新型有砟道床聚氨酯表面胶结材料

2020-12-17靳昊罗慧刚易忠来董延东李化建梁雪江

中国铁路 2020年10期

靳昊，罗慧刚，易忠来，董延东，李化建，梁雪江

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平 034100；3.中国铁路北京局集团有限公司工务部，北京 100860）

1 研究背景

道砟固化技术是提高、改善有砟道床性能的关键技术手段，地位日益重要。其中，道床表层固化技术的胶结厚度小、成本低、施工便捷，对道床横纵向阻力略有提高，是防止高速铁路有砟道床道砟飞溅、杂质入侵道床等的有效技术手段［1-2］。

早期道砟胶结材料以水泥砂浆为主，但在长期列车动荷载作用下易被破坏，后逐渐被韧性更好的有机高分子材料取代。沥青类材料价格低廉，是最早被用于道砟胶结的材料。但是，其耐老化性能差、受温度影响显著、胶结道床服役寿命短，已不被使用。环氧树脂、高分子乳液等曾被用于防止道砟飞溅研究，在日本东海道新干线、秦沈客专等进行试应用。但是，由于材料的刚性大、柔性不足、服役寿命较短，未在我国进行实际应用［3-7］。

聚氨酯的性能范围很宽，是介于橡胶与塑料的一类高分子材料，其综合性能突出，兼具高强度与高柔顺性，并具有良好耐老化性能［8-9］，目前已成为有砟道床固化技术的重要组成部分。聚氨酯胶结材料主要包括发泡聚氨酯和聚氨酯道砟胶。发泡聚氨酯灌注至道砟空隙内，经发泡膨胀后将道砟空隙填充饱满，将道床粘结后固结为具有弹性的整体，起到减少道床累计变形和道砟磨损的作用，大幅降低道床养护维修频率，常用于养护作业较为困难的区域。聚氨酯道砟胶喷涂在道砟表面，以点粘结的方式将道床固化为整体，提高道床的抗变形能力、支承刚度、轨道纵横向阻力等，常用于无砟轨道与有砟轨道过渡段。

有砟道床表面胶结材料多采用聚氨酯道砟胶。经长期应用发现，表层胶结后的道床难于养护维修，常规捣固设备无法将表层粘结的道砟破开。如对轨枕下部道砟进行捣固维修，需采用溶剂对聚氨酯道砟胶逐层溶胀后实施，施工效率低，对人体和环境有危害。而且，聚氨酯道砟胶主要用于建设期的有砟道床胶结，固化速度较慢，早期强度较低，不适用于运营线天窗期内的有砟道床表层胶结。同时，聚氨酯道砟胶作用于轨枕下部，起到提高有砟道床综合性能的作用。表面胶结材料只对轨枕上部道砟进行胶结，以实现抑制道砟飞溅、道床表面封闭等功能，故聚氨酯道砟胶的部分性能也不适宜。因此，应着重研究与有砟道床表面固化技术相匹配的聚氨酯表面胶结材料。

2 室内试验

2.1 原料

异氰酸酯单体（PAPI）：MDI100、PAPI购于烟台万华化学集团股份有限公司；聚醚多元醇：220、330N购于山东蓝星东大化工有限责任公司，PTMG-2000购于巴斯夫股份公司，819购于上海科宁油脂化学品有限公司；扩链交联剂：1，4-丁二醇购于国药集团化学试剂有限公司，T-41高活性低聚物购于可利亚多元醇（南京）有限公司，固体MOCA购于江苏湘园化工有限公司；催化剂：二月桂酸二丁基购于国药集团化学试剂有限公司；消泡剂购于德国BYK化学公司；防老剂：紫外线吸收剂、抗氧剂购于北京加成助剂研究所。

2.2 表面胶结材料制备

（1）预聚物制备。将聚醚多元醇在（120±5）℃条件下真空（真空度≤-0.9 MPa）脱水2 h，测试其含水率。如含水率≤0.1%，则将混合液温度降至70℃以下；如不满足则继续脱水，直至满足要求。当混合液温度降至70℃以下时，加入异氰酸酯，并将其温度调至（85±5）℃，反应60 min后测试预聚物异氰酸酯基团含量，如满足设计值±0.2%，则将预聚物降温至50℃以下；如不满足则继续反应，直至满足要求。

