一种高速铁路板式无砟轨道充填层离缝修补用低粘度高早强聚氨酯修补材料

摘要

一种高速铁路板式无砟轨道充填层离缝修补用低粘度高早强聚氨酯修补材料，该修补材料由A、B两部分组成，A部分由下列质量份数的原料组成：异氰酸酯及其预聚物100份；B部分由下列质量份数的原料组成：活泼氢低聚物60～80份，增塑剂40～70份，消泡剂0.5～2份，防老剂0.1～1份；A、B两部分的体积比为1∶1。该聚氨酯离缝修补材料粘度低、固化速度快、力学强度和粘结强度高、柔韧性好、耐久性能优良，可满足天窗时间内内快速施工和修补后即时通车的需要，可用于运营高速铁路无砟轨道结构的快速维修。

说明书

技术领域

本发明属于高速铁路工务养护维修领域，具体涉及一种高速铁路板式无砟轨道充填层离 缝修补用低粘度高早强聚氨酯修补材料。

背景技术

板式无砟轨道因其具有轨道平顺性高、刚度均匀性好、稳定性强等特点，成为我国时速 300公里高速铁路采用的主要轨道结构型式。我国京沪、京石武、京津、津秦、哈大、沪宁、 沪杭、宁杭、杭甬、合蚌等高速铁路均采用板式无砟轨道结构。板式无砟轨道结构主要由预 制轨道板、充填层、混凝土底座或水硬性支承层等构成，CRTS I型板式无砟轨道结构中轨道 板采用单元结构，而CRTS II型板式无砟轨道中轨道板采用纵联结构。位于轨道板与底座之 间充填层的主要功能为充填、支撑、承力、传力以及提供适当弹韧性。CRTS I型板式无砟轨 道和CRTS II型板式无砟轨道的充填层采用的水泥乳化沥青砂浆，CRTS III型板式无砟轨道结 构和路基段道岔板式无砟轨道结构充填层采用的是自密实混凝土。

充填层离缝是板式无砟轨道结构主要伤损形式之一，离缝是指已灌注硬化的充填层与轨 道板或底座板间出现裂缝。经对已开通板式无砟轨道线充填层离缝情况的现场调研发现，轨 道板端角部分的砂浆最容易出现离缝，离缝宽度从0.5mm至5mm不等且随着环境温度的变 化而随之变化。当充填层产生离缝后，一方面是轨道板上的雨水会沿轨道板周边流入离缝间 隙，从而在充填层与轨道板或底座板间形成积水层；另一方面是离缝状态下轨道板的竖向加 速度和位移量增大，从而加大高速列车运行时轨道板对砂浆充填层的冲击荷载作用。在高速 列车运行时的反复冲击荷载、动水压力和温度变化的交替循环作用下，充填层内的缝隙不断 产生、扩展与延伸，最终连通成裂缝网络，导致充填层出现碎裂。因此，需要使用粘结粘结 强度高，粘度低易填充，力学强度与韧性兼顾的高性能修补材料对充填层离缝进行修补。同 时，为了实现在天窗时间内完成无砟轨道结构的快速修复，材料还应具备快速固化、高早强 的特点。

无机修补材料粘度大，无法填充细小离缝，而且无机材料的粘结强度较低，无法满足充 填层离缝修复的技术要求。目前高性能修补材料以高分子材料为主，主要包括环氧树脂类、 丙烯酸树脂类和聚氨酯类。环氧树脂粘度高、刚性大，虽然可加入溶剂降低粘度，但会严重 影响材料的凝胶速度，无法满足快速固化、高早强的要求；丙烯酸树脂韧性差，在长期列车 动载荷作用下容易开裂甚至破碎，而且它具有刺激性气味和腐蚀性，环保性较差；聚氨酯材 料具有特殊的微相分离结构，能够保持一定力学强度的同时具有良好的柔韧性，有可能用于 高速铁路无砟轨道充填层离缝修补。但目前常规的聚氨酯修补材料应用在高速铁路无砟轨道 充填层离缝修补方面，仍存在如下问题：

