CN109942779A - 高铁无砟轨道离缝修补浆液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高铁无砟轨道离缝修补浆液及其制备方法，涉及高分子材料合成与制备领域，其原料包括A组分和B组分；所述的A组分为多元醇、扩链剂、疏水剂、偶联剂、抗氧剂以及催化剂的混合物；所述的B组分为异氰酸酯和疏水剂的混合物，其中异氰酸酯优选为二苯基甲烷二异氰酸酯、多苯基甲烷多异氰酸酯和改性MDI中的一种或组合。本发明的有益结果在于：制备出的双组分聚氨酯注浆液粘度低，容易施工，反应速率快能满足天窗时间，具有良好的力学性能。

Description

高铁无砟轨道离缝修补浆液及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子材料合成与制备领域，进一步地说，是涉及一种高铁无砟轨道离缝修补浆液及其制备方法。

背景技术

随着我国社会经济的快速发展和人们对出行速度要求的日益提高，高速铁路以其速度快、运量大、安全经济以及环境友好等优势得到了快速的发展，逐渐形成了“四纵四横”的路线网络。对时速大于200km/h的高速铁路，大部分采用无砟轨道结构，与有砟轨道相比，无砟轨道采用的是混凝土轨道结构来代替传统有砟轨道中离散的轨枕和松散的道砟，进一步保证了列车行驶的安全性和舒适性。

纵观高速铁路的发展趋势，几乎所有的高速铁路均以无砟轨道为主，有CRTSI、CRTSII以及CRTSⅢ型三种轨道结构，这些轨道结构中自密实混凝土层在线路运营过程中，持续受到外部环境侵蚀，同时受到机车车辆动荷载作用，难免产生各种病害。其中层间离缝，特别是自密实混凝土与底座支撑层间，出现离缝病害，并伴有渗浆的问题较为突出。离缝渗浆致使层间粘结力降低，约束急剧减少，离缝进一步发展可能产生层间相对位移等更为严重的后果。特别在南方，雨水比较多，且山里高铁隧道中的水难以排出，因此离缝渗浆的问题更加严重。长时间的渗浆会导致路基下沉，影响列车行驶的安全性，严重时可能会导致翻车的危险。此外，由于长时间受到车辆动载荷作用，轨道板还存在贯穿缝病害。

针对上述存在的问题，无水的层间离缝可以通过聚合物注浆的方式进行修复，具体的流程为，转孔—打磨封边面—涂刷底漆—插入注浆管—封边胶封边—注浆。常用的注浆液一般为环氧树脂和聚氨酯注浆液，且注浆过程往往对材料要求很高，需要材料具有较低的黏度，较快的固化速度，较高的粘接和力学强度以及一定的耐水性能。环氧树脂注浆液一般黏度高，不利于注浆；且固化后材料脆性大，不利于高铁动载荷离缝的修补。而聚氨酯注浆液因其优异的性能在高铁离缝修补上得到了大量的应用，由于其较快的固化速度和较低的黏度，非常适用于轨道板层间离缝修补。此外，相比环氧树脂注浆液具有更低的固化收缩率，已成为化学灌注浆材料的主要研究方向，广泛应用于混凝土裂缝修补加固及防水堵漏工程。

传统的聚氨酯注浆液主要有单组分和双组分两大类，但均存在制备过程繁琐，成本高等问题，特别是单组分聚氨酯注浆液还存在贮存的问题。此外，目前市面上出现的聚氨酯注浆液一般存在固化后抗压强度低、与混凝土的粘接强度低、固化时间长以及耐潮湿条件差等缺点。且考虑到我国高速铁路的天窗时间一般为4h，真正干活的时间可能也就有2-3个小时，因此要保证在天窗时间内，注浆液能发生固化且具有一定的抗压强度(大于30Mpa)，而这是市面上大多数聚氨酯注浆液产品所不能达到的。针对于此，为克服上述问题，本发明的双组分聚氨酯注浆液具有粘度低，制备简单，固化时间短，操作方便且容易贮存的特点。

发明内容

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种高铁无砟轨道离缝修补浆液及其制备方法。利用异氰酸酯与羟基或氨基化合物反应，在少量催化剂的作用下，A、B两组分混合制备聚氨酯注浆液。该反应原料易得、方法简单、操作简便，对扩大聚氨酯注浆液的实际应用具有十分重要的意义。

