靳 昊

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

基床冒漿一直是鐵路路基的主要難題之一，國內(nèi)外就有砟軌道翻漿冒泥的整治技術(shù)開展了大量研究。目前整治有砟軌道路基翻漿冒泥病害的方法有多種。根據(jù)其發(fā)生條件，可以通過改善路基土的工程性質(zhì)，或根除地表水對(duì)路基面的影響，或減小路基面動(dòng)應(yīng)力等措施來加以整治。常用的方法有：路槽排水、基床排水,鋪設(shè)砂墊層,加設(shè)橫向盲溝，用優(yōu)質(zhì)的砂土換填基床土,提高路基填土高度,設(shè)置隔離層，采用半剛性和全剛性封閉層，鋪設(shè)隔溫層，灌漿加固法等[1-2]。高速鐵路無砟軌道冒漿病害整治多借鑒了有砟軌道翻漿冒泥的整治方法，由于道床為混凝土結(jié)構(gòu)，整治方法多采用活動(dòng)縫封閉、線間排水和層間注漿的方法[3-4]。

層間注漿是解決道床與路基層間積水冒漿，恢復(fù)無砟軌道承載力和線路平順性的最直接有效的手段[5-6]。層間注漿是通過壓力注漿的方式，將灌漿材料注射至道床與路基間離縫處，將內(nèi)部積水排出，灌漿材料固化后將離縫修補(bǔ)填充，恢復(fù)冒漿處的無砟軌道路基承載功能，阻止冒漿病害進(jìn)一步發(fā)展。無砟軌道冒漿處道床與路基層間離縫較窄，灌漿材料宜采用低黏度高分子類灌漿材料。近年來，相關(guān)研究人員對(duì)高分子類灌漿材料在無砟軌道的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果[7-8]。但是，在長(zhǎng)期的無砟軌道路基冒漿整治工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有高分子類灌漿材料也存在較多問題。無砟軌道冒漿整治需利用天窗時(shí)間進(jìn)行，為提高施工效率，施工時(shí)多采用雙組分體積比為1∶1 的灌漿材料。環(huán)氧樹脂的黏度較高，稀釋降黏后固化速度較低，不滿足天窗時(shí)間后立即通車要求。而且，它與乙烯基類樹脂無法按照體積比1∶1進(jìn)行雙組分調(diào)配，需攪拌后再進(jìn)行灌注，灌注工藝復(fù)雜，固化時(shí)間難于控制。聚氨酯灌漿材料性能可調(diào)性較優(yōu)，雙組分可按照體積比1∶1進(jìn)行調(diào)配，綜合性能良好，適用于無砟軌道道床與路基層間離縫注漿。但是，低黏度聚氨酯灌漿材料多采用稀釋劑進(jìn)行降黏處理，稀釋劑揮發(fā)性較大，對(duì)環(huán)境有害，嚴(yán)重影響材料的力學(xué)及黏結(jié)性能,而且低黏度的聚氨酯灌漿材料的固化速度較慢，早期力學(xué)強(qiáng)度較低。同時(shí)，多數(shù)聚氨酯灌漿材料對(duì)水的敏感性較高，固化后材料內(nèi)部氣泡包裹量較高。

為解決現(xiàn)有聚氨酯灌漿材料存在的問題，本文立足于聚氨酯灌漿材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配方的系統(tǒng)優(yōu)化，研制不含溶劑的低黏度、快固化、高強(qiáng)度聚氨酯灌漿材料。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

液化MDI類單體購于萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司；MDI預(yù)聚物購于淄博華天橡塑科技有限公司；聚醚多元醇購于山東藍(lán)星東大化工有限責(zé)任公司：固體MOCA購于江蘇湘園化工有限公司；高活性含活潑氫低聚物購于深圳市佳迪達(dá)化工有限公司；高活性含活潑氫小分子化合物購于大立高分子工業(yè)股份有限公司；催化劑二月桂酸二丁基錫(DBTDL)、降黏劑購于國藥集團(tuán)。

1.2 測(cè)試與表征

灌漿材料的黏度使用NDJ-99旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司)，按照GB/T 2794—2013《膠黏劑黏度的測(cè)定》方法測(cè)定；凝膠時(shí)間按照GB/T 7193—2008《不飽和聚酯樹脂試驗(yàn)方法》測(cè)定；拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率使用CMT6104電子萬能試驗(yàn)機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司)，按照GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》測(cè)試；抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，按照J(rèn)C/T 1041—2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》的規(guī)定測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化體系的影響

