聚氨酯材料在铁道建筑上的应用与发展

罗振寰，黄自华，许双喜，曹彦海

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

铁路的建设直接带动了机车、轨道、车辆及其相关行业的发展，而高分子合成材料也一直积极摸索着在轨道交通领域的发展空间。聚氨酯作为当今六大合成材料之一，是一种介于橡胶和坚硬塑料之间的高分子聚合材料，它既有橡胶的弹性和韧性，又具有塑料的高强度，是合成材料工业中比橡胶和塑料性能更为独特的一种新型材料［1］。以聚氨酯为基础，可制成的产品有泡沫塑料、弹性体、涂料、粘合剂、纤维、合成皮革、铺装材料等等，可广泛应用于轨道交通的防震减噪、防水、灌封以及车体装饰等各个方面。本文针对聚氨酯材料在轨道交通上的应用作一综述，以期对我国高速铁路建设以及推动聚氨酯工业的发展有所裨益。

1 聚氨酯材料

聚氨酯是一类在高分子结构主链上含有氨基甲酸酯基团(—NHCOO—)的聚合物。从分子结构看，聚氨酯是一种软段和硬段相间的嵌段聚合物。一般由低聚物多元醇构成柔性链段，柔性链段在常温下有许多的构象，呈无规卷曲状，称之为软段。聚氨酯分子中的软段易聚集在一起，形成软段微区，其在聚合物中所占比例较大，玻璃化温度低于室温;而由二异氰酸酯与二元醇、二元胺等扩链剂(或交联剂)得到的含芳基、氨基甲酸酯基，取代脲基构成的刚性链段构象不易改变，常温下伸展成棒状，称为硬段。刚性链段由于内聚能大，分子间可以形成氢键，缔合在一起，形成硬段微区。由于硬段与软段的不相容，因此聚氨酯具有微相分离结构［2-3］。

微相分离的存在对聚氨酯的形态结构和性能产生重要的影响，使得聚氨酯弹性体具有优良的综合性能，其杨氏模量介于一般橡胶和塑料之间，具有以下特性:优异的耐磨性，其耐磨性是天然橡胶的2～10倍;较高的强度和弹性，可以在较宽的硬度范围内保持较高的弹性，而在相同硬度下，比其它弹性体的承载能力高;耐油脂及耐化学品性能优良;耐氧性和耐臭氧性能优良;耐疲劳性及抗振动性好，适于高频挠曲应用;抗冲击性强;低温柔顺性好。硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数比其它合成保温材料和天然保温材料都低，而且可以现场浇注，快速成型，是用量越来越大的合成树脂保温材料;软质聚氨酯泡沫塑料由于弹性好、透气性优良等特点广泛用作床具、车船和座椅等的垫材［1］。

2 聚氨酯在轨道交通中的应用

2.1 弹性垫板

弹性垫板是用于钢轨和混凝土轨枕之间或枕下，以此满足混凝土轨枕减振降噪和提高耐久性等技术要求。如图1，图2所示，此类弹性轨枕型包括聚氨酯微孔弹性体、天然橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶等。聚氨酯类材料具有高耐磨、高强度和高伸长率和长使用寿命特性，在高铁、地铁和城市轨道交通中具有广阔的应用前景。聚氨酯微孔弹性垫片已在日本新干线、韩国高速铁路、德国高速铁路以及上海地铁上广泛应用，其减振效果较好，显著降低了振动和噪音对城市居民以及铁路附近建筑的危害，提高了列车在高速运行中的安全系数。而我国武广、郑西客运专线已试用聚氨酯微孔弹性垫片，效果较好，“十二五”期间，我国客运专线上将大面积推广使用聚氨酯微孔弹性垫片［4］。

2.2 弹性轨枕

聚氨酯枕木是一种玻纤增强的硬质聚氨酯微孔弹性体，如图3所示，具有比强度大、减震、降噪、耐电气绝缘、高耐久和环保等优良性能，目前已受到铁路业界的高度关注，是全球聚氨酯弹性体研究的一个热点课题。在西欧和日本已有较成熟的研制和应用经验，在日本，聚氨酯枕木已有25年的使用历史，应用量达300万根，在日本高速列车新干线轨道线上已得到应用。日本产聚氨酯枕木在我国广州、上海和台湾地区也得到了部分应用，此外在奥地利维也纳地铁也应用了此种聚氨酯枕木。拜耳材料科技公司已成功制成Bayflex微孔聚氨酯弹性体枕木，计划将用于中国高铁建设。根据国家发展高速铁路长远计划，为了适应高速列车的提速要求，开发P U枕木以取代或部分取代混凝土轨枕必将是未来发展趋势［5］。

图1 高铁用扣件系统

图2 聚氨酯垫片样品

图3 聚氨酯轨枕

2.3 无砟轨道灌封填充

如图4所示，在高速铁路板式无砟轨道结构中，作为钢轨的夹垫、撑垫和轨枕的垫件，轨道板和凸型混凝土挡台之间，混凝土底座与轨道板之间都要用到聚氨酯胶粘剂的灌封填充。聚氨酯作为灌封材料可部分提供轨道的弹性，且可完全填满轨道板和混凝土基床板的间隙，并且可对下部结构变形在某一限度内进行修补［6］。

