CN110003835B - 用于铁路维修的锚固剂及其制备和使用方法 - Google Patents

用于铁路维修的锚固剂及其制备和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锚固剂技术领域，公开了一种用于铁路维修的锚固剂及其制备和使用方法。本发明包括A膏剂和B膏剂，A膏剂包括以下重量份数的原料组分：65‑90份的乙烯基树脂、5‑20份橡胶改性乙烯基树脂、2‑5份非离子型乳化剂、3‑10份防沉剂、0.001‑0.01份促进剂和100‑300份A剂填料；B膏剂包括以下重量份数的原料组分：10‑20份的固化剂，30‑50份亲水性增塑剂以及30‑60份B剂填料。本发明制备成本低，可用于潮湿面粘结，固化速度快，粘接力强，抗疲劳能力好。

Description

用于铁路维修的锚固剂及其制备和使用方法
技术领域
本发明涉及锚固剂技术领域，特别是涉及一种用于铁路维修的锚固剂及其制备和使用方法。
背景技术
随着我国高速铁路的快速发展，扣件系统被大量应用于各种无砟轨道。根据铁路维修记录统计发现，大部分扣件系统失效为该系统中预埋套管损坏导致。
对于这种预埋件的维修更换，我国普遍采用通用的快速锚固剂，并按以下工艺进行：拆除扣件——定位套管——水钻取出套管——烘干并加入锚固剂——重新定位套管——组装扣件并精调。然而我国高铁维修的天窗点仅4小时，这一传统工艺“步骤四”中烘干需要的工时很长，导致整个施工过程中工人操作略显仓促，很难按工艺要求严格执行，进而导致单位天窗点内维修量很少。如若仅擦拭钻孔中的明水，而不进行烘干处理，现有的通用型快速锚固剂在施工后无法达到拉拔力＞100kN的行车要求，甚至会出现粘接面整体脱离的现象，严重影响行车安全。
现有的维修工艺和材料很难在不进行烘干操作的情况下，快速固化且拉拔力满足行车要求。因此有必要开发一种适用于铁路快速维修的新型材料和工艺，可快速固化且在无明水情况下潮湿粘接。
发明内容
本发明提供一种制备成本低，可用于潮湿面粘结，固化速度快，粘接力强，抗疲劳能力好的用于铁路维修的锚固剂及其制备和使用方法。
解决的技术问题是：现有的锚固剂大多需要基材在干燥的情况下进行施工，无法进行潮湿面粘结，否则固化后拉拔力较差，无法达到使用要求，并且现有的通用型锚固剂的固化时间较长，应用便捷性较差。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明用于铁路维修的锚固剂，A膏剂包括以下重量份数的原料组分：65-90份的乙烯基树脂、5-20份橡胶改性乙烯基树脂、2-5份非离子型乳化剂、3-10份防沉剂、0.001-0.01份促进剂和100-300份A剂填料；B膏剂包括以下重量份数的原料组分：10-20份的固化剂，30-50份亲水性增塑剂以及30-60份B剂填料。
本发明用于铁路维修的锚固剂，进一步的，所述橡胶改性乙烯基树脂为端环氧基液体丁腈橡胶改性乙烯基树脂和/或端羧基液体丁腈橡胶改性乙烯基树脂。
本发明用于铁路维修的锚固剂，进一步的，所述非离子型乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚或脂肪酸聚氧乙烯酯中的一种或几种。
本发明用于铁路维修的锚固剂，进一步的，所述防沉剂包括气相二氧化硅和层状硅酸盐，其中气相二氧化硅的重量占防沉剂总量的60％-90％，所述层状硅酸盐为蒙脱土、蛭石、海泡石、高岭土或云母粉中的一种或几种。
本发明用于铁路维修的锚固剂，进一步的，所述亲水性增塑剂为丙三醇、聚乙二醇或乙二醇单丁醚中的一种或几种。
