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1、都市快轨交通 第19卷 第4期2006年8月土建技术URBAN RAPI D RA I L TRANSIT高分子复合材料在地铁工程中的应用技术曾耀昌(广州市地下铁道总公司 广州 510030)摘 要 通过对高分子复合材料进行改性(调整树脂的分子结构及材料组成),使材料具有良好的防火性能、耐高温性能及抗电化腐蚀性能,成为高性能的热固性复合材料。在地铁的地下工程中采用该类材料制作的疏散平台可从根本上改变地铁火灾状态下的疏散模式,对提高地铁结构的使用寿命及安全性都具有重要的作用。关键词 高分子复合材料 改性 地铁工程 运营安全性1 采用复合材料的必要性和迫切性1.1 有效地解决金属支架带来的腐蚀问题
2、地铁隧道潮湿环境和采用走行轨回流的工况使遂道内的金属支架和构件非常容易腐蚀,当这种腐蚀情况不断恶化会成为影响地铁运营安全的一个隐患(见图1)。图1 隧道内部分电缆钢支架被锈蚀的情况解决隧道内金属支架及构件的腐蚀问题,已成为国内外地铁领域普遍关注的重点问题之一。高分子复合材料是一种耐腐蚀的绝缘材料,用它制造各类支架和构件能有效地解决腐蚀问题,降低运营成本。1.2 有效地实现绝缘安装,防止腐蚀地铁的主体结构钢筋发生的电化腐蚀是构成地铁收稿日期:20051122修回日期:20060627作者简介:曾耀昌,男,广州地铁新线验交办公室副主任,高级工程师,享受政府津贴专家,从事岩土工程,土建技术工作。运营
3、安全的另一隐患。据报道,国内外不少地铁遂道已出现主体结构钢筋因电化腐蚀而导致混凝土保护层起拱、剥落,不得不进行全面的维修。这在夜间只停运45 h的地铁隧道内进行这样大规模的结构维修不仅难度大,而且对地铁的正常运营会产生严重的干扰。按照 地铁杂散电流防护设计规范 的规定,为了有效地防止地铁隧道结构钢筋在杂散电流的作用下发生腐蚀,结构钢筋和钢轨与地之间必须有足够的绝缘电阻。然而,出于对人身和设备的安全考虑,设计规范又规定各类金属支架和构件必须接地。工程实践证明,能同时满足上述两项要求的唯一方法就是采用绝缘法来安装隧道内的全部金属支架和构件。然而,绝缘安装不仅造价高、而且在大规模施工安装中绝缘套的破
4、损是难以避免的。因此,“绝缘法安装”(见图2)这一防护杂散电流的措施在实际工程中效果不能保图2 绝缘安装方法示意图证,迄今为止基本上未被采用。而采用高分子复合材料制造的各类支架和构件,由于它所具有的良好绝缘性能,实质上已有效实现了绝缘安装。1.3 为地铁应用与推为更有利于列车事故状态下从区间隧道内组织乘客尽快疏散,广州地铁3号线和4号线已改变从列车车头疏散乘客的方式,而采用组织乘客从侧门离开列车,并通过安装在隧道侧壁上的疏散平台进行疏散(见图3)。新增设的疏散平台如采用钢结构及混凝土板来制造,不仅平台结构体重大,安装时对隧道结构的损伤较大,而且由于安装工序较多,将影响其上下方所需安装56都市快
5、轨交通 第19卷 第4期2006年8月URBAN RAPI D RA I L TRANSIT图3 乘客通过疏散平台进联络通道疏散示意图的电缆支架及电缆敷设的作业时间安排,使隧道内的空间分配与作业时间更显紧张。如疏散平台采用高性能的轻质材料 高分子复合材料制作的“支架与疏散平台一体化组合构件”不仅可减少对隧道结构的损伤,而且可以一次性地把平台与电缆支架一起安装,有效地解决了隧道内多工种交叉作业的矛盾。广州轨道交通4号线在采用了DC1500V三轨接触网供电系统,不仅可提高供电系统的可靠性,而且有利于改善城市地铁高架线路的景观。该系统的供电轨支撑件和防护罩不仅需要有良好的机械性能,而且需要有优良的防
6、火性能与绝缘性能。目前只有高性能的复合材料可满足上述性能的要求。综上所述,高分子复合材料的应用不仅可解决长期困扰地铁界的金属部件腐蚀、绝缘安装、运营安全和维护等方面的技术难题,而且由于高分子复合材料在隧道内老化的速度极慢,使用寿命至少为50年,正常运营过程中基本免维护,它还可以降低地铁工程全寿命周期成本,对推动地铁领域的技术进步起到积极的作用。2 高分子复合材料的主要特性复合材料一般由基体材料和增强材料两大组分构成,各组分材料之间具有明显的界面,宏观上呈现出“各向异性”的特征。复合材料按其基体材料的性质可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和有机(树脂基)基复合材料三大类。高分子复合材料的
