產(chǎn)品開(kāi)發(fā)背景介紹：

　　1.高速鐵路軌道板溫度應力病害嚴重影響行車(chē)安全

　　數據顯示2019年底，我國高鐵里程達到3.5萬(wàn)公里，運營(yíng)里程位居世界第一。運營(yíng)速度的不斷提高，對列車(chē)運行的安全性、平穩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構，軌道板的可靠性與耐久性關(guān)系到高鐵的運營(yíng)安全。環(huán)境溫度是影響軌道板結構安全的重要因素之一，因高速鐵路穿越的地區氣候條件不盡相同，北方地區冬夏兩季最大溫差可達60℃以上，一天內最大晝夜溫差也可達20℃以上，尤其在夏季強太陽(yáng)光照射作用下，混凝土結構的無(wú)砟軌道板溫度將迅速升高，但由于混凝土導熱系數較小、傳熱性能較差，內部溫度的升高明顯滯后于表面，軌道板上下表面形成顯著(zhù)的溫度差，軌道板的內部會(huì )產(chǎn)生較嚴重的非線(xiàn)性溫度分布，產(chǎn)生過(guò)大溫度梯度，產(chǎn)生溫度應力，造成軌道板翹曲變形、層間離縫、板體開(kāi)裂。因溫度應力產(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，對線(xiàn)路安全運營(yíng)造成了嚴重影響。

　　2.軌道板溫度應力病害防治急需優(yōu)質(zhì)解決方案

　　高速鐵路相關(guān)部門(mén)及該領(lǐng)域內的眾多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，對軌道板溫度分布、溫度應力、溫度應力病害與氣溫、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，論證了高溫季節出現過(guò)大的溫度應力是軌道板裂縫、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，給出了溫度應力病害出現后的諸如裂縫注漿、植筋錨固的治理措施。但這些措施主要是被動(dòng)修補和強制約束，存在無(wú)法提前干預、治標不治本產(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(kāi)發(fā)計劃課題指南》白皮書(shū)，將“復雜溫度循環(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)應用于高速鐵路溫度應力病害防治的遠大前景，提出了在建筑用水性反射隔熱涂料技術(shù)的基礎上開(kāi)發(fā)針對高鐵軌道板應用場(chǎng)景的專(zhuān)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(zhù)預防為主、標本兼治的研發(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(cháng)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(cháng)與能量比例

光區	波長(cháng) 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)砟軌道板隔熱防護涂料是由高反射率、高發(fā)射率、高熱阻的材料制備的專(zhuān)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(xiàn)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炔考败壍腊鍍炔康膫鬟f，達到隔熱降溫效果。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(chē)安全。

2.產(chǎn)品特點(diǎn)

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

　　使用年限長(cháng)：有機無(wú)機復合涂層，附著(zhù)力高，耐候性強，有效使用年限超15年;

　　安全系數高：極薄涂層，對軌道板無(wú)任何損傷，增加保護層，不會(huì )成片脫落，無(wú)安全隱患。

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

　　健康環(huán)保：水性涂料體系，符合環(huán)保標準要求，對人體無(wú)害，綠色低碳;

　　施工便捷：局部可滾涂、刷涂施工，長(cháng)線(xiàn)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(zhuān)門(mén)標準，產(chǎn)品物理性能指標的評價(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)國家標準進(jìn)行涂料相關(guān)物理性能及應用性能指標的檢測評價(jià)，檢測結果及報告內容如下：

 

 

軌道板隔熱降溫效果：

　　1.鄭州鐵路局場(chǎng)內測試

　　時(shí)間：2018年6月——2019年12月

　　地點(diǎn)：鄭州鐵路局黃河風(fēng)景區教育實(shí)習基地

　　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(guò)溫度監測測試專(zhuān)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，另一塊作為空白對照板。在軌道板設計不同位置上打孔，每一點(diǎn)位設置表面及距板表面2cm、10cm、18cm ，3個(gè)深度孔并埋入熱電偶測溫裝置，環(huán)氧樹(shù)脂膠封口，實(shí)驗板與對照板測溫點(diǎn)布置一一對應，經(jīng)計量認證的多通道溫度記錄儀持續記錄各測點(diǎn)溫度。

