反射隔热材料对纵连无砟轨道温度和力学影响研究

王 鑫，贡照华，丁 宇，冀 磊，赵静存，吴 琛

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 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 南京桥工段，江苏 南京 210000；3.中国铁路南昌局集团有限公司 南昌高铁维修段，江西 南昌 330103)

无砟轨道是由钢筋混凝土材料构成的复合结构，在我国高速铁路中广泛应用[1-3]。纵连结构式是无砟轨道主要类型之一，在服役期间，由于长期暴露在太阳辐射下，极易受环境温度影响形成结构病害。这是因为外界环境温度变化导致纵连结构混凝土内部形成温度梯度，使得结构产生较大温度应力，持续高温下容易出现离缝、上拱、脱空等病害[4-5]。在部分地区，当CRTSⅡ型板式无砟轨道遇连续极端高温条件时，温度应力聚集量过大且无法释放，若压应力超过轨道板宽接缝部位混凝土强度，将造成轨道板或宽接缝处混凝土挤碎，产生上拱。反射隔热涂料是一种能够增强结构物表面太阳光反射能力、增强自身热辐射能力的新型复合材料[6-9]，目前尚未在无砟轨道上应用。本文通过一种反射隔热材料在纵连结构无砟轨道实际应用，分析反射隔热材料对太阳辐射在纵连结构无砟轨道混凝土内部温度和应力变化影响，为反射隔热材料在纵连结构无砟轨道的应用奠定一定的试验基础。

1 试验方法

选取CRTSⅡ型板式无砟轨道和CRTSⅡ型双块式无砟轨道两种纵连结构无砟轨道各两块，均以一块涂装反射隔热材料为试验板，另一块作为空白对照板进行试验考察。反射隔热材料采用喷涂方式，一遍底漆，两遍面漆，总喷涂厚度为200～250 μm。轨道板(道床)为东西向铺设，在南侧、北侧和中部不同位置打孔，每一点位设置距板表面2、10、18 cm三个深度孔，并埋入热电偶测温装置，用环氧树脂胶封口，试验板与空白板测温点布置一一对应，见图1。太阳能供电系统、热电偶测温装置布线(标签标记)完成后在试验轨道板上涂装反射隔热材料，使用多路数据记录仪持续记录各测点温度，通过远程监控设备不定期观察温度数据并分析。

温度记录仪不同通道测量轨道结构不同位置和深度的温度数据，其中，板表面温度数据由通道16、32采集，距板表面深度2 cm处温度数据由通道01、04、07、10、13、17、20、23、26、29采集，距板表面深度10 cm处温度数据由通道02、05、08、11、14、18、21、24、27、30采集，距板表面深18 cm处温度数据由通道03、06、09、12、15、19、22、25、28、31采集。

2 材料选择

反射隔热材料由反射材料、隔热材料和辐射材料组成，在实验室内完成相关测试[10]。测试方法为：按不同配方，以单层涂刷方式，涂刷量为2 g，将制备好的材料分别涂刷至200 mm×70 mm×10 mm的预制水泥板上，使用千分尺测量，涂刷厚度约为200 μm。静置72 h以上确保涂层内水分蒸发完全。将多路测温仪的4个热电偶粘贴安装在预制板背面，用于监测温度变化。在距离预置水泥板250 mm位置处，使用100 W红外灯照射90 min，实时监测温度变化情况。通过上述试验选取最佳配比进行现场试验。

3 结果与讨论

实验室仅能模拟红外辐射的温度变化，室外试验发现小块混凝土的温度变化不准确。温度监测从6月到10月，由于数据较多，选取轨道板温度最高几天的数据，从温度情况看，CRTSⅡ型板式无砟轨道与CRTSⅡ型双块式无砟轨道情况相同。

