聚氨酯材料在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)展*

張勇 張彬* 劉志 賈積恒 郝林栓

(1.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司 北京 102200)(2.鐵科騰躍科技有限公司 河北石家莊 052360)

聚氨酯制品如硬泡、軟泡、膠黏劑、防水密封材料和彈性體等,已普遍應(yīng)用于國民生活和生產(chǎn)中。我國鐵路行業(yè)經(jīng)過近幾十年的蓬勃發(fā)展,帶動(dòng)了鐵路建設(shè)用材料的升級(jí),而聚氨酯材料以其優(yōu)異的性能在鐵路建設(shè)中受到重視,目前已廣泛應(yīng)用在彈性減振、防水密封等方面,但對(duì)于鐵路這個(gè)大市場(chǎng)來說,新的應(yīng)用還有待于被挖掘和開發(fā)。本文從鐵路橋梁橋面和軌道減振防護(hù)兩個(gè)方面簡述了聚氨酯材料在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用情況,并對(duì)聚氨酯材料在鐵路建設(shè)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 鐵路橋梁橋面用聚氨酯材料

1.1 聚氨酯復(fù)合材料合成軌枕

聚氨酯復(fù)合材料合成軌枕以連續(xù)玻璃纖維和硬質(zhì)聚氨酯組合料為主要原料,在雙履帶層壓機(jī)下經(jīng)拉擠、發(fā)泡、固化而成,纖維含量一般在40%～70%之間,密度在600～1 400 kg/m3之間。聚氨酯復(fù)合材料合成軌枕具有質(zhì)輕、易加工、耐久兼具彈性減振的特點(diǎn),目前主要應(yīng)用于鐵路鋼橋明橋面、市內(nèi)軌道交通和道岔區(qū)。聚氨酯復(fù)合材料合成的軌枕克服了混凝土軌枕模量高、彈性差、重量大、施工維護(hù)成本高的問題,同時(shí)解決了木枕力學(xué)性能低、耐久性及軌距保持性能差的缺點(diǎn)。1978年日本積水化學(xué)公司開發(fā)了第一根聚氨酯復(fù)合材料合成軌枕;我國于2004年首次在廣州地鐵引入復(fù)合材料合成軌枕,并于2008年生產(chǎn)出首批復(fù)合材料合成軌枕[1]。日本長達(dá)30多年的使用結(jié)果表明,聚氨酯復(fù)合材料合成軌枕在高負(fù)荷和耐腐蝕方面是前所未有的高壽命軌枕[2]。國內(nèi)自主研發(fā)的高密度高纖維含量聚氨酯復(fù)合橋枕已成功應(yīng)用于隴海線K1734號(hào)橋(見圖1)、膠新線177號(hào)橋和牙林線37號(hào)橋等多座橋梁。

圖1 復(fù)合材料合成軌枕應(yīng)用于隴海線K1734號(hào)橋

1.2 聚氨酯拉擠復(fù)合材料橋面附屬設(shè)施

聚氨酯拉擠復(fù)合材料橋面附屬設(shè)施(見圖2)主要包括欄桿、扶手、立柱、步行板、線纜槽等,由連續(xù)玻璃纖維在注膠盒內(nèi)經(jīng)聚氨酯樹脂浸潤后,經(jīng)模具高溫固化,連續(xù)拉擠制備而成,玻璃纖維含量75%以上,產(chǎn)品密度在2 000 kg/m3左右,拉伸強(qiáng)度可達(dá)到1 000 MPa以上。

圖2 聚氨酯拉擠復(fù)合材料橋面附屬設(shè)施

聚氨酯拉擠復(fù)合材料橋面附屬設(shè)施相對(duì)于目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋面附屬設(shè)施,可降低70%左右的自重,同時(shí)可避免金屬銹蝕等問題,具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、韌性好的特點(diǎn),在特定路段可替代傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的人行道。在2017年～2019年間,聚氨酯拉擠復(fù)合材料橋面附屬設(shè)施分別在成昆線、朔黃線、川藏線拉林段(見圖3)進(jìn)行試驗(yàn)段鋪設(shè)共計(jì)1.5 km。

