高速铁路板式无碴轨道CA砂浆在中国的专利申请现状

郑丽丽 时彦卫 高天柱 周文 杨波

一、引言

无碴轨道是高速铁路高速化发展的必然要求，而板式无碴轨道则是无碴轨道的主要结构形式之一，其具有如下优点：①基于板式轨道的结构特点，其轨道稳定性、平顺性且由于不引入需要时常更换的道碴，其耐久性较好；②由于不使用道碴，道床整体整洁美观，不存在道碴飞溅和粉化问题，且结构高度低、自重轻；③为了保证轨道整体的强度和弹性，一般板式无碴轨道在混凝土基床与轨道板之间铺有一层约50mm厚的水泥沥青砂浆（简称CA砂浆）作为垫层。因此，作为无碴轨道提供强度和弹性的关键材料，CA砂浆技术是板式无碴轨道的核心技术之一，CA砂浆的性质和耐久性直接影响轨道的使用和寿命，因而CA砂浆的配合比、现场搅拌、检测、运输和灌注研究成为轨道交通材料的研究重点[1-4]。

日本最早开始无碴轨道的推广应用。早在20世纪60年代，日本就在山阳新干线试铺了8km板式轨道，而该轨道目前还在使用，随后日本在铁路建设中大量使用了无碴轨道技术，至今累计铺设长度已超过3 000km，并在桥梁、隧道和路基上大量使用无碴轨道技术。德国也是板式无碴轨道技术应用较早的国家，德国的Max-Bogl公司于1996年开始研发FF Bogl预制板板式轨道系统，也就是国内常称的博格板技术，并于1977年在Karsfeld铺设了试验段，但此后一直未得到应用。2000年，Max-Bogl公司研发的该轨道系统获得德国政府颁发的EBA许可证，德国博格板技术才开始较大范围的推广与应用，其中包括纽伦堡-英戈尔施塔特、克隆-法兰克福（均为35km）均使用了该技术。我国京津城际高速铁路也使用了德国的博格板技术。

目前，国际上日本新干线板式与德国博格板式2种轨道结构都需要采用CA砂浆，只是两者的组成和结构存在差别。日本开发的CA砂浆包括温暖地区的CA砂浆和寒冷地区用的CA砂浆。CA砂浆的主要原材料有：水泥、硅灰等其他复合材料、乳化沥青、P乳剂（氯化丁乳）、细砂、铝粉、消泡剂、AE助剂、水等。

在我国，CA砂浆在秦沈客运专线上属首次应用。我国领土面积大，穿越全国各地的铁路同一条干线气候差异巨大，据统计，地表温度从-20～60℃甚至更宽的范围内变化，因而对CA砂浆的适应性的要求更高。此外，日本对此技术实行严格封锁和技术垄断，因此，我国高速铁路无碴轨道CA砂浆的研究，特别是其核心组分乳化沥青的研究对于CA砂浆的广泛应用具有重要现实意义。

本文以高速铁路无碴轨道CA砂浆在中国范围内的专利申请数据为分析样本，在总结分析高速铁路无碴轨道CA砂浆在中国专利申请现状的基础上，对我国高速铁路无碴轨道CA砂浆的发展提出了意见和建议。

二、高速铁路无碴轨道CA砂浆国内专利申请整体概况

检索使用的检索系统为国家知识产权局专利检索与服务系统（S系统）中的中国专利文摘数据库（CNABS）文摘数据库和CNTXT全文数据库，上述2个数据库是在中国专利技术分析的主要数据库，截至目前，CNABS已收录专利文献11 600 410条，CNTXT已收录专利文献10 033 069条，这样庞大的文献量能够总体上反映在中国范围内申请专利的现状与趋势。因此，在分析专利申请数据时，以此作为信息来源。

检索主要使用的关键词有：CA砂浆、水泥乳化沥青砂浆、板式无碴轨道。主要采用关键词在CNABS数据库中检索到涉及CA砂浆的专利申请共计503件（检索截至2017年1月3日），以此作为下述分析的数据样本。

