CN102219887A - 一种道砟粘结树脂及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种道砟粘结树脂及其制备方法和用途。该树脂由组分A和组分B组成。其中，组分A包含聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇与异氰酸酯的预聚体，组分B包含聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇和填充体系。该道砟粘结树脂采用双组分设计，在温度15-40℃条件下混合后的初始粘度较低，可以流畅的渗入道床内部，保证树脂快速固化，不影响铁路的正常运营。本发明以聚烯烃多元醇为主体原材料，材料的耐水及耐老化特性有很大提高。另外，本发明的双组份混合体积比为1∶1，解决了与喷涂设备相匹配的问题。

Description

一种道砟粘结树脂及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种道砟粘结树脂及其制备方法和用途。

背景技术

道床是指轨枕下面，路基面上铺设的道砟垫层。道砟通常是直径为20-70mm的小块状花岗岩，且石块与石块之间存在着空隙和摩擦力。有砟道床具有五大功用：(1)分压作用：将从轨枕传来的作用力分散并传于路基，使路基面的应力均匀并小于其容许强度；(2)约束轨道框架：提供道床阻力以约束轨道框架，起到固定轨枕位置、阻止轨枕纵向或横向移动、保持轨道方向和高低等几何形位的作用。由于道砟颗粒间的接触力可能比道床的理论应力大得多，所以可能出现由于接触应力过大而导致道床内的道砟产生较大磨损，甚至粉化的情况，最终造成道床的变形；(3)增弹减振：提供轨道所需要的弹性和阻尼，避免过大的动作用力传到路基等下部结构。吸收机车车辆的冲击和振动，使列车运行比较平稳。大大改善了机车车辆和钢轨、轨枕等部件的工作条件，延长了这些部件的使用寿命；(4)排水及防生杂草：道床所使用的透水性材料，可提供良好的排水性能，对减轻轨道冻害及提高路基的承载能力有着重要的作用；(5)方便维修养护：对于轨道在行车中产生的不平顺及方向不良等现象，可以通过捣固枕下碎石、道床中的道砟或进行拔道的方法加以整治。

通常，经过重载列车高荷载的反复作用，道床可能会产生表面下沉或断面变形的现象。道床变形包括弹性变形和永久变形两种形式。弹性变形随列车荷载的作用而产生，随列车荷载的移走而消失，对轨道起了增弹减振的作用。而永久变形则逐渐积累，易造成轨道变形。由于90％以上的轨道变形的原因都是道床变形，因此，减小道床变形对控制轨道变形极为重要。随列车荷载反复作用，道床产生的非正常变形，主要包括道床永久变形、道床脏污、道砟粉化、道砟坍塌、道床翻浆及道床板结等。道砟的弹性一旦丧失，钢筋混凝土轨枕上所受的荷载比正常状态时要增加50～80％。因此，道砟是解决道床出现的病害问题基础中的基础，有必要对道砟进行系统细致的研究。

目前，国际上提出了有砟道床“整体化”的概念，即通过在道砟上喷洒树脂来解决道床出现的病害问题。据国外资料介绍，喷涂粘结树脂将道床固化，可使道床刚度匹配均匀；提高承载能力，使道床的下沉量比普通道床减小约90％，而且可使线路的纵向、横向阻力增加约0.7～4倍，排水性能也大大得到改善，具有防脏、防冻、不长草等特点。具体地，1.利用树脂将道砟整体化，可以有效地提高道床阻力，尤其是在坡道制动区段及弯道地段可以明显提高道床的纵横向阻力，保证列车的行驶安全。另外，还可有效防止道床变形及下沉等现象；2.利用树脂将道砟整体化，尤其是将道砟表面层封闭，可以有效防止煤灰、沙土等粉尘污染物侵入道砟，延长道床的清筛周期，可以减少道床出现板结及粉化的现象，还可以长期为铁路轨道提供整体弹性；3.利用树脂将道砟整体化，可以通过控制过渡段线路中道砟的粘结深度，从而改变道床的刚度，实现道床刚度从大到小的平稳过渡；4.利用树脂将道砟整体化，可以有效地防止桥上道砟飞溅或坠落桥下事件的发生，为确保桥下行人及车辆的安全提供保证；5.利用树脂将道砟整体化的施工方法简单高效，可以大大提高道砟的使用寿命，节约后期道砟的维护成本，整个施工过程环保、无污染，不影响大机清筛作业，而且整体化后的道砟石子亦可重复利用。