本发明用于铁路维修的锚固剂，进一步的，所述A剂填料和B剂填料的组分构成相同，均由普通填料和功能性填料混合而成，其中功能性填料的重量占填料总量的10％-40％，所述功能性填料为淀粉、纤维素、聚乙烯醇、硅酸钠、水泥或氧化镁中的一种或几种；所述普通填料为改性石英粉、改性重晶石粉、改性重质碳酸钙或改性白云石粉中的一种或几种。
本发明用于铁路维修的锚固剂，进一步的，所述普通填料为石英粉、重晶石粉、重质碳酸钙或白云石粉经硬脂酸进行表面改性制成。
本发明用于铁路维修的锚固剂，进一步的，所述促进剂为N,N-二甲基苯胺、N,N-二甲基对甲苯胺、N-甲基-N-羟乙基苯胺、N-甲基-N-羟乙基对甲苯胺或N,N-二羟乙基苯胺中的一种或几种，所述固化剂为过氧化苯甲酰、过氧化二甲苯甲酰或过氧化月桂酰中的一种或几种。
本发明用于铁路维修的锚固剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、备料：按照以下重量份数的组分进行备料：
A膏剂包括以下重量份数的原料组分：65-90份的乙烯基树脂、5-20份橡胶改性乙烯基树脂、2-5份非离子型乳化剂、3-10份防沉剂、0.001-0.01份促进剂和100-300份A剂填料；
所述防沉剂包括气相二氧化硅和层状硅酸盐；
B膏剂包括以下重量份数的原料组分：10-20份的固化剂，30-50份亲水性增塑剂以及30-60份B剂填料；
步骤二、将乙烯基树脂、橡胶改性乙烯基树脂和促进剂于50-70℃下搅拌混合均匀，然后冷却至室温，制得A膏剂母料；
步骤三、向A膏剂母料中加入气相二氧化硅，高速分散后，加入层状硅酸盐，进行研磨制得研磨料；
步骤四、在步骤三制得的研磨料中加入非离子型乳化剂和A剂填料，在真空环境下搅拌混合均匀，制得A膏剂；
步骤五、将固化剂、亲水性增塑剂和B剂填料于室温条件下搅拌混合均匀，制得B膏剂。
本发明用于铁路维修的锚固剂的制备方法，进一步的，所述A膏剂和B膏剂按照重量配比10:0.5-2均匀混合后，注入未经烘干的潮湿孔洞内锚固。
本发明用于铁路维修的锚固剂及其制备方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明用于铁路维修的锚固剂以乙烯基树脂和橡胶改性乙烯基树脂的混合物为基料，制得具有优异力学性能，粘结强度，断裂伸长率的锚固剂，不仅可以在干燥的基材表面使用，而且可以直接用在潮湿的基材表面，无需对基材进行烘干，潮湿环境下仍可实现快速固化，并且粘结强度可以达到20MPa以上，不影响固化后的抗拉拔能力，在铁路抢修的天窗点内可以轻松满足施工要求，大大缩短了抢修周期，提高了施工效率，解决了安全隐患。
本发明在A膏剂和B膏剂中分别添加了非离子型乳化剂和亲水性增塑剂，两者混合，可有效改善锚固剂与潮湿界面的浸润性，赋予锚固剂在潮湿界面上良好的浸润性和初粘力，并大大提高了粘接强度。
具体实施方式
制备实施例
本发明按照以下方法制备用于铁路维修的锚固剂，具体包括以下步骤：
步骤一、备料：按照表1所示重量份数的组分进行备料。
其中，橡胶改性乙烯基树脂为端环氧基液体丁腈橡胶改性乙烯基树脂和/或端羧基液体丁腈橡胶改性乙烯基树脂。
按照特定比例在乙烯基树脂中添加丁腈橡胶改性的乙烯基树脂，可提高锚固剂的粘接强度和抗疲劳能力，还可大大改进断裂伸长率。丁腈橡胶改性的乙烯基树脂使得固化物形成分相结构，其分散相丁腈橡胶粒子的作用具有两重性，一方面丁腈橡胶分散相的存在可阻止微裂纹扩散，有利于提高力学强度；另一方面丁腈橡胶粒子又是应力集中点，使材料力学性能变差；而哪一效果起主导作用，取决于丁腈橡胶改性乙烯基树脂的添加量。
