CN109912256A - 一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基及其铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基及其铺设方法，高铁路基包括质量含量为1%‑10%的聚氨酯高聚材料和质量含量为90%‑99%的碎石，聚氨酯高聚材料由A原料和B原料以1∶0.3至1∶12的质量比混合反应制得，A原料为氰酸酯类材料，B原料包括多元醇、疏水剂、扩链剂、表面活性剂、偶联剂、抗氧剂、发泡剂、催化剂。本发明的优点是：提高了高铁路基材料的强度、密实性、保水性、抗收缩开裂性、抗冻融性、抗水损以及抗酸性，在列车荷载下能够防止水侵蚀高铁路基，克服高铁路基翻浆冒泥问题，避免重复修复。

Description

一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基及其铺设方法

技术领域

本发明属于高铁路基技术领域，具体涉及一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基及其铺设方法。

背景技术

路基是铁路轨道的基础，它承受铁路轨道的重量及机车车辆的动力荷载，同时还不断遭受到水流、风沙、雨雪、严寒、高温等的侵袭和各种不良地质条件及人为因素的影响。

高铁无砟轨道翻浆冒泥病害主要是底座板（或支承层）和基床表层之间的翻浆冒泥，该病害在CRTS I型无砟轨道板中较为严重。

翻浆冒泥是指在列车往复荷载作用下，路基土层中细颗粒土移动至上部粗骨料层中，在雨水和列车循环荷载作用下，泥浆（土水混合物）或粗颗粒土（严重时）也会从底座板和封闭层之间的侧缝和伸缩缝翻出。路基翻浆会引起纵向上基础刚度不均匀，造成无砟轨道差异沉降，沪宁城际因为翻浆冒泥造成了垂直加速度达到Ⅱ级甚至Ⅲ级超限，影响轨道的平顺性，从而降低列车运行的安全性和舒适性。国内有许多学者都对路基翻浆产生的原因和治理办法进行了研究。研究认为级配不良、排水系统不完善和列车高频震动是导致翻浆的内外因素；基床翻浆导致路基对轨道结构支承及约束作用降低，加剧了无砟轨道结构的振动，其中底座板振动放大效应尤其明显，且振动放大效应随车速增加而增大；基床翻浆改变了无砟轨道与路基基床间振动波传递状态，限制了路基基床减振耗能作用的发挥。

现有的解决方案只能依靠人工排查和修补来对翻浆冒泥问题进行处理，处理之后一段时间翻浆冒泥任会反复。虽然现有整治方法能够在短时间内减缓翻浆病害，但是由于其从治理病害机理、治理材料选型和施工装备上都存在一些不足，进而导致翻浆病害的持续重复发生。因此，对能够有效根治路基翻浆病害的工艺的需求极为迫切。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基及其铺设方法，通过采用特殊配比的聚氨酯高聚材料提高了高铁路基结构的使用寿命，提高了基底材料的强度、密实性、保水性、抗收缩开裂性、抗冻融性、抗水损以及抗酸性。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基，其特征在于，所述高铁路基包括质量含量为1%-10%的聚氨酯高聚材料和质量含量为90%-99%的碎石，所述聚氨酯高聚材料由A原料和B原料以1∶0.3至1∶12的质量比混合反应制得，所述A原料为氰酸酯类材料，所述B原料包括多元醇、疏水剂、扩链剂、表面活性剂、偶联剂、抗氧剂、发泡剂、催化剂，混合反应的反应温度为-10°C至100°C。

所述A原料中异氰酸基的质量含量为15%-30%，所述A原料的粘度为100-300mPa﹒s。

所述A原料包括质量比为1∶9至3∶7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，所述多元醇改性二苯基甲烷二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯改性预聚体，改性所采用的多元醇为2官能度的聚醚多元醇，所述聚醚多元醇的数均分子量为200-800。

所述多元醇为一种或多种多元醇的混合物，所述多元醇的平均分子量为100-1000，所述多元醇的官能度为3-8，所述扩链剂为分子量小于800 的含活泼氢原子化合物的混合物。

所述发泡剂为水、卤代烃、烃类化合物、气体中的一种或多种组合，所述发泡剂的质量为所述多元醇与所述扩链剂总质量的0.8%-15.0%，所述催化剂为胺类催化剂和/或有机金属催化剂，所述催化剂的质量为所述多元醇与所述扩链剂总质量的0.001%-13.0%。

一种涉及任一所述的采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基的铺设方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用摊铺机将碎石进行摊铺作业，对摊铺后的碎石进行碾压以构建碎石基底材料，所述碎石为级配碎石，所述碎石基底材料厚度为40cm-50cm，在所述碎石基底材料的顶面上定位注射点，所述注射点呈矩阵状间隔设置，相邻的所述注射点的间距为40cm-60cm；

将A原料和B原料输送至反应装置中反应生成聚氨酯高聚材料，采用气动双液注浆泵将所述聚氨酯高聚材料通过所述注射点注入所述碎石基底材料中，待所述碎石与所述聚氨酯高聚材料胶结形成整体后得到所述高铁路基。

