反射隔熱材料對(duì)縱連無砟軌道溫度和力學(xué)影響研究

王 鑫，貢照華，丁 宇，冀 磊，趙靜存，吳 琛

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所, 北京 100081；2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 南京橋工段，江蘇 南京 210000；3.中國鐵路南昌局集團(tuán)有限公司 南昌高鐵維修段，江西 南昌 330103)

無砟軌道是由鋼筋混凝土材料構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在我國高速鐵路中廣泛應(yīng)用[1-3]。縱連結(jié)構(gòu)式是無砟軌道主要類型之一，在服役期間，由于長期暴露在太陽輻射下，極易受環(huán)境溫度影響形成結(jié)構(gòu)病害。這是因?yàn)橥饨绛h(huán)境溫度變化導(dǎo)致縱連結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部形成溫度梯度，使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，持續(xù)高溫下容易出現(xiàn)離縫、上拱、脫空等病害[4-5]。在部分地區(qū)，當(dāng)CRTSⅡ型板式無砟軌道遇連續(xù)極端高溫條件時(shí)，溫度應(yīng)力聚集量過大且無法釋放，若壓應(yīng)力超過軌道板寬接縫部位混凝土強(qiáng)度，將造成軌道板或?qū)捊涌p處混凝土擠碎，產(chǎn)生上拱。反射隔熱涂料是一種能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)物表面太陽光反射能力、增強(qiáng)自身熱輻射能力的新型復(fù)合材料[6-9]，目前尚未在無砟軌道上應(yīng)用。本文通過一種反射隔熱材料在縱連結(jié)構(gòu)無砟軌道實(shí)際應(yīng)用，分析反射隔熱材料對(duì)太陽輻射在縱連結(jié)構(gòu)無砟軌道混凝土內(nèi)部溫度和應(yīng)力變化影響，為反射隔熱材料在縱連結(jié)構(gòu)無砟軌道的應(yīng)用奠定一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

選取CRTSⅡ型板式無砟軌道和CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道兩種縱連結(jié)構(gòu)無砟軌道各兩塊，均以一塊涂裝反射隔熱材料為試驗(yàn)板，另一塊作為空白對(duì)照板進(jìn)行試驗(yàn)考察。反射隔熱材料采用噴涂方式，一遍底漆，兩遍面漆，總噴涂厚度為200～250 μm。軌道板(道床)為東西向鋪設(shè)，在南側(cè)、北側(cè)和中部不同位置打孔，每一點(diǎn)位設(shè)置距板表面2、10、18 cm三個(gè)深度孔，并埋入熱電偶測(cè)溫裝置，用環(huán)氧樹脂膠封口，試驗(yàn)板與空白板測(cè)溫點(diǎn)布置一一對(duì)應(yīng)，見圖1。太陽能供電系統(tǒng)、熱電偶測(cè)溫裝置布線(標(biāo)簽標(biāo)記)完成后在試驗(yàn)軌道板上涂裝反射隔熱材料，使用多路數(shù)據(jù)記錄儀持續(xù)記錄各測(cè)點(diǎn)溫度，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備不定期觀察溫度數(shù)據(jù)并分析。

溫度記錄儀不同通道測(cè)量軌道結(jié)構(gòu)不同位置和深度的溫度數(shù)據(jù)，其中，板表面溫度數(shù)據(jù)由通道16、32采集，距板表面深度2 cm處溫度數(shù)據(jù)由通道01、04、07、10、13、17、20、23、26、29采集，距板表面深度10 cm處溫度數(shù)據(jù)由通道02、05、08、11、14、18、21、24、27、30采集，距板表面深18 cm處溫度數(shù)據(jù)由通道03、06、09、12、15、19、22、25、28、31采集。

2 材料選擇

反射隔熱材料由反射材料、隔熱材料和輻射材料組成，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成相關(guān)測(cè)試[10]。測(cè)試方法為：按不同配方，以單層涂刷方式，涂刷量為2 g，將制備好的材料分別涂刷至200 mm×70 mm×10 mm的預(yù)制水泥板上，使用千分尺測(cè)量，涂刷厚度約為200 μm。靜置72 h以上確保涂層內(nèi)水分蒸發(fā)完全。將多路測(cè)溫儀的4個(gè)熱電偶粘貼安裝在預(yù)制板背面，用于監(jiān)測(cè)溫度變化。在距離預(yù)置水泥板250 mm位置處，使用100 W紅外燈照射90 min，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化情況。通過上述試驗(yàn)選取最佳配比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)室僅能模擬紅外輻射的溫度變化，室外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小塊混凝土的溫度變化不準(zhǔn)確。溫度監(jiān)測(cè)從6月到10月，由于數(shù)據(jù)較多，選取軌道板溫度最高幾天的數(shù)據(jù)，從溫度情況看，CRTSⅡ型板式無砟軌道與CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道情況相同。

