鐵路隧道石墨烯纖維增強復合材料蓋板的研發(fā)及應用

王志偉，馬偉斌，郭小雄，王曉奎，武雁民，石玉龍

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.大秦鐵路股份有限公司 大同工務段，山西 大同 037005）

截至2018年底，全路已開通隧道14455座，總計16048 km，在建隧道2974座（6588 km），未來我國鐵路隧道總長將達到30000 km[1]。隧道內(nèi)水溝、電纜槽上部均需覆蓋蓋板。鐵路隧道溝槽及蓋板系統(tǒng)涉及整個隧道排水系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。隧道內(nèi)蓋板多為現(xiàn)場預制混凝土結(jié)構(gòu)或水泥結(jié)構(gòu)，普遍存在以下問題：（1）易開裂滲漏，水溝內(nèi)水倒灌，造成基底翻漿冒泥、基底下沉等病害；（2）密封性差，粉塵、煤灰等顆粒物易進入排水溝，引發(fā)淤積堵塞，使得隧道排水系統(tǒng)失效，導致滲漏水、翻漿冒泥、基底下沉等次生病害；（3）保溫性差，易使排水系統(tǒng)凍結(jié)失效，造成道床結(jié)冰、襯砌凍脹破壞；（4）整體性差，蓋板失穩(wěn)破壞影響檢修人員及設備通行安全；（5）耐久性差，養(yǎng)修頻繁，定期清理或更換增加了養(yǎng)護維修工作量及運營成本。鐵路隧道排水溝的清理周期通常運煤專線隧道為0.5～1.0年，普速鐵路隧道為2.0～4.0年，高速鐵路隧道為5.0～8.0年，混凝土蓋板大規(guī)模更換的周期為8.0～10.0年，運維養(yǎng)修占用大量人力物力，且費用不菲[2-3]。

為滿足我國鐵路隧道高速發(fā)展及普速、重載鐵路隧道大面積改造的實際需求，開展鐵路隧道用新型復合材料蓋板研究，從材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面提出解決問題的技術(shù)措施，提高隧道溝槽及蓋板系統(tǒng)使用性能，形成適用于我國鐵路隧道的不開裂破損、不淤積堵塞、易疏通維護的預制裝配式溝槽及蓋板系統(tǒng)與安裝工藝。

1 材料比選與結(jié)構(gòu)設計

1.1 材料比選

為滿足鐵路隧道溝槽及蓋板的使用要求，鐵路隧道蓋板物理力學性能主要包括強度、剛度、韌度等力學指標要求。此外，尚應滿足抗腐蝕、抗老化、耐磨、環(huán)保、絕緣、防滑、阻燃等技術(shù)要求[4]。

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料[5]。石墨烯纖維主要由氧化石墨烯、玻璃纖維短切原絲（短纖維）、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂組成[6-8]，通過將石墨烯原料附著到其他纖維類材料中或者將石墨烯以一定比例摻加到人造纖維漿液中制成?；炷辽w板與石墨烯纖維增強復合材料蓋板（簡稱石墨烯蓋板）指標對比見表1。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

隧道內(nèi)溝槽及蓋板的結(jié)構(gòu)應具備密封性強、便于安裝及拆卸，并兼具保溫、擋砟、美觀等功能。鑒于此，石墨烯蓋板基本結(jié)構(gòu)采用多層設計，由石墨烯纖維增強復合材料面板、混凝土塊、水泥纖維板、保溫棉（保溫型蓋板選用）等部分組成。板材可通過高溫高壓的模壓工藝一次加工成型，成型時間短，二次加工少?；炷翂K是一次性澆注在蓋板背后的加強筋網(wǎng)格內(nèi)，起到增重和承載效果。保溫層采用防火保溫棉，置于蓋板和水泥纖維板之間。水泥纖維板以硅質(zhì)、鈣質(zhì)材料為主原料，配以增強纖維與輔助材料改性，經(jīng)過制漿、抄取、加壓、養(yǎng)護而成，其主要作用為托舉保溫棉和增重，同時兼?zhèn)浔匦Ч?。保溫型石墨烯蓋板結(jié)構(gòu)分解見圖1，非保溫型石墨烯蓋板結(jié)構(gòu)分解見圖2，蓋板與溝槽的連接采用臺階式互壓密封搭接結(jié)構(gòu)形式，石墨烯蓋板安裝示意見圖3。

