産(chǎn)品開發背景介紹：

　　1.高速鐵路軌道闆溫度應力病害嚴重影響行車(chē)安(ān)全

　　數據顯示2019年底，我國(guó)高鐵裏程達到3.5萬公(gōng)裏，運營裏程位居世界第一。運營速度的不斷提高，對列車(chē)運行的安(ān)全性、平穩性和舒适性等方面也提出了更高的要求，高速鐵路無砟闆式軌道作(zuò)為(wèi)主流軌道結構，軌道闆的可(kě)靠性與耐久性關系到高鐵的運營安(ān)全。環境溫度是影響軌道闆結構安(ān)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(kě)達60℃以上，一天内最大晝夜溫差也可(kě)達20℃以上，尤其在夏季強太陽光照射作(zuò)用(yòng)下，混凝土結構的無砟軌道闆溫度将迅速升高，但由于混凝土導熱系數較小(xiǎo)、傳熱性能(néng)較差，内部溫度的升高明顯滞後于表面，軌道闆上下表面形成顯著的溫度差，軌道闆的内部會産(chǎn)生較嚴重的非線(xiàn)性溫度分(fēn)布，産(chǎn)生過大溫度梯度，産(chǎn)生溫度應力，造成軌道闆翹曲變形、層間離縫、闆體(tǐ)開裂。因溫度應力産(chǎn)生的裂縫會帶來軌道闆滲水、鋼筋鏽蝕、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，無砟軌道闆病害情況更加突顯，對線(xiàn)路安(ān)全運營造成了嚴重影響。

　　2.軌道闆溫度應力病害防治急需優質(zhì)解決方案

　　高速鐵路相關部門及該領域内的衆多(duō)專家學(xué)者開展了大量的研究工(gōng)作(zuò)，對軌道闆溫度分(fēn)布、溫度應力、溫度應力病害與氣溫、太陽光輻射之間的關系進行了研究，分(fēn)析了高溫天氣下闆式無砟軌道溫度特性，論證了高溫季節出現過大的溫度應力是軌道闆裂縫、軌道闆與砂漿層間離縫上拱産(chǎn)生和發展的主要原因之一，給出了溫度應力病害出現後的諸如裂縫注漿、植筋錨固的治理(lǐ)措施。但這些措施主要是被動修補和強制約束，存在無法提前幹預、治标不治本産(chǎn)生新(xīn)的安(ān)全隐患等問題。目前尚無既便于實施、充分(fēn)安(ān)全又(yòu)可(kě)防治結合的措施，相關方急需新(xīn)材料新(xīn)工(gōng)藝的科(kē)學(xué)解決方案。

　　3.中(zhōng)國(guó)鐵路總公(gōng)司2017年科(kē)研計劃重大課題之一

　　2017年5月中(zhōng)國(guó)鐵路總公(gōng)司印發《2017年中(zhōng)國(guó)鐵路總公(gōng)司科(kē)技(jì )研究開發計劃課題指南》白皮書，将“複雜溫度循環下高鐵無砟軌道力學(xué)行為(wèi)及損傷特性研究”列為(wèi)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(jì )術，将無砟軌道溫度病害的治理(lǐ)提到了新(xīn)的高度。

　　4.鐵路相關部門高度關注、深入合作(zuò)

本産(chǎn)品開發合作(zuò)單位：

　　中(zhōng)國(guó)鐵道科(kē)學(xué)研究院集團有(yǒu)限公(gōng)司金屬及化學(xué)研究所

　　中(zhōng)國(guó)鐵路鄭州局集團有(yǒu)限公(gōng)司科(kē)學(xué)技(jì )術研究所

　　鄭州優波科(kē)新(xīn)材料股份有(yǒu)限公(gōng)司

　　中(zhōng)國(guó)鐵道科(kē)學(xué)研究院集團有(yǒu)限公(gōng)司金屬及化學(xué)研究所關注高鐵軌道闆的病害防治研究，參與重大課題的研究工(gōng)作(zuò)，在廣泛調研的情況下，了解到反射隔熱塗料在建築領域隔熱降溫應用(yòng)的情況，以及水性反射隔熱塗料環保、安(ān)全、有(yǒu)效、施工(gōng)便捷的特點，敏銳的洞察到水性隔熱塗料技(jì )術應用(yòng)于高速鐵路溫度應力病害防治的遠(yuǎn)大前景，提出了在建築用(yòng)水性反射隔熱塗料技(jì )術的基礎上開發針對高鐵軌道闆應用(yòng)場景的專用(yòng)産(chǎn)品的新(xīn)思路。

