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高铁无砟轨道板隔热防护涂料


隔热降温功能显著:太阳光反射比≥85%,混凝土表面降温幅度8-15℃;
产品介绍
  • 产品开发背景介绍:

      1.高速铁路轨道板温度应力病害严重影响行车安全

      数据显示2019年底,我国高铁里程达到3.5万公里,运营里程位居世界第一。运营速度的不断提高,对列车运行的安全性、平稳性和舒适性等方面也提出了更高的要求,高速铁路无砟板式轨道作为主流轨道结构,轨道板的可靠性与耐久性关系到高铁的运营安全。环境温度是影响轨道板结构安全的重要因素之一,因高速铁路穿越的地区气候条件不尽相同,北方地区冬夏两季最大温差可达60℃以上,一天内最大昼夜温差也可达20℃以上,尤其在夏季强太阳光照射作用下,混凝土结构的无砟轨道板温度将迅速升高,但由于混凝土导热系数较小、传热性能较差,内部温度的升高明显滞后于表面,轨道板上下表面形成显著的温度差,轨道板的内部会产生较严重的非线性温度分布,产生过大温度梯度,产生温度应力,造成轨道板翘曲变形、层间离缝、板体开裂。因温度应力产生的裂缝会带来轨道板渗水、钢筋锈蚀、混凝土碳化、冬季冻融破坏等次生病害。近些年来,全球气候变暖趋势加快,夏季极端高温天气频发,无砟轨道板病害情况更加突显,对线路安全运营造成了严重影响。

      2.轨道板温度应力病害防治急需优质解决方案

      高速铁路相关部门及该领域内的众多专家学者开展了大量的研究工作,对轨道板温度分布、温度应力、温度应力病害与气温、太阳光辐射之间的关系进行了研究,分析了高温天气下板式无砟轨道温度特性,论证了高温季节出现过大的温度应力是轨道板裂缝、轨道板与砂浆层间离缝上拱产生和发展的主要原因之一,给出了温度应力病害出现后的诸如裂缝注浆、植筋锚固的治理措施。但这些措施主要是被动修补和强制约束,存在无法提前干预、治标不治本产生新的安全隐患等问题。目前尚无既便于实施、充分安全又可防治结合的措施,相关方急需新材料新工艺的科学解决方案。

      3.中国铁路总公司2017年科研计划重大课题之一

      2017年5月中国铁路总公司印发《2017年中国铁路总公司科技研究开发计划课题指南》白皮书,将“复杂温度循环下高铁无砟轨道力学行为及损伤特性研究”列为重大研究课题,该课题主要研究温度与无砟轨道病害情况,研究无砟轨道维护技术,将无砟轨道温度病害的治理提到了新的高度。

      4.铁路相关部门高度关注、深入合作

    本产品开发合作单位:

      中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所

      中国铁路郑州局集团有限公司科学技术研究所

      郑州优波科新材料股份有限公司

      中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所关注高铁轨道板的病害防治研究,参与重大课题的研究工作,在广泛调研的情况下,了解到反射隔热涂料在建筑领域隔热降温应用的情况,以及水性反射隔热涂料环保、安全、有效、施工便捷的特点,敏锐的洞察到水性隔热涂料技术应用于高速铁路温度应力病害防治的远大前景,提出了在建筑用水性反射隔热涂料技术的基础上开发针对高铁轨道板应用场景的专用产品的新思路。

      三方在充分交流的情况下,确定合作开发新产品。本着预防为主、标本兼治的研发思路,经过三方合作研发,历时3年,最终推出了无砟轨道板隔热防护涂料产品。

    产品介绍:

    1.产品原理

      太阳光热辐射按波长不同可划分为紫外光、可见光、红外光 3个部分。各部分光波在总能量中所占的比例见表1。

      表1.1 不同波段太阳辐射波长与能量比例

    光区 波长 μm 占能量百分比 %
    紫外光 200-400 5
    可见光 400-720 45
    近红外 720-2500 50

     