非离子型乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚或脂肪酸聚氧乙烯酯中的一种或几种；亲水性增塑剂为丙三醇、聚乙二醇或乙二醇单丁醚中的一种或几种；非离子型乳化剂作为表面活性物质，聚集在油水界面上，与亲水性增塑剂协同作用，A膏剂中的憎水型乙烯基树脂在添加非离子型乳化剂，并与B膏剂中亲水性增塑剂混合后，使其具有一定的表面活性作用，破坏了憎水型乙烯基树脂与水互不相溶而形成的“水膜”，促进锚固剂与未经干燥的基材表面的水分子混溶，很大程度上改善了锚固剂与潮湿界面浸润性，大大提高了粘接强度；并且非离子型乳化剂可以提高亲水性增塑剂的作用效果，赋予锚固剂在潮湿界面上良好的浸润性和初粘力。
防沉剂包括气相二氧化硅和层状硅酸盐，气相二氧化硅的重量占防沉剂总量的60％-90％。
A剂填料和B剂填料的组分构成相同，均由普通填料和功能性填料混合而成，其中功能性填料的重量占填料总量的10％-40％，所述功能性填料为淀粉、纤维素、聚乙烯醇、硅酸钠、水泥或氧化镁中的一种或几种；所述普通填料为改性石英粉、改性重晶石粉、改性重质碳酸钙或改性白云石粉中的一种或几种，使用石英粉、重晶石粉、重质碳酸钙或白云石粉经硬脂酸进行表面改性制成。
功能性填料的引入，和基材表面与锚固剂发生混溶的水分子发生交联反应，可以补充增强锚固剂与基材表面的粘接力，同时交联反应产生的反应热还可以加速锚固剂的固化，大大缩短固化时间，提高施工效率，避免锚固剂因基材界面处游离的水分子而影响固化物的强度。
普通填料与功能性填料通过高速加热混合机进行预分散，这种高速加热混合机可使两类填料在离心力的作用下沿固定混合槽的锥形壁上升，处于返转运动状态，形成一种旋流运动，在短时间内混合均匀，大大节省后期搅拌时间，提高分散效率。同时混合室内的加热夹套可保证功能填料避免因空气湿度过大而成团结块，从而影响锚固剂潮湿粘接性能。
促进剂为N,N-二甲基苯胺、N,N-二甲基对甲苯胺、N-甲基-N-羟乙基苯胺、N-甲基-N-羟乙基对甲苯胺或N,N-二羟乙基苯胺中的一种或几种，所述固化剂为过氧化苯甲酰、过氧化二甲苯甲酰或过氧化月桂酰中的一种或几种。
步骤三、向A膏剂母料中加入气相二氧化硅，高速分散5-15min后，加入层状硅酸盐，经球磨进行湿磨处理，制得研磨料。
细小颗粒的气相二氧化硅经高速分散后，均匀的分布在A膏剂母料体系内，可以起到一定防沉作用。然而乙烯基树脂的极性基团对气相二氧化硅表面的硅羟基具有亲和力，造成气相二氧化硅难以在整个液体体系中形成完整的“氢键”网络，使得触变网络的稳定性降低。而加入晶体结构的层状硅酸盐，经过球磨湿磨处理后，增大了层状硅酸盐的层间距，并使乙烯基树脂更好的进入到硅酸盐晶体的插层结构中，同时硅酸盐片状晶体边缘含有的氢氧基团能与气相二氧化硅相结合，使“氢键”网络完整的同时，阻碍了树脂大分子链的运动，从而起到协同防沉的作用，避免了锚固剂中的填料发生沉降的情况。
步骤四、在步骤三制得的研磨料中依次加入非离子型乳化剂和A剂填料，在真空环境下搅拌10-20min，混合均匀，制得A膏剂。
步骤五、将固化剂、亲水性增塑剂和B剂填料于室温条件下搅拌10-20min，混合均匀，制得B膏剂。
表1制备实施例中各组分的重量份数
制备例1 制备例2 制备例3 制备例4 制备例5
乙烯基树脂 65 90 75 80 70
橡胶改性乙烯基树脂 20 5 15 10 20
非离子型乳化剂 5 2 3 4 5
气相二氧化硅 6 2.1 4.9 3.6 4
层状硅酸盐 4 0.9 2.1 2.4 1
促进剂 0.001 0.002 0.005 0.01 0.008
A剂填料 100 200 300 150 250
固化剂 10 15 20 20 15
亲水性增塑剂 30 40 50 45 35
B剂填料 60 45 30 35 50
其中每一个制备实施例中使用的A剂填料和B剂填料均具有相同的组分，具体的使用情况如表2所示。
表2制备实施例中不同填料的重量百分比
制备例1 制备例2 制备例3 制备例4 制备例5
普通填料 90％ 80％ 70％ 60％ 75％