3.1 降低轨道板表面温度

图2为对照板和试验板轨道板板表温度曲线对比，从图2可以看出，受太阳光辐射，当对照板表面温度在55 ℃以下时，涂刷反射隔热材料的试验板表面温度比对照板表面可降低6～7 ℃；当对照板表面温度超过55 ℃时，涂刷反射隔热材料的试验板表面温度比对照板表面可降低8 ℃以上，最大降幅为11 ℃，出现在2018年7月20日最高温58 ℃时，试验板表面温度为47 ℃。通过试验可以看出，随着板表温度上升，反射隔热材料的降温效果也愈加明显，涂刷反射隔热材料的试验板表面温度全年不会超过50 ℃。图3为对照板和试验板板深度2 cm处温度曲线，图4为对照板板表面温度和试验板板深度2 cm处温度曲线，从图3和图4可以看出，试验板2 cm深处温度一般在42 ℃以下，对照板2 cm深处温度在50 ℃以上，比对照板在该深度的温度降低10 ℃，比对照板表面降低15 ℃，在2018年7月20日最高温时，试验板仅有43 ℃，对照板为54 ℃，降低11 ℃，与图2中试验板表面温度相比，试验板表面温度降低值相同。

图2 对照板与试验板板表面温度曲线

3.2 降低轨道板内部温度梯度

图5和图6为对照板和试验板2、10、18 cm深处温度曲线。从图5和图6可以看出，反射隔热材料是通过阻隔太阳光辐射到轨道板面的热量以及增强板表散热而缓解轨道板内部温度梯度的，不能改变混凝土自身温度传导率。因此，温度记录仪通道13、14、15曲线走势和通道29、30、31曲线走势大致相同。

图3 对照板和试验板板深度2 cm处温度曲线

图4 对照板板表面温度和试验板板深度2 cm处温度曲线

图5 对照板板深度2、10、18 cm处温度曲线

图6 对照板板表面温度和试验板板深度2 cm处温度曲线

对照板和试验板在最高温和最低温时轨道板内部不同深处温度见表1和表2。从表1和表2可以看出，从深度2～18深处，对照板白天最高温时，轨道板混凝土内部温差约为10 ℃，夜间最低温时，轨道板混凝土内部温差约为2.5 ℃，白天最高温时，轨道板混凝土内部温差约为5 ℃，夜间最低温时，轨道板混凝土内部温差为1 ℃以下。从试验数据可以看出，混凝土表面温度越高，混凝土内部温度梯度越大，最高温时达到90 ℃/m。通过涂刷反射隔热材料，降低混凝土表面温度后，内部温度梯度降为60 ℃/m，且夜间最低温时，混凝土内部温度梯度产生的应力可以基本消除。

表1 对照板混凝土内部不同深度的温度值 ℃

表2 试验板混凝土内部不同深度的温度值 ℃

3.3 降低轨道板南北侧温差

在高速铁路纵连无砟轨道上拱病害中，存在南侧轨道结构比北侧轨道结构破坏严重的现象，可能是南侧受日照时间长，温度应力比北侧大导致的，因此，有必要研究反射隔热材料对南北侧温差的控制效果。

图7～图10为对照板和试验板不同位置的南北侧温度曲线。从图7可以看出，对照板混凝土受太阳光辐射影响，当表面温度超过50 ℃时，轨道结构南侧温度比北侧高。在50～55 ℃时，温差约为2 ℃，当轨道板温度超过55 ℃时，温差超过3 ℃，在20号最高温时，温差超过6 ℃。从图8可以看出，在对照板18 cm深处，即接近轨道板底，当对照板温度超过55 ℃时，南侧温度也比北侧高2 ℃以上。从图9和图10可以看出，涂刷反射隔热材料的试验板在50～55 ℃时，几乎无温差；当对照板表面温度超过55 ℃时，试验板南侧比北侧温差不超过2 ℃，有效缓解了轨道板南北侧温度差。