　　三方在充分(fēn)交流的情況下，确定合作(zuò)開發新(xīn)産(chǎn)品。本着預防為(wèi)主、标本兼治的研發思路，經過三方合作(zuò)研發，曆時3年，最終推出了無砟軌道闆隔熱防護塗料産(chǎn)品。

産(chǎn)品介紹：

1.産(chǎn)品原理(lǐ)

　　太陽光熱輻射按波長(cháng)不同可(kě)劃分(fēn)為(wèi)紫外光、可(kě)見光、紅外光 3個部分(fēn)。各部分(fēn)光波在總能(néng)量中(zhōng)所占的比例見表1。

　　表1.1 不同波段太陽輻射波長(cháng)與能(néng)量比例

光區(qū)	波長(cháng) μm	占能(néng)量百分(fēn)比 %
紫外光	200-400	5
可(kě)見光	400-720	45
近紅外	720-2500	50

 

　　可(kě)見光和近紅外光輻射占太陽光總能(néng)量的95%，所以隔絕了可(kě)見光和近紅外光就可(kě)以使太陽照射下的物(wù)體(tǐ)溫度降低。

　　高鐵無砟軌道闆隔熱防護塗料是由高反射率、高發射率、高熱阻的材料制備的專用(yòng)反射隔熱塗料，精(jīng)選功能(néng)材料，水性體(tǐ)系，薄層塗裝(zhuāng)，塗層對熱射線(xiàn)有(yǒu)“高反射、高輻射、高熱阻、低熱容”特性。塗敷在混凝土材質(zhì)的軌道闆表面，幹膜厚度隻需要0.2～0.3mm，就能(néng)隔絕太陽熱輻射率的60%～95%(與塗層明度值、顔色有(yǒu)關)。可(kě)有(yǒu)效阻止熱量向反射隔熱塗膜内部及軌道闆内部的傳遞，達到隔熱降溫效果。降低軌道闆表面溫度同時降低了軌道闆溫度梯度，降低軌道闆因環境溫度的高低變化産(chǎn)生溫度應力，從而抑制或避免因溫度原因造成的軌道闆翹曲變形或開裂，保障行車(chē)安(ān)全。

2.産(chǎn)品特點

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

　　使用(yòng)年限長(cháng)：有(yǒu)機無機複合塗層，附着力高，耐候性強，有(yǒu)效使用(yòng)年限超15年;

　　安(ān)全系數高：極薄塗層，對軌道闆無任何損傷，增加保護層，不會成片脫落，無安(ān)全隐患。

　　與環境協調：塗層顔色與軌道闆混凝土原色基本一緻，無光污染，不影響高鐵司機視線(xiàn);

　　健康環保：水性塗料體(tǐ)系，符合環保标準要求，對人體(tǐ)無害，綠色低碳;

　　施工(gōng)便捷：局部可(kě)滾塗、刷塗施工(gōng)，長(cháng)線(xiàn)路可(kě)機械化噴塗施工(gōng)，适合野外作(zuò)業便于維護。

3.産(chǎn)品性能(néng)

　　本産(chǎn)品屬于新(xīn)材料産(chǎn)品，尚未有(yǒu)針對性的專門标準，産(chǎn)品物(wù)理(lǐ)性能(néng)指标的評價主要參考G/T 235-2014《建築反射隔熱塗料》及JG/T 26-2002《外牆無機建築塗料》。經由産(chǎn)品合作(zuò)研發單位——中(zhōng)國(guó)鐵路鄭州局集團有(yǒu)限公(gōng)司科(kē)學(xué)技(jì )術研究所委托國(guó)家建築材料測試中(zhōng)心按照相關國(guó)家标準進行塗料相關物(wù)理(lǐ)性能(néng)及應用(yòng)性能(néng)指标的檢測評價，檢測結果及報告内容如下：

