，组分B倒入组分A的操作过程中边倒入边搅拌，倒入完成后，再将两组分充分搅拌至均匀。搅拌完成后用专用稀释剂将漆料稀释至工作黏度，便于喷涂均匀及喷涂过程中不堵塞喷枪，要求的刷涂黏度为20～25 s、喷涂黏度为18～22 s[13]。

(2)由于富锌涂料中锌粉含量高、沉淀速率快、易结块、容易堵塞喷涂系统、损坏无气喷涂机中高压泵等压送设备，因此，喷涂富锌底漆选用专用挡无气喷涂机较为适宜。

(3)喷涂过程中，按照试验确定值调整压缩空气收缩压至0.4～0.6 MPa和合理区间，高压泵压力标定为11～15 MPa，喷枪移动速度保持在60～100 cm/s，每层涂层的搭接边为涂层幅宽的1/6～1/5。总厚80 μm的底漆分为两层喷涂，在经过表面喷砂处理的钢板表面涂第一层环氧富锌底漆，干燥4～12 h后测试干膜厚度，确保不小于40 μm。检验合格后用无气喷涂的方法进行第二次喷涂，干燥4～12 h后再次测试干膜厚度，同样不小于40 μm。

3.3 聚氨酯防水层施工

参照国内外已完工工程，直接用于防水层的聚氨酯防水涂料总涂膜厚度定为2.0 mm[14]，采用人工刮涂的方式进行。刮涂前的准备工作：涂料的主剂(甲组分)、固化剂(乙组分)按配合比2∶1进行配制，每种组分的称量误差不应大于±2%，按照先主剂、后固化剂的顺序将液体倒入容器，采用机械搅拌，确保主剂和固化剂混合均匀，搅拌器的转速控制在200～300 r/min、搅拌时长为3～5 min。刮涂分2次进行，使用平板在基面上刮涂第一层，涂膜厚度0.2 mm左右，达到一定干燥程度后，根据材料特性，在1～2 h内使用金属锯齿板进行第二次刮涂。依据固化剂的性能要求，配制好的涂料必须在20 min内涂刷完成，否则超过固化剂的凝固时间，造成施工质量问题，且施工环境温度不低于5 ℃。

3.4 聚酯纤维细石混凝土施工要求

聚氨酯防水涂料完全干硬后，在钢板上开始人工绑扎钢筋网片，钢筋网片间距100 mm×100 mm，直径7 mm。钢筋网片绑扎完成经检查符合要求进行桥面混凝土浇筑。混凝土面浇筑完成需及时采取必要的保水养护措施，测试环境相对湿度，相对湿度小于60%时，自然养护大于28 d方能保证混凝土强度达标；相对湿度在60%以上时，自然养护不少于14 d。

4 各环节的质量鉴定及不合格品处理

4.1 注胶施工质量检查及处置办法

(1)质量检查

注胶环节的质量缺陷主要表现为粘接胶在注入过程中形成空洞，压力灌注结束时即刻展开检查工作，采用敲击检测法和超声波检测法两种方法进行联合检测。 将粘贴的钢板分区，逐区测定空鼓面积(即无效粘贴面积)，敲击范围应遍布整块钢板。在敲击过程中疑有空洞时，采用超声波对疑似空洞处进行第二次检测，标定空洞的有无以及存在的空洞区域面积。

经敲击检测法和超声波检测法联合检测后，检测有效粘贴面积大于总粘贴面积的95%[15]时，注胶判定为合格。

(2)质量缺陷的处理

经联合检测后，检定的空洞面积大于总面积的5%时，注胶过程判定为不合格，需进行二次处理至合格。若单个空鼓面积不大于104mm2，采用钻孔注射法补充注胶进行修复，注射方法类同于图4的处理方法；若单个空鼓面积大于104mm2，在树脂未凝固前，揭开粘贴钢板，处理干净后，重新进行压力注胶至检测合格。

4.2 表面喷涂环氧富锌底漆质量检验[16]

质量检验含工序间检验和最终检验两个环节。工序检验包括表面处理是否达到要求，漆层的厚度与完整性。表面应完整、均匀、无漏涂现象。最终检验包括涂层连续、均匀、平整、无颗粒、无流挂或其他缺陷，颜色均匀一致，厚度达到要求。漆膜厚度理论允许偏差为±5 μm，涂层厚度、外观、附着力达到表3的标准即为合格。

