一種高速鐵路有砟軌道道床表面膠結材料的製作方法

2023-07-10 23:04:36

本發明涉及一種高速鐵路有砟軌道道床表面膠結材料。

背景技術：

有砟軌道道床可提供良好的軌道彈性，減緩和吸收輪軌衝擊和震動，且便於養護維修。但是，當高速列車速度超過300km/h時，道床表面形成的列車風速可達50m/s以上，表面輕質、扁平的道砟易產生飛濺，對列車運營安全構成了危害。為了提高列車行車安全，目前多採用道砟膠對有砟軌道道床進行固結，防止道砟飛濺。道砟結構膠結材料主要包括柔性道砟膠結材料和剛性道砟膠結材料。柔性道砟膠結材料為發泡型聚氨酯材料，它可增加有砟軌道道床的整體性和穩定性，大幅降低列車運行噪音。剛性道砟膠結材料俗稱道砟膠，它主要應用於有砟軌道和無砟軌道過渡段，使過渡段的剛度均勻化，提高列車運行的穩定性和安全性。

德國拜耳公司最早研發了發泡型聚氨酯道床固化材料，它主要包括A、B兩組分，採用大型灌注機對道砟進行完全填充，形成有阻尼的空隙緩衝結構，消耗振動能量，減少噪聲和振動。根據研究表明，使用這種形式的結構，可以減少40％的振動，吸收噪聲，更合理地分配上部載荷，下部結構的最大應力較少40％。發泡型聚氨酯固化道床材料主要用於優化有砟軌道結構，提高有砟軌道道床各項性能，減少維修。但是它的施工難度較大、成本較高、施工周期較長，且為了減少紫外線照射對材料性能的影響，道床表面會覆蓋一層道砟，不適於作為防止道砟飛濺的專用膠結材料使用

道砟膠能滲透到「道床」結構內，在「道砟」表面成膜，與「道砟」接觸點粘接，進而與「道砟」形成抗壓整體。道砟膠的剛度和硬度較大，可用於提高有砟軌道道床橫縱向阻力、調整支承剛度、抑制道砟飛濺，且噴塗道砟膠後的道砟僅在接觸點粘結，排水性能不受影響，常用於小曲線半徑無縫線路、無砟軌道向有砟軌道的過渡段上。道砟膠主要包括乳液類和非發泡型聚氨酯。乳液類道砟膠在前期的試驗研究中取得了一定的進展。但是，乳液類道砟膠也存在較多問題，如在溼度較大的環境下成膜速度較慢，粘結強度較低，耐水解性能和耐紫外老化性能較差等。聚氨酯的物理力學性能優異，環境適應性和耐久性能良好，已成為有砟軌道道床的主要固化材料和發展方向，其相關專利較多，如中國專利CN201210002264.1《一種高速鐵路用道砟膠及製備方法、使用方法》、CN201110345037.4《一種聚氨酯道砟膠及其製備方法》、CN201110064269.2《一種新型軌道交通聚交聯氨酯類道砟膠》等。但是，聚氨酯道砟膠對施工環境敏感性較大，如道砟表面或空氣溼度較大材料發泡，導致材料性能降低等。而且，聚氨酯道砟膠對道砟清潔度要求較高，但是運營線路有砟軌道道床表面的灰塵、石粉等雜質較多，噴塗道砟膠後道砟間的粘結牢固程度無法保證。同時，道砟膠的早期強度較低，噴塗後人員踩踏易破壞膠結效果，而且運營線路的有砟軌道道床道在「天窗期」噴砟膠塗道砟膠後即通車，存在道砟飛濺的風險。此外，經聚氨酯道砟膠膠結後的道砟維修養護和清篩較為困難，無法養護維修。

技術實現要素：

發明目的：本發明的目的是為了解決現有技術的不足，提供了一種高速鐵路有砟軌道道床表面膠結材料。

技術方案：為了實現以上目的，本發明提供了一種高速鐵路有砟軌道道床表面膠結材料。其特徵在於：該組合物由A、B兩部分組成，A部分由下列質量份數的原料組成：異氰酸酯組合物100份，所述異氰酸酯組合物由異氰酸酯及其預聚物組成，異氰酸酯為MDI-50、PAPI、碳化亞二胺改性MDI和IPDI中的一種或幾種，異氰酸酯預聚物為異氰酸酯與多元醇及含活潑氫低聚物製備的NCO含量在15％～20％的預聚物，其中異氰酸酯為MDI-100、IPDI中的一種或兩種，多元醇及含活潑氫低聚物為分子量在400-600的油脂化學聚醚二醇，分子量為1000～1200四氫呋喃-氧化丙烯共聚醚二元醇、分子量為1300～1500的端羥基環氧化聚丁二烯中的一種或幾種，環保增塑劑10～30份，粘結促進劑2～6份；B部分由下列質量份數的原料組成：聚醚多元醇100份，所述聚醚多元醇為分子量為4000～4800的高活性聚醚三醇、分子量為2000～3000的高活性聚醚二醇中的一種或兩種，擴鏈交聯劑30～60份，所述擴鏈交聯劑為乙二胺四醚、MOCA和三異丙醇胺中的一種或幾種，環保增塑劑10～30份，消泡劑1～3份，防老劑2～5份；A、B兩部分的體積比為1∶0.5～1∶4。

