張彬 劉志 郄錄朝 賈彤珺 張勇 肖俊恒

1.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司， 北京 102206； 2.中國(guó)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

聚氨酯固化道床分為裝配式聚氨酯固化道床和現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床兩種?，F(xiàn)澆式聚氨酯固化道床是將聚氨酯組合料順著道砟之間的空隙澆注于道床頂面，聚氨酯組合料滲入道床深處，在道床孔隙中發(fā)泡、黏結(jié)并固化道砟，既具有砟軌道彈性好，又具有無砟軌道整體性、穩(wěn)定性強(qiáng)和維修少的特點(diǎn)［1］?，F(xiàn)澆式聚氨酯固化道床已在大西高速鐵路、京張鐵路、滬昆高速鐵路北盤江大橋等工程中應(yīng)用，效果良好［2-4］。但現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床存在建設(shè)費(fèi)用較高，受環(huán)境溫濕度、極端天氣影響較大等問題［5］。為此，研究人員提出裝配式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)，并對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，不僅延續(xù)了有砟軌道可調(diào)整和無砟軌道少維護(hù)特點(diǎn)，而且可以工廠預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)裝配施工［6-7］，為軌道交通提供了一種新型軌道結(jié)構(gòu)形式。

為得到綜合性能優(yōu)良的裝配式聚氨酯固化道床，需要聚氨酯組合料在澆注時(shí)以低黏度貫穿道砟之間的空隙，澆注后有足夠的發(fā)泡壓力填充道砟間的空隙，快速固化，同時(shí)還要求固化后收縮少、與道砟和混凝土軌枕黏結(jié)牢固。對(duì)設(shè)備而言，需要具備良好的振動(dòng)和加載能力使道砟密實(shí)。本文針對(duì)裝配式聚氨酯固化道床所需的原料與設(shè)備，首先制備出裝配式聚氨酯固化道床用聚氨酯組合料和促進(jìn)聚氨酯泡沫與混凝土軌枕黏結(jié)的界面黏結(jié)劑，自行設(shè)計(jì)裝配式聚氨酯固化道床產(chǎn)品試制線，采用混凝土軌枕倒放的方法制備出裝配式聚氨酯固化道床，并通過試驗(yàn)對(duì)聚氨酯組合料原料、聚氨酯泡沫和裝配式聚氨酯固化道床性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原料

聚氨酯組合料中A 料原料為山東藍(lán)星東大有限公司生產(chǎn)的聚醚多元醇330N、南京揚(yáng)子巴斯夫有限公司生產(chǎn)的乙二醇、臺(tái)灣雙鍵化工股份有限公司生產(chǎn)的3，5-二叔丁基-4-羥基苯丙酸異辛酯、江蘇美思德化學(xué)股份有限公司生產(chǎn)的硅油勻泡劑M6680、上海德音化學(xué)有限公司生產(chǎn)的五甲基二乙烯三胺和辛酸亞錫、自制的去離子水。

聚氨酯組合料中B料原料為江蘇海安石油化工廠生產(chǎn)的聚醚多元醇PPG-200、萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI-100）和碳化二亞胺改性的二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI-100LL）、上海德音化學(xué)有限公司生產(chǎn)的二月桂酸二丁基錫。

界面黏結(jié)劑原料為萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的多苯基多亞甲基多異氰酸酯PM200、淄博齊翔騰達(dá)化工有限公司生產(chǎn)的甲乙酮、江蘇索普集團(tuán)公司生產(chǎn)的乙酸乙酯、上海贏創(chuàng)特種化學(xué)有限公司生產(chǎn)的聚酯樹脂S1402、唐山三孚新材料有限公司生產(chǎn)的N-正丁基-3-氨丙基三甲氧基硅烷、杭州伊聯(lián)化工有限公司生產(chǎn)的硫代磷酸三苯基異氰酸酯和對(duì)甲苯磺酰異氰酸酯、上海德音化學(xué)公司生產(chǎn)的二月桂酸二丁基錫。