功能性填料 10％ 20％ 30％ 40％ 25％
其中各制备实施例中非离子型乳化剂和增塑剂的使用情况如表3所示。
表3制备实施例中各组分的重量份数
制备例1 制备例2 制备例3 制备例4 制备例5
烷基酚聚氧乙烯醚 5 — — — 2
脂肪醇聚氧乙烯醚 — 2 — 2 2
脂肪酸聚氧乙烯酯 — — 3 2 1
丙三醇 30 — — 20 10
聚乙二醇 — 40 — — 10
乙二醇单丁醚 — — 50 20 20
在使用时，将A膏剂和B膏剂按照表4所示重量配比均匀混合，直接注入在潮湿孔洞内，而孔洞无需进行烘干处理，擦干明水即可。
表4制备实施例中A膏剂和B膏剂混合的质量比例
制备例1 制备例2 制备例3 制备例4 制备例5
A膏剂 10 10 10 10 10
B膏剂 0.5 2.0 1.0 1.3 1.8
将使用的锚固剂进行基础性能检测，按GB 50728-2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》测试干燥和潮湿状态下的约束拉拔粘接强度，抗疲劳能力；按GB/T 2567-2008《树脂浇铸体性能试验方法》测试断裂伸长率；按GB/T 7123.1《多组分胶粘剂可操作时间测定》测试可操作时间，具体的检测结果如表5所示。
表5制备实施例制得的锚固剂基本性能检测结果
制备例1 制备例2 制备例3 制备例4 制备例5
干燥-粘接强度(C30、25℃、7d)MPa 21.9 23.2 22.5 23.8 21.7
潮湿-粘接强度(C30、25℃、7d)MPa 21.1 22.5 21.9 22.7 20.6
断裂伸长率(％) 11.2 8.3 10.4 8.6 12.5
抗疲劳能力(200万次，试件不破坏) 不破坏 不破坏 不破坏 不破坏 不破坏
固化时间(min) 9 8.5 6 3 4.5
由表5可知，采用上述制备方法制得的锚固剂，无论在干燥还是潮湿的粘结环境下，均具有较好的粘接强度，固化后的锚固剂的断裂伸长率不小于8％，可以承受不小于230kN的拉拔力，锚固剂的固化时间不超过10min，并且经过200万次的破坏试验试件不破坏，具有极强的抗疲劳能力。
对比实施例
以制备实施例5为对照组，设置对比实施例，对比例1不使用非离子型乳化剂，其余原料组分与对照组完全一致，并采用与对照组相同的制备方法进行制备；对比例2使用通用的憎水性增塑剂——邻苯二甲酸二丁酯(DBP)等量替代对照组中使用的增塑剂，并采用与对照组相同的制备方法进行制备；对比例3仅使用乙烯基树脂，不使用橡胶改性乙烯基树脂，其余原料组分与对照组完全一致，并采用与对照组相同的制备方法进行制备；将对比例制得的锚固剂按照与制备例5相同的比例混合使用，并进行测试，测试结果如表6所示。
表6对比例锚固剂的基本性能检测结果
对比例1 对比例2 对比例3 制备例5
干燥-粘接强度(C30、25℃、7d)MPa 20.9 20.1 13.2 21.7
潮湿-粘接强度(C30、25℃、7d)MPa 8.8 9.4 12.3 20.6
断裂伸长率(％) 12.2 11.9 1.7 12.5
抗疲劳能力(200万次，试件不破坏) 不破坏 不破坏 破坏 不破坏
固化时间(min) 4.4 4.3 4.6 4.5