（2）B组分制备。将聚醚多元醇加热至（120±5）℃后加入扩连交联剂，搅拌均匀后真空（真空度≤-0.9 MPa）脱水2 h，测试其含水率。如含水率≤0.1%，则将混合液温度降至70℃以下；如不满足则继续脱水，直至满足要求。当混合液温度降至50℃以下时，加入1%的消泡剂（占聚醚多元醇与扩连交联剂质量和）、3%紫外线吸收剂、1.5%抗氧化剂、0.1%的二月桂酸二丁基锡。

2.3 测试与表征

聚氨酯表面胶结材料的粘度按照GB/T 2794—2013《胶粘剂粘度的测定》测定；凝胶时间按照GB/T 7193—2008《不饱和聚酯树脂试验方法》测定；拉伸强度和断裂伸长率按照GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》测定；抗压强度和粘结强度按照JC/T 1041—2007《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》测定；可捣固性采用手持捣固机威克-BH55对表层胶结道砟进行捣固测试，评价捣固难易程度。

2.4 结果与讨论

2.4.1 预聚物的影响

考察不同预聚物对聚氨酯表面胶结材料性能的影响，测试结果见表1。

表1 不同预聚物制备的产品性能

由表1可知，预聚物NCO含量基本相当时（21%～23%）与PAPI相比，MDI100制备的预聚物粘度低，产品拉伸强度、断裂伸长率和抗压强度高。这主要由于PAPI匀质性和规整度相对较低，而MDI-100为高度规整结构，制备的产品软硬段微相分离显著，综合性能更佳。220与PTMG-2000均为分子量2 000的聚醚二元醇，两者相比，PTMG制备的聚氨酯分子链结构规整度高、力学性能良好，但预聚物粘度高不利于喷涂施工，且在低温时（15℃）出现结晶，温度适用范围较窄。当异氰酸酯基团含量增加时，分子结构内的硬段含量增大，预聚物的粘度略有降低，产品的断裂伸长率降低，拉伸强度和抗压强度提高。基于此，选择MDI100与220制备的预聚物进行后续试验，并以调节预聚物NCO含量作为调整产品柔顺性的技术手段之一。

2.4.2 异氰酸酯单体的影响

在确定预聚物采用MDI100-220后，调节PAPI与其质量比，考察它们对聚氨酯表面胶结材料性能的影响。不同PAPI掺入量制备的产品性能见表2。

表2 不同PAPI掺入量制备的产品性能

由表2可知，PAPI的掺入会降低预聚物粘度，有利于提高产品的可施工性。而且，PAPI含有多个苯环结构，刚度大，制备的产品拉伸强度和抗压强度高。当PAPI与预聚物MDI100-220质量比从0.2增至1.0时，预聚物粘度降低30%，拉伸强度和抗压强度提高30%以上。但是，PAPI掺入会降低产品的柔顺性，断裂伸长率降低78%。同时，当PAPI与预聚物MDI100-220质量比超过0.6时，粘结强度会受到产品柔顺性降低的影响而下降。PAPI与预聚物复配调节产品性能的方式简单、可调范围大，它的掺入有利于提高产品工作性能、力学强度及对道砟的浸润效果。但是，PAPI对产品柔顺性影响较为显著，应控制PAPI的合理掺量，其与预聚物MDI100-220的质量比不宜超过0.8。

2.4.3 聚醚多元醇的影响

在确定异氰酸酯及其预聚物的基础上，考察聚醚多元醇种类对聚氨酯表面胶结材料性能的影响。不同聚醚多元醇制备的产品性能见表3。

由表3可知，聚氧化丙烯二元醇220制备的产品反应速度慢，拉伸强度和抗压强度低，对湿度敏感性大，在较高湿度下固化体易发泡。330N为含有氧化乙烯的高活性聚醚三元醇，与220相比所制产品的凝胶时间缩短54%，高湿度下产品固化状态较好，只在内部存在轻微气泡。而且，较长的柔性链段和微交联结构，使得产品兼具高断裂伸长率和高力学强度。819为油脂化学多元醇，憎水效果突出，高湿度条件下制备的产品密实，无明显气泡。它的柔性链段长度较短，所得产品的力学强度高于330N制备的产品，但断裂伸长率较低。

