產(chǎn)品開(kāi)發(fā)背景介紹：

　　1.高速鐵路軌道板溫度應(yīng)力病害嚴(yán)重影響行車安全

　　數(shù)據(jù)顯示2019年底，我國(guó)高鐵里程達(dá)到3.5萬(wàn)公里，運(yùn)營(yíng)里程位居世界第一。運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高，對(duì)列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性等方面也提出了更高的要求，高速鐵路無(wú)砟板式軌道作為主流軌道結(jié)構(gòu)，軌道板的可靠性與耐久性關(guān)系到高鐵的運(yùn)營(yíng)安全。環(huán)境溫度是影響軌道板結(jié)構(gòu)安全的重要因素之一，因高速鐵路穿越的地區(qū)氣候條件不盡相同，北方地區(qū)冬夏兩季最大溫差可達(dá)60℃以上，一天內(nèi)最大晝夜溫差也可達(dá)20℃以上，尤其在夏季強(qiáng)太陽(yáng)光照射作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)砟軌道板溫度將迅速升高，但由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較小、傳熱性能較差，內(nèi)部溫度的升高明顯滯后于表面，軌道板上下表面形成顯著的溫度差，軌道板的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的非線性溫度分布，產(chǎn)生過(guò)大溫度梯度，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，造成軌道板翹曲變形、層間離縫、板體開(kāi)裂。因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫會(huì)帶來(lái)軌道板滲水、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、冬季凍融破壞等次生病害。近些年來(lái)，全球氣候變暖趨勢(shì)加快，夏季極端高溫天氣頻發(fā)，無(wú)砟軌道板病害情況更加突顯，對(duì)線路安全運(yùn)營(yíng)造成了嚴(yán)重影響。

　　2.軌道板溫度應(yīng)力病害防治急需優(yōu)質(zhì)解決方案

　　高速鐵路相關(guān)部門(mén)及該領(lǐng)域內(nèi)的眾多專家學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，對(duì)軌道板溫度分布、溫度應(yīng)力、溫度應(yīng)力病害與氣溫、太陽(yáng)光輻射之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，分析了高溫天氣下板式無(wú)砟軌道溫度特性，論證了高溫季節(jié)出現(xiàn)過(guò)大的溫度應(yīng)力是軌道板裂縫、軌道板與砂漿層間離縫上拱產(chǎn)生和發(fā)展的主要原因之一，給出了溫度應(yīng)力病害出現(xiàn)后的諸如裂縫注漿、植筋錨固的治理措施。但這些措施主要是被動(dòng)修補(bǔ)和強(qiáng)制約束，存在無(wú)法提前干預(yù)、治標(biāo)不治本產(chǎn)生新的安全隱患等問(wèn)題。目前尚無(wú)既便于實(shí)施、充分安全又可防治結(jié)合的措施，相關(guān)方急需新材料新工藝的科學(xué)解決方案。

　　3.中國(guó)鐵路總公司2017年科研計(jì)劃重大課題之一

　　2017年5月中國(guó)鐵路總公司印發(fā)《2017年中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題指南》白皮書(shū)，將“復(fù)雜溫度循環(huán)下高鐵無(wú)砟軌道力學(xué)行為及損傷特性研究”列為重大研究課題，該課題主要研究溫度與無(wú)砟軌道病害情況，研究無(wú)砟軌道維護(hù)技術(shù)，將無(wú)砟軌道溫度病害的治理提到了新的高度。

　　4.鐵路相關(guān)部門(mén)高度關(guān)注、深入合作

本產(chǎn)品開(kāi)發(fā)合作單位：

　　中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所

　　中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所

　　鄭州優(yōu)波科新材料股份有限公司

　　中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所關(guān)注高鐵軌道板的病害防治研究，參與重大課題的研究工作，在廣泛調(diào)研的情況下，了解到反射隔熱涂料在建筑領(lǐng)域隔熱降溫應(yīng)用的情況，以及水性反射隔熱涂料環(huán)保、安全、有效、施工便捷的特點(diǎn)，敏銳的洞察到水性隔熱涂料技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路溫度應(yīng)力病害防治的遠(yuǎn)大前景，提出了在建筑用水性反射隔熱涂料技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)針對(duì)高鐵軌道板應(yīng)用場(chǎng)景的專用產(chǎn)品的新思路。

