浅谈铁路混凝土桥梁用聚氨酯弹性体梁端防水装置*

张勇 刘志* 赵微微 贾积恒 刘彦光 马崇

(1. 北京铁科首钢轨道技术股份有限公司 北京 102206)

混凝土桥梁在长期使用过程中极易出现碱骨料反应、混凝土碳化、钢筋电化学锈蚀、酸雨破坏和冻融循环等耐久性病害，这些病害的产生、发展均与水有关。铁路行业标准TB 10621—2009《高速铁路设计规范》规定，桥梁端部应采取有效防水措施，防止因污水顺梁间接缝流下造成的梁体、梁端表面、支座及下部结构被腐蚀[1]。

传统铁路混凝土桥梁梁端伸缩缝防水装置大多采用橡胶止水带。结合轨道形式，客运专线铁路分为无砟轨道桥梁伸缩缝及有砟轨道桥梁伸缩缝，根据适应不同的伸缩量划分为不同的等级。无砟轨道桥梁伸缩缝装置一般由一次成型的金属型材、防水橡胶条以及锚固装置3部分构成；有砟轨道桥梁伸缩缝除上述3部分外，还包括挡碴盖板共4部分组成。金属型材可采用铝合金及耐候钢型材；防水橡胶条采用氯丁橡胶或三元乙丙橡胶，胶条挤压成型，既满足桥梁伸缩，又能密封防漏。

传统的橡胶止水带伸缩缝防水装置在使用过程中，很容易出现不同程度的病害，丧失梁端防水密封及排水功能[2-3]，严重影响防水装置使用寿命和桥梁质量。橡胶止水带伸缩缝防水装置的橡胶开裂、脱落、排水通道堵塞及无法维修更换等问题，已经成为铁路桥梁桥面防排水工程的一大难题。而最近开发的聚氨酯弹性体伸缩缝防水装置在满足桥梁伸缩变形的同时，可保证梁间防水，提高了混凝土结构桥梁的耐久性，确保行车安全。

1 聚氨酯弹性体梁端防水装置组成

铁路混凝土桥梁弹性体梁端防水装置即聚氨酯弹性体伸缩缝。与橡胶止水带伸缩缝不同，其无金属型材、锚固装置等支承结构，与混凝土梁端连接方式仅为粘接，属于“非固定式”梁间伸缩缝。聚氨酯弹性体伸缩缝可在施工现场制作，将双组分聚氨酯两个组分按比例混合均匀，浇注至梁间接缝槽中，常温固化后形成弹性体，并与两侧梁端牢固粘接。

弹性体梁端防水装置由聚氨酯弹性体材料、底涂层、面涂层、衬垫、钢盖板及锚固装置等部分组成，其中聚氨酯弹性体材料为主要组成部分，起防水密封的作用，同时可随梁体伸缩而变形；底涂层作为界面材料，可使弹性体材料与梁体粘接牢固；面涂层可提高弹性体材料的耐候性；衬垫是辅助成型装置，在聚氨酯弹性体固化成型后可拆除(见图1)[4-5]；有砟轨道应设置钢盖板。

图1 弹性体梁端防水装置示意图

2 聚氨酯弹性体梁端防水装置生产

2.1 聚氨酯弹性体组合料生产

聚氨酯弹性体组合料由A、B两个组分组成。

A组分由聚醚多元醇、聚四氢呋喃二醇、增塑剂与异氰酸酯预聚反应制得，基本工艺如下：上述2种多元醇脱水，加入异氰酸酯，聚合反应约3 h，保温2 h后降温、包装。

B组分由聚醚多元醇、扩链剂、防老剂和催化剂等混合制得，基本工艺如下：采用高速分散机将防老剂与聚醚多元醇混合并研磨，加入扩链剂后脱水，降温后加入催化剂，搅拌30 min后包装。

2.2 现场安装

弹性体梁端防水装置现场施工具体操作流程详见图2，现场安装严禁在负温和大风雨雪天气进行施工。

图2 弹性体梁端防水装置现场施工流程图

(1)基层处理

将混凝土表面的油污、脱模剂、浮渣、浮土以及空鼓、松动、蜂窝麻面打磨处理，确保粘接面混凝土表面密实、平整、清洁和干燥[4]，若存在影响弹性体与混凝土粘接质量的情况，应进行修补处理。

(2)衬垫安装

根据接缝宽度和梁端构造尺寸选择衬垫种类及规格，确保聚氨酯两个组分混合后在浇注过程中不下沉、不漏液及不变形，成型面平顺，确保聚氨酯弹性体成型后的结构形状和尺寸要求。

