CN117306381A - 一种桥梁防水聚氨酯弹性体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种桥梁防水聚氨酯弹性体及其制备方法和应用，其包括预制随形空心聚氨酯弹性体和现浇负泊松比的聚氨酯材料，所述现浇负泊松比的聚氨酯材料填充于所述预制随形空心聚氨酯弹性体内部，减轻桥梁防水聚氨酯弹性体受横纵方向拉伸而产生的应力，阻止其内部及界面开裂，增加产品使用寿命，同时由于预制聚氨酯弹性体伸缩缝处于挤压状态，大尺寸伸缩缝不会受重力作用下沉，本发明制备方法简单可行，适合大批量工业化生产，基本上能够避免传统浇注工艺带来的线缆加大施工难度、消泡不彻底和消泡设备存在安全隐患等问题，能适用于桥梁连接处防水装置，在桥梁梁端防水装置应用领域具有广阔前景。
Description
技术领域
本发明属于桥梁防水技术领域，具体地，本发明涉及一种桥梁防水聚氨酯弹性体及其制备方法和应用。
背景技术
铁路桥梁采用最多的是梁式桥梁，细分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥。简支梁桥梁端防水装置（伸缩缝）是桥梁防水的重要组成部分，对提高桥梁混凝土和钢筋结构耐久性具有重要作用。聚氨酯弹性体伸缩缝是桥梁梁端防水装置的一种型式,主要由双组分聚氨酯高弹性密封材料、界面涂料、面涂料、底衬几部分组成，具有防水性能优异、耐久性好、施工安装便捷、适应性强、减少振动等优点。
弹性体伸缩缝一般在夏季或春秋季节施工，此时桥梁混凝土受热膨胀发生纵向位移，导致梁缝偏窄，当冬季来临时桥梁混凝土遇冷收缩，梁缝变宽；日温差以及年温差不可避免的引起梁缝纵向位移；桥墩下沉导致梁缝横向位移的变化。弹性体伸缩缝长期经过纵向和横向拉伸，通过应力变形来适应梁端伸缩位移，此时材料内聚力增大，对粘接界面产生较大反力，可能会在性能薄弱点发生开裂、脱落等现象。冬季施工时虽然梁体收缩，此时梁缝最宽，对后续结构受力最为有利，但温度过低不利于材料固化，材料性能会下降。目前行业内常用的方法主要包括粘接面预埋金属连接件提高粘接力、采用预应力的弹性体材料等方法。
中国专利申请CN205077394U公开了一种桥梁伸缩缝的连接结构，在伸缩缝两侧的桥梁端部固定有预埋件，预埋件包括E型支架和增强钢板，弹性体填充在伸缩缝中，能有效防止弹性体内部以及弹性体与桥梁端部的脱粘现象。然而，预埋件在服役过程中易压弯变形，增加了维护成本。
中国专利申请CN114369997A公开了一种预应力弹性体伸缩缝及成型方法，此方案采用反作用原理，在弹性体伸缩缝内部引入芯囊并施加预应力，使其向界面产生一定的反作用力，降低弹性体伸缩缝的破坏风险，延长弹性体伸缩缝的使用寿命。但是，芯囊内部充压仅仅抵消桥梁伸缩时产生的部分界面应力，随着材料服役时间变长，芯囊内部压力稳定性下降，反作用力效果减弱甚至消失。
因此，现有的提高弹性体伸缩缝耐久性的方法都会因为引入预埋件或增加预应力新的结构，造成弹性体伸缩缝长期使用效果不佳。因此，在保证弹性体伸缩缝与桥梁梁端高粘接性基础上，现有技术无法使弹性体伸缩缝同时具有适应梁端伸缩位移和高抗开裂性能。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种应用于伸缩缝的桥梁防水聚氨酯弹性体及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明一方面提供了一种桥梁防水聚氨酯弹性体，其结构如下：包括预制随形空心聚氨酯弹性体和现浇负泊松比的聚氨酯材料，所述现浇负泊松比的聚氨酯弹性体填充于所述预制随形空心聚氨酯弹性体内部。
作为本发明的一些优选实施方案，所述空心腔体积占预制随形空心聚氨酯弹性体体积的20%-60%。
作为本发明的一些优选实施方案，预制随形空心聚氨酯弹性体由聚氨酯混合料A组分和聚氨酯混合料B组分以100:80-110的质量比浇筑固化制备；
所述聚氨酯混合料A组分为如下重量份数计量的原料：分子量为1000的聚四氢呋喃二元醇40-60份，分子量为2000的聚四氢呋喃二元醇25-35份、3000的聚四氢呋喃二元醇5-15份，二丁基锡二月桂酸酯0.5-1.2份；