      可见光和近红外光辐射占太阳光总能量的95%,所以隔绝了可见光和近红外光就可以使太阳照射下的物体温度降低。

      高铁无砟轨道板隔热防护涂料是由高反射率、高发射率、高热阻的材料制备的专用反射隔热涂料,精选功能材料,水性体系,薄层涂装,涂层对热射线有“高反射、高辐射、高热阻、低热容”特性。涂敷在混凝土材质的轨道板表面,干膜厚度只需要0.2~0.3mm,就能隔绝太阳热辐射率的60%~95%(与涂层明度值、颜色有关)。可有效阻止热量向反射隔热涂膜内部及轨道板内部的传递,达到隔热降温效果。降低轨道板表面温度同时降低了轨道板温度梯度,降低轨道板因环境温度的高低变化产生温度应力,从而抑制或避免因温度原因造成的轨道板翘曲变形或开裂,保障行车安全。

    2.产品特点

      隔热降温功能显著:太阳光反射比≥85%,混凝土表面降温幅度8-15℃;

      使用年限长:有机无机复合涂层,附着力高,耐候性强,有效使用年限超15年;

      安全系数高:极薄涂层,对轨道板无任何损伤,增加保护层,不会成片脱落,无安全隐患。

      与环境协调:涂层颜色与轨道板混凝土原色基本一致,无光污染,不影响高铁司机视线;

      健康环保:水性涂料体系,符合环保标准要求,对人体无害,绿色低碳;

      施工便捷:局部可滚涂、刷涂施工,长线路可机械化喷涂施工,适合野外作业便于维护。

    3.产品性能

      本产品属于新材料产品,尚未有针对性的专门标准,产品物理性能指标的评价主要参考G/T 235-2014《建筑反射隔热涂料》及JG/T 26-2002《外墙无机建筑涂料》。经由产品合作研发单位——中国铁路郑州局集团有限公司科学技术研究所委托国家建筑材料测试中心按照相关国家标准进行涂料相关物理性能及应用性能指标的检测评价,检测结果及报告内容如下:

     

     

    轨道板隔热降温效果:

      1.郑州铁路局场内测试

      时间:2018年6月——2019年12月

      地点:郑州铁路局黄河风景区教育实习基地

      参与单位:郑州优波科新材料股份有限公司、中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所、中国铁路郑州局集团有限公司科学技术研究所

      测试方案:通过温度监测测试专用反射隔热涂料实际降温隔热效果。选取CRTSⅡ型高铁轨道板,一块涂装隔热涂料,另一块作为空白对照板。在轨道板设计不同位置上打孔,每一点位设置表面及距板表面2cm、10cm、18cm ,3个深度孔并埋入热电偶测温装置,环氧树脂胶封口,实验板与对照板测温点布置一一对应,经计量认证的多通道温度记录仪持续记录各测点温度。

      图1 多通道测温仪测温点布置示意图

      如图1所示,01、04、07、10、13、17、20、23、26、29通道采集距板表面2cm深度的温度数据,02、05、08、11、14、18、21、24、27、30通道采集距板表面10cm深度的温度数据,03、06、09、12、15、19、22、25、28、31通道采集距板表面18cm深度的温度数据,通道16、32采集板表面的温度数据。现场实验情况如下图所示:

     

       

     

       

     

      由温度记录仪采集的2018年7月5日至7月8日(气温最高33℃)数据整理分析得到如图2至图5所示的温度实时变化对比图如下。

    图2试验板与对照板表面实时温度变化对比

    图3试验板与对照板2cm深度处实时温度变化对比

    图4试验板与对照板10cm深度处实时温度变化对比

    图5试验板与对照板18cm深度处实时温度变化对比

    由图表可知,高铁无砟轨道板隔热防护涂料作用在轨道板上,可使其板表面温度比对照板表面的温度低约16℃,其距板表面2cm处的温度比对照板距板表面2cm处的温度低约11.3℃,其距板表面10cm处的温度比对照板距板表面10cm处的温度低约8.1℃,其距板表面18cm处的温度比对照板距板表面18cm处的温度低约6.5℃,正午高温33℃情况下,可将距板表面2cm和距板表面18cm之间16cm厚度的温度梯度降低50%左右。

