新型有砟道床聚氨酯表面膠結(jié)材料

靳昊， 羅慧剛， 易忠來， 董延?xùn)|， 李化建， 梁雪江

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平 034100；3.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，北京 100860）

1 研究背景

道砟固化技術(shù)是提高、改善有砟道床性能的關(guān)鍵技術(shù)手段，地位日益重要。其中，道床表層固化技術(shù)的膠結(jié)厚度小、成本低、施工便捷，對道床橫縱向阻力略有提高，是防止高速鐵路有砟道床道砟飛濺、雜質(zhì)入侵道床等的有效技術(shù)手段［1-2］。

早期道砟膠結(jié)材料以水泥砂漿為主，但在長期列車動(dòng)荷載作用下易被破壞，后逐漸被韌性更好的有機(jī)高分子材料取代。瀝青類材料價(jià)格低廉，是最早被用于道砟膠結(jié)的材料。但是，其耐老化性能差、受溫度影響顯著、膠結(jié)道床服役壽命短，已不被使用。環(huán)氧樹脂、高分子乳液等曾被用于防止道砟飛濺研究，在日本東海道新干線、秦沈客專等進(jìn)行試應(yīng)用。但是，由于材料的剛性大、柔性不足、服役壽命較短，未在我國進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用［3-7］。

聚氨酯的性能范圍很寬，是介于橡膠與塑料的一類高分子材料，其綜合性能突出，兼具高強(qiáng)度與高柔順性，并具有良好耐老化性能［8-9］，目前已成為有砟道床固化技術(shù)的重要組成部分。聚氨酯膠結(jié)材料主要包括發(fā)泡聚氨酯和聚氨酯道砟膠。發(fā)泡聚氨酯灌注至道砟空隙內(nèi)，經(jīng)發(fā)泡膨脹后將道砟空隙填充飽滿，將道床粘結(jié)后固結(jié)為具有彈性的整體，起到減少道床累計(jì)變形和道砟磨損的作用，大幅降低道床養(yǎng)護(hù)維修頻率，常用于養(yǎng)護(hù)作業(yè)較為困難的區(qū)域。聚氨酯道砟膠噴涂在道砟表面，以點(diǎn)粘結(jié)的方式將道床固化為整體，提高道床的抗變形能力、支承剛度、軌道縱橫向阻力等，常用于無砟軌道與有砟軌道過渡段。

有砟道床表面膠結(jié)材料多采用聚氨酯道砟膠。經(jīng)長期應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，表層膠結(jié)后的道床難于養(yǎng)護(hù)維修，常規(guī)搗固設(shè)備無法將表層粘結(jié)的道砟破開。如對軌枕下部道砟進(jìn)行搗固維修，需采用溶劑對聚氨酯道砟膠逐層溶脹后實(shí)施，施工效率低，對人體和環(huán)境有危害。而且，聚氨酯道砟膠主要用于建設(shè)期的有砟道床膠結(jié)，固化速度較慢，早期強(qiáng)度較低，不適用于運(yùn)營線天窗期內(nèi)的有砟道床表層膠結(jié)。同時(shí)，聚氨酯道砟膠作用于軌枕下部，起到提高有砟道床綜合性能的作用。表面膠結(jié)材料只對軌枕上部道砟進(jìn)行膠結(jié)，以實(shí)現(xiàn)抑制道砟飛濺、道床表面封閉等功能，故聚氨酯道砟膠的部分性能也不適宜。因此，應(yīng)著重研究與有砟道床表面固化技術(shù)相匹配的聚氨酯表面膠結(jié)材料。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 原料

異氰酸酯單體（PAPI）：MDI100、PAPI購于煙臺萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司；聚醚多元醇：220、330N購于山東藍(lán)星東大化工有限責(zé)任公司，PTMG-2000購于巴斯夫股份公司，819購于上海科寧油脂化學(xué)品有限公司；擴(kuò)鏈交聯(lián)劑：1，4-丁二醇購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，T-41高活性低聚物購于可利亞多元醇（南京）有限公司，固體MOCA購于江蘇湘園化工有限公司；催化劑：二月桂酸二丁基購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；消泡劑購于德國BYK化學(xué)公司；防老劑：紫外線吸收劑、抗氧劑購于北京加成助劑研究所。

