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        聚氨酯材料在鐵道建筑上的應(yīng)用與發(fā)展

        2011-05-04 08:42:20羅振寰黃自華許雙喜曹彥海
        鐵道建筑 2011年9期
        關(guān)鍵詞:軌枕彈性體聚氨酯

        羅振寰,黃自華,許雙喜,曹彥海

        (株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007)

        鐵路的建設(shè)直接帶動了機(jī)車、軌道、車輛及其相關(guān)行業(yè)的發(fā)展,而高分子合成材料也一直積極摸索著在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展空間。聚氨酯作為當(dāng)今六大合成材料之一,是一種介于橡膠和堅(jiān)硬塑料之間的高分子聚合材料,它既有橡膠的彈性和韌性,又具有塑料的高強(qiáng)度,是合成材料工業(yè)中比橡膠和塑料性能更為獨(dú)特的一種新型材料[1]。以聚氨酯為基礎(chǔ),可制成的產(chǎn)品有泡沫塑料、彈性體、涂料、粘合劑、纖維、合成皮革、鋪裝材料等等,可廣泛應(yīng)用于軌道交通的防震減噪、防水、灌封以及車體裝飾等各個(gè)方面。本文針對聚氨酯材料在軌道交通上的應(yīng)用作一綜述,以期對我國高速鐵路建設(shè)以及推動聚氨酯工業(yè)的發(fā)展有所裨益。

        1 聚氨酯材料

        聚氨酯是一類在高分子結(jié)構(gòu)主鏈上含有氨基甲酸酯基團(tuán)(—NHCOO—)的聚合物。從分子結(jié)構(gòu)看,聚氨酯是一種軟段和硬段相間的嵌段聚合物。一般由低聚物多元醇構(gòu)成柔性鏈段,柔性鏈段在常溫下有許多的構(gòu)象,呈無規(guī)卷曲狀,稱之為軟段。聚氨酯分子中的軟段易聚集在一起,形成軟段微區(qū),其在聚合物中所占比例較大,玻璃化溫度低于室溫;而由二異氰酸酯與二元醇、二元胺等擴(kuò)鏈劑(或交聯(lián)劑)得到的含芳基、氨基甲酸酯基,取代脲基構(gòu)成的剛性鏈段構(gòu)象不易改變,常溫下伸展成棒狀,稱為硬段。剛性鏈段由于內(nèi)聚能大,分子間可以形成氫鍵,締合在一起,形成硬段微區(qū)。由于硬段與軟段的不相容,因此聚氨酯具有微相分離結(jié)構(gòu)[2-3]。

        微相分離的存在對聚氨酯的形態(tài)結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要的影響,使得聚氨酯彈性體具有優(yōu)良的綜合性能,其楊氏模量介于一般橡膠和塑料之間,具有以下特性:優(yōu)異的耐磨性,其耐磨性是天然橡膠的2~10倍;較高的強(qiáng)度和彈性,可以在較寬的硬度范圍內(nèi)保持較高的彈性,而在相同硬度下,比其它彈性體的承載能力高;耐油脂及耐化學(xué)品性能優(yōu)良;耐氧性和耐臭氧性能優(yōu)良;耐疲勞性及抗振動性好,適于高頻撓曲應(yīng)用;抗沖擊性強(qiáng);低溫柔順性好。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)比其它合成保溫材料和天然保溫材料都低,而且可以現(xiàn)場澆注,快速成型,是用量越來越大的合成樹脂保溫材料;軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料由于彈性好、透氣性優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作床具、車船和座椅等的墊材[1]。

        2 聚氨酯在軌道交通中的應(yīng)用

        2.1 彈性墊板

        彈性墊板是用于鋼軌和混凝土軌枕之間或枕下,以此滿足混凝土軌枕減振降噪和提高耐久性等技術(shù)要求。如圖1,圖2所示,此類彈性軌枕型包括聚氨酯微孔彈性體、天然橡膠、丁腈橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙橡膠等。聚氨酯類材料具有高耐磨、高強(qiáng)度和高伸長率和長使用壽命特性,在高鐵、地鐵和城市軌道交通中具有廣闊的應(yīng)用前景。聚氨酯微孔彈性墊片已在日本新干線、韓國高速鐵路、德國高速鐵路以及上海地鐵上廣泛應(yīng)用,其減振效果較好,顯著降低了振動和噪音對城市居民以及鐵路附近建筑的危害,提高了列車在高速運(yùn)行中的安全系數(shù)。而我國武廣、鄭西客運(yùn)專線已試用聚氨酯微孔彈性墊片,效果較好,“十二五”期間,我國客運(yùn)專線上將大面積推廣使用聚氨酯微孔彈性墊片[4]。

        2.2 彈性軌枕

        聚氨酯枕木是一種玻纖增強(qiáng)的硬質(zhì)聚氨酯微孔彈性體,如圖3所示,具有比強(qiáng)度大、減震、降噪、耐電氣絕緣、高耐久和環(huán)保等優(yōu)良性能,目前已受到鐵路業(yè)界的高度關(guān)注,是全球聚氨酯彈性體研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。在西歐和日本已有較成熟的研制和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),在日本,聚氨酯枕木已有25年的使用歷史,應(yīng)用量達(dá)300萬根,在日本高速列車新干線軌道線上已得到應(yīng)用。日本產(chǎn)聚氨酯枕木在我國廣州、上海和臺灣地區(qū)也得到了部分應(yīng)用,此外在奧地利維也納地鐵也應(yīng)用了此種聚氨酯枕木。拜耳材料科技公司已成功制成Bayflex微孔聚氨酯彈性體枕木,計(jì)劃將用于中國高鐵建設(shè)。根據(jù)國家發(fā)展高速鐵路長遠(yuǎn)計(jì)劃,為了適應(yīng)高速列車的提速要求,開發(fā)P U枕木以取代或部分取代混凝土軌枕必將是未來發(fā)展趨勢[5]。

