CN104693413A - 一种用于高速铁路无砟轨道结构沉降修复的聚氨酯修补材料 - Google Patents

一种用于高速铁路无砟轨道结构沉降修复的聚氨酯修补材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于高速铁路无砟轨道结构沉降修复的聚氨酯修补材料。该材料由A组分与B组分材料经高压碰撞混合反应而成，A组分与B组分的体积比为1∶1～1∶1.8；A组分为多元醇改性二苯基甲烷二异氰酸酯和多亚甲基多苯基异氰酸酯组成的混合物，A组分在25℃下的粘度为100mPa.s～200mPa.s，B组分为多元醇、偶联剂、水解稳定剂、交联剂、匀泡剂、催化剂和发泡剂组成的混合物，B组分在25℃下粘度为150mPa.s～300mPa.s，其特征在于多元醇中至少有一部分8官能度的端胺基聚烯烃多元醇，端胺基含量为60％～80％。依照本发明制备的聚氨酯修补材料具有化学反应迅速、膨胀力高、机械强度高、粘结力强、尺寸稳定性高、抗水解性能好以及累积残余变形小的特性，此材料可用于高速铁路无砟轨道结构沉降修复，也可用于高速公路路面结构及工厂厂房地坪的沉降修复。

Description

一种用于高速铁路无砟轨道结构沉降修复的聚氨酯修补材料
技术领域
本发明涉及一种用于高速铁路无砟轨道结构沉降修复的聚氨酯修补材料，也适用于高速公路混凝土路面及厂房内混凝土地坪等结构物的沉降修复，属于聚氨酯泡沫技术领域。
背景技术
随着我国社会和经济的快速发展，人们对出行的要求越来越高，快捷、安全、舒适的高速铁路是我国客运铁路发展的主要方向，即将建成的四纵四横高速铁路网也将会极大地改善人们的出行条件。通常高速铁路线路大部分采用无砟轨道结构，并且广泛采用了“以桥代路”的设计思路，这在一定程度上保证了线路的稳定性，确保了线路的高平顺性；然而，根据线路的需要，也有一部分无砟轨道线路采用的是路基基础，通常高速铁路路基基础需要经历较长的时期才能达到稳定状态；工程实践表明，由于地基、路基的不可控工后沉降变形造成的线路局部沉降变形已成为国内外无砟轨道线路运营过程中面临的主要问题之一，尤其是对于我国高速铁路无砟轨道建设周期较短的线路，均已出现了不同程度的线路沉降病害，如最早开通的京津城际客运专线出现了地基区域性沉降变形；武广高铁耒阳车站由于路基沉降导致无砟轨道板脱空、开裂等病害；沪杭高铁由于路基整体沉降导致其无砟轨道结构最大沉降了10cm；而津秦铁路客运专线和大西铁路客运专线则在开通运营前均已出现了由于地基下沉导致的线路局部沉降变形过大的问题。对于这些沉降变形的线路，通常采用调整扣件更换轨下垫板或者顺坡的方式恢复线路的平顺性，而对于局部沉降量过大且超出了扣件可调整量的线路，目前各国只能采取限速运营或停运整修的方式进行处理，这严重影响了无砟轨道线路的正常运营。
对轨道结构进行直接注浆抬升修复，是解决无砟轨道结构沉降病害的一种便捷方法。由于这一技术是在轨道结构这一层面进行的，可规避传统的在地基、路基中注浆(旋喷、粉喷等)等技术存在设备重量大、上道施工困难、线路线形不可控等难题。在对轨道结构进行抬升时，注浆材料的选择至关重要，要求其具有足够的膨胀力，以满足轨道结构抬升的需要，同时，其应具有快速固结、重量轻、扩散范围可控、强度发展迅速、耐久性优越等特点，以满足无砟轨道的结构特点及高速铁路天窗作业的需要。为此，本发明提出了一种新型的高膨胀力、高体积稳定性及高粘结性能的用于无砟轨道结构沉降修复的聚氨酯修补材料。与传统的广泛应用的聚氨酯修补材料相比，其具有膨胀力大，强度发展迅速、力学强度高，在遇水的环境中不易水解，耐酸碱优越、体积稳定性高等优点。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种流动性好、反应速度快、高膨胀力、高体积稳定性、高粘结性能、低残余变形及抗水解性能优异的双组份聚氨酯修补材料，该材料可用于路基段高速铁路无砟轨道结构沉降修复，也可用于公路路面抬升以及工厂厂房地坪的沉降修复。