本发明所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其原料包括A组分和B组分

所述的A组分为多元醇、扩链剂、疏水剂、偶联剂、抗氧剂以及催化剂的混合物；

所述的B组分为异氰酸酯和疏水剂的混合物，其中异氰酸酯优选为二苯基甲烷二异氰酸酯、多苯基甲烷多异氰酸酯和改性MDI中的一种或组合。

本发明所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其原料中B组分的NCO基团与A组分中的OH和NH基团的当量比为0.95～1.05。

优选地，A组分中各原料的重量份数分别为：

B组分中各原料的重量份数分别为：

异氰酸酯 100份

疏水剂 1-10份

本发明发现聚醚多元醇相比聚酯多元醇具有更好的耐水解性，更能保证注浆材料在雨水环境下的稳定性和强度，提高它的使用寿命。另外，醇类的扩链剂相比胺类扩链剂反应更为平缓，容易控制。

因此，优选：

所述多元醇是聚乙二醇(Mn＝500、1000、2000)、聚丙二醇(Mn＝500、1000、2000)、聚四氢呋喃醚二元醇(Mn＝1000、2000、3000)、MDN聚醚多元醇(Mn＝500、1000)中的一种或组合，更有选地，所述多元醇至少包括MDN500，即多元醇选自MDN500，或MDN500与其他聚醚多元醇的组合。

所述扩链剂是1，4-丁二醇、乙二醇、丙二醇、一缩二乙二醇、1，4-环己二醇、丙三醇、乙二胺、3，3-二氯-4，4-二苯基甲烷二胺等中的一种或组合。

优选的，所述的异氰酸酯是氨酯改性MDI、碳化二亚胺改性MDI、多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI)、MDI-50等中的一种或组合。

所述疏水剂为低粘度憎水物质，其可降低体系的粘度，减缓反应的进行，降低产物中的气泡，且阻止体系与外界的水发生反应，降低副反应的发生概率，保证产物力学性能，优选为己二酸二辛脂(DOA)、2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇双异丁酸酯(TXIB)、2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单异丁酸酯、邻苯二甲酸二丁酯、蓖麻油、溶剂油S-1000等中的一种以上，且保证与聚氨酯相容性好，更有选地，所述疏水剂选自S-1000。

所述偶联剂为硅氧烷偶联剂，优选为γ―氨丙基三乙氧基硅烷以及KH560。偶联剂的作用是提高注浆液与混凝土结构的粘接性能。

所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，优选1010受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯组成复合抗氧剂，二者比例为1:1～1.2:1。抗氧剂的作用是提高材料的试样寿命，一定程度上阻止材料发生氧化。

所述的催化剂为叔胺类催化剂和有机金属催化剂中的一种或组合，可加快反应速度。优选叔胺类催化剂为三亚乙基二胺，有机金属催化剂为二月硅酸二丁基锡、有机铋和异辛酸锌。

本发明的制备方法包括以下步骤：

(1)A组分制备

将多元醇、扩链剂、疏水剂、偶联剂和催化剂依次倒入除水装置，加热至100～120℃以200～300rpm转速进行磁力搅拌均匀，在0.08～0.1MPa负压下持续抽真空脱水处理1.5～3h，然后将脱水产物冷却至室温后，加入催化剂继续搅拌30～60min，最后进行分装储存，得到A组分。

(2)B组分制备

在异氰酸酯中加入疏水剂，搅拌混合30～60min，脱除气泡，分装密封保存，得到B组分。

(3)将A组分和B组分通过高压注射机混合均匀，注射到离缝中即可。

本发明的有益结果在于：制备出的双组分聚氨酯注浆液粘度低，容易施工，反应速率快能满足天窗时间，具有良好的力学性能；具体性能如下：A、B两组分的粘度≤50mpa.s，凝胶时间≤10min，2h抗压强度≥40Mpa，2h拉伸强度≥15Mpa，断裂伸长率≥3％，7d粘接≥5Mpa等。另外，制备该注浆液的原材料常见，方法简便，施工难度系数较低。且本发明研究发现，MDN聚醚多元醇和疏水剂S-1000的选用为最佳实施方式，性能最优。

为使发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例中所用原料均为市售，实验方法如无特殊说明均为常规方法。

实施例1

多元醇MDN-500、二元醇聚乙二醇(Mn＝500)、小分子扩链剂1，4-丁二醇、疏水剂2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇双异丁酸酯(TXIB)、偶联剂KH560以及抗氧剂1010依次倒入除水装置中，加热到120℃并以250rpm的转速搅拌均匀，在0.1Mpa的负压下进行真空脱水处理2h后停止加热并冷却到室温，加入催化剂二月桂酸二丁基锡室温继续混合30min，倒出密封保存，即得到A组分。