一般情况下，在道床清筛捣固完毕后进行树脂喷洒工作。道砟粘结树脂材料为韧性材料，不会随着列车振动而发生破坏。将其喷涂到道砟上面后，树脂环绕在石头上并渗透其间，其渗入深度主要取决于树脂的数量、固化反应速度及道砟温度。树脂固化以后，道砟石子之间便形成点与点的粘结。这种粘结并不影响石子的重新利用，可以进行正常的机械捣固操作。另外，还可以通过调整树脂的固化速度，将道砟表面层封闭，进而防止道床的粉尘污染和雨水进入道床。

现阶段，国内铁路还没有路段使用成熟的道砟粘结树脂技术。曾经有实验表明，通过在道砟顶面铺设一层石棉道砟作为保护层，可以避免污物侵入下面的道砟，而且实验效果良好。另外，研究人员在多雨和粘土地区的铁路上还进行过聚氯乙烯软板封闭层的试验。即将一种厚约为1-5mm、质地柔软、弹性好、耐挠曲、耐磨蚀的化纤软板铺设在道砟上面，并检测其功能效果。结果表明该封闭层虽然防尘效果良好，但没有减振等其他作用效果，而且人为破坏较严重。对于具有良好的拉伸性能、粘接性能和耐久性能的道砟粘接树脂，国内的一些线路上也曾有实验，但均存在固化速度较慢、粘度较高及混合比例不符合设备要求(混合体积比1∶1)等问题，而且树脂材料大部分为国外进口，价格比较昂贵。

目前可能适用的道砟粘接树脂包括聚氨酯(PUR)体系、环氧树脂体系和不饱和聚酯体系。环氧树脂，虽然其强度较好，但具有弹性可调整范围小、在室温条件下固化慢、硬而脆及弹性差等缺点；不饱和聚酯树脂，虽然其粘度低、在室温条件下固化快，但质地硬且脆；聚氨酯树脂，具有固化速度较快、弹性调节容易且可调整范围大、强度居中及较为安全等优点，而且采用反应基浓度高的异氰酸酯基，可减少树脂用量，降低成本。

从现场实施的可能性角度出发，道砟粘接树脂必须具备以下条件：1.要有足够的韧性，具有很好的抗疲劳振动特性，也就是要求树脂不能太脆；2.树脂必须又很好的耐老化特性，必须经得起风吹雨淋太阳晒，实现长寿命要求；3.要有很好得施工特性，施工温度能够保证在5～40℃，能够进行室温固化，固化时间可调，固化时间直接影响到粘结的深度。

然而，目前应用的道砟粘结树脂具有明显的不足：1.固化速度较慢，需要7天左右才能完全固化，只能适用于尚未投入使用的路线的施工，而对于既有线的施工，往往只有2-4个小时的施工时间，很难满足现场施工的固化速度要求；2.树脂粘度较高，不能很流畅的渗透入道床内部进行道砟的粘结；3.道砟粘接树脂的体积比不能达到施工设备要求的体积比1∶1。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有的道砟粘结树脂固化速度慢、树脂粘度高、体积比不能达到施工设备要求的缺点，提供一种固化速度快、树脂粘度低、能够以体积比1∶1施工的道砟粘结树脂。

本发明提供了一种道砟粘结树脂，该树脂由组分A和组分B组成。其中，组分A包含聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇与异氰酸酯的预聚体，组分B包含聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇和填充体系。

上述道砟粘结树脂以100重量份的组分A为基准，组分A包含10-30重量份的聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇与50-80重量份的异氰酸酯的预聚体，优选为10-20重量份的聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇与55-65重量份的异氰酸酯的预聚体。另外，组分A还包含10-40重量份的增塑剂，优选包含20-30重量份的增塑剂。