圖3 聚氨酯復(fù)合材料橋面附屬設(shè)施在川藏線拉林段的應(yīng)用

1.3 聚氨酯復(fù)合材料支架

聚氨酯復(fù)合材料支架(見圖2)由低黏度不發(fā)泡聚氨酯樹脂經(jīng)樹脂傳遞模塑工藝制備而成,聚氨酯樹脂充分浸潤纖維布后加熱固化而成,其中聚氨酯樹脂用量占25%～40%。聚氨酯復(fù)合材料支架是在基于乙烯基樹脂、不飽和樹脂和環(huán)氧樹脂的支架基礎(chǔ)上新開發(fā)的,提升了上述支架力學(xué)性能和抗疲勞性能。聚氨酯復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)輕、耐久性好、抗疲勞性優(yōu)異的特點(diǎn),可解決金屬支架易銹蝕、維修費(fèi)用高和自重大對(duì)橋梁負(fù)載大的問題[3]。聚氨酯復(fù)合材料支架以其優(yōu)異的綜合性能引起了鐵路業(yè)界的關(guān)注,有望和聚氨酯拉擠復(fù)合材料橋面附屬設(shè)施共同應(yīng)用于橋梁人行道系統(tǒng)中。

1.4 聚氨酯橋梁伸縮縫

橋梁伸縮縫填縫用聚氨酯彈性體材料由雙組分聚氨酯澆注料常溫混合固化而成,可替換傳統(tǒng)的橡膠止水帶，用于一般跨度的混凝土橋梁梁端的防水密封。該材料和底漆、面漆配合使用,與混凝土粘接為一體,可有效防止水滲透到橋梁下對(duì)橋梁基座產(chǎn)生腐蝕等問題,其伸長率達(dá)900%以上,能滿足橋梁伸縮縫大變形的需求。中國鐵道科學(xué)研究院于2008年起承擔(dān)了鐵道部科技司的新型鐵路橋梁伸縮縫項(xiàng)目,2013年發(fā)布《鐵路混凝土橋梁彈性體伸縮縫暫行技術(shù)條件》。國內(nèi)對(duì)聚氨酯橋梁伸縮縫的研究較多,聚氨酯橋梁伸縮縫配方和施工工藝都較為成熟,前期在京津線、京石線進(jìn)行試點(diǎn),后期穩(wěn)定推廣到西成客運(yùn)專線，以及濟(jì)青、商合杭等多條線路中,均取得良好的使用效果。

1.5 噴涂聚脲防水材料

噴涂聚脲防水材料由異氰酸酯基預(yù)聚體組分和氨基聚醚組分快速混合后經(jīng)噴涂的方式進(jìn)行施工,產(chǎn)品固化速度快、施工效率高,同時(shí)涂膜強(qiáng)度高,但對(duì)噴涂設(shè)備的要求相對(duì)較高。噴涂聚脲防水材料起源于美國,在中國發(fā)展較快,應(yīng)用于京津城際高鐵后,在京滬高鐵再次創(chuàng)下了噴涂聚脲防水材料工程用量之最。針對(duì)后期出現(xiàn)的針孔、鼓包、粘接不良等問題[4],科研人員從底涂選用、施工控制和監(jiān)管等方面進(jìn)行了分析和建議[5-6]。噴涂聚脲防水材料在應(yīng)用過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)值得后續(xù)工程建設(shè)借鑒。

1.6 薄涂型聚氨酯防水涂料

薄涂型聚氨酯防水涂料是應(yīng)用于高速鐵路橋梁橋面的新產(chǎn)品,由環(huán)氧類底漆對(duì)處理后的混凝土表面孔隙進(jìn)行封孔和增強(qiáng),聚氨酯防水底面漆提供防水效果,脂肪族聚氨酯面漆提供耐候性能。該薄涂型聚氨酯防水涂料附著力強(qiáng),施工方便,可滿足無砟軌道混凝土橋面防水的需要[7]。薄涂型聚氨酯可彌補(bǔ)高聚物改性瀝青防水卷材在外界條件下誘發(fā)的病害,同時(shí)對(duì)施工設(shè)備要求相對(duì)較低。薄涂型聚氨酯防水涂料執(zhí)行《高速鐵路混凝土橋面薄涂型聚氨酯防水層技術(shù)條件》。跨榮濰高速公路特大橋有16 234 延米的防水施工就是采用了聚氨酯防水涂料,這為高速鐵路橋梁橋面的防水提供一種新的選擇[8]。

