聚氨酯材料在铁路建设中的应用进展*

张勇 张彬* 刘志 贾积恒 郝林栓

(1.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司 北京 102200)(2.铁科腾跃科技有限公司 河北石家庄 052360)

聚氨酯制品如硬泡、软泡、胶黏剂、防水密封材料和弹性体等,已普遍应用于国民生活和生产中。我国铁路行业经过近几十年的蓬勃发展,带动了铁路建设用材料的升级,而聚氨酯材料以其优异的性能在铁路建设中受到重视,目前已广泛应用在弹性减振、防水密封等方面,但对于铁路这个大市场来说,新的应用还有待于被挖掘和开发。本文从铁路桥梁桥面和轨道减振防护两个方面简述了聚氨酯材料在铁路建设中的应用情况,并对聚氨酯材料在铁路建设的发展前景进行了展望。

1 铁路桥梁桥面用聚氨酯材料

1.1 聚氨酯复合材料合成轨枕

聚氨酯复合材料合成轨枕以连续玻璃纤维和硬质聚氨酯组合料为主要原料,在双履带层压机下经拉挤、发泡、固化而成,纤维含量一般在40%～70%之间,密度在600～1 400 kg/m3之间。聚氨酯复合材料合成轨枕具有质轻、易加工、耐久兼具弹性减振的特点,目前主要应用于铁路钢桥明桥面、市内轨道交通和道岔区。聚氨酯复合材料合成的轨枕克服了混凝土轨枕模量高、弹性差、重量大、施工维护成本高的问题,同时解决了木枕力学性能低、耐久性及轨距保持性能差的缺点。1978年日本积水化学公司开发了第一根聚氨酯复合材料合成轨枕;我国于2004年首次在广州地铁引入复合材料合成轨枕,并于2008年生产出首批复合材料合成轨枕[1]。日本长达30多年的使用结果表明,聚氨酯复合材料合成轨枕在高负荷和耐腐蚀方面是前所未有的高寿命轨枕[2]。国内自主研发的高密度高纤维含量聚氨酯复合桥枕已成功应用于陇海线K1734号桥(见图1)、胶新线177号桥和牙林线37号桥等多座桥梁。

图1 复合材料合成轨枕应用于陇海线K1734号桥

1.2 聚氨酯拉挤复合材料桥面附属设施

聚氨酯拉挤复合材料桥面附属设施(见图2)主要包括栏杆、扶手、立柱、步行板、线缆槽等,由连续玻璃纤维在注胶盒内经聚氨酯树脂浸润后,经模具高温固化,连续拉挤制备而成,玻璃纤维含量75%以上,产品密度在2 000 kg/m3左右,拉伸强度可达到1 000 MPa以上。

图2 聚氨酯拉挤复合材料桥面附属设施

聚氨酯拉挤复合材料桥面附属设施相对于目前钢筋混凝土结构的桥面附属设施,可降低70%左右的自重,同时可避免金属锈蚀等问题,具有轻质高强、耐腐蚀、韧性好的特点,在特定路段可替代传统的钢结构或钢筋混凝土结构的人行道。在2017年～2019年间,聚氨酯拉挤复合材料桥面附属设施分别在成昆线、朔黄线、川藏线拉林段(见图3)进行试验段铺设共计1.5 km。

图3 聚氨酯复合材料桥面附属设施在川藏线拉林段的应用

1.3 聚氨酯复合材料支架

聚氨酯复合材料支架(见图2)由低黏度不发泡聚氨酯树脂经树脂传递模塑工艺制备而成,聚氨酯树脂充分浸润纤维布后加热固化而成,其中聚氨酯树脂用量占25%～40%。聚氨酯复合材料支架是在基于乙烯基树脂、不饱和树脂和环氧树脂的支架基础上新开发的,提升了上述支架力学性能和抗疲劳性能。聚氨酯复合材料具有强度高、质轻、耐久性好、抗疲劳性优异的特点,可解决金属支架易锈蚀、维修费用高和自重大对桥梁负载大的问题[3]。聚氨酯复合材料支架以其优异的综合性能引起了铁路业界的关注,有望和聚氨酯拉挤复合材料桥面附属设施共同应用于桥梁人行道系统中。