3.1 降低軌道板表面溫度

圖2為對(duì)照板和試驗(yàn)板軌道板板表溫度曲線對(duì)比，從圖2可以看出，受太陽光輻射，當(dāng)對(duì)照板表面溫度在55 ℃以下時(shí)，涂刷反射隔熱材料的試驗(yàn)板表面溫度比對(duì)照板表面可降低6～7 ℃；當(dāng)對(duì)照板表面溫度超過55 ℃時(shí)，涂刷反射隔熱材料的試驗(yàn)板表面溫度比對(duì)照板表面可降低8 ℃以上，最大降幅為11 ℃，出現(xiàn)在2018年7月20日最高溫58 ℃時(shí)，試驗(yàn)板表面溫度為47 ℃。通過試驗(yàn)可以看出，隨著板表溫度上升，反射隔熱材料的降溫效果也愈加明顯，涂刷反射隔熱材料的試驗(yàn)板表面溫度全年不會(huì)超過50 ℃。圖3為對(duì)照板和試驗(yàn)板板深度2 cm處溫度曲線，圖4為對(duì)照板板表面溫度和試驗(yàn)板板深度2 cm處溫度曲線，從圖3和圖4可以看出，試驗(yàn)板2 cm深處溫度一般在42 ℃以下，對(duì)照板2 cm深處溫度在50 ℃以上，比對(duì)照板在該深度的溫度降低10 ℃，比對(duì)照板表面降低15 ℃，在2018年7月20日最高溫時(shí)，試驗(yàn)板僅有43 ℃，對(duì)照板為54 ℃，降低11 ℃，與圖2中試驗(yàn)板表面溫度相比，試驗(yàn)板表面溫度降低值相同。

圖2 對(duì)照板與試驗(yàn)板板表面溫度曲線

3.2 降低軌道板內(nèi)部溫度梯度

圖5和圖6為對(duì)照板和試驗(yàn)板2、10、18 cm深處溫度曲線。從圖5和圖6可以看出，反射隔熱材料是通過阻隔太陽光輻射到軌道板面的熱量以及增強(qiáng)板表散熱而緩解軌道板內(nèi)部溫度梯度的，不能改變混凝土自身溫度傳導(dǎo)率。因此，溫度記錄儀通道13、14、15曲線走勢(shì)和通道29、30、31曲線走勢(shì)大致相同。

圖3 對(duì)照板和試驗(yàn)板板深度2 cm處溫度曲線

圖4 對(duì)照板板表面溫度和試驗(yàn)板板深度2 cm處溫度曲線

圖5 對(duì)照板板深度2、10、18 cm處溫度曲線

圖6 對(duì)照板板表面溫度和試驗(yàn)板板深度2 cm處溫度曲線

對(duì)照板和試驗(yàn)板在最高溫和最低溫時(shí)軌道板內(nèi)部不同深處溫度見表1和表2。從表1和表2可以看出，從深度2～18深處，對(duì)照板白天最高溫時(shí)，軌道板混凝土內(nèi)部溫差約為10 ℃，夜間最低溫時(shí)，軌道板混凝土內(nèi)部溫差約為2.5 ℃，白天最高溫時(shí)，軌道板混凝土內(nèi)部溫差約為5 ℃，夜間最低溫時(shí)，軌道板混凝土內(nèi)部溫差為1 ℃以下。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，混凝土表面溫度越高，混凝土內(nèi)部溫度梯度越大，最高溫時(shí)達(dá)到90 ℃/m。通過涂刷反射隔熱材料，降低混凝土表面溫度后，內(nèi)部溫度梯度降為60 ℃/m，且夜間最低溫時(shí)，混凝土內(nèi)部溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力可以基本消除。

表1 對(duì)照板混凝土內(nèi)部不同深度的溫度值 ℃

表2 試驗(yàn)板混凝土內(nèi)部不同深度的溫度值 ℃

3.3 降低軌道板南北側(cè)溫差

在高速鐵路縱連無砟軌道上拱病害中，存在南側(cè)軌道結(jié)構(gòu)比北側(cè)軌道結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象，可能是南側(cè)受日照時(shí)間長，溫度應(yīng)力比北側(cè)大導(dǎo)致的，因此，有必要研究反射隔熱材料對(duì)南北側(cè)溫差的控制效果。

圖7～圖10為對(duì)照板和試驗(yàn)板不同位置的南北側(cè)溫度曲線。從圖7可以看出，對(duì)照板混凝土受太陽光輻射影響，當(dāng)表面溫度超過50 ℃時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)南側(cè)溫度比北側(cè)高。在50～55 ℃時(shí)，溫差約為2 ℃，當(dāng)軌道板溫度超過55 ℃時(shí)，溫差超過3 ℃，在20號(hào)最高溫時(shí)，溫差超過6 ℃。從圖8可以看出，在對(duì)照板18 cm深處，即接近軌道板底，當(dāng)對(duì)照板溫度超過55 ℃時(shí)，南側(cè)溫度也比北側(cè)高2 ℃以上。從圖9和圖10可以看出，涂刷反射隔熱材料的試驗(yàn)板在50～55 ℃時(shí)，幾乎無溫差；當(dāng)對(duì)照板表面溫度超過55 ℃時(shí)，試驗(yàn)板南側(cè)比北側(cè)溫差不超過2 ℃，有效緩解了軌道板南北側(cè)溫度差。