(3)底涂料施工

底涂料施工前应确认粘接面状态，涂膜应均匀、不露底面、不堆积，涂刷面外轮廓尺寸应大于底涂料与弹性体接触边界，用量不小于0.4 kg/m2，聚氨酯弹性体浇注前保证底涂层表面清洁、干燥[5]。

(4)弹性体材料浇注[6]

浇注前准备工作：根据环境条件和使用说明确定聚氨酯弹性体的浇注时间及出料温度等参数。气温25 ℃以上时，出料温度控制在25～30 ℃，气温0～25 ℃时，出料温度控制在30～45 ℃。先对A、B组分进行真空脱泡，确保A、B组分出料计量误差不大于1%。通过浇注机将混合料液注入固定容器中，固化后做初步检测。浇注过程中应避免带入空气，混合好的弹性体应在30 min内完成浇注，浇注后检查表面气泡并除泡。聚氨酯弹性体固化期间应避免水、灰尘等杂质混入以及机械损伤。

(5)面涂料施工

弹性体材料浇注12 h内且胶面不粘手时，可进行面涂料的喷涂，涂膜应均匀、不露底面、不堆积，用量不小于0.4 kg/m2。施工完成后应覆盖养护，避免水、灰尘等杂质混入，防止机械损伤以及后续施工破坏[4]。

3 聚氨酯弹性体梁端防水装置的特点

弹性体梁端防水装置主要部分通过现场浇注成型，无需结构支撑，为“非固定式”产品，具有很好的形状适应性，安装、维护及更换简便快捷，适用于普通铁路、高速铁路、货运和客货共线铁路常用跨度混凝土简支梁接缝密封及密封修复，城市轨道交通高架桥简支梁也适用于本产品。

鉴于聚氨酯材料特殊的分子结构形式，聚氨酯弹性体伸缩缝防水装置具有优异的性能：

(1)拉伸性能好。常温下断裂伸长率大于900%，最高可达1 300%，即聚氨酯可被拉伸至其长度的9～13倍，同时拉伸强度大于3 MPa，最高可达6 MPa。桥梁长度越大，其接缝伸缩量也越大，聚氨酯弹性体伸缩缝可适应各种伸缩量的桥梁接缝。

(2)弹性恢复率大于95%。冬季桥梁收缩，弹性体伸缩缝处于拉伸状态，夏季桥梁伸长，弹性体可恢复原状态，不易发生蠕变而导致材料破坏。

(3)耐疲劳。聚氨酯弹性体伸缩缝在经过400万次高周疲劳测试和200万次低周疲劳测试后无裂纹和破坏。列车高速通过时，桥梁会产生强烈的震动，聚氨酯由于其特殊的分子结构，软段与硬段结合，软段可以消除震动产生的破坏能量，硬段可以提供一定的强度。而橡胶分子的网络结构不均匀，导致产生应力不均匀，局部产生应力集中，造成局部分子链断裂。当橡胶处于周期性变形时，分子链来不及松弛，应变对应力有一定滞后性，分子链中总是保持着一定的应力梯度，从而使分子链容易发生断裂。

(4)耐低温。在-30 ℃温度条件下使用，聚氨酯弹性体不会变硬变脆，弹性模量低至0.2 MPa，仍然保持原有的弹性、拉伸强度及伸长率。这得益于聚氨酯分子中聚醚和异氰酸酯等软硬段相结合而产生的微相分离。而橡胶产品中炭黑粒子与橡胶分子结合形成刚性链段，炭黑与橡胶之间由范德华力和化学键联系在一起，在低温时，范德华力很大，刚性链段的作用力大，橡胶分子的运动受阻，表现出高模量，产品变硬变脆。

(5)耐久性。聚氨酯弹性伸缩缝耐腐蚀性强(如耐酸、盐等)，其本身耐紫外和人工气候老化性能优于橡胶材料，且面涂料为有机硅涂料，涂覆在聚氨酯弹性体伸缩缝表面，提高防水性能，整体耐久性能非常优异。

(6)与混凝土附着力强。聚氨酯弹性体伸缩缝结构简单，仅为粘接，由于底涂料的界面作用，加上聚氨酯材料本身较强的粘接力，粘接非常牢固。而橡胶止水带伸缩缝的橡胶条与型钢通过嵌固槽物理连接，容易脱落而失效[7]。

4 结束语

混凝土桥梁梁端防水装置既要有防水功能又要能适应梁的整体伸缩变形。公路梁端防水装置因为车辆通过轮胎直接接触，无法使用低模量产品，因此普遍使用的钢结构-橡胶止水带或沥青材料，使用过程中容易老化失效[8]。铁路混凝土桥梁起初也是沿用了公路桥梁的梁端防水装置，但是铁路桥梁梁端接缝无车辆直接接触，可以使用性能更好的低模量聚氨酯弹性体防水装置，提高使用寿命，且防水效果好，可长期推广使用。