 

 

軌道闆隔熱降溫效果：

　　1.鄭州鐵路局場内測試

　　時間：2018年6月——2019年12月

　　地點：鄭州鐵路局黃河風景區(qū)教育實習基地

　　參與單位：鄭州優波科(kē)新(xīn)材料股份有(yǒu)限公(gōng)司、中(zhōng)國(guó)鐵道科(kē)學(xué)研究院集團有(yǒu)限公(gōng)司金屬及化學(xué)研究所、中(zhōng)國(guó)鐵路鄭州局集團有(yǒu)限公(gōng)司科(kē)學(xué)技(jì )術研究所

　　測試方案：通過溫度監測測試專用(yòng)反射隔熱塗料實際降溫隔熱效果。選取CRTSⅡ型高鐵軌道闆，一塊塗裝(zhuāng)隔熱塗料，另一塊作(zuò)為(wèi)空白對照闆。在軌道闆設計不同位置上打孔，每一點位設置表面及距闆表面2cm、10cm、18cm ，3個深度孔并埋入熱電(diàn)偶測溫裝(zhuāng)置，環氧樹脂膠封口，實驗闆與對照闆測溫點布置一一對應，經計量認證的多(duō)通道溫度記錄儀持續記錄各測點溫度。

　　圖1 多(duō)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通道采集距闆表面2cm深度的溫度數據，02、05、08、11、14、18、21、24、27、30通道采集距闆表面10cm深度的溫度數據，03、06、09、12、15、19、22、25、28、31通道采集距闆表面18cm深度的溫度數據，通道16、32采集闆表面的溫度數據。現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℃)數據整理(lǐ)分(fēn)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試驗闆與對照闆表面實時溫度變化對比

圖3試驗闆與對照闆2cm深度處實時溫度變化對比

圖4試驗闆與對照闆10cm深度處實時溫度變化對比

圖5試驗闆與對照闆18cm深度處實時溫度變化對比

由圖表可(kě)知，高鐵無砟軌道闆隔熱防護塗料作(zuò)用(yòng)在軌道闆上，可(kě)使其闆表面溫度比對照闆表面的溫度低約16℃，其距闆表面2cm處的溫度比對照闆距闆表面2cm處的溫度低約11.3℃，其距闆表面10cm處的溫度比對照闆距闆表面10cm處的溫度低約8.1℃，其距闆表面18cm處的溫度比對照闆距闆表面18cm處的溫度低約6.5℃，正午高溫33℃情況下，可(kě)将距闆表面2cm和距闆表面18cm之間16cm厚度的溫度梯度降低50%左右。

　　圖6試驗闆(左側部分(fēn))與對照闆(右側部分(fēn))紅外熱像儀拍攝圖片

　　圖6為(wèi)所述實施的高鐵無砟軌道闆隔熱防護塗料塗覆的試驗闆(鋼軌未做塗覆)與對照闆紅外熱像儀拍攝圖片，圖片中(zhōng)兩塊軌道闆溫度分(fēn)布情況非常清楚，左側試驗闆呈現出明顯的低溫紫色，右側對照闆呈現出明顯的高溫黃色，溫差對比明顯，表明所述實施的高鐵無砟軌道闆隔熱防護塗料可(kě)以顯著降低夏季軌道闆的溫度。

　　2.南昌路局場内測試

　　南昌西站工(gōng)務(wù)段實驗現場情況

　　在高鐵南昌西站工(gōng)務(wù)段場内軌道線(xiàn)上，選取CRTSⅡ型高鐵軌道闆相鄰的兩塊，一塊塗裝(zhuāng)隔熱塗料為(wèi)實驗闆，另一塊作(zuò)為(wèi)空白對照闆。在軌道闆設計不同位置上打孔，每一點位設置距闆表面2cm、9cm、17cm三個深度孔并埋入熱電(diàn)偶測溫裝(zhuāng)置，環氧樹脂膠封口，實驗闆與空白闆測溫點布置一一對應，持續記錄各測點溫度數據并分(fēn)析，空白闆與實驗闆溫度變化對比情況如下。