将多苯基甲烷多异氰酸酯PAPI、二苯基甲烷二异氰酸酯MDI-50(来自万华)、溶剂油S-1000，混合30min，脱除气泡，即得到B组分。

将A组分和B组分分别倒入相应的料筒内，通过高压注射机混合均匀，注射到离缝中即可。

具体配方如下：

A组分和B组分的粘度分别为46mpa.s和40mpa.s，凝胶时间3min，2h抗压强度49Mpa，2h拉伸强度16Mpa，断裂伸长率10.7％，7d粘接强度为5.3Mpa。

实施例2

多元醇MDN-500、二元醇聚乙二醇(Mn＝500)、小分子扩链剂1，4-丁二醇、疏水剂2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇双异丁酸酯(TXIB)、偶联剂KH560以及抗氧剂1010依次倒入除水装置中，加热到120℃并以250rpm的转速搅拌均匀，在0.1Mpa的负压下进行真空脱水处理2h后停止加热并冷却到室温，加入催化剂二月桂酸二丁基锡室温继续混合30min，倒出密封保存，即得到A组分。

将多苯基甲烷多异氰酸酯PAPI、氨酯改性的MDI(来自万华)、疏水剂S-1000，混合30min，脱除气泡，即得到B组分。

将A组分和B组分分别倒入相应的料筒内，通过高压注射机混合均匀，注射到离缝中即可。

具体配方如下：

A组分和B组分的粘度分别为37mpa.s和50mpa.s，凝胶时间4min，2h抗压强度53Mpa，2h拉伸强度21Mpa，断裂伸长率14.1％，7d粘接强度为5.5Mpa。改性MDI的异氰酸酯的官能度一般大于2，本身具有一定的交联网络，因此反应形成的产物具有更好的力学性能。

实施例3

多元醇MDN-500、小分子扩链剂1，4-丁二醇、偶联剂KH560以及抗氧剂1010依次倒入除水装置中，加热到120℃并以250rpm的转速搅拌均匀，在0.1Mpa的负压下进行真空脱水处理2h后停止加热并冷却到室温，加入催化剂二月桂酸二丁基锡室温继续混合30min，倒出密封保存，即得到A组分。

将多苯基甲烷多异氰酸酯PAPI、二苯基甲烷二异氰酸酯MDI-50(来自万华)，混合30min，脱除气泡，即得到B组分。

将A组分和B组分分别倒入相应的料筒内，通过高压注射机混合均匀，注射到离缝中即可。

具体配方如下：

A组分和B组分的粘度分别为100mpa.s和35mpa.s，凝胶时间3min，2h抗压强度39Mpa，2h拉伸强度13Mpa，断裂伸长率9.1％，7d粘接强度为3.1Mpa。

疏水剂去除后可以明显的发现，A组分的粘度超出了指标要求，且强度明显的下降，低于指标要求。这是因为疏水剂的加入能降低体系的粘度，减缓反应的进行，降低产物中的气泡，阻止体系与外界的水发生反应，降低副反应的发生概率，保证产物力学性能，因此疏水剂是该体系中不可缺少的一种助剂。

实施例4

实施例2中B组分中由于引入了氨酯改性的MDI，其最终产物的力学强度较好，但并没有得到明显的提升。另外，两组分的粘度均稍偏高，一定程度上不利于施工，且反应较快。因此在上述实施例3的基础上，调整了疏水剂，A组分和B组分均选择了粘度更低的S-1000。由于该疏水剂本身是一种溶剂油，在降低体系粘度的同时，也保证了体系具有一定的疏水性能，进一步降低异氰酸酯基团发生副反应。此外，该溶剂油也具有一定的消泡作用。

多元醇MDN-500、小分子扩链剂1，4-丁二醇、疏水剂S-1000、偶联剂KH560以及抗氧剂1010依次倒入除水装置中，加热到120℃并以250rpm的转速搅拌均匀，在0.1Mpa的负压下进行真空脱水处理2h后停止加热并冷却到室温，加入催化剂二月桂酸二丁基锡室温继续混合30min，倒出密封保存，即得到A组分。

将多苯基甲烷多异氰酸酯PAPI和溶剂油S1000，混合30min，脱除气泡，即得到B组分。

将A组分和B组分分别倒入相应的料筒内，通过高压注射机混合均匀，注射到离缝中即可。

具体配方如下：

A组分和B组分的粘度分别为47mpa.s和41mpa.s，凝胶时间5min，2h抗压强度57Mpa，2h拉伸强度20Mpa，断裂伸长率13.9％，7d粘接强度为5.7Mpa。

