高速鐵路軌道板下新型聚氨酯填充材料的性能研究

馮 超，張偉康，張 晶

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路與鐵道工程學(xué)院，陜西西安710018）

目前，隨著高速鐵路建設(shè)規(guī)模和速度的激增，板式無(wú)渣軌道因兼具高穩(wěn)定性、維修自動(dòng)化、低成本性而成為主流的軌道結(jié)構(gòu)形式，而該結(jié)構(gòu)中，支撐鋼軌的夾撐墊，軌道板與混凝土基床、混凝土擋臺(tái)之間均需要特定的彈性填充料，用以防護(hù)變形、提升減震性能，但以往的水泥瀝青青砂漿CA 施工復(fù)雜度高、30mm 填充厚度下強(qiáng)度低、成本高等問(wèn)題，亟待尋求新型填充材料。

而樹(shù)脂基材料作為一種以聚氨酯類、環(huán)氧樹(shù)脂類為基體的高強(qiáng)、高韌性的復(fù)合填充料，其施工便捷、效率高，可彌補(bǔ)CA 的不足，但是，卻面臨著高成本的困擾，而聚氨酯樹(shù)脂未使用胺類化合物及瀝青，環(huán)保性更優(yōu)，并使用反應(yīng)基濃度高的異氰酸酯來(lái)減少樹(shù)脂用料，控制成本，以此制備的聚氨酯彈性體融合了塑料和橡膠的雙重優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性、強(qiáng)度、沖擊、抗震及耐磨性，將其作為高速鐵路板下的填充材料，不僅可以提升軌道的應(yīng)用性能，且可降低材料成本。為此，本文旨在研究一種低成本、高性能的聚氨酯填充材料，用以替代CA，并彌補(bǔ)樹(shù)脂基材料高成本的不足，以為高速鐵路軌道板優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)要求

針對(duì)CA 砂漿及樹(shù)脂基填充材料的不足，本文擬設(shè)計(jì)的新型聚氨酯填充材料將以無(wú)機(jī)填料來(lái)控制其制備成本，并通過(guò)位鎖效應(yīng)來(lái)改善其綜合性能，結(jié)合高速鐵路軌道板下填充材料的應(yīng)用需求，其應(yīng)達(dá)到如下技術(shù)要求：

（1）可長(zhǎng)期支撐鋼軌、軌枕的負(fù)荷壓力，且承受高速列車多數(shù)量、高負(fù)載的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷［1］；可基于高分子的粘彈性，實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)能量向熱量的轉(zhuǎn)換［2］，以提升減震、抗噪性能。

（2）以合理的價(jià)格、最優(yōu)的性能，來(lái)替代CA 砂漿、減少樹(shù)脂基填充材料的用量，以達(dá)到低成本要求，且各項(xiàng)性能需滿足鐵道部規(guī)定的表面硬度、實(shí)密度、耐腐蝕、耐熱老化、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度等物理力學(xué)性能指標(biāo)要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

新型聚氨酯填充材料制備中所用的材料見(jiàn)表1。同時(shí)，為通過(guò)填料改善新型聚氨酯填充材料的成本及綜合性能，本文以硬度、抗壓強(qiáng)度和熱重分析為選用指標(biāo)，從10 種無(wú)機(jī)填料中優(yōu)選出硅灰粉、炭黑和浮石3 種無(wú)機(jī)填料；而且，因?yàn)闊o(wú)機(jī)填料與有機(jī)基質(zhì)存在極性差異，兩者相容性差，為此，此處選用硅烷偶聯(lián)劑 KH560 為改性劑對(duì)硅灰粉、炭黑等填料進(jìn)行了有機(jī)表面處理［3］，使其與有機(jī)基質(zhì)更好地相容。

表1 新型聚氨酯填充材料制備中所用的材料Table 1 Materials used in the preparation of new polyurethane filling materials

通過(guò)無(wú)機(jī)填料改性制備新型聚氨酯填充材料所需的實(shí)驗(yàn)儀器見(jiàn)表2 。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器Table 2 Experimental instruments

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)聚氨酯填充材料性能的最優(yōu)配比設(shè)計(jì)，采用正交設(shè)計(jì)方法，以不同摻量的改性硅灰粉、浮石、改性炭黑等無(wú)機(jī)填料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3，采用雙組分方法制備聚氨酯填充材料［4］，具體步驟如下:

（1）稱取定量的聚醚二元醇、聚醚三元醇置于單口圓底瓶中，并摻入適量丙酮以減弱其粘度，而后，將放置在集熱式恒溫加熱油浴鍋中，以封閉磁力攪拌方式使其充分預(yù)聚反應(yīng)后，在105℃減壓脫水1h［5］，靜置65℃再摻入特定比例的MDI-100 反應(yīng)0.5h，待溫度升至80℃反應(yīng)2h，再降至65℃即可完成A 組分制備。