7、基本性能主要由其基体材料决定,而机械性能则主要取决于增强纤维的性质、用量及铺设方式。而合理的成型工艺则能使基体材料与增强材料各自的优良性能在复合材料中充分表现出来。根据高分子复合材料的结构和工艺的不同可分为两大类,即热塑性复合材料和热固性复合材料。一般工业与民用领域中常见的热塑性复合材料所采用的树脂遇热软化或熔融而处于可塑性状态、冷却后又变坚硬,而且这一过程可以反复进行。因此,热塑性树脂虽然具有很多优点,但也存在强度、硬度、耐热性、尺寸精度等较低,力学性能受温度影响较大,耐负荷变形大等缺点,所以较难在重要的工程领域中应用。热固性复合材料除具有密度低、导热系数低、良好的绝缘性及物理力学性能等基本
8、性能外,还具有其他材料所不具有的特性。2.1 性能的可设计性常规材料由于有固定的物质成份,因此就有相对固定的性能,而热固性复合材料没有特定的物质成份,所以也就没有固定的性能。实际应用中往往根据使用对象对材料性能和形状的要求来选择其基体材料、增强材料和成型工艺。也就是说,复合材料的性能是可设计的。由于复合材料的性能可设计,使其应用范围很广,例如,可以根据使用环境条件的要求设计出防腐、保温、透光等材料,也可根据使用功能要求设计出轻质、高强、绝缘、导电、透波、吸波及耐磨等材料,以及可对外界环境变化做出反应的“机敏”复合材料。2.2 结构形状无限制热固性复合材料的成型工艺与钢材和木材等传统材料不同。利
9、用热固性复合材料的树脂改性技术和加工工艺,即可设计出耐高温性能、防火性能优异的复合材料与满足结构性能的构件。3 应用于地铁的热固性复合材料地铁隧道特殊的环境和特殊的工况对材料性能要求比较高,归纳起来主要有以下几个方面:材料耐腐蚀性能、良好的防火性能、满足消防要求;具有足够的机械强度和绝缘强度;具轻质高强、较易加工或组合成型,以满足不同地段所制造的所需的规格与尺寸;具有较长的使用寿命,减少更换次数,才能保证地铁的安全运营。3.1 提高热固性复合材料性能的主要途径通过研究树脂基体的改性、玻璃纤维增强材料的敷设方式,以及依靠制作工艺的改进来提高热固性复合材料的性能,使其性能和造价均能满足地铁工程的要
10、求。(1)通过调整树脂的分子结构及材料组成获得具有较好防火性能及耐热性能的复合材料。(2)合理设计增强纤维的用量及铺设形式,获得理想的力学性能并降低生产成本。(3)改善成型工艺,获得理想的制品并提高生产效率。3.2 提高热固性复合材料性能的主要成果经多次试验与配制,课题组所研制的热固性复合材料具有良好的防火性能、机械性能及耐高温等性能,66高分子复合材料在地铁工程中的应用技术URBAN RAPI D RA I L TRANSIT可称为高性能的热固性复合材料。良好的防火性能及物理力学性能分别见表1、表2。表1 复合材料防火、机械、耐高温性能指标项 目A级指标实测值燃烧性能等级100 cm燃烧平均
11、剩余长度/mm350500A 燃烧烟气毒性全不致死浓度Lco/(mg/l)2550A 烟密度等级1515A 氧指数100A 平均烟气温度峰值/12585A 热值/(mJ/kg)4.24.9接近A级 热释放量/(mJ/m2)16.828.2表2 复合材料抗电化腐蚀性能指标物理力学性能测试项 目实测值检验依据 密度/(g/cm3)1.71.9GB 146388 吸水率/%0.150.2GB/T 10341998 收缩率/%200240 GB/T 16341989 导热系数/(W/mk)1.0GB/T 1029719984 高性能复合材料在地铁工程中的应用从地铁工程需要出发,采用所研发的高性能热固性
12、复合材料分别制造了各类电缆支架、疏散平台、DC1500V供电轨支座及防护装置等构件。特别是电缆支架与疏散平台一体化构件,有利于减少隧道的作业工序、减少各类支架平台安装对隧道结构的损伤,也有利于今后运营对电缆的维护与检修。411 各类形式的电缆支架由于热固性复合材料的结构形状可设计性强,可按各类工法施工所构筑的隧道形态制造各种类型的电缆支架。例如,适用于明挖区间隧道直形墙体的支架、圆型及马蹄形隧道墙体安装的弧形支架,适用于电缆数量有一定变化的区段安装的多层支架等。412DC1500V供电轨的支座及防护构件供电轨的支座与防护装置需在高电压条件下工作,材料的绝缘强度是必须保证的指标,供电方式尚需延伸
