高分子复合材料

高分子复合材料在地铁工程中的应用技术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。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运营安全的另一隐患。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4～5h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损是难以避免的。因此,“绝缘法安装”这一防护杂散电流的措施在实际工程中效果不能保证,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为地铁应用与推广新技术奠定良好的基础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。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。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。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可称为高性能的热固性复合材料。所研制的材料构件不仅具有轻质高强的特点,并且是优良的电气绝缘材料,尤其在湿态环境下仍保留较高的绝缘强度,因此具有很强的抗电化腐蚀的性能,完全能够满足地铁的工作环境要求。高温下的力学性能的各类检测表明:所研制的材料与构件仍保持有良好的力学性能。4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。4.1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。4.2DC1500V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。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。面对我国地铁工业发展的良好势头，以及复合材料在地铁上应用不断增加的良好契机，复合材料企业应抓住机遇，迎接挑战，依靠在复合材料产品、技术、工艺和应用上的不断创新，加强与各相关科研、设计单位（部门）等的多方合作，来提升企业的核心竞争力，争取更多的复合材料产品在地铁上得到使用。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.ApplicationofHighmolecularCompositeMaterialsinMetroConstructionZengYaochangAbstract:Highmolecularcompositematerialafterpropertymodification(adjustthemolecularstructureofresinandthecompositionofthematerial)stillpossessesgoodfireproofperformanceandtheresistancetohightemperatureaswellasgalvaniccorrosion,becomingahighperformancethermosettingcompositematerial.Evacuationplatforminthemetroprojectsmadefromthiskindofmaterialcanhelptoaltercompletelythemodeofevacuationandincreasetheservicelifeandsafetyofsubwaystructures.Keywords:highmolecularcompositematerial;propertymodification;subwayproject;operationsafety