（2）稱取定量的二甲硫基甲苯二胺、蓖麻油、浮石、改性的硅灰粉及炭黑等摻入單口圓底瓶中，依照步驟(1) 的方法，置于集熱式恒溫加熱油浴鍋中反應(yīng)后，在105℃下減壓脫水2h，降至65℃即可得B 組分。

（3）將所得A、B 組分充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，將其放入磨具?nèi)進(jìn)行固化成型，靜置48h 脫膜后，再放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中90℃養(yǎng)護(hù)9h［6］，即可得不同配合比的聚氨酯填充材料試樣。

表3 正交實(shí)驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)Table 3 Mix proportion design of orthogonal experiment

2 性能指標(biāo)測(cè)試

為滿足高速鐵路軌道板下應(yīng)用要求，本文將測(cè)定不同配合比聚氨酯填充材料的硬度、抗壓強(qiáng)度、SEM、熱重、耐候性等性能指標(biāo)。

硬度測(cè)試：采用日本ASKER 橡膠硬度計(jì)，選定試樣平面上的5 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行硬度測(cè)試，取均值作為最終結(jié)果。

抗壓強(qiáng)度：根據(jù)GBT 17671-1999 水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法），將試樣置于微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的中心以使其均勻受力［7］，采用10mm/min 的加載速度逐漸壓縮，以下壓5mm 時(shí)的抗壓強(qiáng)度為準(zhǔn)［8］，記錄測(cè)試結(jié)果，總計(jì)進(jìn)行5 次測(cè)試，取均值作為最終結(jié)果。

SEM 形貌：使用液態(tài)快速冷凍試樣，斷面鍍金，采用掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)1000×，加速電壓25kV，進(jìn)行5 次圖像采樣觀測(cè)SEM 形貌。

熱重分析：稱取5mg 定量的試樣，置于TG 熱重分析儀上，以150mL/min 的速度通入氣體，通過(guò)程序控溫將試樣升值105℃保溫5～10 min，再將其升至800℃進(jìn)行測(cè)試［9］。

耐候性：此處主要測(cè)定耐鹽性、耐堿性等2 項(xiàng)指標(biāo)，具體根據(jù)GB/T 16777-2008，稱取定量的試樣分別置于5% 的NaCl、28.57 % 的NaOH 溶液中靜置96h 后，取出測(cè)試其硬度。

3 結(jié)果分析

3.1 聚氨酯填充材料的硬度分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，可得正交設(shè)計(jì)中各類配合比下的聚氨酯填充材料硬度性能如圖1 所示?？梢?jiàn)，因摻入的改性硅灰粉、改性炭黑、浮石等無(wú)機(jī)填料種類及比例不同，聚氨酯填充材料的硬度有顯著差異，而第9 種設(shè)計(jì)方案的試樣硬度最高，這源于3 種無(wú)機(jī)填料自身硬度優(yōu)于聚氨酯彈性體，試樣硬度隨無(wú)機(jī)填料種類而變化，且3 種無(wú)機(jī)填料的粒徑各異，由大及小依次為浮石、改性硅灰粉、改性炭黑，其影響聚氨酯填充材料的孔隙率，進(jìn)而影響硬度變化。

圖1 不同配合比下聚氨酯填充材料的硬度Fig. 1 Hardness of polyurethane filling materials with different mix proportions

3.2 聚氨酯填充材料的抗壓強(qiáng)度分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，可得各類配合比下的聚氨酯填充材料抗壓強(qiáng)度性能如圖2 所示。很明顯，第8 種設(shè)計(jì)方案下試樣的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)，這源于浮石基于大顆粒的骨架支撐作用建構(gòu)其與聚氨酯的松弛應(yīng)力過(guò)渡層結(jié)構(gòu)［10］，以確保傳遞應(yīng)力的均勻性，且可發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)增韌的作用，極大地優(yōu)化聚氨酯填充材料的抗壓強(qiáng)度。但是，浮石添加量過(guò)高，易引發(fā)沉底，影響試樣的抗壓強(qiáng)度，而適量添加改性的硅灰粉及炭黑，可提升預(yù)聚體的粘度，控制浮石下沉，且3 種無(wú)機(jī)填料粒徑各異，可更好地填充試樣的孔隙，增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度。

圖2 不同配合比下聚氨酯填充材料的抗壓強(qiáng)度Fig. 2 Compressive strength of polyurethane filling materials with different mix proportions