2 軌道減振防護(hù)用聚氨酯材料

2.1 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化道床是由發(fā)泡聚氨酯材料將潔凈干燥的道砟包裹并粘接為一體而成,發(fā)泡聚氨酯材料實(shí)現(xiàn)道床的減振降噪。聚氨酯固化道床技術(shù)源于拜耳公司,從2009年開始在國內(nèi)高鐵、重載線路上鋪設(shè),2018年在濟(jì)青高鐵鋪設(shè)的6 km聚氨酯固化道床實(shí)驗(yàn)線上成功進(jìn)行了時(shí)速350 km的通車試驗(yàn)。目前聚氨酯固化道床均在鐵道線路上現(xiàn)場(chǎng)成型,采用在道砟上直接澆注聚氨酯組合料的方法進(jìn)行施工,但道砟溫濕度、施工環(huán)境等會(huì)影響施工進(jìn)度。而采用工廠預(yù)制的方法制備預(yù)制型聚氨酯固化道床并現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè),在解決上述問題的同時(shí)還能提升施工效率。預(yù)制型聚氨酯固化道床項(xiàng)目的研究工作已經(jīng)起動(dòng)。

2.2 聚氨酯道砟膠

雙組分的聚氨酯道砟膠將道砟粘接為一個(gè)整體。道砟膠不進(jìn)入道砟空隙中,僅在道砟表面接觸點(diǎn)將道砟進(jìn)行粘接,應(yīng)用于無砟軌道和有砟軌道過渡段,防止高速運(yùn)行的列車引起道砟飛揚(yáng),方便用吸塵器吸取道床內(nèi)的粉塵進(jìn)行道床維護(hù)作業(yè)。聚氨酯道砟膠可提升道床承載力、減少道床下沉變形、提高道床縱橫向阻力,增強(qiáng)道床穩(wěn)定性。經(jīng)改性后的聚氨酯道砟膠可在高濕環(huán)境中應(yīng)用[9]。使用環(huán)保型催化劑的改性道砟膠已應(yīng)用于黃河大橋、京滬、哈大鐵路中[10]。

2.3 聚氨酯道砟墊

聚氨酯道砟墊應(yīng)用于有砟鐵路道砟與道床之間,是在發(fā)泡型彈性聚氨酯片材其中的一面復(fù)合無紡布材料而成。聚氨酯軌枕墊的無紡布面層面向道砟層,防止道砟棱角刺破聚氨酯彈性層。應(yīng)用聚氨酯道砟墊后,道砟的一部分嵌入道砟墊,可增大道床與道砟的接觸面積,同時(shí)分散列車載荷,增加道床彈性,減振降噪效果明顯。德國慕尼黑鋪設(shè)的聚氨酯道砟墊在30年期間經(jīng)過了共計(jì)13億噸超大輪載后,道砟墊仍能滿足設(shè)計(jì)時(shí)的減振降噪要求,預(yù)計(jì)能繼續(xù)使用30年[11]。目前國內(nèi)使用的道砟墊以橡膠材料為主并且在此方面的研究較多,聚氨酯道砟墊在性能上博弈并勝出,任重而道遠(yuǎn)。

2.4 聚氨酯軌枕墊

聚氨酯軌枕墊由底層的無紡布防刺穿層、中層的聚氨酯發(fā)泡彈性層和上層的連接層組合而成[12-13],將連接層壓入未完全固化的混凝土枕,待混凝土熟化后,軌枕墊便錨固在混凝土軌枕底部,制成彈性軌枕,根據(jù)減振要求選用聚氨酯組合料,可制備不同剛度的產(chǎn)品。聚氨酯軌枕墊使原本混凝土枕與道砟剛性對(duì)剛性接觸變?yōu)閺椝苄缘慕佑|,將道砟與軌枕的接觸面積由5%～8%提升到35%,搗固周期延長2～2.5倍[14]。使用聚氨酯軌枕墊的彈性軌枕已在大秦線和石太線鋪設(shè),應(yīng)用結(jié)果表明,使用聚氨酯軌枕墊的彈性軌枕具有提升道床彈性、保護(hù)道砟、降低作業(yè)頻次等諸多優(yōu)點(diǎn)[15]。