在注入所述聚氨酯高聚材料过程中，所述气动双液注浆泵在前一所述注射点完成注入后，待所述聚氨酯高聚材料反应固化并膨胀填充所述碎石基底材料的孔隙中后，再移动至下一所述注射点进行注入。

在注入所述聚氨酯高聚材料过程中，所述气动双液注浆泵通过控制所述聚氨酯高聚材料的注射速率控制每个所述注射点的注入量。

所述铺设方法应用于新建高铁基床建设初期进行。

所述铺设方法应用于既有高铁线路上，在既有高铁线路上进行施工时，所述注射点需钻孔穿过高铁轨道板。

本发明的优点是：提高了高铁路基材料的强度、密实性、保水性、抗收缩开裂性、抗冻融性、抗水损以及抗酸性。在列车荷载下能够防止水侵蚀高铁路基，克服高铁路基翻浆冒泥问题，避免重复修复；提高了高铁路基结构的使用寿命，原料成本低，经济效益高，操作便捷，提高了施工效率。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：本实施例具体涉及一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基，包括质量含量为1%-10%的聚氨酯高聚材料和质量含量为90%-99%的碎石，碎石作为主要基底，聚氨酯高聚材料对碎石的间隙处进行填充，构成整体的高铁路基结构。聚氨酯高聚材料的用量与碎石的粒径直接关联，粒径越大导致空隙越大，使用的聚氨酯高聚材料越多。

本实施例中，聚氨酯高聚材料由A原料和B原料以1∶0.3至1∶12的质量比混合反应制得，A原料为氰酸酯类材料，B原料包括多元醇、疏水剂、扩链剂、表面活性剂、偶联剂、抗氧剂、发泡剂、催化剂，混合反应的反应温度为-10°C至100°C。聚氨酯高聚材料为高分子聚合物，聚氨酯高聚材料的主链上具备重复的—HNCO—O—基团。通过A原料和B原料混合能够高效率地生成施工所需的聚氨酯高聚材料。上述A、B组分重量比和反应温度对获取的聚氨酯高聚材料性能见表1。

本实施例中，A原料中异氰酸基的质量含量为15%-30%。A原料的粘度为100-300mPa﹒s，上述粘度能够保证反应后的聚氨酯高聚材料能够顺畅地流入碎石的间隙中。A原料包括质量比为1∶9至3∶7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，质量比对聚氨酯高聚材料性能见表1中的A原料的组分占比的项目。多元醇改性二苯基甲烷二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯改性预聚体，改性所采用的多元醇为2官能度的聚醚多元醇，聚醚多元醇的数均分子量为200-800，多元醇的数均分子量能够控制值多元醇改性二苯基甲烷二异氰酸酯的平均分子量、A原料中异氰酸基的量。

本实施例中，B原料中的多元醇为一种或多种多元醇的混合物，多元醇的平均分子量为100-1000，多元醇的官能度为3-8，扩链剂为分子量小于800 的含活泼氢原子化合物的混合物。发泡剂为水、卤代烃、烃类化合物以及气体中的一种或多种组合，发泡剂的质量为多元醇与扩链剂总质量的0.8%-15.0%，催化剂为胺类催化剂和/或有机金属催化剂，催化剂的质量为多元醇与扩链剂总质量的0.001%-13.0%。上述发泡剂和催化剂占比对聚氨酯高聚材料性能见表1中的发泡剂占比的项目和催化剂占比的项目。

本实施例中的碎石包括两种规格。规格一的碎石包括粒径0-3mm的碎石、粒径3-5mm的碎石、粒径5-15mm的碎石以及粒径15-25mm的碎石，上述碎石的质量比为（5-10）：（7-13）：（26-36）：（38-48），尤其在质量比为8：10：34：43时强度最好。规格二的碎石包括粒径0-5mm的碎石、粒径5-15mm的碎石以及粒径15-25mm的碎石，上述碎石的质量比为（22-31）：（30-40）：（28-36）。

表1：原料使用参数及聚氨酯高聚材料的性能对照表

根据表1所示，本实施例中的聚氨酯高聚材料的反应时间为15s-45s，表面干燥时间为50s-150s，反应速度和干燥速度较快，有助于提高施工效率。材料早期强度满足90分钟抗压强度大于3MPa。改性聚氨酯材料在干、湿条件下均满足无侧限抗压强度30分钟≥15MPa以及3天≥20MPa。改性聚氨酯材料断裂伸长率大于0.5%，闭孔率大于85%，粘结强度大于0.5MPa，具备在pH为2或14的溶液浸泡30天抗压强度维持75%以上，具备良好的耐酸性和耐碱性。遇水反应密度保持率为：10倍水条件下≥70%，对水不敏感。抗冻性能良好，在200次抗冻试验后，抗压强度保持率大于75%，且外观无剥落。改性聚氨酯材料中挥发性有机物（VOC）含量小于35g/m²。

本实施例具有如下优点：提高了高铁路基材料的强度、密实性、保水性、抗收缩开裂性、抗冻融性、抗水损以及抗酸性。在列车荷载下能够防止水侵蚀高铁路基，克服高铁路基翻浆冒泥问题，避免重复修复。

