反射隔熱涂料對軌道板溫度及應力的影響

冀 磊，王 鑫，周燚杭，周 干，趙靜存，程永紅，孫知遠

（1.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京 100081；2.中國鐵路上海局集團有限公司寧波工務段，浙江 寧波 315021；3.中國鐵路上海局集團有限公司合肥工務段，安徽 合肥 230012；4.中國鐵路鄭州局集團有限公司新鄉橋工段，河南 新鄉 453000）

我國高速鐵路建設不斷發展，列車運營速度不斷提升，列車運營時平穩性、安全性和舒適性等方面的要求也隨之提高[1-2].高速鐵路無砟板式軌道作為主流軌道結構，其軌道板的可靠性與耐久性關系到高鐵的運營安全[3-4].環境溫度是影響軌道板結構安全的重要因素，因高速鐵路穿越的地區氣候條件不盡相同，北方地區冬夏兩季最大溫差可達60 ℃以上，一天內最大晝夜溫差也可達20 ℃以上，尤其在夏季強太陽光照射作用下，混凝土結構的無砟軌道板表面溫度將迅速升高，但由于混凝土導熱系數較小、傳熱性能較差，內部溫度升高明顯滯后于表面，軌道板上下表面形成顯著的溫度差，軌道板的內部會產生較嚴重的非線性溫度分布，產生過大溫度梯度，溫度應力，使軌道板翹曲變形、層間離縫、板體開裂[5].

TB10621—2014《高速鐵路設計規范》中關于高速鐵路無砟軌道的溫度荷載合理范圍的規定為：正溫度梯度（上熱下冷）宜取90 ℃/m、負溫度梯度（上冷下熱）宜取45 ℃/min[6].近年來，夏季極端高溫天氣頻發，受到高溫天氣影響軌道板的正溫度梯度很容易突破90 ℃/m，軌道板的上下表面溫差越大產生的翹曲變形越大，對軌道結構平順性和行車安全影響也越大[7].

近年來，高速鐵路軌道板溫度應力病害情況更加凸顯，越來越受到重視，針對軌道板溫度分布、溫度應力、溫度應力病害與氣溫、太陽光輻射之間的關系已有一些研究，并取得了一定成果.這些研究分析了高溫天氣下CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度特性[8]，探討了軌道板溫度測量及溫度應力分析測試的方法[9]，論證了高溫季節出現過大的溫度應力是軌道板裂縫、軌道板與砂漿層間離縫上拱產生和發展的主要原因之一[10]，給出了溫度應力病害出現后的諸如裂縫注漿、植筋錨固的治理措施[11].但主要集中在兩個方面：1）試驗測定、模擬計算分析軌道板溫度與溫度應力病害之間的關系；2）針對溫度應力病害采取修補、強制約束“簡單粗暴”的被動方式.目前尚無既便于實施又充分安全可防治結合的措施，也缺乏實際線路的應用實踐.

為解決軌道板溫度應力病害防治存在的問題，研究了一款適用鐵路應用場景的專用太陽光反射隔熱涂料.通過在模擬線路及實際運營高鐵線路軌道板上噴涂極薄的涂層，測試溫度及應力變化情況評價其反射太陽輻射、降低軌道板溫度及溫度梯度的效果，從而評估該材料對軌道板溫度應力病害防治的應用前景.

1 試驗部分

1.1 主要原料

鈦白粉（Tiona595）美禮連、玻璃微珠（K20），陶瓷微球（W-210）均產自3 M 中國有限公司，復合陶瓷微晶體（優波科新材料技術股份公司），除此之外還使用了白水泥（525）、石英砂（200 目）、減水劑（F10）、蒸餾水、分散劑（5040）、纖維素（HBR250）、多功能助劑（AMP-95）、乳液（296DS）、成膜助劑（CP11）、消泡劑（NXZ）、增稠劑（601）、流平劑（621N）作為材料基體.