2.4 道砟胶

图4 无砟板式轨道示意

为降低列车在轨道上高速运行时带来的噪声，欧洲部分国家采用拜耳开发的聚氨酯泡沫铺设铁路，国内铁路部门计划将来在中国也采用这项技术。德国柏林FRENZELBAU集团在 Durflex系统应用中，利用来自拜耳材料科技的Bayflex弹性聚氨酯泡沫材料，可完全填实碎石道砟间的缝隙，如图5所示。列车运行产生的动力所造成的典型碎石道砟移位现象得以避免。这也大幅度提高了轨道上层结构的耐久性，大幅延长轨道的维护周期，并吸收在此点上所产生的噪音，显著降低居民区噪声污染［7-8］。

图5 固化道床聚氨酯道砟胶

2.5 防水涂层

喷涂聚脲防水材料具有优异的物理性能和施工性能，常作为防水涂层应用于高速铁路，城市轨道、隧道等高难度防水工程。京津城际轨道交通工程是我国第一条开工建设的高等级客运专线，是2008年奥运会的配套项目之一。由于该工程路基形式和铺设方式，对混凝土的防水层要求较高，既要高强度又要快速固化，因此工程全线采用聚脲做防水层。全线80%的路段采用高架的32 m双线混凝土箱梁和现浇混凝土梁组成。在箱梁做完聚脲防水层后的吊运和铺设中，有重达1 200 t的运送设备将对防水层进行近1 000次的碾压，普通的防水材料是难以承受的［9-11］。聚脲因其优良的力学性能、固化速度快、耐磨损、附着力好等优点可满足技术指标要求，如图6所示。

2.6 调高支座

广泛用于桥梁结构的盆式橡胶支座有着其他类型支座不可替代的优点。国外以前采用的填充材料多为硅橡胶，而硅橡胶价格昂贵，拉伸强度相对较低。采用浇注型聚氨酯(CPU)替代硅橡胶不但价格较低，且强度高，浇注前为黏性液体，可在室温下固化成型。在实桥调高时，将材料通过压力泵注入支座盆底，使之在预设时间内固化，调高即完成。全过程不需千斤顶顶梁，极其方便，且可利用自身结构实现多次无极调高，并在调高的同时检测支座反力变化［12］。填充聚氨酯调高盆式橡胶支座在遂渝线试验段和南水北调工程的桥梁中均有应用，其结构形式如图7所示。

图6 喷涂聚脲用于京津高速铁路防水工程

图7 填充聚氨酯调高盆式橡胶支座示意

3 结语

聚氨酯类产品目前在国内外的应用非常广泛。由于其既有橡胶的弹性和韧性，又具有塑料的高强度，在高硬度时仍具有很好的弹性，且兼具有耐磨性、耐油性等优良性能，因此聚氨酯材料在轨道交通的防振减噪、耐磨、粘结、隔热等领域有着不可替代的重要作用。

中国铁路里程已居世界第三，但仅占世界6%的铁路里程却承担着世界铁路1/4的运输量。为此，2008年10月重新调整了《中长期铁路网规划》，将2020年全国铁路营业里程规划目标由之前确定的10万km调整为12万km以上，刷新了中国铁路建设的蓝图。2008年底，全国铁路营业里程已达8万 km。随着中国铁路建设水平的提升，可以预见，聚氨酯材料在中国轨道交通上的成功应用也将越来越多。

［1］徐培林，张淑琴.聚氨酯材料手册［M］.北京:化学工业出版社，2002.

［2］CHRISTENSON E M，ANDERSON J M，HILTNER A，et al.Relationship between nanoscale deformation processes and elastic behavior of polyurethane elastomers［J］.Polymer，2005，46(25):1744-1754.

［3］KROL P.Synthesis methods，chemical structures and phase structures of linear polyurethanes:properties and applications of linear polyurethanes in polyurethane elastomers，copolymers and ionomers［J］.Progress in Materials Science，2007，52(6):915-1015.

［4］黄茂松，张春华，卢冶.金融危机下我国聚氨酯弹性体发展之路探讨［J］.新材料产业，2009(7):36－41.

［5］于是.Bayer公司开发聚氨酯铁路枕木［J］.聚氨酯工业，2008(6):38.

［6］唐明茹，郑水蓉，张翠.高速铁路用聚氨酯填充材料快速试验方法的研究［J］.工程塑料应用，2005，33(3):28-30.

［7］于剑昆.拜耳公司聚氨酯材料将用于中国铁路领域［J］.化学推进剂与高分子材料，2009(7):33.

［8］HOFFMANN A，EBERT H D，KLESCZEWSKI B.Ballast body and method for production of ballast bodies:WO 2007087976［P］.2007-08-09.

［9］康杰分，褚建军，沈春林.高铁专用聚氨酯防水涂料的研制［J］.中国建筑防水，2008(8):12-14.

［10］奚光宇.CCW-525单组份聚氨酯防水涂料在北京地铁车站的应用［J］.铁道建筑，2010(9):58-61.

［11］杨松柏，席时俊.铁道车辆专用阻尼防腐涂料［J］.中国涂料，1999(6):24-26.

［12］张士臣，臧晓秋，庄军生，等.填充聚氨酯调高盆式橡胶支座［J］.铁道工程学报，2007(增刊):334-337.