1.2 聚氨酯組合料制備

聚氨酯組合料配合比見表1。

表1 聚氨酯組合料配合比

A 料的制備方法：①按表1 設(shè)定值稱取聚醚多元醇330N、乙二醇、3，5-二叔丁基-4-羥基苯丙酸異辛酯、硅油勻泡劑M6680，加入到攪拌釜中，以25 r/min 的速度攪拌混合30 min。②測(cè)試含水率，補(bǔ)充水分，直到含水率達(dá)到設(shè)定值，加入五甲基二乙烯三胺和辛酸亞錫，攪拌30 min后出料，裝桶封閉保存。

B 料的制備方法：①按表2 設(shè)定值稱取聚醚多元醇PPG-200，加入反應(yīng)釜中，在（100 ± 10）℃下真空脫水1 h，降溫至70 ℃；加入MDI-100，在70 ～ 80 ℃下保溫放置30 min；加入催化劑二月桂酸二丁基錫保溫放置60 min，測(cè)試異氰酸酯的含量。②當(dāng)異氰酸酯含量小于等于16%時(shí)停止保溫，加入MDI-100LL攪拌30 min后出料，裝桶封閉保存。

表2 界面黏結(jié)劑配合比

1.3 界面黏結(jié)劑制備

界面黏結(jié)劑主要作用是固定混凝土表面浮灰，提升聚氨酯泡沫與混凝土軌枕的黏結(jié)強(qiáng)度。界面黏結(jié)劑配合比見表2。

界面黏結(jié)劑的制備方法：①按表2設(shè)定值取1/2的甲乙酮加入反應(yīng)釜中，加入聚酯樹脂S1402 攪拌至樹脂完全溶解。②加入乙酸乙酯、對(duì)甲苯磺酰異氰酸酯、剩余的甲乙酮和多苯基多亞甲基多異氰酸酯PM200，升溫到45 ～ 50 ℃，邊攪拌邊加入N-正丁基-3-氨丙基三甲氧基硅烷，升溫至70 ℃。③加入二月桂酸二丁基錫保溫放置1 h，測(cè)試異氰酸酯含量。④當(dāng)異氰酸酯含量小于等于7%時(shí)停止保溫，加入硫代磷酸三苯基異氰酸酯攪拌30 min，裝桶封閉保存。

1.4 裝配式聚氨酯固化道床優(yōu)化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［6］研究的裝配式聚氨酯固化道床外側(cè)面為豎直結(jié)構(gòu)，側(cè)面與頂面的交點(diǎn)處未作球面處理，使用混凝土軌枕倒放方法制備裝配式聚氨酯固化道床時(shí)不易脫模。本文在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上將裝配式聚氨酯固化道床外側(cè)面設(shè)計(jì)成有一定坡度的斜面，同時(shí)將頂面和所有側(cè)面交點(diǎn)處均設(shè)置成球面結(jié)構(gòu)，以便于脫模。優(yōu)化前后裝配式聚氨酯固化道床對(duì)比見圖1。

圖1 裝配式聚氨酯固化道床優(yōu)化前后對(duì)比

1.5 裝配式聚氨酯固化道床試制線設(shè)計(jì)

裝配式聚氨酯固化道床試制線由傳送、振動(dòng)密實(shí)、鎖模、聚氨酯澆注、養(yǎng)護(hù)、脫模等工序組成，核心工序在于振動(dòng)密實(shí)。采用底部偏心激振和頂部壓板靜壓的方式對(duì)道砟進(jìn)行振搗密實(shí)。底部激振電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，振幅為2 mm，頂部壓板靜壓力為15 t。自行設(shè)計(jì)的裝配式聚氨酯固化道床試制線振動(dòng)密實(shí)設(shè)備見圖2。