4.3 聚氨酯质量检验及维修

聚氨酯防水层施工质量检验按检测面积要求和检测项目两项展开。

检测面积要求按涂层面积每100 m2抽查1处，每处面积为10 m2且位置不少于3处。

检测项目分为主控项目和一般项目。主控项目要求：涂料防水层所用材料及配合比符合《铁路混凝土桥面防水层技术条件》要求，材料进场后检查出厂合格证、质量检验报告，制定计量措施和现场抽样试验报告。涂料防水层及其转角处、变形缝、泄水管道等细部需全封闭，封闭完成后用人工观察法检查并填写隐蔽工程检查验收记录。一般项目的要求：涂料防水层的基层应牢固，基面应洁净、平整，不得有空鼓、松动、起砂和脱皮现象；基层阴阳角处做成圆弧形。检验方法同主控项目，涂料防水层与基层粘结牢固，干膜表面平整、涂刷均匀、无涂料流淌印迹、无皱折、不鼓泡、不露胎体和无翘边。利用针测法和取样法的综合检测进行干膜厚度测量，涂料防水层的平均厚度达到要求的2 mm，取样尺寸为20 mm×20 mm，样本用卡尺测量干膜厚度。

不合格者进行割除后二次刮涂。

表3 涂层质量、外观、附着力测定方法

图5 山西中南部铁路通道列车活载图式(单位：cm)

5 防水保护层应用情况

山西中南部铁路通道为国内第一条真正意义上的重载铁路，建设年度为2008年至2014年，设计运营速度120 km/h， 年设计运量2亿t，列车活载采用ZH活载，系数Z=1.2[17]，见图5。本研究成果成功运用于将军渡黄河特大桥主桥整体桥面板的防护工程上。

将军渡黄河特大桥主桥为1-100 m+10-128 m下承式简支钢桁梁，桥面宽12.2 m，主桥长1 391 m，南北引桥各长约7 km与3 km，桥面无环氧沥青混凝土拌和站位置，长距离运输，无法保障环氧沥青混凝土拌和及摊铺，采用了新型复合桥面铺装设计，见图6。其施工工艺流程见图7。

图6 将军渡黄河特大桥钢桁梁桥面铺装

图7 施工工艺流程

考虑防护层的追从性和温度变形要求，防腐钢板仅考虑耐久性防护作用，防腐钢板的拼接采用弹性体支撑、高分子材料冷粘结的拼接方式，施作过程无焊接程序。钢板纵向按照桥梁下横梁的节间距离及钢材出厂尺寸合理进行了分区，粘贴钢板尺寸定为1.6 m×4.25 m，考虑到桥梁双向横坡的设置，钢板在横桥向在桥面中轴线处设置了1道弹性搭接缝。

为保证高分子化学树脂材料灌注饱满，避免出现脱空现象，现场采用了前述真空压力灌注方式，注入 /抽气嘴与钢板预留孔采用螺口连接，注入 /抽气嘴间距设置为40 cm左右为宜。快速接头的运用满足了快速施工要求。注入 /抽气嘴位置布置处于弹性体支撑带所形成的隔舱的边缘部位，在真空吸力作用下保障了钢板全域树脂材料灌注饱满。

在上层防腐钢板安装前，于聚氨酯弹性体支撑带上表面涂刷专用粘合剂，在专用粘合剂固化前，完成上钢板的安装就位。

压力灌注准备工作完成、材料固化后，采用真空灌注工艺对中间粘结层进行压力灌注。灌注过程中按试验结果得出的预设灌注持压时间和压力进行。灌注完成后对成品进行养护，避免因强烈的振动和扰动影响粘接质量。

养护48 h后，对注入/抽气嘴进行冷切割处理，并对其表面进行填平修复处理。

钢板粘贴树脂在1.6 m×4.25 m的独立空间内操作，顺接至钢桁梁主桥全长范围。防腐钢板分块后，粘接操作时间可控，桥面铺装施工严格执行了上述标准，经质量检验和验收[18]，判定合格。该桥已开通运营达4.5年，目前桥面铺装层完好无病害，需在更长时间范围内判定其防腐蚀和耐磨性保护效果。

6 主要结论与建议

6.1 主要结论

本复合防腐层方案是一新型的钢桥面防护方案，该方案较好地控制了桥梁附属结构恒载的增加，通过多层防护，长期有效地解决钢桥面防腐问题。

通过刚柔结合的多层防护方式，避免了单一刚性或柔性防护材料可能出现的复杂环境作用下防护失效的风险。

在桥梁承受活荷载情况下，复合防腐层可以有效降低正交异性桥面板钢面板的应力峰值，降低钢面板疲劳损伤的风险。

本方案对施工设备要求较低、操作简单、质量可控、工程造价适中，为铁路钢桥提供了一种新型桥面防水保护层。2017年6月，《一种钢桥面板桥面铺装结构及其铺装方法》获得国家知识产权局授权(专利号：ZL201410145596.4)[19]。在对将军渡黄河桥运营的后期检测基础上，向其他类似桥梁推广运用。

6.2 建议

在此项目中，复合防护层仅起到复合防腐保护作用。今后类似桥梁项目中，可通过进一步研究定量探讨复合防腐层具备的集中应力分散功能效果，以提高复合防腐层的应用范围和价值。