实施例5

为了进一步证明多元醇MDN-500的关键性，接下来采用聚乙二醇和聚醚三醇作为多元醇，其它保持一致。

聚乙二醇、聚醚三醇、小分子扩链剂1，4-丁二醇、疏水剂S-1000、偶联剂KH560以及抗氧剂1010依次倒入除水装置中，加热到120℃并以250rpm的转速搅拌均匀，在0.1Mpa的负压下进行真空脱水处理2h后停止加热并冷却到室温，加入催化剂二月桂酸二丁基锡室温继续混合30min，倒出密封保存，即得到A组分。

将多苯基甲烷多异氰酸酯PAPI和溶剂油S1000，混合30min，脱除气泡，即得到B组分。

将A组分和B组分分别倒入相应的料筒内，通过高压注射机混合均匀，注射到离缝中即可。

具体配方如下：

A组分和B组分的粘度分别为50mpa.s和41mpa.s，凝胶时间3min，2h抗压强度27Mpa，2h拉伸强度10.9Mpa，断裂伸长率6.7％，7d粘接强度为2.7Mpa。相比实例4，可以看出实例5的力学性能显著降低，进一步说明MDN-500多元醇再一定程度上明显改善了注浆液固化后的力学性能。这是因为MDN-500是两官能度的聚醚多元醇和三官能度聚醚多元醇的一定比例的混合体。两官能度和三官能度聚多元醇互配，一方面能参与到扩链反应中，另一方面产生的支链能和多异氰酸酯基团发生反应，进而产生交联体系，改善固化物的性能。

实例4已经在贵广高铁离缝注浆修补中得到了应用，且效果良好，已经通过桂林高铁工务段的验收(验收证明如附图1所示)。

Claims (10)

1.一种高铁无砟轨道离缝修补浆液，其特征在于，由A组分和B组分组成；

所述A组分包括多元醇、扩链剂、疏水剂、偶联剂、抗氧剂以及催化剂的混合物；

所述B组分包括异氰酸酯和疏水剂的混合物，所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50)、多苯基甲烷多异氰酸酯(PAPI)和改性MDI中的一种或组合。

2.如权利要求1所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其特征在于，B组分的NCO基团与A组分中的OH和NH基团的当量比为0.95～1.05。

3.如权利要求1所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其特征在于，A组分中各原料的重量份数分别为：

4.如权利要求1所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其特征在于，B组分中各原料的重量份数分别为：

异氰酸酯 100份

疏水剂 1-10份。

5.如权利要求3所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其特征在于，所述多元醇是聚乙二醇、聚丙二醇、聚四氢呋喃醚二元醇、DMN聚醚多元醇，聚己二酸乙二醇酯二元醇、聚己二酸丁二醇酯二元醇、聚丁二酸丁二醇酯二元醇、聚己内酯中的一种或组合。

6.如权利要求3所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其特征在于，所述扩链剂是1，4-丁二醇、乙二醇、丙二醇、一缩二乙二醇、1，4-环己二醇、丙三醇、乙二胺、3，3-二氯-4，4-二苯基甲烷二胺等中的一种或组合。

7.如权利要求3所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其特征在于，所述的疏水剂为低粘度憎水物质；偶联剂为γ―氨丙基三乙氧基硅烷或KH560；所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯组成复合抗氧剂，且二者比例为1:1～1.2:1；所述的催化剂为叔胺类催化剂和有机金属催化剂中的一种或组合。

8.如权利要求1所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其特征在于，所述的改性MDI为碳化二亚胺改性MDI和氨酯改性MDI。

9.如权利要求1所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液，其特征在于的A组分和B组分的质量比为1:1～1.2:1。

10.如权利要求2-9任一项所述的高铁无砟轨道离缝修补浆液的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)A组分制备

将多元醇、扩链剂、疏水剂、偶联剂和催化剂依次倒入除水装置，加热至100～120℃以200～300rpm转速进行磁力搅拌均匀，在0.08～0.1MPa负压下持续抽真空脱水处理1.5～3h，然后将脱水产物冷却至室温后，加入催化剂继续搅拌30～60min，最后进行分装储存，得到A组分；

(2)B组分制备

在异氰酸酯中加入疏水剂，搅拌混合30～60min，脱除气泡，分装密封保存，得到B组分；

(3)将A组分和B组分通过高压注射机混合均匀，注射到离缝中即可。