表3 不同聚醚多元醇制备的产品性能

基于此，聚醚多元醇选择330N与819复配的方式进行后续试验。聚醚多元醇复配制备的产品性能见表4。

表4 聚醚多元醇复配制备的产品性能

由表4可知，聚醚多元醇819与330N质量比＜1.0时，产品的综合性能较好，拉伸强度、断裂伸长率、抗压强度和粘结强度分别在19 MPa、14%、37 MPa和2.4 MPa以上。当819与330N质量比从0.1增至1.0时，产品的拉伸强度、抗压强度和粘结强度分别提高了27%、16%和21%，但是断裂伸长率下降了53%，较为显著。

2.4.4 扩连交联剂的影响

在确定异氰酸酯及其预聚物和聚醚多元醇的基础上，考察扩连交联剂对聚氨酯表面胶结材料性能的影响。不同扩连交联剂制备的产品性能见表5。

由表5可知，3种扩连交联剂相比，1，4-丁二醇的反应活性最低，产品的凝胶时间需52 min，反应2 h后仍不具备力学强度和粘结强度，在高湿度条件下发泡明显。T-14与MOCA均具备高反应活性，其与异氰酸酯基团反应的活性高于水与异氰酸酯基团反应的活性，大幅降低了产品对水的敏感性，在高湿度条件下可正常固化，不出现发泡问题。而且，制得产品的2 h拉伸强度和2 h粘结强度较高，分别大于7.0 MPa和0.5 MPa，满足天窗期施工要求，综合性能相当。MOCA为固体，生产时需溶解在聚醚多元醇中使用，且对人体健康产生不利影响。因此，选择液体对人体无害的T-14作为扩连交联剂。

表5 不同扩连交联剂制备的产品性能

2.4.5R值的影响

为便于喷涂施工，需将聚氨酯表面胶结材料A、B组分调节为体积比1∶1。故在合理调节各反应组分配比基础上，还需对R值进行调整，以满足需求。考察了R值对聚氨酯表面胶结材料性能的影响，不同R值制备的产品性能见表6。

表6 不同R值制备的产品性能

一般情况下，在R值为1的异氰酸酯基团与活泼氢等摩尔反应时，产品的A组分即异氰酸酯及预聚物组分的体积要低于B组分，故等体积配制时，R值应大于1。R值提高，过量的异氰酸酯基团可将组分中存在的微量水反应消除，并有利于产品的交联密度和耐老化性能的提高。但是，当R值过高时，会导致产品分子量下降，力学性能降低。

由表6可知，R值在1.05～1.35变化时，产品的力学性能和粘结性能变化幅度较小，当R值增至1.40后，拉伸强度、断裂伸长率和抗压强度下降明显。因此，R值的合理调控范围为1.05～1.35。

2.4.6 可捣固性能测试

可捣固性是判定聚氨酯表面胶结材料适用性的关键指标。胶结道床的可捣固性与胶结材料柔顺性和自身强度密切相关。当产品柔顺性基本相当时，其拉伸强度和粘结强度越大，胶结道床的可捣固性越低。当产品力学强度和粘结强度相当时，其柔顺性越高，对外力吸收能力越强，胶结道床越不易捣固破坏。但是，由于材料特性所致，一般情况下同一体系产品，力学强度与断裂伸长率成反比，故应明确两者对胶结道床可捣固性的主导地位。考察聚氨酯表面胶结材料性能与胶结道床可捣固性的相关性，不同性能产品的可捣固性测试结果见表7。

表7 不同性能产品的可捣固性测试结果

由表7可知，1—6号产品的拉伸强度和粘结强度降低，断裂伸长率增大，胶结道床破坏时间增加，捣固后的道砟状态由颗粒状向大块胶结体转变，胶结道床的可捣固性变差，说明产品柔顺性是胶结道床可捣固性优劣的决定性指标。当产品的断裂伸长率为5%时，可快速将胶结道床破坏，捣固后的道砟呈颗粒状，便于下部道床捣固维修及道床表层二次喷涂胶结。当产品断裂伸长率增至35%时，已无法将胶结道砟恢复为颗粒状，以道砟胶结体为主。当产品的断裂伸长率增至61%时，捣固设备振动破坏的有效作用面积较小，只能影响到施作位置周边较小范围内的胶结道砟，胶结道床破坏时间明显增加，捣固后的胶结体体积较大，存在粘连拉丝的情况。确保胶结道床具有良好的可捣固性，且不易被列车产生的振动破坏，产品的断裂伸长率宜为10%～35%。