所述聚氨酯混合料B组分为如下重量份数计量的原料：2000分子量的聚四氢呋喃二元醇与二苯基甲烷二异氰酸酯生成的预聚体40份、聚800分子量的乙二醇与甲苯二异氰酸酯生成的预聚体的混合物60份。
作为本发明的一些优选实施方案，所述现浇负泊松比聚氨酯材料由如下重量百分数计量的原料制成：聚醚多元醇70-105份、扩链剂10-20份、交联剂1-4份、催化剂1.5-3.5份、二异氰酸酯25-64份。
作为本发明的一些优选实施方案，所述聚醚多元醇为分子量800-5000的聚醚三醇、聚醚四醇中的一种或多种；
所述的扩链剂为乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、一缩二乙二醇、丙三醇、1,4-环己二醇、氢化双酚A、二亚甲基苯基二醇、对苯二酚双-β羟乙基醚、间苯二酚羟基醚、3,3-二氯-4,4-二苯基甲烷、二乙基甲苯二胺、3,5-二甲硫基甲苯二胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甲基二乙醇胺、甘油烯丙基醚、缩水甘油烯丙基醚过氧化二异丙苯、硫磺中的一种或多种；
所述的交联剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、二叔丁基过氧化物、过氧化氢二异丙苯、二亚乙基三胺、2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷、2-乙基-4甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-异丙基咪唑、四氯邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、三亚乙基四胺、二甲氨基丙胺、二乙氨基丙胺中的一种或多种；
所述的催化剂为N,N-二甲基环乙胺、双（2-二甲氨基乙基）醚、N,N,N`,N`-四甲基亚烷基二胺、三乙胺、N,N-二甲基苄胺、N-乙基吗啉、三亚乙基二胺、N-甲基吗啉、N,N`-二乙基哌嗪、三乙醇胺、二甲基乙醇胺、吡啶、N,N`-二甲基吡啶、五甲基二乙烯三胺、二甲基环己胺、二月桂酸二丁基锡、有机铋、1,3,5-三（二甲氨基丙基）六氢三嗪、双吗啉基二乙基醚、4-二甲氨基吡啶、1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯中的一种或多种。
所述的二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯中的一种或多种。
本发明另一方面提供了一种上述桥梁防水聚氨酯弹性体的制备方法，其包括如下步骤：
S1 预制随形空心聚氨酯弹性体的制备
将聚氨酯组合料A组分和聚氨酯组合料B组分按照质量比混合后浇筑在特制模具上，固化温度在40-70℃，固化时间为0.5-3.0h，得到预制随形空心聚氨酯弹性体，备用；
S2 现浇负泊松比聚氨酯材料的填充
将原料按比例混合，立即向预制随形空心聚氨酯弹性体空心处浇筑，注入压力0.2-2 MPa，反应固化1-3h后，将弹性体进行轴向压缩，总容积压缩比在2-6，加热温度在50℃-100℃，冷却至常温，即可。
本发明再一方面提供了一种上述桥梁防水聚氨酯弹性体在桥梁连接处的应用。
作为本发明的一些优选实施方案，所述应用的方法为：在桥梁梁端接缝内下半部放上底撑，将预制随形空心聚氨酯弹性体至于所述底撑上，上端面与梁端上端面齐平，现浇负泊松比聚氨酯弹性体为现场混合浇筑，注入预制随形空心聚氨酯弹性体的空心部位，使预制随形空心聚氨酯弹性体与梁端垂直端面密贴粘接。
作为本发明的一些优选实施方案，所述底撑为聚乙烯泡沫板。
作为本发明的一些优选实施方案，所述应用的实施步骤如下：
S1 置底撑
将合适尺寸的底撑塞入桥梁连接处，其上方距桥梁上端面约10-15 cm；
S2 涂胶
在桥梁梁端垂直面上均匀涂胶；
S3 塞入预制随形空心聚氨酯弹性体
将预制随形空心聚氨酯弹性体塞入桥梁连接处，置于底撑上部，其上端面应与桥梁上端面齐平；
S4 现浇负泊松比聚氨酯弹性体