3.3 SEM 形貌分析

為測(cè)定無(wú)機(jī)填料對(duì)于聚氨酯填充材料性能的改性作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得摻入無(wú)機(jī)填料前后試樣的SEM 形貌如圖3 所示。顯然，未添加無(wú)機(jī)填料的聚氨酯填充材料表層溝壑明顯，棱角分明，裂紋容易擴(kuò)散，進(jìn)而影響其在高速鐵路軌道板下的應(yīng)用，而通過(guò)無(wú)機(jī)填料改性的聚氨酯填充材料表層溝壑不明顯，較為平整，這是因?yàn)榫郯滨ゾo密包裹無(wú)機(jī)填料，使其不能分散吸收外力沖擊，進(jìn)而提升聚氨酯填充材料的應(yīng)用性能。

圖3 摻入無(wú)機(jī)填料前后聚氨酯填充材料SEM 形貌變化Fig. 3 Changes of SEM morphology of polyurethane filling materials before and after adding inorganic fillers

3.4 TG 分析

將實(shí)驗(yàn)測(cè)得抗壓強(qiáng)度最優(yōu)的第9 種方案制成的試樣進(jìn)行TG 分析，與純聚氨酯進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4 所示。可見(jiàn)，無(wú)機(jī)填料改性的試樣熱穩(wěn)定性更優(yōu)，這是因?yàn)榫郯滨プ鳛榫€性的彈性高分子，線性分子內(nèi)的化學(xué)鍵可催生分子鏈的運(yùn)動(dòng)，造成熱穩(wěn)定性差，而此時(shí)，通過(guò)添加無(wú)機(jī)填料，可強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)緊實(shí)度，更好地覆蓋有機(jī)材料，且可一定程度降低聚氨酯的分子運(yùn)動(dòng)，提升其耐高溫性。

圖4 摻入無(wú)機(jī)填料前后聚氨酯填充材料TG 熱重變化Fig. 4 TG change of polyurethane filling material before and after adding inorganic filler

3.5 聚氨酯填充材料的耐老化性

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，可得聚氨酯填充材料的耐鹽性、耐堿性如圖5 所示，由圖可知，因長(zhǎng)期處于暴露于野外，鹽堿分子腐蝕下造成大分子鏈產(chǎn)生水解氧化，讓試樣溶脹、軟化，耐老化性能下降，但此處所得聚氨酯填充材料在耐鹽堿處理前后，硬度未見(jiàn)有明顯變化，尤其第8種方案的變化最小，耐鹽、堿的變化率分別為0.5%、1.08%，達(dá)到了高速鐵路軌道板下的應(yīng)用要求。究其原因，是因?yàn)榈? 種方案的填料配合比設(shè)計(jì)合理，緊密的結(jié)構(gòu)阻擋了鹽堿介質(zhì)向聚氨酯填充材料內(nèi)部的侵蝕，故而，未發(fā)生明顯溶脹、軟化現(xiàn)象，硬度較高，耐老化性能較優(yōu)。

圖5 聚氨酯填充材料的耐鹽堿性Fig. 5 Salt and alkali resistance of polyurethane filling materials

4 結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路軌道板下填充料中，CA 砂漿在30mm 以下填充厚度或軌道板與混凝土擋臺(tái)的間隙過(guò)窄時(shí)，強(qiáng)度受限，而取代其的樹(shù)脂基填充材料成本過(guò)高，無(wú)疑增加了聚氨酯彈性體的成本，限制了其應(yīng)用前景。而上述研究將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)向無(wú)機(jī)填料，擬通過(guò)填充料的改性，來(lái)降低樹(shù)脂基填充材料的用量，控制成本，以推進(jìn)聚氨酯彈性體在高速鐵路軌道板中的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，得出如下結(jié)論：

（1）無(wú)機(jī)填料具備低成本性，通過(guò)改性設(shè)計(jì)可更好地與有機(jī)基體相容，優(yōu)化聚氨酯填充材料的硬度、抗壓強(qiáng)度、SEM 形貌、熱穩(wěn)定性、耐老化性各項(xiàng)性能，具備替代CA 砂漿及樹(shù)脂基填充料的優(yōu)勢(shì)性，值得在高速鐵路軌道板下新型材料研制中予以推廣。

（2）新型聚氨酯填充材料使用無(wú)機(jī)填料后，可縮減樹(shù)脂基用量，控制成本，但是，其各項(xiàng)性能受無(wú)機(jī)填料類型、添加比影響，需根據(jù)高速鐵路軌道板下彈性填充材料的應(yīng)用需求，進(jìn)行適配選型及配比設(shè)計(jì)。