技术方案：为了实现上述目的，本发明提供了一种聚氨酯修补材料，该材料由A、B双组份组成，A组分为异氰酸酯由下列质量分数的原料组成：由多元醇改性二苯基甲烷二异氰酸酯和多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合而成，二者的质量比为为2∶8～5∶5，-NCO含量为22％～29％；B组分由下列质量分数的原材料组成：多元醇占75％～90％，发泡剂占多元醇的5.5％～11％，匀泡剂占多元醇的0.5％～3％，交联剂占多元醇的3％～6％，偶联剂占多元醇的1％～3％，水解稳定剂占多元醇的3％～5％，催化剂占多元醇的0.5％～2％。A组分与B组分的体积比为1∶1～1∶1.8，A组分25℃下的粘度为100mPa.s～200mPa.s；所述B组分在25℃下粘度为150mPa.s～300mPa.s。
上述的多元醇改性二苯基甲烷二异氢酸酯，多元醇为2官能度聚醚多元醇，分子量为200～400。
上述B组分中的多元醇为聚醚多元醇、聚脲多元醇、聚烯烃多元醇、聚酯多元醇、接枝多元醇、生物基多元醇中的两种或两种以上的多元醇组成的混合物；多元醇平均官能度为4～8，分子量为200～500，多元醇中至少有一部分为8官能度的端胺基聚醚多元醇，其端氨基含量达60％～80％。
上述B组分中的偶联剂为环氧基的硅烷偶联剂；水解稳定剂为缩水甘油醚类环氧化合物。
上述B组分中的发泡剂为二氯甲烷和水的混合物，水为主发泡剂，二氯甲烷为辅助发泡剂；匀泡剂为有机硅表面活性剂，主要为为聚硅氧烷-氧化烯烃嵌段共聚物。
上述B组分中的催化剂为叔胺类催化剂和有机金属锡催化剂组成的混合物，二者的质量比为2∶8～4∶6。
上述B组分中的交联剂为甘油和三乙醇胺的混合物，二者的质量比例为3∶7～5∶5。
上述的一种聚氨酯修补材料具有优异的物理力学性能和耐久性能，能够满足高速铁路无砟轨道结构天窗时间作业的需要，其起发时间为3s～10s，表干时间为13s～20s；膨胀力≥0.7MPa；15min抗压强度≥0.5MPa；2h抗压强度≥1.5MPa；与混凝土粘结力≥0.5MPa；泡水90d后抗压强度保持率≥95％；在最大压应力为0.3MPa时，经500万次疲劳荷载，聚氨酯修补材料的累积残余变形≤1％。
工作机理：目前的双组份聚氨酯材料难以满足天窗时间内无砟轨道结构抬升修复的需要。为了实现反应速度快、抬升力大、强度发展迅速、力学强度高、耐水性好以及尺寸稳定性高的效果，本发明B组分中采用了部分8官能度且含有一定量的端氨基聚烯烃多元醇，8官能度多元醇能够提高修补材料的结构强度和尺寸稳定性，端胺基能够提高修补材料的反应速度，满足天窗点内作业的需要，聚烯烃多元醇能够提高修补材料的耐水解性能。多元醇中加入一定量的聚脲多元醇降低修补材料对水的敏感性，采用高官能度多元醇与低官能度多元醇复配的技术降低修补材料的粘度。采用在B组分中添加一定量的含环氧基的硅烷偶联剂，从而提高了聚氨酯修补材料与混凝土结构和级配碎石的粘结性能；同时，采用在B组分中添加一定量的缩水甘油醚类环氧化合物，能够抑制和延缓酯基的水解，提高修补材料的耐水解性能和稳定性能。此外，采用物理发泡剂和化学发泡剂作为复合发泡剂，既能保证聚氨酯修补材料的膨胀性能和填充性能，又能降低聚氨酯修补材料的粘度；通过调整两种催化剂用量与比例，实现聚氨酯材料发泡反应速度与凝胶反应速度相平衡，形成力学性能良好的泡沫体网络骨架，制备出性能优异的聚氨酯修补材料；复合交联剂的使用，能够显著提高聚氨酯修补材料的机械强度、尺寸稳定性及抗疲劳性能。本发明A组分中采用了聚醚多元醇改性二苯基甲烷二异氰酸酯用于提高修补材料与混凝土结构和级配碎石的粘结强度，多亚甲基多苯基异氰酸酯能够提高聚氨酯修补材料的结构强度和尺寸稳定性。
