反射隔热涂料对轨道板温度及应力的影响

冀 磊，王 鑫，周燚杭，周 干，赵静存，程永红，孙知远

（1.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081；2.中国铁路上海局集团有限公司宁波工务段，浙江 宁波 315021；3.中国铁路上海局集团有限公司合肥工务段，安徽 合肥 230012；4.中国铁路郑州局集团有限公司新乡桥工段，河南 新乡 453000）

我国高速铁路建设不断发展，列车运营速度不断提升，列车运营时平稳性、安全性和舒适性等方面的要求也随之提高[1-2].高速铁路无砟板式轨道作为主流轨道结构，其轨道板的可靠性与耐久性关系到高铁的运营安全[3-4].环境温度是影响轨道板结构安全的重要因素，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表面温度将迅速升高，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，温度应力，使轨道板翘曲变形、层间离缝、板体开裂[5].

TB10621—2014《高速铁路设计规范》中关于高速铁路无砟轨道的温度荷载合理范围的规定为：正温度梯度（上热下冷）宜取90 ℃/m、负温度梯度（上冷下热）宜取45 ℃/min[6].近年来，夏季极端高温天气频发，受到高温天气影响轨道板的正温度梯度很容易突破90 ℃/m，轨道板的上下表面温差越大产生的翘曲变形越大，对轨道结构平顺性和行车安全影响也越大[7].

近年来，高速铁路轨道板温度应力病害情况更加凸显，越来越受到重视，针对轨道板温度分布、温度应力、温度应力病害与气温、太阳光辐射之间的关系已有一些研究，并取得了一定成果.这些研究分析了高温天气下CRTSⅡ型板式无砟轨道温度特性[8]，探讨了轨道板温度测量及温度应力分析测试的方法[9]，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[10]，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[11].但主要集中在两个方面：1）试验测定、模拟计算分析轨道板温度与温度应力病害之间的关系；2）针对温度应力病害采取修补、强制约束“简单粗暴”的被动方式.目前尚无既便于实施又充分安全可防治结合的措施，也缺乏实际线路的应用实践.

为解决轨道板温度应力病害防治存在的问题，研究了一款适用铁路应用场景的专用太阳光反射隔热涂料.通过在模拟线路及实际运营高铁线路轨道板上喷涂极薄的涂层，测试温度及应力变化情况评价其反射太阳辐射、降低轨道板温度及温度梯度的效果，从而评估该材料对轨道板温度应力病害防治的应用前景.

1 试验部分

1.1 主要原料

钛白粉（Tiona595）美礼连、玻璃微珠（K20），陶瓷微球（W-210）均产自3 M 中国有限公司，复合陶瓷微晶体（优波科新材料技术股份公司），除此之外还使用了白水泥（525）、石英砂（200 目）、减水剂（F10）、蒸馏水、分散剂（5040）、纤维素（HBR250）、多功能助剂（AMP-95）、乳液（296DS）、成膜助剂（CP11）、消泡剂（NXZ）、增稠剂（601）、流平剂（621N）作为材料基体.

1.2 反射隔热材料的制备

将白水泥（525）、石英砂（200 目）、减水剂（F10）、蒸馏水、分散剂（5040）、纤维素（HBR250）、多功能助剂（AMP-95）、乳液（296DS）、成膜助剂（CP11）、消泡剂（NXZ）、增稠剂（601）、流平剂（621N）按照比例置于1 L 烧杯内，使用高速搅拌机600 r/min 搅拌3 min 至彻底混合制成基体材料（基体材料配方见表1）.之后按比例加入钛白粉、玻璃微珠、陶瓷微球、复合陶瓷微晶体等填料（配方见表2）.降低转速至50 r/min 搅拌5 min，制成反射隔热材料.

表1 基体材料配方Tab.1 Matrix material formula

表2 反射隔热填料配方Tab.2 Reflective insulation filler formula 份

1.3 红外灯照射试验方法

将制备好的材料按组别分别涂刷到10 mm 厚、200 mm 长、70 mm 宽的预置水泥板上，单层涂刷质量为2 g，涂刷厚度约为200 μm（使用千分尺测量作为参考）.静置72 h 以上直至水分完全蒸发.在预制板背面粘贴安装多路测温仪（WD-32A 温州韦度电子有限公司）的4 个热电偶，用于监测温度变化并使用飞利浦100 W 红外灯距离预置水泥板250 mm 照射90 min，实时监测温度变化情况.

1.4 自然光照射试验方法

该试验目的在于模拟测试高速铁路轨道板温度应力病害防治用反射隔热涂料实际效果.于郑州铁路局某实训基地，选取CRTSⅡ型高铁轨道板，一块涂装本降温效果相对优秀的第10 组涂料，另一块作为空白对照板.在轨道板上不同位置上打孔，布孔如图1 所示.通道16 及通道32 只设置表面温度检测热电偶，其余点设置分别距板表面20、100、180 mm的热电偶测温装置.之后使用水泥砂浆封口，经计量认证的多通道温度记录仪持续记录各测点温度72 h.