1.早期强度低：虽然现有聚氨酯修补材料可通过调节催化剂加快反应速度，但早期固化 程度提升有限，早期力学强度低，无法满足修补后即时通车的需要。

2.粘度高：现有聚氨酯修补材料的粘度较高，一般在500mPa·s以上，在短时间内(≤ 20min)无法将离缝填充饱满，同时，材料的粘度随时间增加而增大，流动性大幅降低，离缝 内部会出现较多空洞区域，严重影响修补质量。

3.柔韧性差：现有聚氨酯修补材料以体现力学强度为主，柔韧性较低，当长时间受到列 车动载荷和横向力作用时，容易发生脆性断裂。

4.环境适应性差：在较低温度时(5～15℃)，聚氨酯修补材料的反应速度下降，无法满 足快速修补需要；空气湿度大或离缝内部潮湿时，聚氨酯修补材料容易发泡，且湿粘结强度 低，修补效果下降明显。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供了一种高速铁路板式无砟轨 道充填层离缝修补用低粘度高早强聚氨酯修补材料。

技术方案：为了实现以上目的，本发明提供了一种高速铁路板式无砟轨道充填层离缝修 补用低粘度高早强聚氨酯修补材料，该材料由A、B两部分组成，A部分由下列质量份数的 原料组成：异氰酸酯及其预聚物100份，所述异氰酸酯为PAPI、碳化二亚胺改性MDI中的 一种或两种，异氰酸酯预聚物为异氰酸酯与二元醇制备的NCO含量在22％～28％的预聚物， 其中异氰酸酯为IPDI、XDI中的一种或两种，二元醇为分子量在400～800的端羟基聚丁二 烯树脂、EO含量低于8％的聚氧化乙烯-氧化丙烯共聚多元醇中的一种或两种，增塑剂20～ 50份；B部分由下列质量份数的原料组成：活泼氢低聚物60～80份，所述活泼氢低聚物为 低粘度环氧树脂、醇酸树脂、油脂化学多元醇中的一种或几种，增塑剂40～70份，消泡剂 0.5～2份，防老剂0.1～1份；A、B两部分的体积比为1∶1。

上述的增塑剂为癸二酸二辛酯、磷酸三丁酯、磷酸二异辛脂中的一种或几种；消泡剂为 有机硅类消泡剂；防老剂为光稳定剂、抗氧剂和水解稳定剂中的一种或几种。

上述低粘度早强型砂浆离缝修补材料性能满足粘度≤50mPa·s，凝胶时间≤30min，2h 拉伸强度≥10MPa，24h拉伸强度≥15MPa，7d拉伸强度≥20MPa，2h压缩强度≥10MPa， 24h压缩强度≥20MPa，7d压缩强度≥30MPa，7d断裂伸长率≥20％，7d收缩率≤2％，7d 粘结强度≥5MPa，7d湿粘结强度≥3MPa，热老化处理、碱处理和紫外老化处理后拉伸强度 和压缩强度的变化率≤10％的要求，同时该材料在潮湿条件下使用时不发泡。

上述的一种聚氨酯嵌缝材料，其使用方法为：将权利要求1所述A、B组份装入体积比 为1∶1的双组份注浆机中，直接注浆即可。

工作机理：为了降低A组份粘度，聚氨酯修补材料多选用芳香族异氰酸酯单体，但是这 样会降较大程度降低材料的柔顺性和耐老化性。因此，选择耐老化性能优异的低粘度脂肪族 异氰酸酯与线性低分子量的二元醇制备的预聚物与芳香族异氰酸酯单体混合使用，既保证了 材料具有低粘度，又增加了其柔顺性和耐老化性能。端羟基聚丁二烯树脂可明显提高材料的 力学性能、粘结性能和耐老化性能，适当加入EO含量低于8％的聚氧化乙烯-氧化丙烯共聚 多元醇，可在材料综合性能基保持本不变的情况下，降低材料成本。B组份选择低粘度环氧 树脂、醇酸树脂、油脂化学多元醇替代常规聚醚多元醇作为反应组分，可降低材料粘度，提 高力学强度和柔顺性，明显改善材料的粘结性能和耐老化性，实现高早强的要求。不使用扩 链交联剂，避免了醇类小分子容易吸水导致材料发泡和胺类小分子反应速度过快、材料刚度 过大的问题。同时，上述活泼氢低聚物反应活性高，无需催化剂，即可实现快速固化，且大 幅抑制了异氰酸酯与水的反应，可在湿度较大的环境或潮湿界面使用。零催化剂用量，聚氨 酯离缝修补材料的环保性能大幅提高。