1.4 聚氨酯桥梁伸缩缝

桥梁伸缩缝填缝用聚氨酯弹性体材料由双组分聚氨酯浇注料常温混合固化而成,可替换传统的橡胶止水带，用于一般跨度的混凝土桥梁梁端的防水密封。该材料和底漆、面漆配合使用,与混凝土粘接为一体,可有效防止水渗透到桥梁下对桥梁基座产生腐蚀等问题,其伸长率达900%以上,能满足桥梁伸缩缝大变形的需求。中国铁道科学研究院于2008年起承担了铁道部科技司的新型铁路桥梁伸缩缝项目,2013年发布《铁路混凝土桥梁弹性体伸缩缝暂行技术条件》。国内对聚氨酯桥梁伸缩缝的研究较多,聚氨酯桥梁伸缩缝配方和施工工艺都较为成熟,前期在京津线、京石线进行试点,后期稳定推广到西成客运专线，以及济青、商合杭等多条线路中,均取得良好的使用效果。

1.5 喷涂聚脲防水材料

喷涂聚脲防水材料由异氰酸酯基预聚体组分和氨基聚醚组分快速混合后经喷涂的方式进行施工,产品固化速度快、施工效率高,同时涂膜强度高,但对喷涂设备的要求相对较高。喷涂聚脲防水材料起源于美国,在中国发展较快,应用于京津城际高铁后,在京沪高铁再次创下了喷涂聚脲防水材料工程用量之最。针对后期出现的针孔、鼓包、粘接不良等问题[4],科研人员从底涂选用、施工控制和监管等方面进行了分析和建议[5-6]。喷涂聚脲防水材料在应用过程中的经验和教训值得后续工程建设借鉴。

1.6 薄涂型聚氨酯防水涂料

薄涂型聚氨酯防水涂料是应用于高速铁路桥梁桥面的新产品,由环氧类底漆对处理后的混凝土表面孔隙进行封孔和增强,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。该薄涂型聚氨酯防水涂料附着力强,施工方便,可满足无砟轨道混凝土桥面防水的需要[7]。薄涂型聚氨酯可弥补高聚物改性沥青防水卷材在外界条件下诱发的病害,同时对施工设备要求相对较低。薄涂型聚氨酯防水涂料执行《高速铁路混凝土桥面薄涂型聚氨酯防水层技术条件》。跨荣潍高速公路特大桥有16 234 延米的防水施工就是采用了聚氨酯防水涂料,这为高速铁路桥梁桥面的防水提供一种新的选择[8]。

2 轨道减振防护用聚氨酯材料

2.1 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化道床是由发泡聚氨酯材料将洁净干燥的道砟包裹并粘接为一体而成,发泡聚氨酯材料实现道床的减振降噪。聚氨酯固化道床技术源于拜耳公司,从2009年开始在国内高铁、重载线路上铺设,2018年在济青高铁铺设的6 km聚氨酯固化道床实验线上成功进行了时速350 km的通车试验。目前聚氨酯固化道床均在铁道线路上现场成型,采用在道砟上直接浇注聚氨酯组合料的方法进行施工,但道砟温湿度、施工环境等会影响施工进度。而采用工厂预制的方法制备预制型聚氨酯固化道床并现场铺设,在解决上述问题的同时还能提升施工效率。预制型聚氨酯固化道床项目的研究工作已经起动。

2.2 聚氨酯道砟胶

双组分的聚氨酯道砟胶将道砟粘接为一个整体。道砟胶不进入道砟空隙中,仅在道砟表面接触点将道砟进行粘接,应用于无砟轨道和有砟轨道过渡段,防止高速运行的列车引起道砟飞扬,方便用吸尘器吸取道床内的粉尘进行道床维护作业。聚氨酯道砟胶可提升道床承载力、减少道床下沉变形、提高道床纵横向阻力,增强道床稳定性。经改性后的聚氨酯道砟胶可在高湿环境中应用[9]。使用环保型催化剂的改性道砟胶已应用于黄河大桥、京沪、哈大铁路中[10]。