有益效果：本发明提供的一种用于高速铁路无砟轨道沉降修复的聚氨酯修补材料，经过大量试验研究，该材料的各组分配比科学合理，修补材料具有以下优异的性能：
(1)化学反应迅速，能够满足天窗点内作业的需要。
(2)膨胀力高，能够用于不同类型的高速铁路无砟轨道结构。
(3)强度发展速度快，能够满足快速恢复通车运营的需要。
(4)粘结强度高，能够保证聚氨酯修补材料与支承层混凝土和级配碎石成为一体。
(5)尺寸稳定性高、耐水解性能好，能够保证聚氨酯修补材料的耐久性。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明的实施方案。这些实施例仅限于解释说明本发明，而不限定本发明的范围。
实施例1
具体实施例1如表1所示。
表1 具体实施例1
注：表中Mw表示化合物的平均分子量。
用高压发泡剂将A组分与B组分经高压碰撞混合后注入顶部有盖并且盖可以向上自由移动的钢圆模中，注入聚氨酯浆液的量为圆模体积的1/4，带盖圆模放置在电子万能试验机的上下压盘间，用电子万能试验机测试注浆后材料的膨胀力。抗疲劳性能试验最大荷载为0.3MPa，最小荷载为0.03MPa，加载频率为5HZ，用游标卡尺量取试样加载前后的厚度，计算500万次后累积残余变形。将混凝土试件切割成尺寸为50mm×50mm×25mm的试样，将两试样对中放置，试样间距为20mm，用牛皮纸和宽胶带将试样四周密封，在上部留有注浆孔，将混合好的浆液注入空腔中，20min后脱模，在混凝土试样外侧黏贴金属侧头，用电子万能试验机测试聚氨酯修补材料与混凝土的粘结性能，拉伸速率为10mm/min。测试结果见表2。
表2 根据具体实施例1生产的聚氨酯修补材料的性能
序号 试验项目 实施效果
1 起发时间(s) 6
2 表干时间(s) 15
3 膨胀力(MPa) 1.1
4 15min抗压强度(MPa) 2.0
5 2h抗压强度(MPa) 2.8
6 水解后抗压强度保持率(60℃±2℃，90d)(％) 100
7 粘结强度(MPa) 0.8
8 累积残余变形(％) 0.10
实施例2
具体实施例2如表3所示。
表3 具体实施例2
注：表中Mw表示化合物的平均分子量。
具体实施例2试验方法与实施例1的试验方法相同，实施效果见表4。
表4 根据具体实施例2生产的聚氨酯修补材料的性能
序号 试验项目 实施效果
1 起发时间(s) 6
2 表干时间(s) 15
3 膨胀力(MPa) 1.1
4 15min抗压强度(MPa) 2.0
5 2h抗压强度(MPa) 2.8
6 水解后抗压强度保持率(60℃±2℃，90d)(％) 100
7 粘结强度(MPa) 0.8
8 累积残余变形(％) 0.10
实施例3
具体实施例3如表5所示。
表5 具体实施例3
注：表中Mw表示化合物的平均分子量。
试验方法与实施例1的试验方法相同，实施效果见表6。
表6根据具体实施例3生产的聚氨酯修补材料的性能
序号 试验项目 实施效果
1 起发时间(s) 6
2 表干时间(s) 16
3 膨胀力(MPa) 0.9
4 15min抗压强度(MPa) 1.8
5 2h抗压强度(MPa) 2.2
6 水解后抗压强度保持率(60℃±2℃，90d)(％) 100
7 粘结强度(MPa) 0.6
8 累积残余变形(％) 0.12
实施例4
具体实施例4如表7所示。
表7 具体实施例4
具体实施例4的试验方法与实施例1的试验方法相同，实施效果见表8。
表8 根据具体实施例4生产的聚氨酯修补材料的性能
序号 试验项目 实施效果
1 起发时间(s) 4
2 表干时间(s) 14
3 膨胀力(MPa) 0.9