有益效果：本发明提供的一种高速铁路无砟轨道砂浆离缝修补用低粘度高早强聚氨酯修 补材料，经过大量试验研究，该组份的各组份配比科学合理，该组合物具有以下优异的性能：

(1)施工便捷：该修补材料使用体积比为1∶1的双组份注浆机注浆即可。

(2)可灌性优：可在20min内注满面积约为16m²、宽为0.5mm～5mm的离缝。

(3)早期力学强度高：凝胶时间≤30min，2h拉伸强度和压缩强度均在10MPa以上a。

(4)柔韧性好：在长期列车疲劳荷载和横向力作用下，不发生脆性破坏。

(5)耐老化性能好：耐热老化、耐碱和耐紫外老化性能优异，经热处理、碱处理和紫外 老化后，拉伸强度和断裂伸长率的变化率≤10％。

(6)环境适应性强：空气湿度大或离缝内部潮湿时均可使用，材料不发泡，湿粘结强度 高。

具体实施方式

下面以实施例说明具体实施方式，这些实施例仅限于解释说明本发明，而不限定本发明 的范围。

聚氨酯修补材料制备工艺如下：

A组份制备工艺：

(1)将二元醇加入至反应釜中，在(120±5)℃条件下真空(真空度≤-0.9MPa)脱水 2h，测试其含水率，如含水率≤0.05％，则将混合液温度将至70℃以下，如不满足则继续脱 水，直至满足要求为止。当混合液温度将至70℃以下时，加入脂肪族异氰酸酯，并将其温度 调至(90±5)℃，反应90min后测试预聚物异氰酸酯基团含量，如满足设计值±0.2％，则将 预聚物降温至50℃以下，如不满足则继续反应，直至满足要求为止。

(2)当预聚物温度将至50℃以下时，加入增塑剂真空(真空度≤-0.9MPa)搅拌脱泡90min 后，出料密封保存。

B组份制备工艺：

(1)将活泼氢低聚物加入至反应釜中，在(120±5)℃条件下真空(真空度≤-0.9MPa) 脱水2h，测试其含水率，如含水率≤0.05％，则将混合液料温度将至50℃以下，如不满足则 继续脱水，直至满足要求为止。

(2)当温度将至50℃以下时，加入增塑剂、消泡剂、防老剂等混合后，真空(真空度 ≤-0.9MPa)搅拌脱泡90min后，出料密封保存。

实施例1

聚氨酯离缝修补材料的组成：

A组份由下列重量份数的原料组成：IPDI 10份与聚氨酯修补材料20份制备的异氰酸酯 基团含量为22％的预聚物，PAPI 70份，癸二酸二辛酯20份；

B部分由下列重量份数的原料组成：低粘度环氧树脂10份，醇酸树脂40份，油脂化学 多元醇10份，磷酸三丁酯20份，磷酸二异辛脂20份，消泡剂BYK-066 0.5份，光稳定剂 0.02份，抗氧剂0.03份，水解稳定剂0.05份；

A、B两部分的体积比为1∶1。

实施例2

聚氨酯离缝修补材料的组成：

A组份由下列重量份数的原料组成：XDI 15份与端羟基聚丁二烯树脂10份和聚氧化乙 烯-氧化丙烯共聚多元醇20份制备的异氰酸酯基团含量为28％的预聚物，碳化二亚胺改性MDI 55份，磷酸三丁酯25份，癸二酸二辛酯25份；