本发明所提供的树脂中，组分B的填充体系可以包括交联剂、增塑剂、催化剂和防老剂。并且，以100重量份的组分B为基准，组分B包含聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇50-80重量份，交联剂1-10重量份，增塑剂10-30重量份，催化剂1-10重量份，防老剂0.1-2重量份。

本发明所述的道砟粘结树脂，组分A和组分B中使用的聚烯烃多元醇选自端羟基聚丁二烯、氢化端羟基聚丁二烯、端羟基环氧华聚丁二烯、端羟基聚丁二烯-丙烯腈、端羟基丁苯液体橡胶和聚苯乙烯多元醇中的一种或多种，优选为端羟基聚丁二烯；使用的聚醚多元醇选自聚氧化丙烯多元醇、聚合物多元醇和聚四氢呋喃多元醇中的一种或多种，优选为自聚氧化丙烯多元醇。

本发明所述树脂组分A中使用的异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、六次甲基二异氰酸酯、4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯(英文简称PAPI)、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种，优选为4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯。

本发明所述树脂组成中的交联剂优选为短链多元醇或多元胺，其种类为本领域技术人员所公知，例如，可以包括乙二醇、丙三醇、1，4-丁二醇及MOCA(化学名称为：3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷或二邻氯二苯胺甲烷，一般称作：聚氨酯硫化剂，英文简称为：MOCA)，最优选为乙二醇。

本发明所述的树脂组分B中的防老剂可以包括抗氧剂和紫外线吸收剂。抗氧剂优选为抗氧剂1010，紫外线吸收剂优选为UV-327吸收剂。组分B中的交联剂可以包括多官能度聚醚和多元胺类。优选为聚醚三醇和/或聚醚四醇。组分B中的催化剂可以包括有机金属类催化剂或羧酸盐类催化剂。有机锡类催化剂优选为辛酸亚锡，羧酸盐类催化剂优选为醋酸钾。

本发明所述的道砟粘结树脂为聚氨酯树脂，其主要利用异氰酸酯的反应活性来实现各种特性功能。本发明涉及的反应机理为异氰酸酯与活泼氢进行聚氨酯反应，下面以羟基为例，描述异氰酸酯的反应机理(式1)：

RN＝C＝O+R’OH→RNHCOOR’(1)

由于水分子中也含有羟基，所以异氰酸酯也可以与水进行反应。因此，在大多数情况下，为了避免异氰酸酯与水发生不必要的反应，聚氨酯反应要避免与水接触。当然，异氰酸酯也可以与其它活泼氢基团反应，如胺酯基和脲基等。最常使用的是多元醇与异氰酸酯的反应，即利用-NCO与-OH进行聚氨酯反应，如式2所示：

HO-R-OH+OCN-R’-NCO→～～R-OOCHN-R’-NHCOO-R～～(2)

本发明还提供上述道砟粘接树脂的制备方法，该方法包括：

制备组分A：将聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇进行真空脱水处理后，加入异氰酸酯，同时加热搅拌反应，得到组分A。

制备组分B：将聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇及填充体系进行真空脱水处理后，降温得到组分B。

上述道砟粘接树脂的制备方法中，在制备组分A及制备组分B的步骤中的真空脱水处理的条件包括：搅拌速度为30-200转/分钟，优选为100转/分钟；温度为80-120℃，优选为80-120℃；真空度为0.07-0.1MPa，优选为0.1MPa；处理时间为1-4个小时。在制备组分A的步骤中，加入异氰酸酯时反应体系的温度为20-40℃，优选为30℃；加入异氰酸酯后，加热至70-80℃；搅拌速度为30-200转/分钟，优选为100转/分钟；反应时间为3-5小时，优选为4小时。