圖2 裝配式聚氨酯固化道床試制線振動(dòng)密實(shí)設(shè)備

1.6 裝配式聚氨酯固化道床成品的制備

裝配式聚氨酯固化道床成品制備的主要步驟：①在混凝土軌枕底部及側(cè)面與聚氨酯泡沫接觸區(qū)域涂刷界面黏結(jié)劑，靜置2 ～ 5 min 使其固化。②將混凝土軌枕承枕臺(tái)朝下放入已涂刷脫模劑的模具內(nèi)，稱取約240 ～ 260 kg 級(jí)配好且潔凈的道砟填入模腔內(nèi)，使道砟高度與模具上表面齊平。③開啟振動(dòng)密實(shí)設(shè)備，先空振30 ～ 60 s，再將振動(dòng)密實(shí)設(shè)備頂部壓板壓到道砟表面，施加150 kN 壓力繼續(xù)振動(dòng)30 s，升起頂部壓板（若有補(bǔ)砟需要，再次振動(dòng)），測(cè)試道砟的靜剛度，合格后將模蓋扣壓在模具上并鎖緊。④開啟聚氨酯澆注機(jī)，設(shè)定A料和B料的溫度均為35 ℃，將A料和B料混合后澆注，澆注速率為270 g /s。⑤確定各個(gè)澆注孔的澆注時(shí)間，將聚氨酯組合料通過模具模蓋預(yù)留的澆注孔注入道砟空隙，澆注完畢后封孔并在室溫下養(yǎng)護(hù)12 h，脫模修邊，得到裝配式聚氨酯固化道床成品。

2 聚氨酯組合料及裝配式聚氨酯固化道床的測(cè)試方法及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 測(cè)試方法

采用HR10 型旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)量聚氨酯A 料和B 料的黏度，測(cè)量時(shí)使用帕爾鐵溫控單元和直徑40 mm 平板，溫度范圍為5 ～ 45 ℃，升溫速率為3 ℃/min。

采用FOAMAT 285型泡沫起升儀測(cè)量聚氨酯A料和B 料混合后發(fā)泡高度和混合料溫度。A 料和B 料混合，高速攪拌10 s后倒入FPM 150容器杯內(nèi)開始測(cè)試，監(jiān)測(cè)時(shí)間為600 s。

采用INVENIO S型紅外光譜儀測(cè)試聚氨酯A料和B料反應(yīng)前后化學(xué)鍵變化。紅外光譜波數(shù)掃描范圍為400 ～ 4 000 cm-1，掃描16次，掃描分辨率為4 cm-1。

采用DSC3 型差示掃描量熱分析儀測(cè)量聚氨酯泡沫的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，測(cè)量時(shí)氮?dú)饬髁繛?0 mL/min，溫度在-80 ～ 20 ℃，升溫速率為5 ℃/min。

采用TGA2 型熱重分析儀測(cè)量聚氨酯泡沫的熱分解溫度，測(cè)量時(shí)氮?dú)饬髁繛?0 mL/min，溫度在50 ～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

采用Apero C 型掃描電子顯微鏡觀測(cè)聚氨酯泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)，聚氨酯泡沫表面需噴金處理，測(cè)試電壓為5 kV，放大倍數(shù)為200倍。

采用AT-A20 型黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)量聚氨酯泡沫與混凝土軌枕的黏結(jié)強(qiáng)度，測(cè)試時(shí)使用儀器自帶的20 mm鋁合金錠子。

2.2 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

聚氨酯泡沫壓縮強(qiáng)度按照GB/ T 8813—2020《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測(cè)定》測(cè)試，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率按照GB/ T 6344—2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》測(cè)試，撕裂強(qiáng)度按照GB/ T 10808—2006《高聚物多孔彈性材料撕裂強(qiáng)度的測(cè)定》測(cè)試，壓縮永久變形按GB/ T 6669—2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料 壓縮永久變形的測(cè)定》附錄A 測(cè)試，自由泡密度按TJ/GW 164—2020《裝配式聚氨酯彈性道床塊暫行技術(shù)條件》附錄B 測(cè)試。裝配式聚氨酯固化道床靜剛度按照TJ/GW 164—2020附錄F測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 聚氨酯A料和B料性能