现浇负泊松比聚氨酯弹性体的原材料按照比例混合，立即向预制随形空心聚氨酯弹性体空心处浇筑，注入压力0.2-2 MPa，反应固化1-3h后，将弹性体进行轴向压缩，总容积压缩比在2-6，加热温度在50℃-100℃，冷却至常温，即得。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明所提供的桥梁防水聚氨酯弹性体，其由随形空心聚氨酯弹性体和现浇负泊松比的聚氨酯材料组成，现浇负泊松比聚氨酯弹性体，其材料具有热缩冷胀特性，既能够避免聚氨酯弹性体伸缩缝在服役过程中界面开裂的发生，同时由于预制聚氨酯弹性体伸缩缝处于挤压状态，大尺寸伸缩缝不会受重力作用下沉。
本发明所提供的桥梁防水聚氨酯弹性体，其制备方法简单可行，适合大批量工业化生产，基本上能够避免传统浇注工艺带来的线缆加大施工难度、消泡不彻底和消泡设备存在安全隐患等问题。
本发明所提供的桥梁防水聚氨酯弹性体适用于桥梁连接处防水装置，增加产品使用寿命，在桥梁梁端防水装置应用领域具有广阔前景。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例2中的应用示意图；
1-桥梁，2-预制随形空心聚氨酯弹性体，3-现浇负泊松比聚氨酯弹性体，4-底撑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
如无特别说明，本实施方式部分所使用的设备为常规设备，所用的试剂均为常规试剂，均可以商购取得，所用的操作方法均记载在本领域教科书籍中。
实施例1 预制随形空心聚氨酯弹性体的制备
聚氨酯组合料A组分（按重量份数计）：分子量为1000的聚四氢呋喃二元醇50份，分子量为2000的聚四氢呋喃二元醇30份、3000的聚四氢呋喃二元醇10份，二丁基锡二月桂酸酯0.8份。
聚氨酯混合料B组分（按重量份数计）： 2000分子量的聚四氢呋喃二元醇与二苯基甲烷二异氰酸酯生成的预聚体40份、聚800分子量的乙二醇与甲苯二异氰酸酯生成的预聚体的混合物60份。
将重量比100:95的聚氨酯组合料A组分和聚氨酯组合料B组分混合均匀后浇筑特定模具内，在60℃下固化1.5h，随后取出放置于恒温仓库备用。随形空心结构为贯穿的圆柱状空心结构，随形空心腔体积占预制随形空心聚氨酯弹性体总体积的40%。
实施例2预制随形空心聚氨酯弹性体的制备
聚氨酯组合料A组分（按重量份数计）：分子量为1000的聚四氢呋喃二元醇50份，分子量为2000的聚四氢呋喃二元醇30份、3000的聚四氢呋喃二元醇10份，二丁基锡二月桂酸酯0.8份。
聚氨酯混合料B组分（按重量份数计）： 2000分子量的聚四氢呋喃二元醇与二苯基甲烷二异氰酸酯生成的预聚体40份、聚800分子量的乙二醇与甲苯二异氰酸酯生成的预聚体的混合物60份。
将重量比100:110的聚氨酯组合料A组分和B组分混合均匀后浇筑特定模具内，在65℃下固化0.5h，随后取出放置于恒温仓库备用。随形空心结构为贯穿的圆柱状空心结构，随形空心腔体积占预制随形空心聚氨酯弹性体总体积的40%。
实施例3 应用
将聚乙烯泡沫板底撑裁剪成合适尺寸，塞入桥梁连接处，其上方距桥梁上端面约10cm，桥梁梁端垂直面进行涂胶，待胶固化成型后，将实施例1制备的预制随形空心聚氨酯弹性体放入桥梁连接处；将95份分子量为3000的聚醚三醇、17份三乙醇胺、3份过氧化二异丙苯、3份三乙胺、60份二苯基甲烷二异氰酸酯混合均匀后立即浇筑至预制随形空心聚氨酯弹性体空心腔内，施加0.8 MPa的浇筑压力，反应固化1.5h后，将空心部位加热至70℃，然后沿空心腔轴向压缩预制聚氨酯弹性体空心部位，总容积压缩比为3，停止加热，即获得预制聚氨酯弹性体伸缩缝。
实施例4应用
将聚乙烯泡沫板底撑裁剪成合适尺寸，塞入桥梁连接处，其上方距桥梁上端面约10cm，桥梁梁端垂直面进行涂胶，待胶固化成型后，将备用的预制随形空心聚氨酯弹性体放入桥梁连接处；将83份分子量为3000的聚醚三醇、12份乙二醇、1.2份二甲氨基丙胺、2份双吗啉基二乙基醚、55份甲苯二异氰酸酯混合均匀后立即浇筑至预制随形空心聚氨酯弹性体空心内，施加1.5 MPa的浇筑压力，反应固化2h后，将空心部位加热至60℃，然后沿空心腔轴向压缩预制聚氨酯弹性体空心部位，总容积压缩比为4，停止加热，即获得预制聚氨酯弹性体伸缩缝。
对比例1