上述的環保型增塑劑為非鄰苯二甲酸酯類、高溶解性苯甲酸酯類中的一種或兩種。

上述的粘結促進劑為含有異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑。

上述的消泡劑為有機矽類消泡劑。

上述的防老劑為光穩定劑、抗氧劑和水解穩定劑中的一種或幾種。

工作機理：本發明的一種高速鐵路有砟軌道道床表面膠結材料的A部分中，採用異氰酸酯與其預聚物復配的方法，對材料的粘度、力學性能和柔順性等進行有效調節。其中，異氰酸酯採用性能良好的液態異氰酸酯，便於生產與使用；異氰酸酯預聚物中異氰酸酯選擇結構規整性好、機械性能優的MDI-100與耐候性能優的IPDI，多元醇及含活潑氫低聚物選擇憎水效果優、可抑制發泡的油脂化學聚醚二醇，規整性能好、綜合性能優的低溫不結晶的四氫呋喃-氧化丙烯共聚醚二元醇和粘結性能、抗衝擊性能、柔順性與耐水性能優的端羥基環氧化聚丁二烯。B部分中聚醚多元醇採用高活性的三元醇與二元醇復配使用，提高材料的固化速度，調節其柔順性和力學性能，同時採用與體系相匹配的高活性擴鏈交聯劑乙二胺四醚、MOCA和三異丙醇胺中，抑制異氰酸酯與水反應，防止材料在較高溼度下發泡。為了降低體系粘度，調節性能、且提高材料的環保性，A、B組份中加入了非鄰苯二甲酸酯類和高溶解性苯甲酸酯類環保型增塑劑。此外，為了進一步提高材料與道砟的粘結性能，A部分中採用了含異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑。同時，該體系由於各組分共同作用，無須加入催化劑材料固化速度即可滿足現場要求，材料的溼度敏感性更低，更環保。

有益效果：本發明提供的一種高速鐵路有砟軌道道床表面膠結材料，經過大量試驗研究，該組份的各組份配比科學合理，該組合物具有以下優異的性能：

(1)施工便捷：粘度適宜，且常溫固化，可採用常規噴塗機呈「傘」噴塗施工。

(2)適用性好：對道砟清潔度要求和溼度敏感性膠低，且可在「天窗期」內使用，抑制道砟飛濺效果良好。

(3)可搗固維修：表面膠結道床可採用手持搗固機或大型搗固機進行正常的養護維修作業，經搗固後材料可較迅速破壞，道砟可恢復顆粒狀態，並可進行二次膠結。

(4)耐疲勞性能好：材料在長期高速鐵路列車動載荷和日常養護維修人員踩踏的情況下，仍保持良好的粘結狀態。

(5)耐久性能好：材料耐熱老化、耐溼熱老化、耐水性、耐腐蝕性和耐紫外老化性能良好，可長期保持良好的服役狀態。

具體實施方式

下面以實施例說明具體實施方式，這些實施例僅限於解釋說明本發明，而不限定本發明的範圍。

實施例1

道床表面膠結材料的組成：

A部分由下列重量份數的原料組成：異氰酸酯組合物100份，其中MDI-50為60份，PAPI為20份，MDI-100與油脂化學聚醚二醇製備的NCO含量為15％的預聚物為10份，IPDI與端羥基環氧化聚丁二烯製備的NCO含量為20％的預聚物為10份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑5份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑5份，含有異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑為2份；

B部分由下列重量份數的原料組成：高活性聚醚二醇50份，高活性聚醚三醇50份，乙二胺四醚15份，MOCA為10份，三異丙醇胺油脂5份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑5份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑5份，有機矽類消泡劑1份，光穩定劑0.5份，抗氧劑0.5份，水解穩定劑1份；

A、B兩部分的體積比為1∶0.5。

實施例2

道床表面膠結材料的組成：

A部分由下列重量份數的原料組成：異氰酸酯組合物100份，其中IPDI為30份，碳化亞二胺改性MDI為40份，MDI-100與四氫呋喃-氧化丙烯共聚醚二元醇製備的NCO含量為17.5％的預聚物為20份，IPDI與端羥基環氧化聚丁二烯製備的NCO含量為16％的預聚物為10份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑20份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑10份，含有異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑為6份；

B部分由下列重量份數的原料組成：高活性聚醚二醇70份，高活性聚醚三醇30份，乙二胺四醚25份，MOCA為5份，三異丙醇胺油脂30份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑20份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑10份，有機矽類消泡劑3份，光穩定劑2份，抗氧劑2份，水解穩定劑1份；