3.1.1 聚氨酯A料和B料黏度

聚氨酯A 料和B 料黏度隨溫度變化曲線見圖3?？芍篈 料和B 料的黏度均隨溫度升高而降低，溫度高于25 ℃時(shí)，A 料和B 料的黏度開始低于1 000 mPa·s；溫度為35 ℃時(shí)，A料和B料的黏度接近，均在500 mPa·s左右。黏度較低有利于A料和B料在高壓型聚氨酯澆注機(jī)混合室內(nèi)均勻霧化，充分混合發(fā)生反應(yīng)。一般情況下A 料和B 料的黏度低于1 000 mPa·s 且黏度接近有利于均勻混合。因此，A料和B料的溫度宜取35 ℃。

圖3 聚氨酯A料和B料黏度隨溫度變化曲線

3.1.2 聚氨酯A料和B料混合后發(fā)泡過程

聚氨酯A 料和B 料混合后的發(fā)泡高度、溫度隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化曲線見圖4?？芍孩侔l(fā)泡高度先上升，到達(dá)100 s 時(shí)趨于穩(wěn)定，說明泡沫上升時(shí)間為100 s。當(dāng)A料和B料混合后，A料里面的水與B料里面的異氰酸酯基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)生成胺基，同時(shí)釋放出二氧化碳?xì)怏w，二氧化碳分散于混合料內(nèi)部使發(fā)泡高度變大。100 ～ 600 s 發(fā)泡高度基本不變，說明A 料和B 料制備的聚氨酯泡沫未出現(xiàn)收縮、破泡等問題。②混合料溫度隨監(jiān)測(cè)時(shí)間先急劇上升然后略微下降，在300 s時(shí)達(dá)到最高溫度97 ℃。A 料和B 料混合后，異氰酸酯基團(tuán)與水、胺基、羥基相互接觸、反應(yīng)并放熱使混合料溫度升高。當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間超過300 s 后，混合料溫度緩慢下降，說明大部分異氰酸酯基團(tuán)反應(yīng)完畢，仍有少量在繼續(xù)反應(yīng)，新產(chǎn)生的熱量小于耗散到環(huán)境的熱量。

圖4 聚氨酯A 料和B 料混合后發(fā)泡高度和溫度隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化曲線

3.1.3 聚氨酯A料和B料紅外光譜

聚氨酯A 料、B 料和聚氨酯組合料制備的聚氨酯泡沫紅外光譜圖對(duì)比見圖5?？芍孩? 970 cm-1處和2 868 cm-1處為—CH3和—CH2碳?xì)滏I的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 093 cm-1處為醚鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，這些化學(xué)鍵均存在于A 料和B 料的分子結(jié)構(gòu)中。②3 462 cm-1處為端羥基伸縮振動(dòng)吸收峰，該基團(tuán)僅存在于A 料分子結(jié)構(gòu)中。③2 251 cm-1處為異氰酸酯基團(tuán)的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，該基團(tuán)僅存在于B 料分子結(jié)構(gòu)中。④3 306 cm-1處為—NH 鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，該鍵大量存在于聚氨酯泡沫分子結(jié)構(gòu)中。

圖5 聚氨酯A料、B料和聚氨酯泡沫的紅外光譜圖

3.2 聚氨酯泡沫性能

3.2.1 聚氨酯泡沫差示掃描量熱分析

聚氨酯泡沫的差示掃描量熱分析結(jié)果顯示，該聚氨酯泡沫的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-62.47 ℃。這是因?yàn)榫郯滨ヅ菽肿咏Y(jié)構(gòu)中存在大量的醚鍵，可以自由旋轉(zhuǎn)和彎曲，使得聚氨酯泡沫具備較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

3.2.2 聚氨酯泡沫熱失重分析

聚氨酯泡沫熱失重曲線和微商熱失重曲線見圖6。可知：①熱失重曲線中聚氨酯泡沫失重百分率從200 ℃開始降低，說明聚氨酯泡沫熱分解溫度為200 ℃，可滿足戶外正常使用要求。②微商熱失重曲線出現(xiàn)2 個(gè)波谷，說明聚氨酯泡沫熱分解過程分為2 個(gè)不同的失重階段，第一階段溫度在200 ～ 320 ℃，第二階段溫度在320 ～ 460 ℃。聚氨酯泡沫分子結(jié)構(gòu)中硬段相主要成分為異氰酸酯，熱分解溫度較低，主要在第一階段分解；軟段相主要成分為聚醚多元醇，熱分解溫度較高，主要在第二階段分解。