2.2 表面膠結(jié)材料制備

（1）預(yù)聚物制備。將聚醚多元醇在（120±5）℃條件下真空（真空度≤-0.9 MPa）脫水2 h，測試其含水率。如含水率≤0.1%，則將混合液溫度降至70℃以下；如不滿足則繼續(xù)脫水，直至滿足要求。當(dāng)混合液溫度降至70℃以下時(shí)，加入異氰酸酯，并將其溫度調(diào)至（85±5）℃，反應(yīng)60 min后測試預(yù)聚物異氰酸酯基團(tuán)含量，如滿足設(shè)計(jì)值±0.2%，則將預(yù)聚物降溫至50℃以下；如不滿足則繼續(xù)反應(yīng)，直至滿足要求。

（2）B組分制備。將聚醚多元醇加熱至（120±5）℃后加入擴(kuò)連交聯(lián)劑，攪拌均勻后真空（真空度≤-0.9 MPa）脫水2 h，測試其含水率。如含水率≤0.1%，則將混合液溫度降至70℃以下；如不滿足則繼續(xù)脫水，直至滿足要求。當(dāng)混合液溫度降至50℃以下時(shí)，加入1%的消泡劑（占聚醚多元醇與擴(kuò)連交聯(lián)劑質(zhì)量和）、3%紫外線吸收劑、1.5%抗氧化劑、0.1%的二月桂酸二丁基錫。

2.3 測試與表征

聚氨酯表面膠結(jié)材料的粘度按照GB/T 2794—2013《膠粘劑粘度的測定》測定；凝膠時(shí)間按照GB/T 7193—2008《不飽和聚酯樹脂試驗(yàn)方法》測定；拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率按照GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》測定；抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度按照J(rèn)C/T 1041—2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》測定；可搗固性采用手持搗固機(jī)威克-BH55對表層膠結(jié)道砟進(jìn)行搗固測試，評價(jià)搗固難易程度。

2.4 結(jié)果與討論

2.4.1 預(yù)聚物的影響

考察不同預(yù)聚物對聚氨酯表面膠結(jié)材料性能的影響，測試結(jié)果見表1。

表1 不同預(yù)聚物制備的產(chǎn)品性能

由表1可知，預(yù)聚物NCO含量基本相當(dāng)時(shí)（21%～23%）與PAPI相比，MDI100制備的預(yù)聚物粘度低，產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和抗壓強(qiáng)度高。這主要由于PAPI勻質(zhì)性和規(guī)整度相對較低，而MDI-100為高度規(guī)整結(jié)構(gòu)，制備的產(chǎn)品軟硬段微相分離顯著，綜合性能更佳。220與PTMG-2000均為分子量2 000的聚醚二元醇，兩者相比，PTMG制備的聚氨酯分子鏈結(jié)構(gòu)規(guī)整度高、力學(xué)性能良好，但預(yù)聚物粘度高不利于噴涂施工，且在低溫時(shí)（15℃）出現(xiàn)結(jié)晶，溫度適用范圍較窄。當(dāng)異氰酸酯基團(tuán)含量增加時(shí)，分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的硬段含量增大，預(yù)聚物的粘度略有降低，產(chǎn)品的斷裂伸長率降低，拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度提高?；诖?，選擇MDI100與220制備的預(yù)聚物進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，并以調(diào)節(jié)預(yù)聚物NCO含量作為調(diào)整產(chǎn)品柔順性的技術(shù)手段之一。

2.4.2 異氰酸酯單體的影響

在確定預(yù)聚物采用MDI100-220后，調(diào)節(jié)PAPI與其質(zhì)量比，考察它們對聚氨酯表面膠結(jié)材料性能的影響。不同PAPI摻入量制備的產(chǎn)品性能見表2。

表2 不同PAPI摻入量制備的產(chǎn)品性能

由表2可知，PAPI的摻入會(huì)降低預(yù)聚物粘度，有利于提高產(chǎn)品的可施工性。而且，PAPI含有多個(gè)苯環(huán)結(jié)構(gòu)，剛度大，制備的產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度高。當(dāng)PAPI與預(yù)聚物MDI100-220質(zhì)量比從0.2增至1.0時(shí)，預(yù)聚物粘度降低30%，拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度提高30%以上。但是，PAPI摻入會(huì)降低產(chǎn)品的柔順性，斷裂伸長率降低78%。同時(shí)，當(dāng)PAPI與預(yù)聚物MDI100-220質(zhì)量比超過0.6時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)受到產(chǎn)品柔順性降低的影響而下降。PAPI與預(yù)聚物復(fù)配調(diào)節(jié)產(chǎn)品性能的方式簡單、可調(diào)范圍大，它的摻入有利于提高產(chǎn)品工作性能、力學(xué)強(qiáng)度及對道砟的浸潤效果。但是，PAPI對產(chǎn)品柔順性影響較為顯著，應(yīng)控制PAPI的合理摻量，其與預(yù)聚物MDI100-220的質(zhì)量比不宜超過0.8。