無砟軌道冒漿處道床與路基層間離縫常處于浸水或潮濕狀態(tài)，灌漿材料應(yīng)具有良好的耐水解性能。B組 分的固化組分選擇耐水解性能良好的高活性聚醚多元醇與MOCA組合物、高活性聚醚多元醇與乙二醇組合物、高活性含活潑氫化合物。通過調(diào)整降黏劑及不同體系的固化組分比例，將3種固化體系的單位質(zhì)量的反應(yīng)基團(tuán)(羥基和胺基)摩爾數(shù)調(diào)整至基本相同，考察不同固化體系對(duì)產(chǎn)品性能的影響。其中，異氰酸酯為液態(tài)MDI類單體，異氰酸酯基團(tuán)與活性氫的摩爾比(R值)為1.05，A，B組分體積比為1∶1，基本性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 不同固化體系所得產(chǎn)品基本性能測(cè)試結(jié)果

由結(jié)果可知，高活性聚醚多元醇與MOCA組合物和高活性含活潑氫化合物的反應(yīng)速度較快，凝膠時(shí)間在5 min以內(nèi)，2 h即有較高的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度在10 MPa以上，抗壓強(qiáng)度在17 MPa以上。高活性聚醚多元醇與乙二醇固化體系中，乙二醇與異氰酸酯基團(tuán)反應(yīng)速度較慢，固化反應(yīng)主要依靠催化劑增速，其2 h的固化程度遠(yuǎn)低于其他2個(gè)體系，拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度只有2.4 MPa和5.8 MPa，而且該體系對(duì)水較敏感，(50±5)%的相對(duì)濕度條件下樣品內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)由水與異氰酸酯基團(tuán)反應(yīng)生成的氣泡。當(dāng)增加催化劑摻量，將高活性聚醚多元醇與乙二醇固化體系的凝膠時(shí)間調(diào)整至與其他2個(gè)體系相當(dāng)時(shí)，樣品的發(fā)泡情況嚴(yán)重，2 h 拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度明顯降低。小分子醇類擴(kuò)鏈劑對(duì)水的敏感程度遠(yuǎn)高于MOCA和高活性含活潑氫小分子化合物，不適宜作為灌漿材料的擴(kuò)鏈劑使用。同時(shí)，MOCA為固體擴(kuò)鏈劑，需加熱至80 ℃以上溶解至聚醚和降黏劑中使用，生產(chǎn)工藝較為繁瑣，當(dāng)與高活性含活潑氫化合物的力學(xué)性能相當(dāng)時(shí)，體系黏度明顯較高。基于此，選擇高活性含活潑氫化合物作為固化劑進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 異氰酸酯的影響

在固化體系確定的基礎(chǔ)上，考察了A組分中異氰酸酯對(duì)產(chǎn)品性能的影響，其中異氰酸酯為液態(tài)MDI類單體及固體MDI單體與聚醚二元醇制備的預(yù)聚物，R值為1.05，A，B組分體積比為1∶1?；拘阅軠y(cè)試結(jié)果見表2。

表2 不同種類固化劑所得產(chǎn)品基本性能測(cè)試結(jié)果

由結(jié)果可知，異氰酸酯單體制備的樣品的力學(xué)強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度明顯高于帶有柔性鏈段的異氰酸酯預(yù)聚物，拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度分別大于25，37，3.5 MPa。異氰酸酯預(yù)聚物一定程度上增加了樣品的柔順性，但對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的貢獻(xiàn)有限，NCO含量降低了約10%，樣品的斷裂伸長(zhǎng)率仍低于20%。同時(shí)，異氰酸酯預(yù)聚物自身黏度較高，且為保持R值和A,B組分的體積比不變，降黏劑摻量降低，A組分的黏度較大，不利于層間離縫的快速灌注。如整體增加A，B組分降黏劑摻量，會(huì)導(dǎo)致樣品力學(xué)性能進(jìn)一步下降。同時(shí)，道床與路基層間離縫處的灌漿材料受壓應(yīng)力和界面剪切應(yīng)力為主，其具有一定的柔順性即可，力學(xué)性能和黏結(jié)性能更為重要。基于此，A組分反應(yīng)組分選擇液態(tài)MDI類單體。

2.3 降黏劑的影響

降黏劑是灌漿材料重要的組成部分，一方面可降低灌漿材料的黏度，提高灌注能力和灌注效率，另一方面可將A，B組分體積比調(diào)節(jié)至1∶1，便于現(xiàn)場(chǎng)施工。在確定固化體系和異氰酸酯的基礎(chǔ)上，考察了降黏劑對(duì)樣品性能的影響。其中，降黏劑選擇性能穩(wěn)定、難揮發(fā)的低黏度酯類降黏劑，R值為1.05，A，B組分體積比為1∶1?；拘阅軠y(cè)試結(jié)果見表3。

