產(chǎn)品開發(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，我國高鐵里程達到3.5萬公里，運營里程位居世界第一。運營速度的不斷提高，對列車運行的安全性、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)系到高鐵的運營安全。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60℃以上，一天內(nèi)最大晝夜溫差也可達20℃以上，尤其在夏季強太陽光照射作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的無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)部會產(chǎn)生較嚴(yán)重的非線性溫度分布，產(chǎn)生過大溫度梯度，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，造成軌道板翹曲變形、層間離縫、板體開裂。因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫會帶來軌道板滲水、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、冬季凍融破壞等次生病害。近些年來，全球氣候變暖趨勢加快，夏季極端高溫天氣頻發(fā)，無砟軌道板病害情況更加突顯，對線路安全運營造成了嚴(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)部門及該領(lǐng)域內(nèi)的眾多專家學(xué)者開展了大量的研究工作，對軌道板溫度分布、溫度應(yīng)力、溫度應(yīng)力病害與氣溫、太陽光輻射之間的關(guān)系進行了研究，分析了高溫天氣下板式無砟軌道溫度特性，論證了高溫季節(jié)出現(xiàn)過大的溫度應(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修補和強制約束，存在無法提前干預(yù)、治標(biāo)不治本產(chǎn)生新的安全隱患等問題。目前尚無既便于實施、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.中國鐵路總公司2017年科研計劃重大課題之一

　　2017年5月中國鐵路總公司印發(fā)《2017年中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題指南》白皮書，將“復(fù)雜溫度循環(huán)下高鐵無砟軌道力學(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砟軌道病害情況，研究無砟軌道維護技術(shù)，將無砟軌道溫度病害的治理提到了新的高度。

　　4.鐵路相關(guān)部門高度關(guān)注、深入合作

本產(chǎn)品開發(fā)合作單位：

　　中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司金屬及化學(xué)研究所

　　中國鐵路鄭州局集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究所

　　鄭州優(yōu)波科新材料股份有限公司

　　中國鐵道科學(xué)研究院集團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，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)上開發(fā)針對高鐵軌道板應(yīng)用場景的專用產(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)過三方合作研發(fā)，歷時3年，最終推出了無砟軌道板隔熱防護涂料產(chǎn)品。

產(chǎn)品介紹：

1.產(chǎn)品原理

　　太陽光熱輻射按波長不同可劃分為紫外光、可見光、紅外光 3個部分。各部分光波在總能量中所占的比例見表1。

　　表1.1 不同波段太陽輻射波長與能量比例

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

 

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

　　高鐵無砟軌道板隔熱防護涂料是由高反射率、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，達到隔熱降溫效果。降低軌道板表面溫度同時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裂，保障行車安全。

2.產(chǎn)品特點

　　隔熱降溫功能顯著：太陽光反射比≥85%，混凝土表面降溫幅度8-15℃;

　　使用年限長：有機無機復(fù)合涂層，附著力高，耐候性強，有效使用年限超15年;

　　安全系數(shù)高：極薄涂層，對軌道板無任何損傷，增加保護層，不會成片脫落，無安全隱患。

　　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，無光污染，不影響高鐵司機視線;

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

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

3.產(chǎn)品性能

　　本產(chǎn)品屬于新材料產(chǎn)品，尚未有針對性的專門標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品物理性能指標(biāo)的評價主要參考G/T 235-2014《建筑反射隔熱涂料》及JG/T 26-2002《外墻無機建筑涂料》。經(jīng)由產(chǎn)品合作研發(fā)單位——中國鐵路鄭州局集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究所委托國家建筑材料測試中心按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進行涂料相關(guān)物理性能及應(yīng)用性能指標(biāo)的檢測評價，檢測結(jié)果及報告內(nèi)容如下：

 

 