2.4.3 聚醚多元醇的影響

在確定異氰酸酯及其預(yù)聚物的基礎(chǔ)上，考察聚醚多元醇種類對聚氨酯表面膠結(jié)材料性能的影響。不同聚醚多元醇制備的產(chǎn)品性能見表3。

由表3可知，聚氧化丙烯二元醇220制備的產(chǎn)品反應(yīng)速度慢，拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度低，對濕度敏感性大，在較高濕度下固化體易發(fā)泡。330N為含有氧化乙烯的高活性聚醚三元醇，與220相比所制產(chǎn)品的凝膠時(shí)間縮短54%，高濕度下產(chǎn)品固化狀態(tài)較好，只在內(nèi)部存在輕微氣泡。而且，較長的柔性鏈段和微交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品兼具高斷裂伸長率和高力學(xué)強(qiáng)度。819為油脂化學(xué)多元醇，憎水效果突出，高濕度條件下制備的產(chǎn)品密實(shí)，無明顯氣泡。它的柔性鏈段長度較短，所得產(chǎn)品的力學(xué)強(qiáng)度高于330N制備的產(chǎn)品，但斷裂伸長率較低。

表3 不同聚醚多元醇制備的產(chǎn)品性能

基于此，聚醚多元醇選擇330N與819復(fù)配的方式進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。聚醚多元醇復(fù)配制備的產(chǎn)品性能見表4。

表4 聚醚多元醇復(fù)配制備的產(chǎn)品性能

由表4可知，聚醚多元醇819與330N質(zhì)量比＜1.0時(shí)，產(chǎn)品的綜合性能較好，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度分別在19 MPa、14%、37 MPa和2.4 MPa以上。當(dāng)819與330N質(zhì)量比從0.1增至1.0時(shí)，產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了27%、16%和21%，但是斷裂伸長率下降了53%，較為顯著。

2.4.4 擴(kuò)連交聯(lián)劑的影響

在確定異氰酸酯及其預(yù)聚物和聚醚多元醇的基礎(chǔ)上，考察擴(kuò)連交聯(lián)劑對聚氨酯表面膠結(jié)材料性能的影響。不同擴(kuò)連交聯(lián)劑制備的產(chǎn)品性能見表5。

由表5可知，3種擴(kuò)連交聯(lián)劑相比，1，4-丁二醇的反應(yīng)活性最低，產(chǎn)品的凝膠時(shí)間需52 min，反應(yīng)2 h后仍不具備力學(xué)強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，在高濕度條件下發(fā)泡明顯。T-14與MOCA均具備高反應(yīng)活性，其與異氰酸酯基團(tuán)反應(yīng)的活性高于水與異氰酸酯基團(tuán)反應(yīng)的活性，大幅降低了產(chǎn)品對水的敏感性，在高濕度條件下可正常固化，不出現(xiàn)發(fā)泡問題。而且，制得產(chǎn)品的2 h拉伸強(qiáng)度和2 h粘結(jié)強(qiáng)度較高，分別大于7.0 MPa和0.5 MPa，滿足天窗期施工要求，綜合性能相當(dāng)。MOCA為固體，生產(chǎn)時(shí)需溶解在聚醚多元醇中使用，且對人體健康產(chǎn)生不利影響。因此，選擇液體對人體無害的T-14作為擴(kuò)連交聯(lián)劑。

表5 不同擴(kuò)連交聯(lián)劑制備的產(chǎn)品性能

2.4.5R值的影響

為便于噴涂施工，需將聚氨酯表面膠結(jié)材料A、B組分調(diào)節(jié)為體積比1∶1。故在合理調(diào)節(jié)各反應(yīng)組分配比基礎(chǔ)上，還需對R值進(jìn)行調(diào)整，以滿足需求?？疾炝薘值對聚氨酯表面膠結(jié)材料性能的影響，不同R值制備的產(chǎn)品性能見表6。