圖7 空白闆A不同測溫點平均溫度随時間變化

圖8 實驗闆B不同測溫點平均溫度随時間的變化

　　如上圖所示，我們可(kě)以清楚的看到空白闆和實驗闆各測溫點在不同時刻的溫度變化情況，有(yǒu)隔熱塗層的實驗闆各測溫點溫度較空白闆有(yǒu)顯著的降低。例如在2018年9月19日正午12時35分(fēn)，有(yǒu)隔熱塗層的實驗闆B表面溫度比空白闆表面溫度降低了約10.7℃，距闆表面2cm深度處平均溫度降低了約9.7℃，距闆表面9cm深度處平均溫度降低了約6.0℃，距闆表面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(xīn)鄉高鐵東站線(xiàn)上應用(yòng)測試

　　2019年9月在京廣高鐵實際運營線(xiàn)路新(xīn)鄉高鐵東站站台區(qū)以北上行軌道線(xiàn)上選擇受太陽光輻射影響較大的6塊軌道闆作(zuò)為(wèi)實驗區(qū)，選取其中(zhōng)連續3塊闆作(zuò)為(wèi)空白對照闆(不進行隔熱塗裝(zhuāng))，另外連續3塊闆作(zuò)為(wèi)實驗闆(進行隔熱塗裝(zhuāng))。

 

新(xīn)鄉高鐵東站施工(gōng)現場情況

圖7線(xiàn)上實驗試驗闆(深暗色部分(fēn))與對照闆(淺亮色部分(fēn))紅外熱像圖

上圖拍攝時夜間氣溫為(wèi)20℃。圖片中(zhōng)兩部分(fēn)軌道闆溫度分(fēn)布情況非常清楚，前方試驗闆呈現出明顯的低溫紫色，後方對照闆呈現出明顯的高溫黃色，溫差對比明顯，降溫效果非常直觀。

結論：

　　1) 高鐵無砟軌道闆隔熱防護塗料創新(xīn)性的采用(yòng)了以複合陶瓷微晶體(tǐ)、紅外熱反射冷顔料等功能(néng)型新(xīn)材料及新(xīn)型塗層結構，使得所制得反射隔熱塗料隔熱降溫效果顯著優于市面傳統産(chǎn)品。有(yǒu)機無機複合成膜物(wù)質(zhì)可(kě)形成互穿網絡結構，與水泥材質(zhì)的軌道闆表面形成有(yǒu)力的穩定附着，可(kě)确保塗層長(cháng)期使用(yòng)壽命。

　　2) 實驗表明本隔熱防護塗料産(chǎn)品在軌道闆上施塗順暢，與軌道闆基層粘接良好，表面狀态平整均勻，塗層基本物(wù)理(lǐ)性能(néng)滿足要求，保障塗層在極端損壞情況下不出現因成片脫落而影響行車(chē)安(ān)全。

　　3)高鐵無砟軌道闆隔熱防護塗料塗敷厚度隻需0.2～0.3mm左右，在軌道闆表面的隔熱溫差可(kě)達10-16℃。

　　4)高鐵無砟軌道闆隔熱防護塗料預防作(zuò)用(yòng)為(wèi)主，防治結合。在夏季高溫情況下，可(kě)将軌道闆溫度梯度降低一半左右，可(kě)顯著降低高溫度梯度對闆結構的負面影響。

　　5)通過鄭州、南昌兩地實際軌道闆模拟實驗及新(xīn)鄉東站線(xiàn)上實際應用(yòng)實驗評價表明本研究專用(yòng)反射隔熱塗料施工(gōng)便利，塗層對行車(chē)無安(ān)全隐患，在鐵路推廣應用(yòng)具(jù)有(yǒu)重大的安(ān)全效益和社會意義。