　　三方在充分交流的情況下，確定合作開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。本著預(yù)防為主、標(biāo)本兼治的研發(fā)思路，經(jīng)過(guò)三方合作研發(fā)，歷時(shí)3年，最終推出了無(wú)砟軌道板隔熱防護(hù)涂料產(chǎn)品。

產(chǎn)品介紹：

1.產(chǎn)品原理

　　太陽(yáng)光熱輻射按波長(zhǎng)不同可劃分為紫外光、可見(jiàn)光、紅外光 3個(gè)部分。各部分光波在總能量中所占的比例見(jiàn)表1。

　　表1.1 不同波段太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)與能量比例

光區(qū)	波長(zhǎng) μm	占能量百分比 %
紫外光	200-400	5
可見(jiàn)光	400-720	45
近紅外	720-2500	50

 

　　可見(jiàn)光和近紅外光輻射占太陽(yáng)光總能量的95%，所以隔絕了可見(jiàn)光和近紅外光就可以使太陽(yáng)照射下的物體溫度降低。

　　高鐵無(wú)砟軌道板隔熱防護(hù)涂料是由高反射率、高發(fā)射率、高熱阻的材料制備的專用反射隔熱涂料，精選功能材料，水性體系，薄層涂裝，涂層對(duì)熱射線有“高反射、高輻射、高熱阻、低熱容”特性。涂敷在混凝土材質(zhì)的軌道板表面，干膜厚度只需要0.2～0.3mm，就能隔絕太陽(yáng)熱輻射率的60%～95%(與涂層明度值、顏色有關(guān))?？捎行ё柚篃崃肯蚍瓷涓魺嵬磕?nèi)部及軌道板內(nèi)部的傳遞，達(dá)到隔熱降溫效果。降低軌道板表面溫度同時(shí)降低了軌道板溫度梯度，降低軌道板因環(huán)境溫度的高低變化產(chǎn)生溫度應(yīng)力，從而抑制或避免因溫度原因造成的軌道板翹曲變形或開(kāi)裂，保障行車安全。

2.產(chǎn)品特點(diǎn)

　　隔熱降溫功能顯著：太陽(yáng)光反射比≥85%，混凝土表面降溫幅度8-15℃;

　　使用年限長(zhǎng)：有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合涂層，附著力高，耐候性強(qiáng)，有效使用年限超15年;

　　安全系數(shù)高：極薄涂層，對(duì)軌道板無(wú)任何損傷，增加保護(hù)層，不會(huì)成片脫落，無(wú)安全隱患。

　　與環(huán)境協(xié)調(diào)：涂層顏色與軌道板混凝土原色基本一致，無(wú)光污染，不影響高鐵司機(jī)視線;

　　健康環(huán)保：水性涂料體系，符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)人體無(wú)害，綠色低碳;

　　施工便捷：局部可滾涂、刷涂施工，長(zhǎng)線路可機(jī)械化噴涂施工，適合野外作業(yè)便于維護(hù)。

3.產(chǎn)品性能

　　本產(chǎn)品屬于新材料產(chǎn)品，尚未有針對(duì)性的專門(mén)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品物理性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)主要參考G/T 235-2014《建筑反射隔熱涂料》及JG/T 26-2002《外墻無(wú)機(jī)建筑涂料》。經(jīng)由產(chǎn)品合作研發(fā)單位——中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所委托國(guó)家建筑材料測(cè)試中心按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂料相關(guān)物理性能及應(yīng)用性能指標(biāo)的檢測(cè)評(píng)價(jià)，檢測(cè)結(jié)果及報(bào)告內(nèi)容如下：

 

 

軌道板隔熱降溫效果：

　　1.鄭州鐵路局場(chǎng)內(nèi)測(cè)試

　　時(shí)間：2018年6月——2019年12月

　　地點(diǎn)：鄭州鐵路局黃河風(fēng)景區(qū)教育實(shí)習(xí)基地

　　參與單位：鄭州優(yōu)波科新材料股份有限公司、中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所、中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所