表3 不同摻量的降黏劑所得產(chǎn)品基本性能測(cè)試結(jié)果

由表3可知：降黏劑對(duì)樣品的降黏效果顯著，當(dāng)摻量由10%增至25%時(shí)，樣品黏度將近降低了3/4，當(dāng)降黏劑的摻量增至20%以上時(shí)樣品的黏度低于100 mPa·s，而且降黏劑初始降黏效果較好，當(dāng)摻量增至25%后，降黏效果降低。同時(shí)，隨降黏劑摻量增加，樣品的力學(xué)強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率變化不大，在8%～10%間浮動(dòng)。當(dāng)降黏劑摻量為25%時(shí)，樣品的綜合性能最佳，黏度低于50 mPa·s，2 h,7 d拉伸強(qiáng)度分別高于10 MPa和20 MPa，2 h,7 d抗壓強(qiáng)度分別高于15 MPa和30 MPa，濕黏結(jié)強(qiáng)度高于2 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率高于5%。

2.4 流動(dòng)狀態(tài)的影響

在確定主要組分及配比的基礎(chǔ)上，考察了流動(dòng)狀態(tài)對(duì)樣品固化反應(yīng)的影響。其中，灌漿材料基本性能取降黏劑摻量為25%的樣品性能，選取相鄰預(yù)裂縫間的60 cm寬Ⅱ型軌道板和實(shí)尺寸Ⅱ型軌道板(如圖1所示)作為研究對(duì)象。

圖1 試驗(yàn)軌道板

板下離縫設(shè)置寬度約為2 mm，注漿機(jī)的注漿速率為1.5 L/min,60 cm寬Ⅱ型軌道板離縫注漿時(shí)采用單臺(tái)注漿機(jī)注漿，實(shí)尺寸Ⅱ型軌道板離縫注漿時(shí)采用2臺(tái)注漿機(jī)同時(shí)注漿。具體測(cè)試結(jié)果見表4。

由表4可知：在持續(xù)注漿的條件下樣品反應(yīng)速度明顯降低，60 cm寬Ⅱ型軌道板的注漿時(shí)間大于4 min，實(shí)尺寸Ⅱ型軌道板的注漿時(shí)間大于18 min，遠(yuǎn)高于樣品自身凝膠時(shí)間(3 min)。注漿過程中排氣管處出漿封口后，樣品處于靜止?fàn)顟B(tài)，靜止后樣品的反應(yīng)速度恢復(fù)，注漿初期排氣管出漿靜止后的固化時(shí)間低于60 s，末期出漿靜止后快速固化，固化時(shí)間低于5 s。同時(shí)，樣品的注漿效果良好，縫隙全部填充飽滿，如圖2和圖3 所示。

表4 注漿試驗(yàn)結(jié)果

圖2 60 cm寬Ⅱ型軌道板預(yù)設(shè)離縫灌注飽滿

圖3 實(shí)尺寸Ⅱ型軌道板預(yù)設(shè)離縫灌注飽滿

2.5 混合方式的影響

在確定主要組分及配比的基礎(chǔ)上，考察了不同混合方式對(duì)樣品性能的影響。其中，灌漿材料基本性能取降黏劑摻量為25%的樣品性能?；拘阅軠y(cè)試結(jié)果見表5。

表5 不同混合方式的樣品基本性能測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)采用雙組分注漿機(jī)對(duì)道床與路基層間離縫進(jìn)行注漿，A，B組分混合方式為注漿機(jī)的撞擊混合(輔以靜態(tài)混合器輔助混合)，混合方式與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求存在較大差異。結(jié)果可知，采用不同混合方式制備的樣品力學(xué)性能基本相同，無明顯差異，注漿機(jī)+靜態(tài)混合的現(xiàn)場(chǎng)注漿方式滿足道床與路基層間離縫注漿要求。

3 結(jié)論

1)高活性含活潑氫化合物作為固化組分的灌漿材料反應(yīng)速度較快，黏度低，早期力學(xué)強(qiáng)度高，2 h拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別在10 MPa和15 MPa以上。

2)液態(tài)MDI類單體、高活性含活潑氫化合物及低黏度酯類降黏劑制備的灌漿材料的綜合性能良好，黏度為41 mPa·s，2 h拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為10.4 MPa 和17.5 MPa，7 d拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為21.6 MPa和33.1 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為10%，濕黏結(jié)強(qiáng)度為2.4 MPa。

3)流動(dòng)狀態(tài)下灌漿材料的反應(yīng)速度會(huì)大幅降低，持續(xù)注漿情況下具有快速固化功能的灌漿材料的可灌時(shí)間長(zhǎng)，可滿足大面積的無砟軌道道床與路基層間離縫注漿需求。同時(shí)，雙組分撞擊混合方式對(duì)灌漿材料的性能無影響，可采用專用注漿機(jī)進(jìn)行離縫注漿施工，提高施工效率。