将重量比100:75的聚氨酯组合料A组分（同实施例1）和B组分（同实施例1）混合均匀后浇筑特定模具内，在60℃下固化1.5h，随后取出放置于恒温仓库备用。随形空心结构为贯穿的圆柱状空心结构，随形空心体积占预制随形空心聚氨酯弹性体总体积的40%。
将聚乙烯泡沫板底撑裁剪成合适尺寸，塞入桥梁连接处，其上方距桥梁上端面约10cm，桥梁梁端垂直面进行涂胶，待胶固化成型后，将备用的预制随形空心聚氨酯弹性体放入桥梁连接处；将83份分子量为3000的聚醚三醇、12份乙二醇、1.2份二甲氨基丙胺、2份双吗啉基二乙基醚、55份甲苯二异氰酸酯混合均匀后立即浇筑至预制随形空心聚氨酯弹性体空心内，施加1.5 MPa的浇筑压力，反应固化2h后，将空心部位加热至60℃，然后沿空心腔轴向压缩预制聚氨酯弹性体空心部位，总容积压缩比为4，停止加热，即得。
对比例2
将重量比100:110的聚氨酯组合料A组分（同实施例1）和B组分（同实施例1）混合均匀后浇筑特定模具内，在60℃下固化1.5h，随后取出放置于恒温仓库备用。随形空心结构为贯穿的圆柱状空心结构，随形空心体积占预制随形空心聚氨酯弹性体总体积的30%。
将聚乙烯泡沫板底撑裁剪成合适尺寸，塞入桥梁连接处，其上方距桥梁上端面约10cm，桥梁梁端垂直面进行涂胶，待胶固化成型后，将备用的预制随形空心聚氨酯弹性体放入桥梁连接处；将83份分子量为3000的聚醚三醇、12份乙二醇、1.2份二甲氨基丙胺、2份双吗啉基二乙基醚、55份甲苯二异氰酸酯混合均匀后立即浇筑至预制随形空心聚氨酯弹性体空心内，施加1.5 MPa的浇筑压力，反应固化2h后，将空心部位加热至60℃，然后沿空心腔轴向压缩预制聚氨酯弹性体空心部位，总容积压缩比为4，停止加热，即得。
对比例3
将重量比100:110的聚氨酯组合料A组分（同实施例1）和B组分（W同实施例1）混合均匀后浇筑特定模具内，在65℃下固化0.5h，随后取出放置于恒温仓库备用。预制聚氨酯弹性体为实心结构。
将聚乙烯泡沫板底撑裁剪成合适尺寸，塞入桥梁连接处，其上方距桥梁上端面约10cm，桥梁梁端垂直面进行涂胶，待胶固化成型后，将制备的预制实心聚氨酯弹性体放入桥梁连接处，即获得无填充的预制实心聚氨酯弹性体伸缩缝。
对比例4
将聚乙烯泡沫板底撑裁剪成合适尺寸，塞入桥梁连接处，其上方距桥梁上端面约10cm，桥梁梁端垂直面进行涂胶，待胶固化成型后，将重量比100:110的聚氨酯组合料A组分（同实施例1）和B组分（同实施例1）混合均匀后直接浇筑于桥梁连接处，即获得浇筑型聚氨酯弹性体伸缩缝。
对实施例3-4和对比例1-4制备的伸缩缝进行性能测试，测试结果见表1。
表1
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种桥梁防水聚氨酯弹性体，其特征在于，其结构包括预制随形空心聚氨酯弹性体和现浇负泊松比的聚氨酯材料，所述现浇负泊松比的聚氨酯材料填充于所述预制随形空心聚氨酯弹性体内部，所述预制随形空心聚氨酯弹性体两侧开口，空心腔从一侧开口贯穿至另一侧开口。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁防水聚氨酯弹性体，其特征在于，所述空心腔体积占预制随形空心聚氨酯弹性体体积的20%-60%。
3.根据权利要求2所述的一种桥梁防水聚氨酯弹性体，其特征在于，预制随形空心聚氨酯弹性体由聚氨酯混合料A组分和聚氨酯混合料B组分以100:80-110的质量比浇筑固化制备；
所述聚氨酯混合料A组分为如下重量份数计量的原料：分子量为1000的聚四氢呋喃二元醇40-60份，分子量为2000的聚四氢呋喃二元醇25-35份、3000的聚四氢呋喃二元醇5-15份，二丁基锡二月桂酸酯0.5-1.2份；
所述聚氨酯混合料B组分为如下重量份数计量的原料：2000分子量的聚四氢呋喃二元醇与二苯基甲烷二异氰酸酯生成的预聚体40份、聚800分子量的乙二醇与甲苯二异氰酸酯生成的预聚体的混合物60份。
4.根据权利要求1所述的一种桥梁防水聚氨酯弹性体，其特征在于，所述现浇负泊松比聚氨酯材料由如下重量份数计量的原料制成：聚醚多元醇70-105份、扩链剂10-20份、交联剂1-4份、催化剂1.5-3.5份、二异氰酸酯25-64份。
5.根据权利要求4所述的一种桥梁防水聚氨酯弹性体，其特征在于，所述聚醚多元醇为分子量800-5000的聚醚三醇、聚醚四醇中的一种或多种；