表6 不同R值制備的產(chǎn)品性能

一般情況下，在R值為1的異氰酸酯基團(tuán)與活潑氫等摩爾反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)品的A組分即異氰酸酯及預(yù)聚物組分的體積要低于B組分，故等體積配制時(shí)，R值應(yīng)大于1。R值提高，過量的異氰酸酯基團(tuán)可將組分中存在的微量水反應(yīng)消除，并有利于產(chǎn)品的交聯(lián)密度和耐老化性能的提高。但是，當(dāng)R值過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品分子量下降，力學(xué)性能降低。

由表6可知，R值在1.05～1.35變化時(shí)，產(chǎn)品的力學(xué)性能和粘結(jié)性能變化幅度較小，當(dāng)R值增至1.40后，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和抗壓強(qiáng)度下降明顯。因此，R值的合理調(diào)控范圍為1.05～1.35。

2.4.6 可搗固性能測試

可搗固性是判定聚氨酯表面膠結(jié)材料適用性的關(guān)鍵指標(biāo)。膠結(jié)道床的可搗固性與膠結(jié)材料柔順性和自身強(qiáng)度密切相關(guān)。當(dāng)產(chǎn)品柔順性基本相當(dāng)時(shí)，其拉伸強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度越大，膠結(jié)道床的可搗固性越低。當(dāng)產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，其柔順性越高，對外力吸收能力越強(qiáng)，膠結(jié)道床越不易搗固破壞。但是，由于材料特性所致，一般情況下同一體系產(chǎn)品，力學(xué)強(qiáng)度與斷裂伸長率成反比，故應(yīng)明確兩者對膠結(jié)道床可搗固性的主導(dǎo)地位?？疾炀郯滨ケ砻婺z結(jié)材料性能與膠結(jié)道床可搗固性的相關(guān)性，不同性能產(chǎn)品的可搗固性測試結(jié)果見表7。

表7 不同性能產(chǎn)品的可搗固性測試結(jié)果

由表7可知，1—6號產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度降低，斷裂伸長率增大，膠結(jié)道床破壞時(shí)間增加，搗固后的道砟狀態(tài)由顆粒狀向大塊膠結(jié)體轉(zhuǎn)變，膠結(jié)道床的可搗固性變差，說明產(chǎn)品柔順性是膠結(jié)道床可搗固性優(yōu)劣的決定性指標(biāo)。當(dāng)產(chǎn)品的斷裂伸長率為5%時(shí)，可快速將膠結(jié)道床破壞，搗固后的道砟呈顆粒狀，便于下部道床搗固維修及道床表層二次噴涂膠結(jié)。當(dāng)產(chǎn)品斷裂伸長率增至35%時(shí)，已無法將膠結(jié)道砟恢復(fù)為顆粒狀，以道砟膠結(jié)體為主。當(dāng)產(chǎn)品的斷裂伸長率增至61%時(shí)，搗固設(shè)備振動(dòng)破壞的有效作用面積較小，只能影響到施作位置周邊較小范圍內(nèi)的膠結(jié)道砟，膠結(jié)道床破壞時(shí)間明顯增加，搗固后的膠結(jié)體體積較大，存在粘連拉絲的情況。確保膠結(jié)道床具有良好的可搗固性，且不易被列車產(chǎn)生的振動(dòng)破壞，產(chǎn)品的斷裂伸長率宜為10%～35%。

3 結(jié)論

通過配方比選研究，研制出施用便捷、強(qiáng)度與柔順性匹配良好的聚氨酯表面膠結(jié)材料，并得出以下結(jié)論：

（1）預(yù)聚物MDI100-220與PAPI復(fù)配使用時(shí)，產(chǎn)品的工作性能和力學(xué)強(qiáng)度良好，對道砟的浸潤效果佳，合理調(diào)整兩者質(zhì)量比及預(yù)聚物異氰酸酯基團(tuán)含量，可對產(chǎn)品的綜合性能進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

（2）聚醚多元醇330N、819與高活性擴(kuò)鏈交聯(lián)劑T-14的匹配性最佳，其復(fù)合固化體系制備的產(chǎn)品反應(yīng)速度快，2 h拉伸強(qiáng)度和2 h粘結(jié)強(qiáng)度分別大于5.0 MPa和0.5 MPa，力學(xué)強(qiáng)度和柔順性兼顧，對水的敏感性小，在適當(dāng)?shù)腞值內(nèi)，可將A、B兩組分調(diào)節(jié)為等體積反應(yīng)。

（3）產(chǎn)品斷裂伸長率為10%～35%，可確保膠結(jié)道床具有良好的可搗固性，且不被列車振動(dòng)、人員踩踏等外力破壞。