1.时间分布

图1显示了高速铁路无碴轨道CA砂浆在中国专利申请量的时间分布情况，其反映了从2002-2016年间高速铁路无碴轨道CA砂浆技术专利申请状况的整体发展脉络。高速铁路无碴轨道CA砂浆在中国起步较晚，而且其仅仅伴随着我国的高速铁路建设的发展而发展，我国高速铁路无碴轨道CA砂浆方面的第一篇专利出现于2002年，申请人是中铁十一局集团有限公司，而CA砂浆在我国的首次引用就是用于2002年12月通车的秦沈客运专线上。此后经过近2年的平緩发展期，自2005年前后，进入快速发展阶段，特别是2010年以后，专利文献量大量增长。此后伴随着我国高速铁路建设的提速，CA砂浆的专利申请量也逐步上升，尤其是在2009-2012年，每年的专利申请量达到了70项，此后专利申请量有了下降的趋势。这与近年我国高速铁路采用自密实混凝土取代CA砂浆用于无碴轨道的垫层相关。然而，自密实混凝土本身不具备CA砂浆所特有的弹性，其存在一定的安全隐患和速度限制。随着我国高铁建设要求的进一步提高，CA砂浆技术还是有较强的进一步发展的需求。可见，我国CA砂浆专利申请的发展与我国高速铁路建设的速度和规模密切相关，属于一种典型的应用型产品。

2.技术主题分布

经过统计分析发现，高速铁路无碴轨道CA砂浆相关专利主要涉及原材料优化、灌注、轨道板技术相关、检测和修补4个方面，图2给出了高速铁路无碴轨道CA砂浆在中国专利申请的具体技术分布情况。其中原材料的优化的相关专利申请共154件，占到了总申请量的30%，这与CA砂浆是种多组份组成的复合材料相关，而在154件原材料优化的专利申请中，乳化沥青相关的有57件，这体现了在CA砂浆的多种组分之中，核心组分是乳化沥青。轨道板相关技术和检测技术也是研究者们关注的热点。随着我国已使用的CA砂浆服役年限的增长，CA砂浆的修补技术和检测技术会受到越来越多研究者的关注。

3.主要申请人分布

图3详细列出了高速铁路无碴轨道CA砂浆在中国范围内专利申请量排名前9位的申请人情况，由图3可知，在高速铁路无碴轨道CA砂浆领域，主要申请人以企业为主。专利申请量最多的高校是武汉理工大学，其历年专利申请总量仅为12件，其中有6件与湖北国创高科实业有限公司合作。其作为唯一申请人申请的6项专利申请中有5项集中在CA砂浆的核心技术乳化沥青上。

专利申请量最大的三一重工股份有限公司的专利申请量远远领先于其他申请人的专利申请量，对其专利申请进行进一步研究发现，其申请主要集中在砂浆车及相关配套设备上，申请的主要专利类型为实用新型专利，专利授权率较高。

重点申请人浙江兰亭高科股份有限公司（以下简称“浙江兰亭”）的专利申请则主要集中在CA砂浆的助剂、输送装置和乳化沥青的制备，值得关注的是，浙江兰亭是一家传统的乳化沥青生产的大型企业，然而其专利布局的重点并不在乳化沥青，可见我国企业申请人对于乳化沥青的核心技术的研究还有待进一步加强，企业在乳化沥青方面的研究还需要进一步深化。

可见，在高速铁路无碴轨道CA砂浆领域，研究高校和研究院所的参与度不高，这可能与传统的砂浆领域技术含量不高，国家支持力度有限有关。然而，高速铁路无碴轨道CA砂浆是高速铁路无碴轨道的关键技术之一，虽然目前出现了用自密实混凝土替代CA砂浆的趋势，然而自密实混凝土存在弹性模量偏低的特点，这限制了我国高铁的提速且增加了一定的安全隐患，因此，建议国家加大对于CA砂浆的科技投入，吸引更多的高校和研究院所参与到高速铁路无碴轨道CA砂浆的研究中来，提高我国高速铁路无碴轨道CA砂浆技术的技术水平。