2.5 聚氨酯浮置板減振道床

聚氨酯浮置板減振道床是在混凝土道床與軌道板之間插入一層微孔聚氨酯彈性體而制得,可充分利用微孔聚氨酯的彈性削減列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音。根據(jù)線路的需要,可采用板狀、條狀和點(diǎn)狀的支撐結(jié)構(gòu)。聚氨酯浮置板減振道床在柏林、首爾、紐約、新加坡及香港鐵路線路中的應(yīng)用有著成功的經(jīng)驗(yàn)。重慶軌道交通六號(hào)線會(huì)展中心工程鋪設(shè)了632 m的聚氨酯浮置板減振道床,其施工工藝過程的探索,為其它城市軌道鋪設(shè)相關(guān)產(chǎn)品提供了借鑒[16]。目前在用的浮置板減振道床的減振材料還有橡膠材料。兩種材料對(duì)比結(jié)果表明,聚氨酯減振墊相比橡膠減振墊有著更寬的減振頻域和更好的減振效果[17]。

2.6 聚氨酯彈性墊板

聚氨酯彈性墊板是以聚四氫呋喃二醇和4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)基預(yù)聚體為主要原材料制備的微孔聚氨酯彈性體,應(yīng)用于高速鐵路WJ-8型扣件系統(tǒng),具有分布列車載荷、減振降噪、維持列車平穩(wěn)運(yùn)行的功能。目前聚氨酯彈性墊板以其良好的減振性能在國內(nèi)外無砟高速鐵路中廣泛應(yīng)用。隨著哈大和哈齊高鐵的開通,對(duì)耐低溫聚氨酯彈性墊板存在需求。目前市面上大部分聚氨酯彈性墊板都基于MDI基預(yù)聚體制備而成?，F(xiàn)行《WJ-8型扣件暫行技術(shù)條件》要求的動(dòng)靜剛度比小于1.35,在彈性墊板中引入萘二異氰酸酯(NDI),其動(dòng)靜剛度比可降至1.15以下,回彈性能更加優(yōu)異[18]。

3 結(jié)語及展望

聚氨酯材料憑借其優(yōu)良的配方設(shè)計(jì)性能,以聚氨酯伸縮縫、噴涂聚脲和薄涂型聚氨酯為代表的防水產(chǎn)品應(yīng)用于鐵路橋梁橋面的防水;以拉擠復(fù)合材料橋面附屬設(shè)施和聚氨酯復(fù)合材料支架為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品應(yīng)用于鐵路橋面的行人防護(hù);以聚氨酯合成軌枕、固化道床、浮置板減振道床、道砟墊、軌枕墊、彈性墊板為代表的聚氨酯發(fā)泡材料應(yīng)用于軌道的減振。截至2019年底,全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到13.9萬km以上。《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》指出，到2025年,鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到17.5萬km左右。普速鐵路網(wǎng)方面,重點(diǎn)圍繞擴(kuò)大中西部路網(wǎng)覆蓋,完善東部網(wǎng)絡(luò)布局。聚氨酯防水材料和復(fù)合材料可適應(yīng)中西部多山體和隧道的潮濕環(huán)境。聚氨酯泡沫體系可有效減振以提升列車運(yùn)行的舒適性，提升路網(wǎng)質(zhì)量。鐵路行業(yè)的持續(xù)發(fā)展為現(xiàn)有聚氨酯材料提供了廣闊的應(yīng)用空間,同時(shí)隨著聚氨酯行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用市場(chǎng)的深挖和細(xì)化,也為更多的聚氨酯制品服務(wù)于鐵路建設(shè)提供了可能。