聚氨酯材料在鐵道建筑上的應(yīng)用與發(fā)展

羅振寰，黃自華，許雙喜，曹彥海

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

鐵路的建設(shè)直接帶動了機車、軌道、車輛及其相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，而高分子合成材料也一直積極摸索著在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展空間。聚氨酯作為當(dāng)今六大合成材料之一，是一種介于橡膠和堅硬塑料之間的高分子聚合材料，它既有橡膠的彈性和韌性，又具有塑料的高強度，是合成材料工業(yè)中比橡膠和塑料性能更為獨特的一種新型材料［1］。以聚氨酯為基礎(chǔ)，可制成的產(chǎn)品有泡沫塑料、彈性體、涂料、粘合劑、纖維、合成皮革、鋪裝材料等等，可廣泛應(yīng)用于軌道交通的防震減噪、防水、灌封以及車體裝飾等各個方面。本文針對聚氨酯材料在軌道交通上的應(yīng)用作一綜述，以期對我國高速鐵路建設(shè)以及推動聚氨酯工業(yè)的發(fā)展有所裨益。

1 聚氨酯材料

聚氨酯是一類在高分子結(jié)構(gòu)主鏈上含有氨基甲酸酯基團(—NHCOO—)的聚合物。從分子結(jié)構(gòu)看，聚氨酯是一種軟段和硬段相間的嵌段聚合物。一般由低聚物多元醇構(gòu)成柔性鏈段，柔性鏈段在常溫下有許多的構(gòu)象，呈無規(guī)卷曲狀，稱之為軟段。聚氨酯分子中的軟段易聚集在一起，形成軟段微區(qū)，其在聚合物中所占比例較大，玻璃化溫度低于室溫;而由二異氰酸酯與二元醇、二元胺等擴鏈劑(或交聯(lián)劑)得到的含芳基、氨基甲酸酯基，取代脲基構(gòu)成的剛性鏈段構(gòu)象不易改變，常溫下伸展成棒狀，稱為硬段。剛性鏈段由于內(nèi)聚能大，分子間可以形成氫鍵，締合在一起，形成硬段微區(qū)。由于硬段與軟段的不相容，因此聚氨酯具有微相分離結(jié)構(gòu)［2-3］。

微相分離的存在對聚氨酯的形態(tài)結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要的影響，使得聚氨酯彈性體具有優(yōu)良的綜合性能，其楊氏模量介于一般橡膠和塑料之間，具有以下特性:優(yōu)異的耐磨性，其耐磨性是天然橡膠的2～10倍;較高的強度和彈性，可以在較寬的硬度范圍內(nèi)保持較高的彈性，而在相同硬度下，比其它彈性體的承載能力高;耐油脂及耐化學(xué)品性能優(yōu)良;耐氧性和耐臭氧性能優(yōu)良;耐疲勞性及抗振動性好，適于高頻撓曲應(yīng)用;抗沖擊性強;低溫柔順性好。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)比其它合成保溫材料和天然保溫材料都低，而且可以現(xiàn)場澆注，快速成型，是用量越來越大的合成樹脂保溫材料;軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料由于彈性好、透氣性優(yōu)良等特點廣泛用作床具、車船和座椅等的墊材［1］。

2 聚氨酯在軌道交通中的應(yīng)用

2.1 彈性墊板

彈性墊板是用于鋼軌和混凝土軌枕之間或枕下，以此滿足混凝土軌枕減振降噪和提高耐久性等技術(shù)要求。如圖1，圖2所示，此類彈性軌枕型包括聚氨酯微孔彈性體、天然橡膠、丁腈橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙橡膠等。聚氨酯類材料具有高耐磨、高強度和高伸長率和長使用壽命特性，在高鐵、地鐵和城市軌道交通中具有廣闊的應(yīng)用前景。聚氨酯微孔彈性墊片已在日本新干線、韓國高速鐵路、德國高速鐵路以及上海地鐵上廣泛應(yīng)用，其減振效果較好，顯著降低了振動和噪音對城市居民以及鐵路附近建筑的危害，提高了列車在高速運行中的安全系數(shù)。而我國武廣、鄭西客運專線已試用聚氨酯微孔彈性墊片，效果較好，“十二五”期間，我國客運專線上將大面積推廣使用聚氨酯微孔彈性墊片［4］。

2.2 彈性軌枕

聚氨酯枕木是一種玻纖增強的硬質(zhì)聚氨酯微孔彈性體，如圖3所示，具有比強度大、減震、降噪、耐電氣絕緣、高耐久和環(huán)保等優(yōu)良性能，目前已受到鐵路業(yè)界的高度關(guān)注，是全球聚氨酯彈性體研究的一個熱點課題。在西歐和日本已有較成熟的研制和應(yīng)用經(jīng)驗，在日本，聚氨酯枕木已有25年的使用歷史，應(yīng)用量達300萬根，在日本高速列車新干線軌道線上已得到應(yīng)用。日本產(chǎn)聚氨酯枕木在我國廣州、上海和臺灣地區(qū)也得到了部分應(yīng)用，此外在奧地利維也納地鐵也應(yīng)用了此種聚氨酯枕木。拜耳材料科技公司已成功制成Bayflex微孔聚氨酯彈性體枕木，計劃將用于中國高鐵建設(shè)。根據(jù)國家發(fā)展高速鐵路長遠計劃，為了適應(yīng)高速列車的提速要求，開發(fā)P U枕木以取代或部分取代混凝土軌枕必將是未來發(fā)展趨勢［5］。