　　測(cè)試方案：通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)測(cè)試專用反射隔熱涂料實(shí)際降溫隔熱效果。選取CRTSⅡ型高鐵軌道板，一塊涂裝隔熱涂料，另一塊作為空白對(duì)照板。在軌道板設(shè)計(jì)不同位置上打孔，每一點(diǎn)位設(shè)置表面及距板表面2cm、10cm、18cm ，3個(gè)深度孔并埋入熱電偶測(cè)溫裝置，環(huán)氧樹(shù)脂膠封口，實(shí)驗(yàn)板與對(duì)照板測(cè)溫點(diǎn)布置一一對(duì)應(yīng)，經(jīng)計(jì)量認(rèn)證的多通道溫度記錄儀持續(xù)記錄各測(cè)點(diǎn)溫度。

　　圖1 多通道測(cè)溫儀測(cè)溫點(diǎn)布置示意圖

　　如圖1所示，01、04、07、10、13、17、20、23、26、29通道采集距板表面2cm深度的溫度數(shù)據(jù)，02、05、08、11、14、18、21、24、27、30通道采集距板表面10cm深度的溫度數(shù)據(jù)，03、06、09、12、15、19、22、25、28、31通道采集距板表面18cm深度的溫度數(shù)據(jù)，通道16、32采集板表面的溫度數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)情況如下圖所示：

 

   

 

   

 

　　由溫度記錄儀采集的2018年7月5日至7月8日(氣溫最高33℃)數(shù)據(jù)整理分析得到如圖2至圖5所示的溫度實(shí)時(shí)變化對(duì)比圖如下。

圖2試驗(yàn)板與對(duì)照板表面實(shí)時(shí)溫度變化對(duì)比

圖3試驗(yàn)板與對(duì)照板2cm深度處實(shí)時(shí)溫度變化對(duì)比

圖4試驗(yàn)板與對(duì)照板10cm深度處實(shí)時(shí)溫度變化對(duì)比

圖5試驗(yàn)板與對(duì)照板18cm深度處實(shí)時(shí)溫度變化對(duì)比

由圖表可知，高鐵無(wú)砟軌道板隔熱防護(hù)涂料作用在軌道板上，可使其板表面溫度比對(duì)照板表面的溫度低約16℃，其距板表面2cm處的溫度比對(duì)照板距板表面2cm處的溫度低約11.3℃，其距板表面10cm處的溫度比對(duì)照板距板表面10cm處的溫度低約8.1℃，其距板表面18cm處的溫度比對(duì)照板距板表面18cm處的溫度低約6.5℃，正午高溫33℃情況下，可將距板表面2cm和距板表面18cm之間16cm厚度的溫度梯度降低50%左右。

　　圖6試驗(yàn)板(左側(cè)部分)與對(duì)照板(右側(cè)部分)紅外熱像儀拍攝圖片

　　圖6為所述實(shí)施的高鐵無(wú)砟軌道板隔熱防護(hù)涂料涂覆的試驗(yàn)板(鋼軌未做涂覆)與對(duì)照板紅外熱像儀拍攝圖片，圖片中兩塊軌道板溫度分布情況非常清楚，左側(cè)試驗(yàn)板呈現(xiàn)出明顯的低溫紫色，右側(cè)對(duì)照板呈現(xiàn)出明顯的高溫黃色，溫差對(duì)比明顯，表明所述實(shí)施的高鐵無(wú)砟軌道板隔熱防護(hù)涂料可以顯著降低夏季軌道板的溫度。

　　2.南昌路局場(chǎng)內(nèi)測(cè)試

　　南昌西站工務(wù)段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況

　　在高鐵南昌西站工務(wù)段場(chǎng)內(nèi)軌道線上，選取CRTSⅡ型高鐵軌道板相鄰的兩塊，一塊涂裝隔熱涂料為實(shí)驗(yàn)板，另一塊作為空白對(duì)照板。在軌道板設(shè)計(jì)不同位置上打孔，每一點(diǎn)位設(shè)置距板表面2cm、9cm、17cm三個(gè)深度孔并埋入熱電偶測(cè)溫裝置，環(huán)氧樹(shù)脂膠封口，實(shí)驗(yàn)板與空白板測(cè)溫點(diǎn)布置一一對(duì)應(yīng)，持續(xù)記錄各測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)并分析，空白板與實(shí)驗(yàn)板溫度變化對(duì)比情況如下。