1.2 反射隔熱材料的制備

將白水泥（525）、石英砂（200 目）、減水劑（F10）、蒸餾水、分散劑（5040）、纖維素（HBR250）、多功能助劑（AMP-95）、乳液（296DS）、成膜助劑（CP11）、消泡劑（NXZ）、增稠劑（601）、流平劑（621N）按照比例置于1 L 燒杯內，使用高速攪拌機600 r/min 攪拌3 min 至徹底混合制成基體材料（基體材料配方見表1）.之后按比例加入鈦白粉、玻璃微珠、陶瓷微球、復合陶瓷微晶體等填料（配方見表2）.降低轉速至50 r/min 攪拌5 min，制成反射隔熱材料.

表1 基體材料配方Tab.1 Matrix material formula

表2 反射隔熱填料配方Tab.2 Reflective insulation filler formula 份

1.3 紅外燈照射試驗方法

將制備好的材料按組別分別涂刷到10 mm 厚、200 mm 長、70 mm 寬的預置水泥板上，單層涂刷質量為2 g，涂刷厚度約為200 μm（使用千分尺測量作為參考）.靜置72 h 以上直至水分完全蒸發.在預制板背面粘貼安裝多路測溫儀（WD-32A 溫州韋度電子有限公司）的4 個熱電偶，用于監測溫度變化并使用飛利浦100 W 紅外燈距離預置水泥板250 mm 照射90 min，實時監測溫度變化情況.

1.4 自然光照射試驗方法

該試驗目的在于模擬測試高速鐵路軌道板溫度應力病害防治用反射隔熱涂料實際效果.于鄭州鐵路局某實訓基地，選取CRTSⅡ型高鐵軌道板，一塊涂裝本降溫效果相對優秀的第10 組涂料，另一塊作為空白對照板.在軌道板上不同位置上打孔，布孔如圖1 所示.通道16 及通道32 只設置表面溫度檢測熱電偶，其余點設置分別距板表面20、100、180 mm的熱電偶測溫裝置.之后使用水泥砂漿封口，經計量認證的多通道溫度記錄儀持續記錄各測點溫度72 h.

圖1 多通道測溫儀測溫點布置示意Fig.1 Temperature measuring points arrangement of multi-channel thermometer

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

表3 為測試期間72 h 內的天氣、溫度情況.

表3 2018 年7 月5 日至8 日天氣情況Tab.3 Weather from July 5 to 8，2018

1.5 運營線軌道板應力變化試驗方法

2019 年9 月3 日在京廣高鐵實際運營線路新鄉高鐵東站站臺區以北K620+870 km 附近上行軌道線上，選擇受太陽光輻射影響較大的6 塊軌道板作為試驗區，選取其中連續3 塊板作為空白對照板（不進行隔熱涂裝），另外連續3 塊板作為試驗板（進行隔熱涂裝）.施工工藝為：1）基層清理；2）鋼軌防護；3）噴涂反射隔熱涂料（第10 組配方），厚度約200 μm；4）安裝億燚電子科技生產的EY501 型應力測試儀，分別選取空白對照板和試驗板中的中間一塊板的四個角作為應力測試點.應力測試數據采集系統與便攜式鋰電池等相關設備布置在線路一側的邊坡護欄位置處，定時采集不同時間的應變參數并記錄.

2 結果與討論

2.1 紅外線試驗

2.1.1 鈦白粉用量對涂料降溫性能影響：

鈦白粉具有所有白色顏料最強的遮光性和折光指數.鈦白粉的主要工作原理是通過反射太陽光中占能量90%的可見光和近紅外光，從而使光線無法進入內部空間，進而降低溫度[12].試驗中鈦白粉的用量對比為第1、2、3、4 組對應數據，在其余組分使用量完全相同的情況下，通過更改鈦白粉的用量來評估其對反射隔熱效果的影響.