图7 对照板板表下深度2 cm处南北侧温度曲线

图8 对照板板表下深度18 cm处南北侧温度曲线

图9 试验板板表下深度2 cm处南北侧温度曲线

图10 试验板板表下深度18 cm处南北侧温度曲线

3.4 计算模型及有限元分析

CRTSⅡ型板式无砟轨道由支承层(底座)、水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)调整层、预制轨道板、钢轨及弹性扣件等组成，轨道板混凝土强度等级为C55，采用预应力混凝土结构。标准轨道板长为6 450 mm，宽为2 550 mm，厚为200 mm。砂浆充填层与轨道板等长等宽，厚为30 mm，底座板混凝土强度等级为C30，宽为2 950 mm，采用纵向连续的钢筋混凝土结构。建立有限元模型[11-14]。

轨道结构纵向应力、垂向位移分布见图11。由图11可知，按照前述试验板和对照板实际测量值的温度作用，发现轨道板整体升温时，混凝土受压力作用，这是由于升温造成轨道结构产生纵向形变，形变受到结构约束而产生伸缩应力所致。升温作用下轨道结构变形计算结果见表3。

图11 轨道结构纵向应力、垂向位移

表3 升温作用下轨道板变形计算结果

从表3数据可以看出，温度梯度越大，轨道板纵向应力越大，垂向位移越大。当温度梯度为90 ℃/m时，轨道板垂向位移达到0.45 mm。由于温度梯度大，砂浆层温度较低，垂向位移小，在温度载荷作用下，轨道结构位移向上，有上拱趋势，砂浆层与轨道板粘连面逐渐脱开，形成轨道板与CA砂浆离缝吊空。当砂浆层与轨道板粘连面大面积脱开时，垂向位移增大，释放部分轨道板纵向应力，上拱趋势更加明显。当高温载荷持续作用，大量温度应力无法释放，如果CRTSⅡ型无砟轨道板间宽接缝处张拉锁件出现安装不到位、个别失效或混凝土质量差等原因造成宽接缝部位强度不足时，该部位混凝土极易被破坏挤碎。

3.5 反射隔热材料应用分析

2019年8月，在采用CRTSⅡ型轨道结构的某高铁正线进行了反射隔热材料对轨道结构纵向应力和板角垂向位移影响的在线试验和检测，结果见图12。由图12可见，涂刷反射隔热材料的轨道结构纵向应力最高为9.5 MPa，远低于未涂刷材料的轨道结构，与有限元分析较为吻合。涂刷反射隔热材料的轨道结构板角垂向位移变化值最大为0.8 mm，未涂刷材料的板角垂向位移变化值最大约为2 mm，可以看出，涂刷反射隔热材料可降低纵连轨道结构上拱病害的发生。

图12 板角纵向应力、垂向位移曲线

4 结论

本文研究主要得到以下结论：

(1)反射隔热材料可以有效降低轨道板表面最高温度，最大降温幅度可达10 ℃以上，且随太阳辐射强度增加，降温幅度相应增大。

(2)反射隔热材料通过降低轨道板表面最高温度，从而降低轨道板混凝土内部温度梯度，试验中最大降低幅度为30 ℃/m。

(3)反射隔热材料可降低轨道板南北侧温差，使温差控制在2 ℃内，夜间可有效降低混凝土内部温度差，消除混凝土内部应力。

(4)对于纵连无砟轨道结构，轨道板表面最高温度和混凝土内部温度梯度是影响轨道结构纵向应力和垂向位移的重要因素。有限元分析表明，当轨道板表面最高温度达到50 ℃，混凝土内部温度梯度达到90 ℃/m时，纵连无砟轨道结构上拱趋势明显，若混凝土强度不够，有挤碎破坏可能。

(5)高铁线路试验证明，反射隔热材料可以有效降低纵连无砟轨道结构纵向应力和垂向位移，对太阳辐射热造成的纵连无砟轨道结构上拱病害有一定防治作用。