　　圖1 多通道測溫儀測溫點(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深度的溫度數據，02、05、08、11、14、18、21、24、27、30通道采集距板表面10cm深度的溫度數據，03、06、09、12、15、19、22、25、28、31通道采集距板表面18cm深度的溫度數據，通道16、32采集板表面的溫度數據?，F場(chǎng)實(shí)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℃)數據整理分析得到如圖2至圖5所示的溫度實(shí)時(shí)變化對比圖如下。

圖2試驗板與對照板表面實(shí)時(shí)溫度變化對比

圖3試驗板與對照板2cm深度處實(shí)時(shí)溫度變化對比

圖4試驗板與對照板10cm深度處實(shí)時(shí)溫度變化對比

圖5試驗板與對照板18cm深度處實(shí)時(shí)溫度變化對比

由圖表可知，高鐵無(wú)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(左側部分)與對照板(右側部分)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，左側試驗板呈現出明顯的低溫紫色，右側對照板呈現出明顯的高溫黃色，溫差對比明顯，表明所述實(shí)施的高鐵無(wú)砟軌道板隔熱防護涂料可以顯著(zhù)降低夏季軌道板的溫度。

　　2.南昌路局場(chǎng)內測試

　　南昌西站工務(wù)段實(shí)驗現場(chǎng)情況

　　在高鐵南昌西站工務(wù)段場(chǎng)內軌道線(xiàn)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)驗板，另一塊作為空白對照板。在軌道板設計不同位置上打孔，每一點(diǎn)位設置距板表面2cm、9cm、17cm三個(gè)深度孔并埋入熱電偶測溫裝置，環(huán)氧樹(shù)脂膠封口，實(shí)驗板與空白板測溫點(diǎn)布置一一對應，持續記錄各測點(diǎn)溫度數據并分析，空白板與實(shí)驗板溫度變化對比情況如下。

圖7 空白板A不同測溫點(diǎn)平均溫度隨時(shí)間變化

圖8 實(shí)驗板B不同測溫點(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)驗板各測溫點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度變化情況，有隔熱涂層的實(shí)驗板各測溫點(diǎn)溫度較空白板有顯著(zhù)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.新鄉高鐵東站線(xiàn)上應用測試

　　2019年9月在京廣高鐵實(shí)際運營(yíng)線(xiàn)路新鄉高鐵東站站臺區以北上行軌道線(xiàn)上選擇受太陽(yáng)光輻射影響較大的6塊軌道板作為實(shí)驗區，選取其中連續3塊板作為空白對照板(不進(jìn)行隔熱涂裝)，另外連續3塊板作為實(shí)驗板(進(jìn)行隔熱涂裝)。

 

新鄉高鐵東站施工現場(chǎng)情況

圖7線(xiàn)上實(shí)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(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，前方試驗板呈現出明顯的低溫紫色，后方對照板呈現出明顯的高溫黃色，溫差對比明顯，降溫效果非常直觀(guān)。

結論：

　　1) 高鐵無(wú)砟軌道板隔熱防護涂料創(chuàng )新性的采用了以復合陶瓷微晶體、紅外熱反射冷顏料等功能型新材料及新型涂層結構，使得所制得反射隔熱涂料隔熱降溫效果顯著(zhù)優(yōu)于市面傳統產(chǎn)品。有機無(wú)機復合成膜物質(zhì)可形成互穿網(wǎng)絡(luò )結構，與水泥材質(zhì)的軌道板表面形成有力的穩定附著(zhù)，可確保涂層長(cháng)期使用壽命。

　　2) 實(shí)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(mǎn)足要求，保障涂層在極端損壞情況下不出現因成片脫落而影響行車(chē)安全。

　　3)高鐵無(wú)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(wú)砟軌道板隔熱防護涂料預防作用為主，防治結合。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(zhù)降低高溫度梯度對板結構的負面影響。

　　5)通過(guò)鄭州、南昌兩地實(shí)際軌道板模擬實(shí)驗及新鄉東站線(xiàn)上實(shí)際應用實(shí)驗評價(jià)表明本研究專(zhuān)用反射隔熱涂料施工便利，涂層對行車(chē)無(wú)安全隱患，在鐵路推廣應用具有重大的安全效益和社會(huì )意義。