鈦白粉粒徑對涂料的反射有較大影響，理論上粒徑d與散射波長λ關系為[13]

式中：k為常量，如式（2），其中，m為散射率，nR為基漆的折射率.

由于k為常量，可知鈦白粉的粒徑與散射波長存在線性關系.為獲得在可見光（0.38～0.72 μm）和近紅外光（0.72～2.50 μm）[14]波段內高反射率的涂料，二氧化鈦的最佳粒徑應為0.15～1.25 μm 之間.Tiona595 粒徑為0.10～1.20 μm，理論上反射效果最佳.

圖2 為不同鈦白粉用量對材料降溫性能的影響，從圖2 中可以看出：隨著鈦白粉用量的增加，材料的降溫性能明顯增強，在紅外燈照射90 min 后第3 組及第4 組的溫度明顯低于第1 組及第2 組，這是由于鈦白粉用量的增加可以顯著增加涂料對預置水泥板的覆蓋率，從而擁有較高的反射率；當鈦白粉用量由150 份增加至200 份時，降溫效果并未明顯改變，可能是由于鈦白粉的覆蓋效果已達最大，更多的用量無法繼續提升反射率，且過多的鈦白粉會導致涂料粘稠度顯著上升；過高的涂料粘度對噴涂設備要求較高，易堵塞槍口，對施工時設備維護壓力大，且不利于成膜和施工效率的提高，故最終選擇鈦白粉用量150 份.

2.1.2 空心玻璃微珠與陶瓷微球對比

該種涂料主要應用對象為軌道板，無法避免自然環境中帶來的灰塵及污垢.單純使用反射機理作為降溫手段會導致涂料壽命下降，添加空心玻璃微珠和陶瓷微球后，可以在軌道板表面被污染時涂料仍然具有較優秀的降溫性能.

玻璃微珠內部為空心，因此具有極低的導熱系數[15]，相對緊密的玻璃微珠排列在一起，可形成熱量傳導的阻隔帶，有效阻隔熱量傳輸.與此同時，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，不會因加入玻璃微珠而降低材料的反射性能.除此之外，空心玻璃微珠與陶瓷微球受環境溫度變化影響較小，不易受熱脹冷縮導致涂料開裂或剝落.圖3 為在第1 組配方基礎上，變化玻璃微珠和陶瓷微球使用量（第5～7 組）對涂料降溫性能的影響.

從圖3 中可以看出：減少玻璃微珠并增加陶瓷微球，會顯著降低涂料阻斷溫度傳導的效果，陶瓷微球為實心，熱傳導率大于玻璃微球，所以玻璃微珠的效果顯著高于陶瓷微球；陶瓷微球用量由0 份增至60 份時降溫效果相近，但考慮玻璃微珠及陶瓷微球作為填料在加工時對攪拌速度有不同要求，為簡化生產步驟，后續模擬試驗及正線試驗使用配方中均添加180 份玻璃微珠未添加陶瓷微球.

2.1.3 陶瓷復合微晶體的試驗

輻射填料的選擇方面：篩選了一種名為陶瓷復合微晶體的材料，該材料粒徑0.72～2.50 μm，在中國國家建材中心檢測到的材料半球輻射率為0.90，該材料主要是由包含董青石和MnO2、CuO 等輻射率高的過渡金屬氧化物材料燒結而成.

測試配方在第3 組配方基礎上增加了該種陶瓷復合微晶體，分別增加30、60、90、120 份，第3 組配方作為對照組無陶瓷復合微晶體.圖4 為陶瓷復合微晶體的使用量對涂料影響.從圖4 中可以看出：隨著陶瓷復合微晶體的使用量增加，90 min 紅外燈照射的預制板溫度先下降再上升；增加陶瓷復合微晶體后，材料抗輻射性能增強，但過量可能導致玻璃微珠形成的組合效果下降.