2.3 聚氨酯道砟垫

聚氨酯道砟垫应用于有砟铁路道砟与道床之间,是在发泡型弹性聚氨酯片材其中的一面复合无纺布材料而成。聚氨酯轨枕垫的无纺布面层面向道砟层,防止道砟棱角刺破聚氨酯弹性层。应用聚氨酯道砟垫后,道砟的一部分嵌入道砟垫,可增大道床与道砟的接触面积,同时分散列车载荷,增加道床弹性,减振降噪效果明显。德国慕尼黑铺设的聚氨酯道砟垫在30年期间经过了共计13亿吨超大轮载后,道砟垫仍能满足设计时的减振降噪要求,预计能继续使用30年[11]。目前国内使用的道砟垫以橡胶材料为主并且在此方面的研究较多,聚氨酯道砟垫在性能上博弈并胜出,任重而道远。

2.4 聚氨酯轨枕垫

聚氨酯轨枕垫由底层的无纺布防刺穿层、中层的聚氨酯发泡弹性层和上层的连接层组合而成[12-13],将连接层压入未完全固化的混凝土枕,待混凝土熟化后,轨枕垫便锚固在混凝土轨枕底部,制成弹性轨枕,根据减振要求选用聚氨酯组合料,可制备不同刚度的产品。聚氨酯轨枕垫使原本混凝土枕与道砟刚性对刚性接触变为弹塑性的接触,将道砟与轨枕的接触面积由5%～8%提升到35%,捣固周期延长2～2.5倍[14]。使用聚氨酯轨枕垫的弹性轨枕已在大秦线和石太线铺设,应用结果表明,使用聚氨酯轨枕垫的弹性轨枕具有提升道床弹性、保护道砟、降低作业频次等诸多优点[15]。

2.5 聚氨酯浮置板减振道床

聚氨酯浮置板减振道床是在混凝土道床与轨道板之间插入一层微孔聚氨酯弹性体而制得,可充分利用微孔聚氨酯的弹性削减列车运行过程中产生的振动和噪音。根据线路的需要,可采用板状、条状和点状的支撑结构。聚氨酯浮置板减振道床在柏林、首尔、纽约、新加坡及香港铁路线路中的应用有着成功的经验。重庆轨道交通六号线会展中心工程铺设了632 m的聚氨酯浮置板减振道床,其施工工艺过程的探索,为其它城市轨道铺设相关产品提供了借鉴[16]。目前在用的浮置板减振道床的减振材料还有橡胶材料。两种材料对比结果表明,聚氨酯减振垫相比橡胶减振垫有着更宽的减振频域和更好的减振效果[17]。

2.6 聚氨酯弹性垫板

聚氨酯弹性垫板是以聚四氢呋喃二醇和4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)基预聚体为主要原材料制备的微孔聚氨酯弹性体,应用于高速铁路WJ-8型扣件系统,具有分布列车载荷、减振降噪、维持列车平稳运行的功能。目前聚氨酯弹性垫板以其良好的减振性能在国内外无砟高速铁路中广泛应用。随着哈大和哈齐高铁的开通,对耐低温聚氨酯弹性垫板存在需求。目前市面上大部分聚氨酯弹性垫板都基于MDI基预聚体制备而成。现行《WJ-8型扣件暂行技术条件》要求的动静刚度比小于1.35,在弹性垫板中引入萘二异氰酸酯(NDI),其动静刚度比可降至1.15以下,回弹性能更加优异[18]。

3 结语及展望

聚氨酯材料凭借其优良的配方设计性能,以聚氨酯伸缩缝、喷涂聚脲和薄涂型聚氨酯为代表的防水产品应用于铁路桥梁桥面的防水;以拉挤复合材料桥面附属设施和聚氨酯复合材料支架为代表的轻质高强复合材料产品应用于铁路桥面的行人防护;以聚氨酯合成轨枕、固化道床、浮置板减振道床、道砟垫、轨枕垫、弹性垫板为代表的聚氨酯发泡材料应用于轨道的减振。截至2019年底,全国铁路营业里程达到13.9万km以上。《中长期铁路网规划》指出，到2025年,铁路网规模达到17.5万km左右。普速铁路网方面,重点围绕扩大中西部路网覆盖,完善东部网络布局。聚氨酯防水材料和复合材料可适应中西部多山体和隧道的潮湿环境。聚氨酯泡沫体系可有效减振以提升列车运行的舒适性，提升路网质量。铁路行业的持续发展为现有聚氨酯材料提供了广阔的应用空间,同时随着聚氨酯行业技术进步和应用市场的深挖和细化,也为更多的聚氨酯制品服务于铁路建设提供了可能。