由表6可知，仅使用亲水型增塑剂或使用憎水性增塑剂替代亲水性增塑剂与非离子型乳化剂混合使用，制得的锚固剂潮湿粘接强度衰减率达50％以上，且无法达到标准GB37127-2018中锚固剂I类A级＞11MPa的要求，直观的说明非离子型乳化剂和亲水性增塑剂具有协同效应，可提高潮湿粘接强度。对比例3则表明，橡胶改性乙烯基树脂的加入，使粘接强度提高近1倍，同时大大增加了断裂伸长率和抗疲劳能力。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.用于铁路维修的锚固剂，包括A膏剂和B膏剂，其特征在于：A膏剂包括以下重量份数的原料组分：65-90份的乙烯基树脂、5-20份橡胶改性乙烯基树脂、2-5份非离子型乳化剂、3-10份防沉剂、0.001-0.01份促进剂和100-300份A剂填料；B膏剂包括以下重量份数的原料组分：10-20份的固化剂，30-50份亲水性增塑剂以及30-60份B剂填料，其中所述橡胶改性乙烯基树脂为丁腈橡胶改性的乙烯基树脂，非离子型乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚或脂肪酸聚氧乙烯酯中的一种或几种，亲水性增塑剂为丙三醇、聚乙二醇或乙二醇单丁醚中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的用于铁路维修的锚固剂，其特征在于：所述丁腈橡胶改性乙烯基树脂为端环氧基液体丁腈橡胶改性乙烯基树脂和/或端羧基液体丁腈橡胶改性乙烯基树脂。
3.根据权利要求1所述的用于铁路维修的锚固剂，其特征在于：所述防沉剂包括气相二氧化硅和层状硅酸盐，其中气相二氧化硅的重量占防沉剂总量的60%-90%，所述层状硅酸盐为蒙脱土、蛭石、海泡石、高岭土或云母粉中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的用于铁路维修的锚固剂，其特征在于：所述A剂填料和B剂填料的组分构成相同，均由普通填料和功能性填料混合而成，其中功能性填料的重量占填料总量的10%-40%，所述功能性填料为淀粉、纤维素、聚乙烯醇、硅酸钠、水泥或氧化镁中的一种或几种；所述普通填料为改性石英粉、改性重晶石粉、改性重质碳酸钙或改性白云石粉中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的用于铁路维修的锚固剂，其特征在于：所述普通填料为石英粉、重晶石粉、重质碳酸钙或白云石粉经硬脂酸进行表面改性制成。
6.根据权利要求1所述的用于铁路维修的锚固剂，其特征在于：所述促进剂为N ,N-二甲基苯胺、N ,N-二甲基对甲苯胺、N-甲基-N-羟乙基苯胺、N-甲基-N-羟乙基对甲苯胺或N ,N-二羟乙基苯胺中的一种或几种，所述固化剂为过氧化苯甲酰、过氧化二甲苯甲酰或过氧化月桂酰中的一种或几种。
7.权利要求1-6任意一项所述的用于铁路维修的锚固剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、备料：按照以下重量份数的组分进行备料：
A膏剂包括以下重量份数的原料组分：65-90份的乙烯基树脂、5-20份橡胶改性乙烯基树脂、2-5份非离子型乳化剂、3-10份防沉剂、0.001-0.01份促进剂和100-300份A剂填料；
所述防沉剂包括气相二氧化硅和层状硅酸盐；
B膏剂包括以下重量份数的原料组分：10-20份的固化剂，30-50份亲水性增塑剂以及30-60份B剂填料；
步骤二、将乙烯基树脂、橡胶改性乙烯基树脂和促进剂于50-70℃下搅拌混合均匀，然后冷却至室温，制得A膏剂母料；
步骤三、向A膏剂母料中加入气相二氧化硅，高速分散后，加入层状硅酸盐，进行研磨制得研磨料；
步骤四、在步骤三制得的研磨料中加入非离子型乳化剂和A剂填料，在真空环境下搅拌混合均匀，制得A膏剂；
步骤五、将固化剂、亲水性增塑剂和B剂填料于室温条件下搅拌混合均匀，制得B膏剂。
8.权利要求1-6任意一项所述的用于铁路维修的锚固剂的使用方法，其特征在于：所述A膏剂和B膏剂按照重量配比10:0.5-2均匀混合后，注入未经烘干的潮湿孔洞内锚固。
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