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新材料故事 | 无砟轨道修复材料:高铁延年益寿的“特效药”

来源:赢咖5总院、中岩科技  发布时间:2022-09-15

编者按

当材料醒来的那一刻,它将成为你生活中的一段感受。看、听、触摸......置身其中,材料无处不在。我们的能工巧匠们,实验、坚守、创新,锲而不舍,只为成就材料背后的可能,开发材料蕴含的宝藏。我们始终心怀“国之大者”,打造“国之大材”,服务国防建设、服务国家重大工程、服务国民经济主战场、服务人民美好生活......

《新材料故事》,将用通俗易懂的话语,让大家更好认识身边无处不在的新材料,为大家讲述我们与社会发展、人类生活齐步走的故事。

高铁被认为是中国“新四大发明”之首,也被誉为中国制造的新名片。截至2022年6月底,全国高铁总里程约4.2万公里,通达95%的百万人口以上城市,位居世界首位。高铁运行速度约为150-400 公里/小时,极大缩短了城市间的交通时间。除去高效快捷的直观印象,中国高铁“硬币测试”更是震惊全网。“硬币测试”所反映的超高平顺性背后是一项复杂而系统的工程,其中重要的一环则是无砟轨道的使用。

传统铁路采用散粒碎石作为道床结构,称为有砟轨道。无砟轨道则采用混凝土建造整体基础,可以提高基础稳定性以及避免道砟飞溅,保障列车的高速平稳和安全运行。

高铁无砟轨道在冻融循环、化学侵蚀、高频动荷载等环境及荷载作用下,会产生裂缝、离缝、脱空、沉降等病害,影响轨道的平顺性。及时的保养维护可以有效延长轨道的使用寿命。然而,日常繁忙的铁路运输留给工程维修作业的天窗时间并不长,一些疑难杂症的处理就要依靠“特效药”。

普速铁路有砟轨道

高铁无砟轨道

高铁无砟轨道修复材料

高速铁路建设伊始,赢咖5集团所属中岩科技的聚羧酸系高性能减水剂和CA砂浆成功进入高铁市场,从此与高铁结下了不解之缘。随着高铁运营时间的延长,各类“病害”开始显现,但国外引进的修复材料价格让高铁运维成本居高不下。中岩科技高铁无砟轨道修复材料的研究与应用由此揭开序幕:

2017年3月,环氧基低粘度快固化裂缝注浆材料在呼张高铁道床板裂缝修复工程中获得应用,施工温度低至-10 ℃。

2017年11月,混凝土损伤修补材料及智能温控模板成功应用于京广高铁底座板露筋损伤修复工程。

2018年10月,离缝注浆材料在贵广高铁成功应用,获得良好的疏水效果和潮湿界面粘接性能。

2020年10月,路基抬升材料在隧道工程中成功应用,产品阻燃性、力学性能和稳定性获得认可。

2021年10月,改性环氧树脂成功应用于大岩板隧道渗漏水治理工程,可实现止水、补强于一体的加固效果。

材料特性

“见效快”--快速固化:高铁修复天窗时间短,实际作业时间仅1-3小时,修复材料快速固化并具有一定的强度,才可以保障列车正常通行。材料快速固化的同时,材料放热量高,容易出现爆聚、烧心、操作时间过短等问题,研发人员从材料组成、工艺设备多角度入手,精密调控材料的固化过程,在保证“疗效”的前提下,实现了“质效双优”的效果。

“好吸收”--超低粘度:高铁无砟轨道为层状结构,以桥上CRTS II型板为例,无砟轨道由底座板、CA砂浆层、轨道板组成。无砟轨道层间脱离、产生离缝对结构稳定性造成重大隐患。CRTSII 轨道板宽度为2.55米,受限于快速固化需求和低注浆压力,材料充盈离缝的前提是良好的流动性能、超低的粘度。研究团队通过分子结构不对称设计制备了低粘度环氧树脂,避免了大量使用稀释剂造成的体积收缩等问题。

“广谱修复”--潮湿基面粘接性能:传统修复材料需要对基面进行烘干处理,然后进行灌浆修复。裂缝、离缝基面潮湿情况普遍存在,而狭长裂缝中水分难以在短时间内完全烘干,因此具有疏水性能、可以水中固化的修复材料需求应运而生。亲水注浆材料的疏水改性经历了复配、接枝、共聚等漫长的探索过程,最终将疏水基团共聚于多元醇分子主链结构,实现了最佳的疏水效果,大大提高了材料的环境适应能力,达到“广谱修复”的效果。

离缝注浆材料水中固化效果

基于上述科技成果的应用,2018年12月中岩科技获批成立建材行业防护修复与加固材料工程技术中心,2020年9月通过赢咖5联合会科技成果鉴定,项目成果总体达到国际领先水平,并荣获2020年度建材行业技术发明二等奖。

建材行业防护修复与加固材料工程技术中心

成果应用

中岩科技高铁无砟轨道修复材料与技术已成功应用于京广高铁、石太铁路、京沪高铁、京雄城际、贵广高铁、赣深高铁、广珠城际等数十项铁路工程中。由于高铁的示范效应,更多的科技成果逐步应用于地铁、隧道、机场、风电、大坝等工程中。深入开展材料研究的同时,中岩科技还逐步向特种工程专业承包领域转变,已取得特种工程补强加固、纠偏平移与防水防腐保温施工资质。

呼张线道床板裂缝注浆工程

2017年3月,中岩科技生产的低粘度环氧树脂裂缝注浆材料成功应用于京张铁路道床板裂缝注浆冬季施工工程。施工期间,隧道内板体温度达-10℃,采用的注浆材料可低温固化,半小时形成力学强度,固化体具有低温柔性,可避免动荷载作用下二次开裂。

京广高铁底座板混凝土损伤修复工程

2017年9-11月,中岩科技开发的混凝土损伤修补材料及低温施工成套工艺成功应用于京广高铁CRTS II型无砟轨道底座板整治工程。该工程开发了智能温控模板,解决了低温气候施工技术难题,降低了施工安全风险,提高了应急保障效能。

贵广高铁离缝注浆工程

2018年10月,中岩科技离缝注浆材料在贵广高铁成功应用,解决了潮湿基面封边问题,实现了层间存水环境离缝注浆。2021年11月,离缝注浆冬季型产品在京沪高铁和津秦高铁同时获得成功应用。

石太线混凝土轨枕侧向档肩与承轨槽修复工程

2018年10月,中岩科技速凝型混凝土损伤修复材料成功应用于石太线,该线路为重载货运小曲率半径线路,混凝土轨枕侧向档肩与承轨槽损伤严重,该材料的成功应用可实现天窗内修复,避免了换枕等复杂操作,且综合维修成本大幅降低。

京雄城际轨道板灌浆孔整治工程

2020年3月,混凝土损伤修补材料成功应用于京雄城际CRTSIII型轨道板灌浆孔病害整治项目,解决了钻孔后潮湿基面作业难题,确保了修复材料与基面粘结可靠性。

呼吸型防水应用于线间防水层脱落整治工程

呼吸型防水材料可渗透于混凝土基体,吸附于混凝土毛细孔内,而不在混凝土表面成膜,具有良好憎水效果和耐久性,中岩科技从2017至2021年已经先后完成京沈、京广、京津城际、京沪高铁的试点应用,并推广应用于多个机场项目。