本实施例中采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基的铺设方法，包括以下步骤：采用摊铺机将碎石进行摊铺作业，对摊铺后的碎石进行碾压以构建碎石基底材料，使用振动压路机、三轮光碾压路机和胶轮压路机中的一种或多种进行碎石碾压操作。碎石基底材料厚度为40cm-50cm，在碎石基底材料的顶面上定位注射点，注射点呈矩阵状间隔设置，相邻注射点的间距为40cm-60cm。预先将碎石基底材料摊铺碾压，构成具备空隙的碎石基底材料，设置注射点供聚氨酯高聚材料进入，40cm-60cm间距以及40cm-50cm的碎石基底材料厚度能够保证氨酯高聚材料快速填充，提高填充效率。将A原料和B原料输送至反应装置中反应生成聚氨酯高聚材料，采用气动双液注浆泵将聚氨酯高聚材料通过注射点注入碎石基底材料中，待碎石与聚氨酯高聚材料胶结形成整体后得到高铁路基。

本实施例中在注入聚氨酯高聚材料过程中，气动双液注浆泵在前一注射点完成注入后，待聚氨酯高聚材料反应固化并膨胀填充碎石基底材料的孔隙中后，再移动至下一注射点进行注入。氨酯高聚材料反应固化后，能够具备足够的抗压性能供注浆设备通过，避免聚氨酯高聚材料注浆和反应不充分而导致高铁路基缺陷。气动双液注浆泵通过控制聚氨酯高聚材料的注射速率控制每个注射点的注入量，控制注入量能够保证高铁路基在各个位置都具有均一的强度，使得高铁运行更为稳定。

本实施例具有如下优点：能够获取结构稳定的高铁路基，提高了高铁路基结构的使用寿命，操作便捷，提高了施工效率。

Claims (10)

1.一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基，其特征在于，所述高铁路基包括质量含量为1%-10%的聚氨酯高聚材料和质量含量为90%-99%的碎石，所述聚氨酯高聚材料由A原料和B原料以1∶0.3至1∶12的质量比混合反应制得，所述A原料为氰酸酯类材料，所述B原料包括多元醇、疏水剂、扩链剂、表面活性剂、偶联剂、抗氧剂、发泡剂、催化剂，混合反应的反应温度为-10°C至100°C。

2.根据权利要求1所述的一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基，其特征在于，所述A原料中异氰酸基的质量含量为15%-30%，所述A原料的粘度为100-300mPa﹒s。

3.根据权利要求2所述的一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基，其特征在于，所述A原料包括质量比为1∶9至3∶7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，所述多元醇改性二苯基甲烷二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯改性预聚体，改性所采用的多元醇为2官能度的聚醚多元醇，所述聚醚多元醇的数均分子量为200-800。

4. 根据权利要求1所述的一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基，其特征在于，所述多元醇为一种或多种多元醇的混合物，所述多元醇的平均分子量为100-1000，所述多元醇的官能度为3-8，所述扩链剂为分子量小于800 的含活泼氢原子化合物的混合物。

5.根据权利要求4所述的一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基，其特征在于，所述发泡剂为水、卤代烃、烃类化合物、气体中的一种或多种组合，所述发泡剂的质量为所述多元醇与所述扩链剂总质量的0.8%-15.0%，所述催化剂为胺类催化剂和/或有机金属催化剂，所述催化剂的质量为所述多元醇与所述扩链剂总质量的0.001%-13.0%。

6.一种涉及权利要求1-5任一所述的采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基的铺设方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用摊铺机将碎石进行摊铺作业，对摊铺后的碎石进行碾压以构建碎石基底材料，所述碎石为级配碎石，所述碎石基底材料厚度为40cm-50cm，在所述碎石基底材料的顶面上定位注射点，所述注射点呈矩阵状间隔设置，相邻的所述注射点的间距为40cm-60cm；

将A原料和B原料输送至反应装置中反应生成聚氨酯高聚材料，采用气动双液注浆泵将所述聚氨酯高聚材料通过所述注射点注入所述碎石基底材料中，待所述碎石与所述聚氨酯高聚材料胶结形成整体后得到所述高铁路基。

7.根据权利要求6所述的一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基的铺设方法，其特征在于，在注入所述聚氨酯高聚材料过程中，所述气动双液注浆泵在前一所述注射点完成注入后，待所述聚氨酯高聚材料反应固化并膨胀填充所述碎石基底材料的孔隙中后，再移动至下一所述注射点进行注入。

8.根据权利要求6所述的一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基的铺设方法，其特征在于，在注入所述聚氨酯高聚材料过程中，所述气动双液注浆泵通过控制所述聚氨酯高聚材料的注射速率控制每个所述注射点的注入量。

9.根据权利要求6所述的一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基的铺设方法，其特征在于，所述铺设方法应用于新建高铁基床建设初期进行。

10.根据权利要求6所述的一种采用聚氨酯稳定基层材料的高铁路基的铺设方法，其特征在于，所述铺设方法应用于既有高铁线路上，在既有高铁线路上进行施工时，所述注射点需钻孔穿过高铁轨道板。