圖1 高鐵用扣件系統(tǒng)

圖2 聚氨酯墊片樣品

圖3 聚氨酯軌枕

2.3 無砟軌道灌封填充

如圖4所示，在高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中，作為鋼軌的夾墊、撐墊和軌枕的墊件，軌道板和凸型混凝土擋臺之間，混凝土底座與軌道板之間都要用到聚氨酯膠粘劑的灌封填充。聚氨酯作為灌封材料可部分提供軌道的彈性，且可完全填滿軌道板和混凝土基床板的間隙，并且可對下部結(jié)構(gòu)變形在某一限度內(nèi)進行修補［6］。

2.4 道砟膠

圖4 無砟板式軌道示意

為降低列車在軌道上高速運行時帶來的噪聲，歐洲部分國家采用拜耳開發(fā)的聚氨酯泡沫鋪設(shè)鐵路，國內(nèi)鐵路部門計劃將來在中國也采用這項技術(shù)。德國柏林FRENZELBAU集團在 Durflex系統(tǒng)應(yīng)用中，利用來自拜耳材料科技的Bayflex彈性聚氨酯泡沫材料，可完全填實碎石道砟間的縫隙，如圖5所示。列車運行產(chǎn)生的動力所造成的典型碎石道砟移位現(xiàn)象得以避免。這也大幅度提高了軌道上層結(jié)構(gòu)的耐久性，大幅延長軌道的維護周期，并吸收在此點上所產(chǎn)生的噪音，顯著降低居民區(qū)噪聲污染［7-8］。

圖5 固化道床聚氨酯道砟膠

2.5 防水涂層

噴涂聚脲防水材料具有優(yōu)異的物理性能和施工性能，常作為防水涂層應(yīng)用于高速鐵路，城市軌道、隧道等高難度防水工程。京津城際軌道交通工程是我國第一條開工建設(shè)的高等級客運專線，是2008年奧運會的配套項目之一。由于該工程路基形式和鋪設(shè)方式，對混凝土的防水層要求較高，既要高強度又要快速固化，因此工程全線采用聚脲做防水層。全線80%的路段采用高架的32 m雙線混凝土箱梁和現(xiàn)澆混凝土梁組成。在箱梁做完聚脲防水層后的吊運和鋪設(shè)中，有重達1 200 t的運送設(shè)備將對防水層進行近1 000次的碾壓，普通的防水材料是難以承受的［9-11］。聚脲因其優(yōu)良的力學(xué)性能、固化速度快、耐磨損、附著力好等優(yōu)點可滿足技術(shù)指標(biāo)要求，如圖6所示。

2.6 調(diào)高支座

廣泛用于橋梁結(jié)構(gòu)的盆式橡膠支座有著其他類型支座不可替代的優(yōu)點。國外以前采用的填充材料多為硅橡膠，而硅橡膠價格昂貴，拉伸強度相對較低。采用澆注型聚氨酯(CPU)替代硅橡膠不但價格較低，且強度高，澆注前為黏性液體，可在室溫下固化成型。在實橋調(diào)高時，將材料通過壓力泵注入支座盆底，使之在預(yù)設(shè)時間內(nèi)固化，調(diào)高即完成。全過程不需千斤頂頂梁，極其方便，且可利用自身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多次無極調(diào)高，并在調(diào)高的同時檢測支座反力變化［12］。填充聚氨酯調(diào)高盆式橡膠支座在遂渝線試驗段和南水北調(diào)工程的橋梁中均有應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

圖6 噴涂聚脲用于京津高速鐵路防水工程

圖7 填充聚氨酯調(diào)高盆式橡膠支座示意

3 結(jié)語

聚氨酯類產(chǎn)品目前在國內(nèi)外的應(yīng)用非常廣泛。由于其既有橡膠的彈性和韌性，又具有塑料的高強度，在高硬度時仍具有很好的彈性，且兼具有耐磨性、耐油性等優(yōu)良性能，因此聚氨酯材料在軌道交通的防振減噪、耐磨、粘結(jié)、隔熱等領(lǐng)域有著不可替代的重要作用。

中國鐵路里程已居世界第三，但僅占世界6%的鐵路里程卻承擔(dān)著世界鐵路1/4的運輸量。為此，2008年10月重新調(diào)整了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，將2020年全國鐵路營業(yè)里程規(guī)劃目標(biāo)由之前確定的10萬km調(diào)整為12萬km以上，刷新了中國鐵路建設(shè)的藍圖。2008年底，全國鐵路營業(yè)里程已達8萬 km。隨著中國鐵路建設(shè)水平的提升，可以預(yù)見，聚氨酯材料在中國軌道交通上的成功應(yīng)用也將越來越多。

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