所述的扩链剂为乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、一缩二乙二醇、丙三醇、1,4-环己二醇、氢化双酚A、二亚甲基苯基二醇、对苯二酚双-β羟乙基醚、间苯二酚羟基醚、3,3-二氯-4,4-二苯基甲烷、二乙基甲苯二胺、3,5-二甲硫基甲苯二胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甲基二乙醇胺、甘油烯丙基醚、缩水甘油烯丙基醚过氧化二异丙苯、硫磺中的一种或多种；
所述的交联剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、二叔丁基过氧化物、过氧化氢二异丙苯、二亚乙基三胺、2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷、2-乙基-4甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-异丙基咪唑、四氯邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、三亚乙基四胺、二甲氨基丙胺、二乙氨基丙胺中的一种或多种；
所述的催化剂为N,N-二甲基环乙胺、双（2-二甲氨基乙基）醚、N,N,N`,N`-四甲基亚烷基二胺、三乙胺、N,N-二甲基苄胺、N-乙基吗啉、三亚乙基二胺、N-甲基吗啉、N,N`-二乙基哌嗪、三乙醇胺、二甲基乙醇胺、吡啶、N,N`-二甲基吡啶、五甲基二乙烯三胺、二甲基环己胺、二月桂酸二丁基锡、有机铋、1,3,5-三（二甲氨基丙基）六氢三嗪、双吗啉基二乙基醚、4-二甲氨基吡啶、1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯中的一种或多种；
所述的二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯中的一种或多种。
6.一种如权利要求1-5任一项所述桥梁防水聚氨酯弹性体的制备方法，其包括如下步骤：
S1 预制随形空心聚氨酯弹性体的制备
将聚氨酯组合料A组分和聚氨酯混合料B组分按照质量比混合后浇筑在特制模具上，固化温度在40-70℃，固化时间为0.5-3.0h，得到预制随形空心聚氨酯弹性体，备用；
S2 现浇负泊松比聚氨酯材料的填充
将原料按比例混合，立即向预制随形空心聚氨酯弹性体空心处浇筑，注入压力0.2-2MPa，反应固化1-3h后，将弹性体进行轴向压缩，总容积压缩比在2-6，加热温度在50℃-100℃，冷却至常温，即可。
7.一种如权利要求1-5任一项所述的桥梁防水聚氨酯弹性体在桥梁连接处的应用。
8.根据权利要求7所述的桥梁防水聚氨酯弹性体在桥梁连接处的应用，其特征在于，所述应用的方法为：在桥梁梁端接缝内下半部放上底撑，将预制随形空心聚氨酯弹性体至于所述底撑上，上端面与梁端上端面齐平，现浇负泊松比聚氨酯材料为现场混合浇筑，注入预制随形空心聚氨酯弹性体的空心部位，使预制随形空心聚氨酯弹性体与梁端垂直端面密贴粘接。
9.根据权利要求8所述的桥梁防水聚氨酯弹性体在桥梁连接处的应用，其特征在于，所述底撑为聚乙烯泡沫板。
10.根据权利要求7所述的桥梁防水聚氨酯弹性体在桥梁连接处的应用，其特征在于，所述应用的实施步骤如下：
S1 置底撑
将合适尺寸的底撑塞入桥梁连接处，其上方距桥梁上端面约10-15 cm；
S2 涂胶
在桥梁梁端垂直面上均匀涂胶；
S3 塞入预制随形空心聚氨酯弹性体
将预制随形空心聚氨酯弹性体塞入桥梁连接处，置于底撑上部，其上端面应与桥梁上端面齐平；
S4 现浇负泊松比聚氨酯材料
现浇负泊松比聚氨酯弹性体的原材料按照比例混合，立即向预制随形空心聚氨酯弹性体空心处浇筑，注入压力0.2-2 MPa，反应固化1-3h后，将弹性体进行轴向压缩，总容积压缩比在2-6，加热温度在50℃-100℃，冷却至常温，即得。
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2023
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