B部分由下列重量份数的原料组成：低粘度环氧树脂15份，醇酸树脂45份，油脂化学 多元醇20份，磷酸三丁酯30份，磷酸二异辛脂40份，消泡剂BYK-070 2份，光稳定剂0.3 份，抗氧剂0.5份，水解稳定剂0.2份。

A、B两部分的体积比为1∶1。

实施例3

聚氨酯离缝修补材料的组成：

A组份由下列重量份数的原料组成：XDI 5份与聚氧化乙烯-氧化丙烯共聚多元醇10份制 备的异氰酸酯基团含量为25％的预聚物，碳化二亚胺改性MDI 30份，PAPI 55份，癸二酸二 辛酯70份；

B部分由下列重量份数的原料组成：低粘度环氧树脂5份，醇酸树脂35份，油脂化学多 元醇30份，磷酸三丁酯20份，磷酸二异辛脂35份，消泡剂BYK-088 1.25份，光稳定剂0.3 份，抗氧剂0.15份，水解稳定剂0.1份。

A、B两部分的体积比为1∶1。

实施例4

聚氨酯离缝修补材料的组成：

A组份由下列重量份数的原料组成：IPDI 10份与端羟基聚丁二烯树脂15份和聚氧化乙 烯-氧化丙烯共聚多元醇25份制备的异氰酸酯基团含量为23％的预聚物，碳化二亚胺改性MDI 50份，癸二酸二辛酯35份，磷酸二异辛脂30份；

B部分由下列重量份数的原料组成：低粘度环氧树脂5份，醇酸树脂30份，油脂化学多 元醇30份，磷酸三丁酯10份，磷酸二异辛脂35份，消泡剂BYK-066 1.6份，光稳定剂0.15 份，抗氧剂0.1份，水解稳定剂0.05份。

A、B两部分的体积比为1∶1。

实施例5

聚氨酯离缝修补材料的组成：

A组份由下列重量份数的原料组成：XDI 5份与端羟基聚丁二烯树脂5份和聚氧化乙烯- 氧化丙烯共聚多元醇10份制备的异氰酸酯基团含量为27％的预聚物，PAPI 80份，癸二酸二 辛酯30份，磷酸二异辛脂32份；

B部分由下列重量份数的原料组成：低粘度环氧树脂10份，醇酸树脂40份，油脂化学 多元醇25份，磷酸二异辛脂65份，消泡剂BYK-066 0.2份，消泡剂BYK-088 0.6份，光稳 定剂0.4份，抗氧剂0.2份，水解稳定剂0.2份。

A、B两部分的体积比为1∶1。

实施例6

聚氨酯离缝修补材料的组成：

A组份由下列重量份数的原料组成：IPDI 5份与端羟基聚丁二烯树脂10份和聚氧化乙烯 -氧化丙烯共聚多元醇10份制备的异氰酸酯基团含量为24％的预聚物，XDI 5份与端羟基聚 丁二烯树脂5份和聚氧化乙烯-氧化丙烯共聚多元醇10份制备的异氰酸酯基团含量为26％的 预聚物，PAPI 20份，碳化二亚胺改性MDI 15份，癸二酸二辛酯77份；

B部分由下列重量份数的原料组成：低粘度环氧树脂13份，醇酸树脂47份，油脂化学 多元醇17份，磷酸二异辛脂50份，消泡剂BYK-066 1.5份光稳定剂0.15份，抗氧剂0.25份， 水解稳定剂0.2份。

A、B两部分的体积比为1∶1。

实例1～6中双组份聚氨酯离缝修补材料试验结果如下表1所示，其中粘度按照GB/T 2794 测试；凝胶时间按照GB/T 7193测试；拉伸强度、断裂伸长率按照GB/T 2567测试；抗压强 度、粘结强度按照JC/T 1041测试；收缩率通过测量液态密度(GB/T 13354)和成型硬化物 的密度(GB/T 1033.1)，计算得出；热老化处理、碱处理和紫外老化处理方法按照GB/T 16777 执行：

表1 实施例材料性能