A、B兩部分的體積比為1∶4。

實施例3

道床表面膠結材料的組成：

A部分由下列重量份數的原料組成：異氰酸酯組合物100份，其中IPDI為50份，MDI-100與端羥基環氧化聚丁二烯製備的NCO含量為18％的預聚物為50份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑10份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑10份，含有異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑為4份；

B部分由下列重量份數的原料組成：高活性聚醚三醇100份，乙二胺四醚30份，MOCA為10份，三異丙醇胺油脂5份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑5份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑15份，有機矽類消泡劑1.5份，光穩定劑2份，抗氧劑1份，水解穩定劑0.5份；

A、B兩部分的體積比為1∶3。

實施例4

道床表面膠結材料的組成：

A部分由下列重量份數的原料組成：異氰酸酯組合物100份，其中PAPI為70份，IPDI與四氫呋喃-氧化丙烯共聚醚二元醇製備的NCO含量為20％的預聚物為30份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑15份，含有異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑為3份；

B部分由下列重量份數的原料組成：高活性聚醚二醇100份，乙二胺四醚40份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑15份，有機矽類消泡劑1.2份，光穩定劑1.5份，抗氧劑1份，水解穩定劑0.5份；

A、B兩部分的體積比為1∶2。

實施例5

道床表面膠結材料的組成：

A部分由下列重量份數的原料組成：異氰酸酯組合物100份，其中IPDI為20份，MDI-50為20份，碳化亞二胺改性MDI為10份，IPDI與油脂化學聚醚二醇製備的NCO含量為15％的預聚物為50份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑25份，含有異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑為5份；

B部分由下列重量份數的原料組成：高活性聚醚二醇55份，高活性聚醚三醇45份，MOCA為30份，三異丙醇胺油脂20份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑25份，有機矽類消泡劑2.5份，光穩定劑2份，抗氧劑1份，水解穩定劑1份；

A、B兩部分的體積比為1∶1。

實施例6

道床表面膠結材料的組成：

A部分由下列重量份數的原料組成：異氰酸酯組合物100份，其中IPDI為30份，碳化亞二胺改性MDI為30份，MDI-100與四氫呋喃-氧化丙烯共聚醚二元醇製備的NCO含量為19％的預聚物為40份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑10份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑3份，含有異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑為2.5份；

B部分由下列重量份數的原料組成：高活性聚醚二醇80份，高活性聚醚三醇20份，MOCA為5份，三異丙醇胺油脂30份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑20份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑7份，有機矽類消泡劑1.2份，光穩定劑2份，抗氧劑2份，水解穩定劑0.5份；

A、B兩部分的體積比為1∶1。

實施例7

道床表面膠結材料的組成：

A部分由下列重量份數的原料組成：異氰酸酯組合物100份，其中PAPI為20份，MDI-50為30份，IPDI為30份，IPDI與四氫呋喃-氧化丙烯共聚醚二元醇製備的NCO含量為19％的預聚物為20份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑28份，含有異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑為5.5份；

B部分由下列重量份數的原料組成：高活性聚醚二醇40份，高活性聚醚三醇60份，乙二胺四醚40份，MOCA為15份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑13份，有機矽類消泡劑2.7份，光穩定劑1份，抗氧劑0.5份，水解穩定劑1份；

A、B兩部分的體積比為1∶1.5。

實施例8

道床表面膠結材料的組成：

A部分由下列重量份數的原料組成：異氰酸酯組合物100份，其中IPDI為10份，碳化亞二胺改性MDI為40份，PAPI為10份，MDI-100與四氫呋喃-氧化丙烯共聚醚二元醇製備的NCO含量為18.5％的預聚物為15份，IPDI與端羥基環氧化聚丁二烯製備的NCO含量為15.5％的預聚物為25份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑11份，高溶解性苯甲酸酯類增塑劑11份，含有異氰酸酯基團的矽烷類偶聯劑為2.7份；

B部分由下列重量份數的原料組成：高活性聚醚二醇30份，高活性聚醚三醇70份，乙二胺四醚25份，MOCA為5份，三異丙醇胺油脂11份，非鄰苯二甲酸酯類增塑劑17份，有機矽類消泡劑1.6份，光穩定劑1份，抗氧劑1份，水解穩定劑0.7份；

A、B兩部分的體積比為1∶2.5。

實例1～8中道床表面膠結材料試驗結果如下表所示，其中拉伸強度和斷裂伸長率參照GB/T528-2009執行；抗壓強度參照GB/T 1041-2008執行；粘結強度參照聚氨酯道砟膠暫行技術條件附錄C執行；熱空氣老化和溼熱老化參照GB/T 3512-2001執行；紫外老化參照GB/T 16422.3-1997執行。