聚氨酯材料在鐵道建筑上的應用與發展

羅振寰，黃自華，許雙喜，曹彥海

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

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

1 聚氨酯材料

聚氨酯是一類在高分子結構主鏈上含有氨基甲酸酯基團(—NHCOO—)的聚合物。從分子結構看，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成柔性鏈段，柔性鏈段在常溫下有許多的構象，呈無規卷曲狀，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，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、二元胺等擴鏈劑(或交聯劑)得到的含芳基、氨基甲酸酯基，取代脲基構成的剛性鏈段構象不易改變，常溫下伸展成棒狀，稱為硬段。剛性鏈段由于內聚能大，分子間可以形成氫鍵，締合在一起，形成硬段微區。由于硬段與軟段的不相容，因此聚氨酯具有微相分離結構［2-3］。

微相分離的存在對聚氨酯的形態結構和性能產生重要的影響，使得聚氨酯彈性體具有優良的綜合性能，其楊氏模量介于一般橡膠和塑料之間，具有以下特性:優異的耐磨性，其耐磨性是天然橡膠的2～10倍;較高的強度和彈性，可以在較寬的硬度范圍內保持較高的彈性，而在相同硬度下，比其它彈性體的承載能力高;耐油脂及耐化學品性能優良;耐氧性和耐臭氧性能優良;耐疲勞性及抗振動性好，適于高頻撓曲應用;抗沖擊性強;低溫柔順性好。硬質聚氨酯泡沫塑料的導熱系數比其它合成保溫材料和天然保溫材料都低，而且可以現場澆注，快速成型，是用量越來越大的合成樹脂保溫材料;軟質聚氨酯泡沫塑料由于彈性好、透氣性優良等特點廣泛用作床具、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行中的安全系數。而我國武廣、鄭西客運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的硬質聚氨酯微孔彈性體，如圖3所示，具有比強度大、減震、降噪、耐電氣絕緣、高耐久和環保等優良性能，目前已受到鐵路業界的高度關注，是全球聚氨酯彈性體研究的一個熱點課題。在西歐和日本已有較成熟的研制和應用經驗，在日本，聚氨酯枕木已有25年的使用歷史，應用量達300萬根，在日本高速列車新干線軌道線上已得到應用。日本產聚氨酯枕木在我國廣州、上海和臺灣地區也得到了部分應用，此外在奧地利維也納地鐵也應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，計劃將用于中國高鐵建設。根據國家發展高速鐵路長遠計劃，為了適應高速列車的提速要求，開發P U枕木以取代或部分取代混凝土軌枕必將是未來發展趨勢［5］。

圖1 高鐵用扣件系統

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構中，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，并且可對下部結構變形在某一限度內進行修補［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行時帶來的噪聲，歐洲部分國家采用拜耳開發的聚氨酯泡沫鋪設鐵路，國內鐵路部門計劃將來在中國也采用這項技術。德國柏林FRENZELBAU集團在 Durflex系統應用中，利用來自拜耳材料科技的Bayflex彈性聚氨酯泡沫材料，可完全填實碎石道砟間的縫隙，如圖5所示。列車運行產生的動力所造成的典型碎石道砟移位現象得以避免。這也大幅度提高了軌道上層結構的耐久性，大幅延長軌道的維護周期，并吸收在此點上所產生的噪音，顯著降低居民區噪聲污染［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異的物理性能和施工性能，常作為防水涂層應用于高速鐵路，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的高等級客運專線，是2008年奧運會的配套項目之一。由于該工程路基形式和鋪設方式，對混凝土的防水層要求較高，既要高強度又要快速固化，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澆混凝土梁組成。在箱梁做完聚脲防水層后的吊運和鋪設中，有重達1 200 t的運送設備將對防水層進行近1 000次的碾壓，普通的防水材料是難以承受的［9-11］。聚脲因其優良的力學性能、固化速度快、耐磨損、附著力好等優點可滿足技術指標要求，如圖6所示。

2.6 調高支座

廣泛用于橋梁結構的盆式橡膠支座有著其他類型支座不可替代的優點。國外以前采用的填充材料多為硅橡膠，而硅橡膠價格昂貴，拉伸強度相對較低。采用澆注型聚氨酯(CPU)替代硅橡膠不但價格較低，且強度高，澆注前為黏性液體，可在室溫下固化成型。在實橋調高時，將材料通過壓力泵注入支座盆底，使之在預設時間內固化，調高即完成。全過程不需千斤頂頂梁，極其方便，且可利用自身結構實現多次無極調高，并在調高的同時檢測支座反力變化［12］。填充聚氨酯調高盆式橡膠支座在遂渝線試驗段和南水北調工程的橋梁中均有應用，其結構形式如圖7所示。

圖6 噴涂聚脲用于京津高速鐵路防水工程

圖7 填充聚氨酯調高盆式橡膠支座示意

3 結語

聚氨酯類產品目前在國內外的應用非常廣泛。由于其既有橡膠的彈性和韌性，又具有塑料的高強度，在高硬度時仍具有很好的彈性，且兼具有耐磨性、耐油性等優良性能，因此聚氨酯材料在軌道交通的防振減噪、耐磨、粘結、隔熱等領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%的鐵路里程卻承擔著世界鐵路1/4的運輸量。為此，2008年10月重新調整了《中長期鐵路網規劃》，將2020年全國鐵路營業里程規劃目標由之前確定的10萬km調整為12萬km以上，刷新了中國鐵路建設的藍圖。2008年底，全國鐵路營業里程已達8萬 km。隨著中國鐵路建設水平的提升，可以預見，聚氨酯材料在中國軌道交通上的成功應用也將越來越多。

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