4.专利布局情况

图4给出了高速铁路无碴轨道CA砂浆中国专利申请的布局情况，高速铁路无碴轨道CA砂浆领域专利授权量较高，授权的专利申请占到总申请量的68%左右，驳回率和撤回率分别仅为4%和7%，授权后权利终止也仅占10%左右，可见，该领域专利申请的质量相对较高，申请人也比较重视对授权专利的权利保护。

已授权的专利中仍然以原材料优化为主，共有105项专利，占到了总授权专利的22%左右，然而在原材料优化的相关CA砂浆的已授权专利中，涉及乳化沥青及乳化剂相关的共37项，相对于乳化沥青在CA砂浆原材料中的核心地位来说，比例相对较低。如日本就分别研究了不同做工环境下的沥青乳剂或聚合物乳剂。可见，我国研究者对于CA砂浆的核心技术的乳化沥青的技术储备仍显不足。

已授权专利中，轨道板相关技术授权量也相对较大，占到了总授权专利的11%左右，而在修补技术和检测技术领域目前的专利布局相对较少，分别仅为3%和6%。鉴于我国高速铁路无碴轨道CA砂浆服役期的增加，部分路段的CA砂浆出现了老化和破损，如何检测服役CA砂浆的老化状况，如何快速修补破损的CA砂浆成为新的技术需求点，因而修补技术和检测技术领域的潜在需求逐渐显现，建议相关的研究院所和企业加快在修补技术和检测技术领域的专利布局。

三、结语

铁路高速化是我国交通建设发展的重要方向。无碴轨道则是高速铁路必然的发展要求，板式轨道是先进的无碴轨道结构形式之一，它由混凝土道床、CA砂浆层、轨道板等部分组成，其中CA砂浆技术是板式无碴轨道的核心技术之一。

从专利申请量来看，自2002年开始，中国专利申请量不断递增，进入了技术快速增长更新的阶段，且近年一直保持这较高的申请量，这是由于CA砂浆专利申请的状况与我国高速铁路建设的速度和规模密切相关，属于一种典型的与工程应用密切关联的材料。

从专利申请人来看，主要申请人以企业为主，研究高校和研究院所的參与度不高，这可能与传统的砂浆领域技术含量不高且研究主要集中在砂浆配合比的优化上，普遍高校和研究所的相关研究较少。建议国家加大对于CA砂浆的科技投入，发挥经费支持指挥棒的作用，增加高校和研究院所在高速铁路无碴轨道CA砂浆的研究中的参与度，提高我国高速铁路无碴轨道CA砂浆技术的基础研究水平。此外，目前国内的高速铁路无碴轨道CA砂浆专利申请均为中国申请人，而具有核心技术的日本和德国都没有在我国申请专利，这也体现了这2个国家在该领域技术上的严格封锁，为了打破该封锁，我国更加需要基础研究力量强大的高校和研究院所接入该领域的研究。

从专利申请的布局情况来看，高速铁路无碴轨道CA砂浆领域专利授权量较高，已授权的专利中仍然以原材料优化为主，而在修补技术和检测技术领域目前的专利布局相对较少。鉴于我国高速铁路无碴轨道CA砂浆服役期的增加，修补技术和检测技术领域的潜在需求逐渐显现，建议相关的研究院所和企业加快在修补技术和检测技术领域的专利布局。

参考文献

[1] 金守华.秦沈客源专线工程线桥施工技术概况[J].中国铁路，2003（1）：40-45.

[2] 范佳，林之珉.高速铁路减振型无碴轨道减振技术的研究[J].中国铁道科学，1998，19（4）：57-63.

[3] 蔡成标，翟婉明，王开云.高速列车与桥上板式轨道动力学仿真分析[J].中国铁道科学，2004，25（5）：57-60.

[4] 金守华，陈秀方，杨军.板式无碴轨道用CA砂浆的关键技术[J].中国铁道科学，2006，27（2）：20-25.