圖1 保溫型石墨烯蓋板結(jié)構(gòu)分解

圖2 非保溫型石墨烯蓋板結(jié)構(gòu)分解

圖3 石墨烯蓋板安裝示意圖

2 材料性能及制備試驗

2.1 材料性能試驗

石墨烯纖維增強復合材料原材料的配比決定物理力學性能，進行不同配比的試驗，確定配比量級物理性能見表2、表3。由表3可看出，當短纖維用量4份、樹脂用量6份時，蓋板綜合性能最優(yōu)。

表2 不同配方組成用料表 份

表3 不同配方物理性能測試結(jié)果

2.2 制備試驗

石墨烯纖維增強復合材料以功能化的石墨烯與功能化的短纖維為增強/阻燃材料，采用共混超聲分散技術(shù)，均勻分散于不飽和聚酯樹脂中制備而成，其制備流程見圖4。

（1）氮磷有機阻燃化合物制備。通過化學反應制取有機氮磷有機阻燃化合物，其結(jié)構(gòu)示意見圖5。

圖4 石墨烯纖維增強復合材料板制備流程

圖5 有機氮磷有機阻燃化合物結(jié)構(gòu)

（2）氮磷有機化合物功能化修飾石墨烯制備。將一定量的氧化石墨烯和自制氮磷有機化合物溶解于化學介質(zhì)中，充分反應后獲得氮磷有機化合物功能化修飾石墨烯。

（3）氮磷有機化合物/無機納米粒子功能化修飾石墨烯制備。將一定量自制的氮磷有機化合物功能化修飾石墨烯分散于一定體積化學介質(zhì)中，分散均勻后，加入一定量二茂鐵，充分反應獲得氮磷有機化合物/無機納米粒子功能化修飾石墨烯，其結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 功能化石墨烯結(jié)構(gòu)

（4）氮磷有機化合物功能化修飾短纖維制備。將一定量短纖維和氮磷有機化合物溶解在化學介質(zhì)中，通過反應獲得氮磷有機化合物功能化修飾短纖維，其結(jié)構(gòu)示意見圖7。

圖7 氮磷有機化合物功能化修飾短纖維結(jié)構(gòu)

（5）石墨烯蓋板制備。將一定量的功能化石墨烯與一定量的功能化短纖維混合，加入不飽和聚酯樹脂，充分混合后置于模壓機中，高溫高壓成型。模壓機工作示意見圖8，成品蓋板見圖9。

圖8 模壓機工作示意圖

圖9 石墨烯蓋板

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，動車組分別以速度300、350 km/h通過隧道時，距離隧道口230 m處40 cm×42 cm水溝蓋板受到氣動荷載分別為88.3 N和120.5 N，蓋板使用安全系數(shù)取1.2，則適用于上述2種速度的蓋板最小質(zhì)量分別為25.74 kg與35.13 kg。研發(fā)鐵路隧道用石墨烯蓋板規(guī)格見表4。

表4 鐵路隧道用石墨烯蓋板規(guī)格

3 適用性

3.1 承載能力

3.1.1 數(shù)值分析

采用三維制圖軟件SolidWorks的有限元分析功能對鐵路隧道用石墨烯蓋板在給定載荷作用下的應力和變形進行計算（見圖10），材料及性能參數(shù)見表5。模型中的水溝支撐系統(tǒng)完全固定，蓋板與水溝上表面密貼，墊塊設置于蓋板上部中央位置。其中方形墊塊長度為800 mm，厚度為30 mm；水溝支撐系統(tǒng)長度為150 mm，寬度為100 mm，設定墊塊與支撐部分為剛性不可壓縮材料，支座底部固定。蓋板承受荷載主要為行人荷載，一般單位面積行人荷載小于3000 N，將3000 N的力施加在墊塊的上表面（見圖11），計算得應力云圖、豎向位移云圖及安全系數(shù)分布圖（見圖12—圖14）。

圖10 數(shù)值模型

表5 模型中各個組成部件的具體情況

圖11 施加外部載荷

圖12 應力云圖

圖13 豎向位移云圖

圖14 安全系數(shù)分布圖

計算結(jié)果可知，在3000 N集中力的作用下，蓋板最大拉應力為18.57 MPa，最大豎向位移為1.25 mm，最小安全系數(shù)為1.77，均滿足承載要求。