        圖1 高鐵用扣件系統(tǒng)

        圖2 聚氨酯墊片樣品

        圖3 聚氨酯軌枕

        2.3 無砟軌道灌封填充

        如圖4所示,在高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中,作為鋼軌的夾墊、撐墊和軌枕的墊件,軌道板和凸型混凝土擋臺之間,混凝土底座與軌道板之間都要用到聚氨酯膠粘劑的灌封填充。聚氨酯作為灌封材料可部分提供軌道的彈性,且可完全填滿軌道板和混凝土基床板的間隙,并且可對下部結(jié)構(gòu)變形在某一限度內(nèi)進(jìn)行修補(bǔ)[6]。

        2.4 道砟膠

        圖4 無砟板式軌道示意

        為降低列車在軌道上高速運(yùn)行時(shí)帶來的噪聲,歐洲部分國家采用拜耳開發(fā)的聚氨酯泡沫鋪設(shè)鐵路,國內(nèi)鐵路部門計(jì)劃將來在中國也采用這項(xiàng)技術(shù)。德國柏林FRENZELBAU集團(tuán)在 Durflex系統(tǒng)應(yīng)用中,利用來自拜耳材料科技的Bayflex彈性聚氨酯泡沫材料,可完全填實(shí)碎石道砟間的縫隙,如圖5所示。列車運(yùn)行產(chǎn)生的動力所造成的典型碎石道砟移位現(xiàn)象得以避免。這也大幅度提高了軌道上層結(jié)構(gòu)的耐久性,大幅延長軌道的維護(hù)周期,并吸收在此點(diǎn)上所產(chǎn)生的噪音,顯著降低居民區(qū)噪聲污染[7-8]。

        圖5 固化道床聚氨酯道砟膠

        2.5 防水涂層

        噴涂聚脲防水材料具有優(yōu)異的物理性能和施工性能,常作為防水涂層應(yīng)用于高速鐵路,城市軌道、隧道等高難度防水工程。京津城際軌道交通工程是我國第一條開工建設(shè)的高等級客運(yùn)專線,是2008年奧運(yùn)會的配套項(xiàng)目之一。由于該工程路基形式和鋪設(shè)方式,對混凝土的防水層要求較高,既要高強(qiáng)度又要快速固化,因此工程全線采用聚脲做防水層。全線80%的路段采用高架的32 m雙線混凝土箱梁和現(xiàn)澆混凝土梁組成。在箱梁做完聚脲防水層后的吊運(yùn)和鋪設(shè)中,有重達(dá)1 200 t的運(yùn)送設(shè)備將對防水層進(jìn)行近1 000次的碾壓,普通的防水材料是難以承受的[9-11]。聚脲因其優(yōu)良的力學(xué)性能、固化速度快、耐磨損、附著力好等優(yōu)點(diǎn)可滿足技術(shù)指標(biāo)要求,如圖6所示。

        2.6 調(diào)高支座

        廣泛用于橋梁結(jié)構(gòu)的盆式橡膠支座有著其他類型支座不可替代的優(yōu)點(diǎn)。國外以前采用的填充材料多為硅橡膠,而硅橡膠價(jià)格昂貴,拉伸強(qiáng)度相對較低。采用澆注型聚氨酯(CPU)替代硅橡膠不但價(jià)格較低,且強(qiáng)度高,澆注前為黏性液體,可在室溫下固化成型。在實(shí)橋調(diào)高時(shí),將材料通過壓力泵注入支座盆底,使之在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)固化,調(diào)高即完成。全過程不需千斤頂頂梁,極其方便,且可利用自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多次無極調(diào)高,并在調(diào)高的同時(shí)檢測支座反力變化[12]。填充聚氨酯調(diào)高盆式橡膠支座在遂渝線試驗(yàn)段和南水北調(diào)工程的橋梁中均有應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

        圖6 噴涂聚脲用于京津高速鐵路防水工程

        圖7 填充聚氨酯調(diào)高盆式橡膠支座示意

        3 結(jié)語

        聚氨酯類產(chǎn)品目前在國內(nèi)外的應(yīng)用非常廣泛。由于其既有橡膠的彈性和韌性,又具有塑料的高強(qiáng)度,在高硬度時(shí)仍具有很好的彈性,且兼具有耐磨性、耐油性等優(yōu)良性能,因此聚氨酯材料在軌道交通的防振減噪、耐磨、粘結(jié)、隔熱等領(lǐng)域有著不可替代的重要作用。

        中國鐵路里程已居世界第三,但僅占世界6%的鐵路里程卻承擔(dān)著世界鐵路1/4的運(yùn)輸量。為此,2008年10月重新調(diào)整了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,將2020年全國鐵路營業(yè)里程規(guī)劃目標(biāo)由之前確定的10萬km調(diào)整為12萬km以上,刷新了中國鐵路建設(shè)的藍(lán)圖。2008年底,全國鐵路營業(yè)里程已達(dá)8萬 km。隨著中國鐵路建設(shè)水平的提升,可以預(yù)見,聚氨酯材料在中國軌道交通上的成功應(yīng)用也將越來越多。

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