圖6 聚氨酯泡沫熱失重分析譜圖

3.2.3 聚氨酯泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)

聚氨酯泡沫自由泡微觀形貌見圖7?？芍壕郯滨ヅ菽菘追植季鶆颍蟛糠峙菘卓讖皆?00 μm 左右，泡孔之間部分相互貫通，可防止發(fā)泡過程中出現(xiàn)塌泡、收縮等不良問題。

圖7 聚氨酯泡沫自由泡微觀形貌

3.2.4 聚氨酯泡沫性能

聚氨酯泡沫熟化后性能指標(biāo)見表3?？芍壕郯滨ヅ菽阅軡M足TJ/GW 164—2020 要求，可用于裝配式聚氨酯固化道床制備。

表3 聚氨酯泡沫熟化后性能指標(biāo)

3.3 裝配式聚氨酯固化道床性能

3.3.1 界面黏結(jié)劑對(duì)黏結(jié)性能的影響

混凝土軌枕彈性變形小于道砟和聚氨酯泡沫組成的減振塊的彈性變形。為使發(fā)生相對(duì)位移時(shí)減振塊與混凝土軌枕不脫落，同時(shí)解決低溫環(huán)境下聚氨酯泡沫與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度差的問題，需要涂刷界面黏結(jié)劑。

未涂刷界面黏結(jié)劑時(shí)聚氨酯泡沫與混凝土軌枕的黏結(jié)強(qiáng)度為0.12 MPa，破壞類型以界面破壞為主；涂刷界面黏結(jié)劑后，聚氨酯泡沫與混凝土軌枕的黏結(jié)強(qiáng)度為0.28 MPa，破壞類型以聚氨酯泡沫本體破壞為主。

界面黏結(jié)劑分子結(jié)構(gòu)中一端為硅氧烷基團(tuán)，另一端為異氰酸酯基團(tuán)，硅氧烷與空氣中的水反應(yīng)，發(fā)生水解并形成硅羥基（Si—OH）鍵。該鍵與混凝土分子結(jié)構(gòu)中的Si—OH 鍵發(fā)生聚合反應(yīng)形成Si—O—Si 鍵。而另一端的異氰酸酯基團(tuán)可以和聚氨酯泡沫中的氨基等化學(xué)基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，增強(qiáng)聚氨酯泡沫與混凝土軌枕的黏結(jié)強(qiáng)度。

3.3.2 裝配式聚氨酯固化道床靜剛度

裝配式聚氨酯固化道床左右兩側(cè)靜剛度分別為69.3、68.5 kN/mm，平均值為68.9 kN/mm，兩側(cè)靜剛度差異不大，說明兩側(cè)道砟密實(shí)度相當(dāng)。

4 結(jié)論

1）以聚醚多元醇330N、乙二醇和二苯基甲烷二異氰酸酯為主要原料，制備出聚氨酯組合料。該組合料發(fā)泡上升時(shí)間為100 s，發(fā)泡過程最高溫度為97 ℃。由該組合料制備的聚氨酯泡沫拉伸強(qiáng)度為0.47 MPa，自由泡泡孔直徑在200 μm 左右，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-62.47 ℃，熱分解溫度為200 ℃。

2）以多苯基多亞甲基多異氰酸酯、N-正丁基-3-氨丙基三甲氧基硅烷和聚酯樹脂S1402為主要原料制備界面黏結(jié)劑。涂抹該黏結(jié)劑可使混凝土軌枕與聚氨酯泡沫的黏結(jié)強(qiáng)度由0.12 MPa提升至0.28 MPa。

3）設(shè)計(jì)了裝配式聚氨酯固化道床試制線，以聚氨酯組合料、界面黏結(jié)劑、混凝土軌枕、潔凈道砟為主要材料，制備出裝配式聚氨酯固化道床產(chǎn)品。測(cè)得其靜剛度為68.9 kN/mm。