4 15min抗压强度(MPa) 1.9
5 2h抗压强度(MPa) 2.5
6 水解后抗压强度保持率(60℃±2℃，90d)(％) 98
7 粘结强度(MPa) 0.6
8 累积残余变形(％) 0.12
通过以上实施例可以看出，通过优选多元醇的品种和用量，添加8官能度端胺基聚烯烃多元醇，匹配合适的硅烷偶联剂、催化剂和交联剂体系，并添加适量的泡沫稳定剂和发泡剂，综合采用以上几种措施，可以得到具有化学反应迅速、膨胀力高、力学强度增长速度快、抗压强度高、粘结力强、尺寸稳定性高的聚氨酯修补材料。因此，本发明中所得到的聚氨酯修补材料能够较好地适用于沉降区高速铁路无砟轨道结构的注浆抬升修复，以及高速公路路面和工厂厂房地坪的沉降修复。

Claims (9)

1.一种用于高速铁路无砟轨道结构沉降修复的聚氨酯修补材料，其特征在于：由异氰酸酯组成的A组分和由多元醇、催化剂、匀泡剂、发泡剂、交联剂、水解稳定剂以及偶联剂组成的B组分按体积比为1∶1～1∶1.8的比例经高压碰撞混合后注入无砟轨道结构下，浆液快速发生化学反应并产生体积膨胀，将无砟轨道结构抬升至沉降前的水平。其中，所述A组分为多元醇改性二苯基甲烷二异氰酸酯和多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合物，A组分25℃下的粘度为100mPa.s～200mPa.s；所述B组分在25℃下粘度为150mPa.s～300mPa.s，B组分中多元醇平均官能度为4～8，分子量为200～500，且多元醇中至少有一部分为8官能度的端胺基聚烯烃多元醇，其端氨基含量达60％～80％。
2.如权利要求1所述的聚氨酯修补材料，其特征在于异氰酸酯为多元醇改性MDI和多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合物，二者的质量比为2∶8～5∶5，-NCO含量为22％～29％。
3.如权利要求1所述的聚氨酯修补材料，其特征在于偶联剂为含环氧基的硅烷偶联剂，其用量为B组分中多元醇的1％～3％；水解稳定剂为缩水甘油醚类环氧化合物，其用量为B组分中多元醇的3％～5％。
4.如权利要求2所述的多元醇改性二苯基甲烷二异氰酸酯，其特征在于所述多元醇为2官能度聚醚多元醇，分子量为200～400。
5.如权利要求1所述的聚氨酯修补材料，其特征在于B组分中多元醇由聚醚多元醇、聚脲多元醇和聚烯烃多元醇组成。
6.如权利要求1所述的聚氨酯修补材料，其特征在于发泡剂为化学发泡剂和物理发泡剂组成的混合物，其中，化学发泡剂为水，其用量为B组分中多元醇的0.5％～3％，为主发泡剂；物理发泡剂为二氯甲烷，其用量为B组分中多元醇的5％～8％，为辅助发泡剂；匀泡剂为有机硅表面活性剂，主要为聚硅氧烷-氧化烯烃嵌段共聚物，匀泡剂用量为B组分中多元醇的0.5％～3％。
7.如权利要求1所述的聚氨酯修补材料，其特征在于催化剂为叔胺类催化剂和有机金属锡催化剂组成的混合物，且叔胺类催化剂与有机金属锡催化剂的质量比为2∶8～4∶6，催化剂用量为B组分中多元醇的0.5％～2％。
8.如权利要求1所述的聚氨酯修补材料，其特征在于交联剂为甘油和三乙醇胺的混合物，二者的比例为3∶7～5∶5，交联剂用量为B组分中多元醇的3％～6％。
9.一种由权利要求1～11中任一项所述的沉降修复用聚氨酯修补材料，其特征在于，起发时间为3s～10s，表干时间为13s～20s；膨胀力≥0.7MPa；15min抗压强度≥0.5MPa；2h抗压强度≥1.5MPa；与混凝土粘结力≥0.5MPa；泡水90d后抗压强度保持率≥95％；在最大压应力为0.3MPa时，经500万次疲劳荷载，聚氨酯修补材料累积残余变形≤1％。
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