圖7 對(duì)照板板表下深度2 cm處南北側(cè)溫度曲線

圖8 對(duì)照板板表下深度18 cm處南北側(cè)溫度曲線

圖9 試驗(yàn)板板表下深度2 cm處南北側(cè)溫度曲線

圖10 試驗(yàn)板板表下深度18 cm處南北側(cè)溫度曲線

3.4 計(jì)算模型及有限元分析

CRTSⅡ型板式無砟軌道由支承層(底座)、水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)調(diào)整層、預(yù)制軌道板、鋼軌及彈性扣件等組成，軌道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)軌道板長為6 450 mm，寬為2 550 mm，厚為200 mm。砂漿充填層與軌道板等長等寬，厚為30 mm，底座板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，寬為2 950 mm，采用縱向連續(xù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。建立有限元模型[11-14]。

軌道結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力、垂向位移分布見圖11。由圖11可知，按照前述試驗(yàn)板和對(duì)照板實(shí)際測(cè)量值的溫度作用，發(fā)現(xiàn)軌道板整體升溫時(shí)，混凝土受壓力作用，這是由于升溫造成軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向形變，形變受到結(jié)構(gòu)約束而產(chǎn)生伸縮應(yīng)力所致。升溫作用下軌道結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果見表3。

圖11 軌道結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力、垂向位移

表3 升溫作用下軌道板變形計(jì)算結(jié)果

從表3數(shù)據(jù)可以看出，溫度梯度越大，軌道板縱向應(yīng)力越大，垂向位移越大。當(dāng)溫度梯度為90 ℃/m時(shí)，軌道板垂向位移達(dá)到0.45 mm。由于溫度梯度大，砂漿層溫度較低，垂向位移小，在溫度載荷作用下，軌道結(jié)構(gòu)位移向上，有上拱趨勢(shì)，砂漿層與軌道板粘連面逐漸脫開，形成軌道板與CA砂漿離縫吊空。當(dāng)砂漿層與軌道板粘連面大面積脫開時(shí)，垂向位移增大，釋放部分軌道板縱向應(yīng)力，上拱趨勢(shì)更加明顯。當(dāng)高溫載荷持續(xù)作用，大量溫度應(yīng)力無法釋放，如果CRTSⅡ型無砟軌道板間寬接縫處張拉鎖件出現(xiàn)安裝不到位、個(gè)別失效或混凝土質(zhì)量差等原因造成寬接縫部位強(qiáng)度不足時(shí)，該部位混凝土極易被破壞擠碎。

3.5 反射隔熱材料應(yīng)用分析

2019年8月，在采用CRTSⅡ型軌道結(jié)構(gòu)的某高鐵正線進(jìn)行了反射隔熱材料對(duì)軌道結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力和板角垂向位移影響的在線試驗(yàn)和檢測(cè)，結(jié)果見圖12。由圖12可見，涂刷反射隔熱材料的軌道結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力最高為9.5 MPa，遠(yuǎn)低于未涂刷材料的軌道結(jié)構(gòu)，與有限元分析較為吻合。涂刷反射隔熱材料的軌道結(jié)構(gòu)板角垂向位移變化值最大為0.8 mm，未涂刷材料的板角垂向位移變化值最大約為2 mm，可以看出，涂刷反射隔熱材料可降低縱連軌道結(jié)構(gòu)上拱病害的發(fā)生。

圖12 板角縱向應(yīng)力、垂向位移曲線

4 結(jié)論

本文研究主要得到以下結(jié)論：

(1)反射隔熱材料可以有效降低軌道板表面最高溫度，最大降溫幅度可達(dá)10 ℃以上，且隨太陽輻射強(qiáng)度增加，降溫幅度相應(yīng)增大。

(2)反射隔熱材料通過降低軌道板表面最高溫度，從而降低軌道板混凝土內(nèi)部溫度梯度，試驗(yàn)中最大降低幅度為30 ℃/m。

(3)反射隔熱材料可降低軌道板南北側(cè)溫差，使溫差控制在2 ℃內(nèi)，夜間可有效降低混凝土內(nèi)部溫度差，消除混凝土內(nèi)部應(yīng)力。

(4)對(duì)于縱連無砟軌道結(jié)構(gòu)，軌道板表面最高溫度和混凝土內(nèi)部溫度梯度是影響軌道結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力和垂向位移的重要因素。有限元分析表明，當(dāng)軌道板表面最高溫度達(dá)到50 ℃，混凝土內(nèi)部溫度梯度達(dá)到90 ℃/m時(shí)，縱連無砟軌道結(jié)構(gòu)上拱趨勢(shì)明顯，若混凝土強(qiáng)度不夠，有擠碎破壞可能。

(5)高鐵線路試驗(yàn)證明，反射隔熱材料可以有效降低縱連無砟軌道結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力和垂向位移，對(duì)太陽輻射熱造成的縱連無砟軌道結(jié)構(gòu)上拱病害有一定防治作用。