图1 多通道测温仪测温点布置示意Fig.1 Temperature measuring points arrangement of multi-channel thermometer

如图1 所示：通道01、04、07、10、13、17、20、23、26、29 采集距板表面20 mm 深度的温度数据；通道02、05、08、11、14、18、21、24、27、30 采集距板表面100 mm 深度的温度数据；通道03、06、09、12、15、19、22、25、28、31 采集距板表面180 mm 深度的温度数据；通道16、32 采集板表面的温度数据.

表3 为测试期间72 h 内的天气、温度情况.

表3 2018 年7 月5 日至8 日天气情况Tab.3 Weather from July 5 to 8，2018

1.5 运营线轨道板应力变化试验方法

2019 年9 月3 日在京广高铁实际运营线路新乡高铁东站站台区以北K620+870 km 附近上行轨道线上，选择受太阳光辐射影响较大的6 块轨道板作为试验区，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 块板作为试验板（进行隔热涂装）.施工工艺为：1）基层清理；2）钢轨防护；3）喷涂反射隔热涂料（第10 组配方），厚度约200 μm；4）安装亿燚电子科技生产的EY501 型应力测试仪，分别选取空白对照板和试验板中的中间一块板的四个角作为应力测试点.应力测试数据采集系统与便携式锂电池等相关设备布置在线路一侧的边坡护栏位置处，定时采集不同时间的应变参数并记录.

2 结果与讨论

2.1 红外线试验

2.1.1 钛白粉用量对涂料降温性能影响：

钛白粉具有所有白色颜料最强的遮光性和折光指数.钛白粉的主要工作原理是通过反射太阳光中占能量90%的可见光和近红外光，从而使光线无法进入内部空间，进而降低温度[12].试验中钛白粉的用量对比为第1、2、3、4 组对应数据，在其余组分使用量完全相同的情况下，通过更改钛白粉的用量来评估其对反射隔热效果的影响.

钛白粉粒径对涂料的反射有较大影响，理论上粒径d与散射波长λ关系为[13]

式中：k为常量，如式（2），其中，m为散射率，nR为基漆的折射率.

由于k为常量，可知钛白粉的粒径与散射波长存在线性关系.为获得在可见光（0.38～0.72 μm）和近红外光（0.72～2.50 μm）[14]波段内高反射率的涂料，二氧化钛的最佳粒径应为0.15～1.25 μm 之间.Tiona595 粒径为0.10～1.20 μm，理论上反射效果最佳.

图2 为不同钛白粉用量对材料降温性能的影响，从图2 中可以看出：随着钛白粉用量的增加，材料的降温性能明显增强，在红外灯照射90 min 后第3 组及第4 组的温度明显低于第1 组及第2 组，这是由于钛白粉用量的增加可以显著增加涂料对预置水泥板的覆盖率，从而拥有较高的反射率；当钛白粉用量由150 份增加至200 份时，降温效果并未明显改变，可能是由于钛白粉的覆盖效果已达最大，更多的用量无法继续提升反射率，且过多的钛白粉会导致涂料粘稠度显著上升；过高的涂料粘度对喷涂设备要求较高，易堵塞枪口，对施工时设备维护压力大，且不利于成膜和施工效率的提高，故最终选择钛白粉用量150 份.

2.1.2 空心玻璃微珠与陶瓷微球对比

该种涂料主要应用对象为轨道板，无法避免自然环境中带来的灰尘及污垢.单纯使用反射机理作为降温手段会导致涂料寿命下降，添加空心玻璃微珠和陶瓷微球后，可以在轨道板表面被污染时涂料仍然具有较优秀的降温性能.

玻璃微珠内部为空心，因此具有极低的导热系数[15]，相对紧密的玻璃微珠排列在一起，可形成热量传导的阻隔带，有效阻隔热量传输.与此同时，涂料中所使用的3 M 空心玻璃微珠本身具有一定的反射性，不会因加入玻璃微珠而降低材料的反射性能.除此之外，空心玻璃微珠与陶瓷微球受环境温度变化影响较小，不易受热胀冷缩导致涂料开裂或剥落.图3 为在第1 组配方基础上，变化玻璃微珠和陶瓷微球使用量（第5～7 组）对涂料降温性能的影响.

从图3 中可以看出：减少玻璃微珠并增加陶瓷微球，会显著降低涂料阻断温度传导的效果，陶瓷微球为实心，热传导率大于玻璃微球，所以玻璃微珠的效果显著高于陶瓷微球；陶瓷微球用量由0 份增至60 份时降温效果相近，但考虑玻璃微珠及陶瓷微球作为填料在加工时对搅拌速度有不同要求，为简化生产步骤，后续模拟试验及正线试验使用配方中均添加180 份玻璃微珠未添加陶瓷微球.