13、到地下线路,因此其防火性能也类同于电缆支架。此外,为保证列车的受电靴与供电轨之间具有良好的动态接触关系,还需具备机械强度和抗冲击能力。目前试制的DC1500V供电轨的支座与防护构件除防火性能较好、力学性能指标均达到设计要求外,其主要的电气性能可达到:绝缘电阻2.91013;体积电阻率1.11013 m;电气强度20 kV/mm。防护罩成型工艺采用密封拉挤成型,制品精度高、外观更好(见图4)。413 电缆支架与疏散平台一体化构件原设置的钢结构混凝土板疏散平台是采用型钢、钢板支座组成支撑横梁,90mm厚、30 000mm长的钢筋混凝土预制板作平台板(平均每延米平台的重量约达220 kg)。这种钢结
14、构混凝土板疏散平台自重较大,安76都市快轨交通 第19卷 第4期2006年8月URBAN RAPI D RA I L TRANSIT图4 拉挤成型的第三轨防护罩装时对隧道结构构成一定损伤(见图5)。图5 结构混凝土板疏散平台结构示意图“电缆支架与疏散平台一体化组合构件”是指将隧道的电缆金属支架与隧道中的安全疏散平台整合设计为一体化的轻质复合材料结构件(见图6),可简化地铁隧道的施工工序,减少对隧道结构的破坏。它与钢结构混凝土疏散平台相比较具有以下的主要特点。图6 采用复合材料制作的支架平台一体化构件(1)既解决隧道金属支架、构件的防腐防锈,实现绝缘安装,又可简化施工流程、减少工序交叉与重复,有
15、利于提高地铁建设的速度。(2)结构轻巧、体量轻,可充分利用隧道空间,安装的孔洞可大幅度减少,可降低对地铁隧道主体结构尤其是盾构管片的损伤。(3)安装方便、易于调整、易于运营检查维修与更换电缆。高低压电缆支架及疏散平台主骨架三项安装工作可一次完成,从而降低施工作业人员的劳动强度。5 结语高分子复合材料在地铁工程中的应用,不仅能够填补国内材料应用领域的空白,而且还能有效地解决长期困扰地铁界的一些技术难题、降低地铁工程的全寿命周期成本,同时为地铁领域的技术进步提供了必备的条件。我们相信,随着材料科学的进一步发展和应用空间的拓展,地铁工程材料应用技术将面临一场革命性的进步。参考文献1 沃丁柱.复合材料
16、大全M.北京:化学工业出版社,2002.2 陈绍杰.先进复合材料的民用研究与发展 J.材料导报,2000,14(11).3 上海化工学院玻璃钢教研室.合成树脂M.北京:中国建筑工业出版社,1979.4 冼杏娟.复合材料界面的力学行为M /复合材料及其结构的力学进展.广州:华南理工大学出版社,1991:261289.责任编辑:郝京红Application of Highmolecular Composite Materials in Metro ConstructionZeng Yaochang(Guangzhou Metro Corporation,Guangzhou 510030)Abstr
17、act:Highmolecular composite material after property modification(adjust the molecular structure of resin and thecomposition of the material)still possesses good fireproof performance and the resistance to high temperature as well as galvaniccorrosion,becoming a high performance thermosetting composite material.Evacuation platform in the metro projectsmade from thiskind ofmaterial can help to alter completely the mode of evacuation and increase the service life and safety of subway structures.Key words:high molecular composite material;propertymodification;subway project;operation safety86