圖4 陶瓷復合微晶體的使用量對涂料影響Fig.4 Effect of the amount of ceramic composite microcrystals on coatings

表4 給出了試驗中第5 組涂料配方的反射率和熱輻射率.從表4 中可以看出，隨著陶瓷復合微晶增加，可以在一定程度上提升涂料的輻射率但對反射率影響不明顯.

表4 各組涂料反射率及熱輻射率Tab.4 Reflectivity and thermal emissivity of each group paint %

圖5 為5 組配方在加熱到55 ℃后取消紅外照射，在試驗室環境下溫度下降速率的比較.由圖5 可以看出，隨著配方中陶瓷復合微晶體的增加，在30 min時，預制板的溫度也隨之下降，這說明了該填料在增強涂料輻射率的同時確實增強了材料的散熱效果.

圖5 陶瓷復合微晶體的使用量對涂料降溫速率的影響Fig.5 Effect of different titanium dioxide dosages on the cooling performance of materials

2.2 自然光照射試驗

圖6 為對照組與試驗組不同深度處的溫度對比，圖中橫坐標重復的時刻分別對應第1～3 天.從圖6中可以看出：72 h 內試驗板與對照板表面溫度差異最大值可達16 ℃，發生最大溫差出現時刻約為每天13：30 左右；距板表面20 mm 深度處，試驗板的溫度比對照板的溫度低11.3 ℃，最大溫差發生時刻約為14：30；距板表面100 mm 深度處，試驗板的溫度比對照板的溫度低8.1 ℃，最大溫差發生時刻約為16：00；距板表面180 mm 深度處，試驗板的溫度比對照板的溫度低6.5 ℃，最大溫差發生時刻約為20：00.取第3 天的數據進行計算，對照組13：30 時的板表面溫度約59 ℃，180 mm 深處平均溫度約為35 ℃，溫差達24 ℃；試驗組13：30 時的板表溫度約43 ℃，180 mm 深處平均溫度約為31 ℃，溫差僅12 ℃.上述結果可知，該涂料可將板表面與距板表面180 mm 的溫度梯度降低一半左右，降溫效果顯著.

圖6 不同深度處的溫度對比Fig.6 Temperature comparison at different depths

圖7 為紅外成像儀于第3 天13：00 所攝圖像，可以清晰看到試驗組與對照組表面有明顯溫差（鋼軌未作涂刷處理）.

圖7 紅外熱像儀拍攝圖片Fig.7 Pictures with the infrared camera

2.3 運營線軌道板實際應力變化檢測

圖8 給出了軌道板應力隨時間的變化情況（當天最高氣溫30 ℃，最低20 ℃，陰天；圖中所有數據經過篩選已將有列車駛過時數據剔除）.從圖8 中可以看出：對照組在13：31 左右時軌道板應力達到最大（?1.82 MPa），試驗組在13：31 左右時軌道板應力達到最大（?1.40 MPa），降低了0.40 MPa.

圖8 應力隨時間變化曲線Fig.8 Variation curves of stress with time

3 結 論

1）該反射隔熱涂料施工方便，使用白水泥作為基體，與軌道板基層附著力良好，表面狀態平整均勻.

2）鈦白粉使用量增多會增強反射隔熱涂料遮覆性，提升降溫性能，但過多的鈦白粉反而會影響涂料性能.

3）玻璃微珠在阻隔熱傳導方面效果優秀，由過渡金屬氧化物燒結的陶瓷復合微晶可以提升涂料輻射率并使涂料散熱性能增強.

4）自然光下軌道板溫度測試證明了該種涂料最大可將板表溫度降低16 ℃左右，板表與180 mm深處的溫度梯度可以下降約50%.

5）溫度是影響軌道板翹曲變形的一個因素，應力測試結果表明，該反射隔熱涂料作用在軌道板上，在同一溫度環境下，軌道板應力由?1.82 MPa 下降至?1.40 MPa，降低了0.40 MPa.

致謝：本文的研究工作得到中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所研究項目的資助（2017XCSJ-06）.