2.1.3 陶瓷复合微晶体的试验

辐射填料的选择方面：筛选了一种名为陶瓷复合微晶体的材料，该材料粒径0.72～2.50 μm，在中国国家建材中心检测到的材料半球辐射率为0.90，该材料主要是由包含董青石和MnO2、CuO 等辐射率高的过渡金属氧化物材料烧结而成.

测试配方在第3 组配方基础上增加了该种陶瓷复合微晶体，分别增加30、60、90、120 份，第3 组配方作为对照组无陶瓷复合微晶体.图4 为陶瓷复合微晶体的使用量对涂料影响.从图4 中可以看出：随着陶瓷复合微晶体的使用量增加，90 min 红外灯照射的预制板温度先下降再上升；增加陶瓷复合微晶体后，材料抗辐射性能增强，但过量可能导致玻璃微珠形成的组合效果下降.

图4 陶瓷复合微晶体的使用量对涂料影响Fig.4 Effect of the amount of ceramic composite microcrystals on coatings

表4 给出了试验中第5 组涂料配方的反射率和热辐射率.从表4 中可以看出，随着陶瓷复合微晶增加，可以在一定程度上提升涂料的辐射率但对反射率影响不明显.

表4 各组涂料反射率及热辐射率Tab.4 Reflectivity and thermal emissivity of each group paint %

图5 为5 组配方在加热到55 ℃后取消红外照射，在试验室环境下温度下降速率的比较.由图5 可以看出，随着配方中陶瓷复合微晶体的增加，在30 min时，预制板的温度也随之下降，这说明了该填料在增强涂料辐射率的同时确实增强了材料的散热效果.

图5 陶瓷复合微晶体的使用量对涂料降温速率的影响Fig.5 Effect of different titanium dioxide dosages on the cooling performance of materials

2.2 自然光照射试验

图6 为对照组与试验组不同深度处的温度对比，图中横坐标重复的时刻分别对应第1～3 天.从图6中可以看出：72 h 内试验板与对照板表面温度差异最大值可达16 ℃，发生最大温差出现时刻约为每天13：30 左右；距板表面20 mm 深度处，试验板的温度比对照板的温度低11.3 ℃，最大温差发生时刻约为14：30；距板表面100 mm 深度处，试验板的温度比对照板的温度低8.1 ℃，最大温差发生时刻约为16：00；距板表面180 mm 深度处，试验板的温度比对照板的温度低6.5 ℃，最大温差发生时刻约为20：00.取第3 天的数据进行计算，对照组13：30 时的板表面温度约59 ℃，180 mm 深处平均温度约为35 ℃，温差达24 ℃；试验组13：30 时的板表温度约43 ℃，180 mm 深处平均温度约为31 ℃，温差仅12 ℃.上述结果可知，该涂料可将板表面与距板表面180 mm 的温度梯度降低一半左右，降温效果显著.

图6 不同深度处的温度对比Fig.6 Temperature comparison at different depths

图7 为红外成像仪于第3 天13：00 所摄图像，可以清晰看到试验组与对照组表面有明显温差（钢轨未作涂刷处理）.

图7 红外热像仪拍摄图片Fig.7 Pictures with the infrared camera

2.3 运营线轨道板实际应力变化检测

图8 给出了轨道板应力随时间的变化情况（当天最高气温30 ℃，最低20 ℃，阴天；图中所有数据经过筛选已将有列车驶过时数据剔除）.从图8 中可以看出：对照组在13：31 左右时轨道板应力达到最大（−1.82 MPa），试验组在13：31 左右时轨道板应力达到最大（−1.40 MPa），降低了0.40 MPa.

图8 应力随时间变化曲线Fig.8 Variation curves of stress with time

3 结 论

1）该反射隔热涂料施工方便，使用白水泥作为基体，与轨道板基层附着力良好，表面状态平整均匀.

2）钛白粉使用量增多会增强反射隔热涂料遮覆性，提升降温性能，但过多的钛白粉反而会影响涂料性能.

3）玻璃微珠在阻隔热传导方面效果优秀，由过渡金属氧化物烧结的陶瓷复合微晶可以提升涂料辐射率并使涂料散热性能增强.

4）自然光下轨道板温度测试证明了该种涂料最大可将板表温度降低16 ℃左右，板表与180 mm深处的温度梯度可以下降约50%.

5）温度是影响轨道板翘曲变形的一个因素，应力测试结果表明，该反射隔热涂料作用在轨道板上，在同一温度环境下，轨道板应力由−1.82 MPa 下降至−1.40 MPa，降低了0.40 MPa.

致谢：本文的研究工作得到中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所研究项目的资助（2017XCSJ-06）.