本发明所述的树脂或者根据本发明所述方法制备得到的树脂用于粘结道砟的用途。例如，在单元板式无砟轨道凸形挡台，填充树脂的现场施工方法如下：

(1)确认环境，禁止在雨雪天气施工。

(2)整理道砟，对施工地点进行清理，确保喷涂部位干燥，做好防污准备，避免施工时将树脂遗撒在轨道板或钢轨上。

(3)加料。将A、B两组份分别加入喷涂设备的两个料罐中，预热后开启循环模式，使原料在设备管路内充分循环，并检查有无泄漏或堵塞情况。

(4)喷涂。开启喷涂设备的喷涂模式，通过压力泵将树脂的双组份充分气化，按体积比1∶1的比例混合，并将树脂喷涂在道砟表面，依靠树脂很好的初始流动性渗入道床内部，加强了道砟间的连接，达到道床整体固化的效果。因聚氨酯固化速度较快，喷涂时应分别施工，并根据渗透和喷涂量控制喷涂时间。一般地，喷枪流量为2～3L/min，每平方米土地面积的施工时间为5-10min，即总喷涂量在10-20L/m²。喷涂压力控制在0.2Mpa，喷涂高度为50mm，树脂喷涂至固化时间为30min。喷涂时喷枪头距作业面的距离应根据喷涂设备的压力进行调整，且喷枪头移动的速度要均匀，并随时检查喷涂树脂质量，发现问题应及时停机，查明原因妥善处理。喷涂完成后，检查喷涂表面固化程度及渗透深度。一般来讲，树脂的渗透深度主要取决于其喷涂量和固化速度。

(5)根据天气情况，进行防护措施，防止雨水影响施工质量。

本发明所述的道砟粘结树脂中，A组分和B组分在常温下都为粘度较低的液体，因此该树脂可以满足在温度为15-40℃条件下施工。并且，该树脂固化速度快，不会影响铁路的正常运营。另外，由于A组分和B组分可以按体积比为1∶1的比例喷涂在道砟表面，所以本发明解决了以往粘结树脂存在的与喷涂设备不相匹配的问题。还有，组分A采用聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇为主体原材料，材料的耐水及耐老化特性有很大提高。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。

实施例1

本实施例用于说明本发明提供的道砟粘结树脂的制备方法。

制备组分A：将聚醚多元醇1000(羟值112mgKOH/g)16.6重量份和邻苯二甲酸二丁酯23.7重量份，加入到配料釜内进行真空脱水处理。控制反应条件如下：搅拌速度为100转/分钟，温度为100℃，真空度为0.1MPa，连续反应2个小时。反应完毕后，降温至30℃，加入液化MDI(烟台万华)59.7重量份，同时升温至80℃，在搅拌速度为100转/分钟条件下，连续反应4个小时。然后，进行包装。

制备组分B：将聚醚多元醇1000(羟值112mgKOH/g)50.8重量份、聚醚多元醇303(羟值480mgKOH/g)25.4重量份、邻苯二甲酸二丁酯15.2重量份、交联剂乙二醇2.5重量份、催化剂辛酸亚锡5.1重量份、抗氧剂10100.5重量份及紫外线吸收剂UV3270.5重量份投入反应釜中进行真空脱水处理。控制反应条件如下：温度为100℃，真空度为0.1MPa，连续加热反应2个小时。完毕后，降温至50℃，进行包装。

实施例2

本实施例用于说明本发明提供的道砟粘结树脂的制备方法。

制备组分A：以100重量份的A组分为基准。将聚醚多元醇1000(羟值112mgKOH/g)15.5重量份和邻苯二甲酸二丁酯32.3重量份，加入到配料釜内进行真空脱水处理。控制反应条件如下：搅拌速度为100转/分钟，温度为100℃，真空度为0.1MPa，连续反应2个小时。反应完毕后，降温至30℃，加入液化MDI(烟台万华)52.2重量份，同时升温至80℃，在搅拌速度为100转/分钟条件下，连续反应4个小时。然后，进行包装。

制备组分B：以100重量份的B组分为基准。将聚醚多元醇1000(羟值112mgKOH/g)58.7重量份、邻苯二甲酸二丁酯27.2重量份、交联剂MOCA 8.6重量份，交联剂乙二醇2.2重量份、催化剂辛酸亚锡1.1重量份、催化剂异辛酸铅1.1重量份、抗氧剂1010 1.1重量份投入反应釜中进行真空脱水处理。控制反应条件如下：温度为100℃，真空度为0.1MPa，连续加热反应2个小时。完毕后，降温至50℃，进行包装。