圖7 空白板A不同測(cè)溫點(diǎn)平均溫度隨時(shí)間變化

圖8 實(shí)驗(yàn)板B不同測(cè)溫點(diǎn)平均溫度隨時(shí)間的變化

　　如上圖所示，我們可以清楚的看到空白板和實(shí)驗(yàn)板各測(cè)溫點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度變化情況，有隔熱涂層的實(shí)驗(yàn)板各測(cè)溫點(diǎn)溫度較空白板有顯著的降低。例如在2018年9月19日正午12時(shí)35分，有隔熱涂層的實(shí)驗(yàn)板B表面溫度比空白板表面溫度降低了約10.7℃，距板表面2cm深度處平均溫度降低了約9.7℃，距板表面9cm深度處平均溫度降低了約6.0℃，距板表面17cm深度處平均溫度降低了約3.9℃。表面至17cm深度處的溫差降低了約6.8℃，溫度梯度由93℃/m降至53℃/m，降幅達(dá)到43%。

　　3.新鄉(xiāng)高鐵東站線上應(yīng)用測(cè)試

　　2019年9月在京廣高鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路新鄉(xiāng)高鐵東站站臺(tái)區(qū)以北上行軌道線上選擇受太陽(yáng)光輻射影響較大的6塊軌道板作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，選取其中連續(xù)3塊板作為空白對(duì)照板(不進(jìn)行隔熱涂裝)，另外連續(xù)3塊板作為實(shí)驗(yàn)板(進(jìn)行隔熱涂裝)。

 

新鄉(xiāng)高鐵東站施工現(xiàn)場(chǎng)情況

圖7線上實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)板(深暗色部分)與對(duì)照板(淺亮色部分)紅外熱像圖

上圖拍攝時(shí)夜間氣溫為20℃。圖片中兩部分軌道板溫度分布情況非常清楚，前方試驗(yàn)板呈現(xiàn)出明顯的低溫紫色，后方對(duì)照板呈現(xiàn)出明顯的高溫黃色，溫差對(duì)比明顯，降溫效果非常直觀。

結(jié)論：

　　1) 高鐵無(wú)砟軌道板隔熱防護(hù)涂料創(chuàng)新性的采用了以復(fù)合陶瓷微晶體、紅外熱反射冷顏料等功能型新材料及新型涂層結(jié)構(gòu)，使得所制得反射隔熱涂料隔熱降溫效果顯著優(yōu)于市面?zhèn)鹘y(tǒng)產(chǎn)品。有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合成膜物質(zhì)可形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與水泥材質(zhì)的軌道板表面形成有力的穩(wěn)定附著，可確保涂層長(zhǎng)期使用壽命。

　　2) 實(shí)驗(yàn)表明本隔熱防護(hù)涂料產(chǎn)品在軌道板上施涂順暢，與軌道板基層粘接良好，表面狀態(tài)平整均勻，涂層基本物理性能滿足要求，保障涂層在極端損壞情況下不出現(xiàn)因成片脫落而影響行車安全。

　　3)高鐵無(wú)砟軌道板隔熱防護(hù)涂料涂敷厚度只需0.2～0.3mm左右，在軌道板表面的隔熱溫差可達(dá)10-16℃。

　　4)高鐵無(wú)砟軌道板隔熱防護(hù)涂料預(yù)防作用為主，防治結(jié)合。在夏季高溫情況下，可將軌道板溫度梯度降低一半左右，可顯著降低高溫度梯度對(duì)板結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響。

　　5)通過(guò)鄭州、南昌兩地實(shí)際軌道板模擬實(shí)驗(yàn)及新鄉(xiāng)東站線上實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表明本研究專用反射隔熱涂料施工便利，涂層對(duì)行車無(wú)安全隱患，在鐵路推廣應(yīng)用具有重大的安全效益和社會(huì)意義。