3.1.2 室內(nèi)試驗

采用與數(shù)值模型相同尺寸的蓋板，進行逐級加載試驗（見圖15），驗證當蓋板受到設計承載力時的撓度、2倍設計承載力條件下的殘余變形及9倍設計豎向承載力條件下是否斷裂。采用千分表計數(shù)，荷載-最大撓度曲線見圖16。

圖15 加載示意圖

圖16 荷載-最大撓度曲線

由圖16可知，在荷載小于5000 N時，曲線平直，蓋板處于彈性范圍，卸載后，變形完全恢復，與試驗過程觀察吻合；荷載大于5000 N時，蓋板發(fā)生塑性變形，卸載后，變形不可完全恢復，有一定殘余變形。當豎向荷載為3000 N時，實測豎向位移為1.3 mm，與數(shù)值分析結(jié)果相差3.84%，因此可判定數(shù)值模擬結(jié)果正確，同時可判定蓋板滿足承載要求。

3.2 保溫性能

3.2.1 保溫設計

保溫型石墨烯蓋板由4部分組成，由上到下依次為石墨烯纖維增強復合材料板、混凝土塊、保溫棉、水泥纖維板（見圖17），該結(jié)構(gòu)使熱量傳遞效率大大降低。

圖17 保溫型石墨烯蓋板分層示意圖

3.2.2 材料導熱性

保溫型石墨烯纖維增強復合材料蓋板導熱系數(shù)見表6。由這4種材料組合起來的保溫型石墨烯蓋板，整體導熱系數(shù)低于0.5，滿足隧道溝槽的保溫要求。

表6 保溫型石墨烯蓋板導熱系數(shù) W/（m·K）

3.3 阻燃性能分析

石墨烯蓋板組成部分阻燃性能見表7。4種材料組合后，保證了石墨烯蓋板的阻燃性。

表7 石墨烯蓋板組成部分阻燃性能

4 安裝工藝及工程應用

大秦鐵路摩天嶺隧道入口里程為K315+300，出口里程為K317+758，全長2458 m，日均通行列車58列，為雙線電氣化隧道。既有蓋板為混凝土蓋板，因多處蓋板出現(xiàn)破損和密封不嚴，列車通過時隧道內(nèi)氣壓波動，煤渣粉末隨氣流飄起并降落到蓋板的縫隙或破損處，再通過這些縫隙進入蓋板下的排水溝，阻塞排水系統(tǒng)（見圖18）。每年需人工清理排水溝2次，消耗大量人工。

圖18 摩天嶺隧道原有蓋板

2017年10月，大秦鐵路管理方對摩天嶺隧道內(nèi)混凝土蓋板進行更換，蓋板安裝工藝見圖19。在新型蓋板安裝后1年使用期內(nèi)，新型石墨烯蓋板表現(xiàn)了優(yōu)良的耐腐蝕性和密封性，在蓋板的保護下，排水溝內(nèi)未出現(xiàn)煤灰堆積和排水堵塞，各項功能未有缺失（見圖20）。

圖19 蓋板安裝工藝

圖20 摩天嶺隧道內(nèi)石墨烯蓋板

5 結(jié)論

針對鐵路隧道蓋板在工程應用中存在的問題，從新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等方面提出解決問題的技術(shù)措施，采用材料比選及性能試驗、制備工藝試驗、數(shù)值模擬等手段，形成了一種適用于我國鐵路隧道不淤積堵塞、不開裂破損、易疏通維護的新型蓋板及安裝工藝。主要結(jié)論如下：

（1）新型蓋板由石墨烯纖維增強復合材料板、混凝土添加塊、水泥纖維板、保溫棉等部分組成，減輕質(zhì)量，簡化安裝工藝。

（2）溝槽及新型蓋板采用臺階式互壓密封搭接結(jié)構(gòu)形式，提高整體性，降低單塊蓋板易失穩(wěn)破損風險，保證檢修人員及設備通行安全。

（3）新型蓋板本體增設保溫結(jié)構(gòu)，提高溝槽保溫性能。減少隧道排水溝溫降，避免排水溝及盲管出水口結(jié)冰凍結(jié)風險，降低道床結(jié)冰及襯砌凍脹風險。

（4）新型蓋板采用加勁鋼板為承載載荷的主體材料，提高承載能力及耐久性，同時保證阻燃、防滑、美觀等使用功能。

（5）通過現(xiàn)場試用改進安裝工藝，保證施工質(zhì)量，提高施工效率。