实施例3

本事实例用于说明通过实施例1及实施例2制备得到的道砟粘结树脂在大秦重载铁路施工中的应用。

(1)确认环境适宜，非雨雪天气进行施工。

(2)整理道砟，按标准堆积，捣鼓。

(3)选用聚氨酯专用喷涂机(GRACO，REACTOR E-10)，接通电源后检查空运转情况良好。先用压缩空气吹净道砟基层上的灰尘，以保证聚氨酯粘结良好。在两料筒中分别注入通过实施例1制备得到的组分A和组分B，并开启预热至30℃。然后，进行物料循环，并经过检查未发现泄漏或堵塞情况。

(4)喷涂时分别施工，喷枪流量为2L/min，每平方米土地面积施工时间为5min。总喷涂量为10L/m²。按每平米10-20升进行喷涂。喷涂压力为0.2Mpa，喷涂高度为50mm，树脂喷涂至固化时间为30min。

喷涂完成30min后，检查喷涂表面固化程度，结果表明，树脂表面已经达到指干程度，即手指触摸树脂表面不会出现粘手现象。说明树脂已经基本固化。而通过扒开部分道砟从侧面观察树脂渗透深度，根据不同的喷涂量，树脂的渗透深度为15-35cm，说明可以渗透入道砟内部。

(5)洗喷涂机，将所有物料清理移除现场。进行防护措施，防止雨水影响施工质量。

Claims (11)

1.一种道砟粘结树脂，其特征在于，该树脂由组分A和组分B组成，其中，组分A包含聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇与异氰酸酯的预聚体，组分B包含聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇和填充体系。

2.根据权利要求1所述的树脂，其中，以100重量份的组分A为基准，所述组分A包含10-30重量份的聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇与50-80重量份的异氰酸酯的预聚体，优选为10-20重量份的聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇与55-65重量份的异氰酸酯的预聚体。

3.根据权利要求1或2所述的树脂，其中，以100重量份的组分A为基准，所述组分A还包含10-40重量份的增塑剂，优选包含20-30重量份的增塑剂。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的树脂，其中，所述填充体系包括交联剂、增塑剂、催化剂和防老剂。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的树脂，其中，以100重量份的组分B为基准，所述组分B包含聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇50-80重量份，交联剂1-10重量份，增塑剂10-30重量份，催化剂1-10重量份，防老剂0.1-2重量份。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的树脂，其中，在所述组分A和组分B中，所述聚烯烃多元醇选自端羟基聚丁二烯、氢化端羟基聚丁二烯、端羟基环氧华聚丁二烯、端羟基聚丁二烯-丙烯腈、端羟基丁苯液体橡胶和聚苯乙烯多元醇中的一种或多种，优选为端羟基聚丁二烯；所述聚醚多元醇选自聚氧化丙烯多元醇、聚合物多元醇和聚四氢呋喃多元醇中的一种或多种，优选为自聚氧化丙烯多元醇。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的树脂，其中，所述异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、六次甲基二异氰酸酯、4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种，优选为4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯。

8.权利要求1至7中任一项所述道砟粘接树脂的制备方法，该方法包括：

制备组分A：将聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇进行真空脱水处理后，加入异氰酸酯，同时加热搅拌反应，得到组分A；

制备组分B：将聚烯烃多元醇和/或聚醚多元醇及填充体系进行真空脱水处理后，降温得到组分B。

9.根据权利要求8中所述的制备方法，其中，在制备组分A及制备组分B的步骤中的真空脱水处理的条件包括：搅拌速度为30-200转/分钟，优选为100转/分钟；温度为80-120℃，优选为80-120℃；真空度为0.07-0.1MPa，优选为0.1MPa；处理时间为1-4个小时。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其中，在制备组分A的步骤中，加入异氰酸酯时反应体系的温度为20-40℃，优选为30℃；加入异氰酸酯后，加热至70-80℃；搅拌速度为30-200转/分钟，优选为100转/分钟；反应时间为3-5小时，优选为4小时。

11.权利要求1至7中任一项所述的树脂或者根据权利要求8至10中任一项所述方法制备得到的树脂用于粘结道砟的用途。