軌道板隔熱降溫效果：

　　1.鄭州鐵路局場內(nèi)測試

　　時間：2018年6月——2019年12月

　　地點：鄭州鐵路局黃河風(fēng)景區(qū)教育實習(xí)基地

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

　　測試方案：通過溫度監(jiān)測測試專用反射隔熱涂料實際降溫隔熱效果。選取CRTSⅡ型高鐵軌道板，一塊涂裝隔熱涂料，另一塊作為空白對照板。在軌道板設(shè)計不同位置上打孔，每一點位設(shè)置表面及距板表面2cm、10cm、18cm ，3個深度孔并埋入熱電偶測溫裝置，環(huán)氧樹脂膠封口，實驗板與對照板測溫點布置一一對應(yīng)，經(jīng)計量認(rèn)證的多通道溫度記錄儀持續(xù)記錄各測點溫度。

　　圖1 多通道測溫儀測溫點布置示意圖

　　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)?，F(xiàn)場實驗情況如下圖所示：

 

   

 

   

 

　　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所示的溫度實時變化對比圖如下。

圖2試驗板與對照板表面實時溫度變化對比

圖3試驗板與對照板2cm深度處實時溫度變化對比

圖4試驗板與對照板10cm深度處實時溫度變化對比

圖5試驗板與對照板18cm深度處實時溫度變化對比

由圖表可知，高鐵無砟軌道板隔熱防護涂料作用在軌道板上，可使其板表面溫度比對照板表面的溫度低約16℃，其距板表面2cm處的溫度比對照板距板表面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試驗板(左側(cè)部分)與對照板(右側(cè)部分)紅外熱像儀拍攝圖片

　　圖6為所述實施的高鐵無砟軌道板隔熱防護涂料涂覆的試驗板(鋼軌未做涂覆)與對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)試驗板呈現(xiàn)出明顯的低溫紫色，右側(cè)對照板呈現(xiàn)出明顯的高溫黃色，溫差對比明顯，表明所述實施的高鐵無砟軌道板隔熱防護涂料可以顯著降低夏季軌道板的溫度。

　　2.南昌路局場內(nèi)測試

　　南昌西站工務(wù)段實驗現(xiàn)場情況

　　在高鐵南昌西站工務(wù)段場內(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驗板，另一塊作為空白對照板。在軌道板設(shè)計不同位置上打孔，每一點位設(shè)置距板表面2cm、9cm、17cm三個深度孔并埋入熱電偶測溫裝置，環(huán)氧樹脂膠封口，實驗板與空白板測溫點布置一一對應(yīng)，持續(xù)記錄各測點溫度數(shù)據(jù)并分析，空白板與實驗板溫度變化對比情況如下。

圖7 空白板A不同測溫點平均溫度隨時間變化

圖8 實驗板B不同測溫點平均溫度隨時間的變化

　　如上圖所示，我們可以清楚的看到空白板和實驗板各測溫點在不同時刻的溫度變化情況，有隔熱涂層的實驗板各測溫點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35分，有隔熱涂層的實驗板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，降幅達到43%。

　　3.新鄉(xiāng)高鐵東站線上應(yīng)用測試

　　2019年9月在京廣高鐵實際運營線路新鄉(xiāng)高鐵東站站臺區(qū)以北上行軌道線上選擇受太陽光輻射影響較大的6塊軌道板作為實驗區(qū)，選取其中連續(xù)3塊板作為空白對照板(不進行隔熱涂裝)，另外連續(xù)3塊板作為實驗板(進行隔熱涂裝)。

 

新鄉(xiāng)高鐵東站施工現(xiàn)場情況

圖7線上實驗試驗板(深暗色部分)與對照板(淺亮色部分)紅外熱像圖

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

結(jié)論：

　　1) 高鐵無砟軌道板隔熱防護涂料創(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。有機無機復(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，可確保涂層長期使用壽命。

　　2) 實驗表明本隔熱防護涂料產(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)高鐵無砟軌道板隔熱防護涂料涂敷厚度只需0.2～0.3mm左右，在軌道板表面的隔熱溫差可達10-16℃。

　　4)高鐵無砟軌道板隔熱防護涂料預(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板結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響。

　　5)通過鄭州、南昌兩地實際軌道板模擬實驗及新鄉(xiāng)東站線上實際應(yīng)用實驗評價表明本研究專用反射隔熱涂料施工便利，涂層對行車無安全隱患，在鐵路推廣應(yīng)用具有重大的安全效益和社會意義。