      图6试验板(左侧部分)与对照板(右侧部分)红外热像仪拍摄图片

      图6为所述实施的高铁无砟轨道板隔热防护涂料涂覆的试验板(钢轨未做涂覆)与对照板红外热像仪拍摄图片,图片中两块轨道板温度分布情况非常清楚,左侧试验板呈现出明显的低温紫色,右侧对照板呈现出明显的高温黄色,温差对比明显,表明所述实施的高铁无砟轨道板隔热防护涂料可以显著降低夏季轨道板的温度。

      2.南昌路局场内测试

      南昌西站工务段实验现场情况

      在高铁南昌西站工务段场内轨道线上,选取CRTSⅡ型高铁轨道板相邻的两块,一块涂装隔热涂料为实验板,另一块作为空白对照板。在轨道板设计不同位置上打孔,每一点位设置距板表面2cm、9cm、17cm三个深度孔并埋入热电偶测温装置,环氧树脂胶封口,实验板与空白板测温点布置一一对应,持续记录各测点温度数据并分析,空白板与实验板温度变化对比情况如下。

    图7 空白板A不同测温点平均温度随时间变化

    图8 实验板B不同测温点平均温度随时间的变化

      如上图所示,我们可以清楚的看到空白板和实验板各测温点在不同时刻的温度变化情况,有隔热涂层的实验板各测温点温度较空白板有显著的降低。例如在2018年9月19日正午12时35分,有隔热涂层的实验板B表面温度比空白板表面温度降低了约10.7℃,距板表面2cm深度处平均温度降低了约9.7℃,距板表面9cm深度处平均温度降低了约6.0℃,距板表面17cm深度处平均温度降低了约3.9℃。表面至17cm深度处的温差降低了约6.8℃,温度梯度由93℃/m降至53℃/m,降幅达到43%。

      3.新乡高铁东站线上应用测试

      2019年9月在京广高铁实际运营线路新乡高铁东站站台区以北上行轨道线上选择受太阳光辐射影响较大的6块轨道板作为实验区,选取其中连续3块板作为空白对照板(不进行隔热涂装),另外连续3块板作为实验板(进行隔热涂装)。

     

    新乡高铁东站施工现场情况

    图7线上实验试验板(深暗色部分)与对照板(浅亮色部分)红外热像图

    上图拍摄时夜间气温为20℃。图片中两部分轨道板温度分布情况非常清楚,前方试验板呈现出明显的低温紫色,后方对照板呈现出明显的高温黄色,温差对比明显,降温效果非常直观。

    结论:

      1) 高铁无砟轨道板隔热防护涂料创新性的采用了以复合陶瓷微晶体、红外热反射冷颜料等功能型新材料及新型涂层结构,使得所制得反射隔热涂料隔热降温效果显著优于市面传统产品。有机无机复合成膜物质可形成互穿网络结构,与水泥材质的轨道板表面形成有力的稳定附着,可确保涂层长期使用寿命。

      2) 实验表明本隔热防护涂料产品在轨道板上施涂顺畅,与轨道板基层粘接良好,表面状态平整均匀,涂层基本物理性能满足要求,保障涂层在极端损坏情况下不出现因成片脱落而影响行车安全。

      3)高铁无砟轨道板隔热防护涂料涂敷厚度只需0.2~0.3mm左右,在轨道板表面的隔热温差可达10-16℃。

      4)高铁无砟轨道板隔热防护涂料预防作用为主,防治结合。在夏季高温情况下,可将轨道板温度梯度降低一半左右,可显著降低高温度梯度对板结构的负面影响。

      5)通过郑州、南昌两地实际轨道板模拟实验及新乡东站线上实际应用实验评价表明本研究专用反射隔热涂料施工便利,涂层对行车无安全隐患,在铁路推广应用具有重大的安全效益和社会意义。


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高铁无砟轨道板隔热防护涂料


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