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低黏度、快固化聚氨酯注浆液的研制

发布时间:2019-12-06人气:10

【摘 要】以 PAPI (多苯基甲烷多异氰酸酯)、聚醚二醇、聚醚三醇及小分子扩链剂 1,4-丁二醇为主要原料,加以增塑剂、偶联剂、疏水剂及催化剂等助剂,制备出了一种新型低黏度、快固化的聚氨酯注浆液,并与参比样进行了对比试验。研究结果表明:自制的注浆液能充分反应,固化时间短,施工性能好,力学性能较佳;
       其中 2 h 抗压强度达到 43 MPa,2 h 拉伸强度达到 17.4 MPa,2 h 断裂伸长率达到 33%,7 d 的粘接强度达到5.43 MPa。

0 前 言
       伴随着高速铁路近些年的快速发展,目前几乎所有的高速线路均以无砟轨道为主。然而在线路运营过程中,无砟轨道结构中自密实混凝土层,因持续受到外部环境侵蚀,同时受到机车车辆动荷载作用,难免产生各种病害。其中层间离缝,特别是自密实混凝土与底座支撑层间,很容易出现离缝病害,且伴有渗浆的问题较为突出[1-5]。离缝渗浆会使层间粘结力降低,约束急剧减少,离缝进一步发展可能产生层间相对位移等更为严重的后果[6,7]。特别是在南方,由于雨水较多,山里高铁隧道中的水难以排出,导致离缝渗浆的问题更加严重。长时间的渗浆会导致路基下沉,影响列车行驶的安全性,严重时可能会导致翻车的危险[8-10]。此外,由于长时间受到车辆动载荷作用,轨道板还存在贯穿缝的病害。
       针对上述问题,目前最常用的方法是通过聚合物注浆的方式进行修复。常用的注浆液一般为环氧树脂和聚氨酯注浆液,且注浆过程往往对材料要求很高,需要材料具有较低的黏度、较快的固化速度、较高的粘接和力学强度以及一定的耐水性能[11]。
       环氧树脂注浆液一般黏度高,不利于注浆;且固化后材料脆性大,不利于高铁动载荷离缝的修补。而聚氨酯注浆液因其优异的性能在高铁离缝修补上得到了大量的应用,由于其较快的固化速度和较低的黏度,非常适用于轨道板层间离缝修补[12,13]。此外,相比环氧树脂注浆液,聚氨酯注浆液具有更低的固化收缩率,已成为化学灌注浆材料的主要研究方向[14]。然而,目前市面上出现的聚氨酯注浆液一般存在固化后抗压强度低、与混凝土的粘接强度低、固化时间长以及耐潮湿条件差等缺点。且考虑到我国高速铁路的天窗时间一般为4 h,真正施工的时间可能只有 2~3 h,因此要保证在天窗时间内,注浆液能发生固化且具有一定的抗压强度,而这是市面上绝大多数聚氨酯注浆液产品所不能达到的。
       基于上述要求,本研究选用聚醚二醇和聚醚三醇作为 A 组分,且在 A 组分中引入了增塑剂、疏水剂、偶联剂等,在改善体系黏度的同时,也降低副反应的发生几率。伴随少量催化剂,利用异氰酸酯与羟基化合物的反应,两组分混合制备出了一种低黏度、快固化、高性能的聚氨酯注浆液,并进一步在工程上得到了实践应用。
1 试验部分
1.1 试验原料
       多苯基甲烷多异氰酸酯(PAPI),工业级,烟台万华聚氨酯股份有限公司;聚醚二醇、聚醚三醇、二月桂酸二丁基锡(DBTDL),工业级,河北亚东化工 集团有限公司;1,4-丁二醇(BDO),工业级,济宁宏明化学试剂有限公司;增塑剂、偶联剂、疏水剂,工业级,广东翁江化学试剂有限公司;参比样,市售。
1.2 试验仪器
       ALPHA 型红外光谱仪(FT-IR),德国 Bruker 公司;DF-101型集热式恒温加热磁力搅拌器,上海力辰邦西仪器科技有限公司;SHB-3A型循环水泵,郑州杜甫仪器厂;Instron 5565 型万能材料试验机,美国INSTRON公司;NDJ-5S型数显黏度计,上海方瑞仪器有限公司。
1.3 试验制备
1.3.1 聚氨酯注浆液A、B组分的制备

       A组分制备:将多元醇、扩链剂、增塑剂、偶联剂和疏水剂依次倒入除水装置,加热至100~120 ℃,并以 200~300 r/min 转速进行磁力搅拌均匀,在 0.08~0.10 MPa 负压下持续抽真空脱水处理 1.5~3.0 h,然后将脱水产物冷却至室温后,加入催化剂继续搅拌30~60 min,最后进行分装储存,得到A组分。
       B组分制备:在异氰酸酯中加入疏水剂,搅拌混合 30~60 min,脱 除 气 泡 ,分 装 密 封 保 存 ,得 到 B组分。
1.3.2 试样的制备
       在规定温度下,将 A 组分和 B 组分按照质量比1∶1混合,搅拌均匀,然后倒入相应的力学性能测试所需模具中,固化 2 h、24 h 及 7 d,分别测试不同时间段下的力学性能。参比样也按照 A、B 组分质量比1∶1进行混合,搅拌均匀,制备相应的力学性能测所需的试样。
1.4 测定或表征
       (1)结构表征:采用 FT-IR 进行红外测试(KBr涂膜法制样,测试范围 400~4 000 cm-1,扫描速率20 min-1)。
       (2)交联性能:取少量固化后的注浆液样品,放到 N,N-二甲基甲酰胺溶剂中浸泡,测定不同温度下固化物的溶胀性能。
       (3)黏 度 :按 照 GB / T 2794—2013 标 准 进 行测定[15]。
       (4)凝胶时间:按照 ASTM D2471—99标准进行测定,试验时用玻璃棒试验流动的情况,当出现拉丝状态,即可停止计时[16]。
       (5)拉伸强度:按照 GB/T 2567—2008标准进行测定,利用万能试验机,在室温下以50 mm/min的速率进行[17]。
       (6)抗压强度:按照 JC/T 1041—2007 标准进行测定,采用10 mm×10 mm×25 mm棱柱体试块进行试验,压力机加载速度为5 mm/min[18]。
       (7)粘接强度:按照 JC/T 1041—2007 标准进行测定,采用八字模的方法,试验过程中拉力试验机加载速度为100 N/s[18]。
2 结果与讨论
2.1 注浆液结构表征
2.1.1 红外光谱

       对自制注浆液的两个组分及最终固化物进行了红外测试,结果如图1所示。

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       由图 1可知:对比 A 组分、B 组分和注浆液固化物的谱图可以发现,A组分中1 280 cm-1附近的C—O醚键和2 900~3 000 cm-1附近的C—H键在最终的注浆液固化物中均有出现;最终的注浆液固化物在2 270 cm-1处—NCO 的吸收峰和 3 500 cm-1处—OH的吸收峰基本消失,相应的1 730 cm-1附近出现了氨基甲酸酯中羰基的特征峰,3 350 cm-1出现了 NH 特征峰,这些特征谱带表明,A组分中的羟基和B组分中的异氰酸酯在本研究所设定的配比下能发生充的反应。另外,进一步观察谱图可以发现,A组分和 B 组分在 1 730 cm-1附近也出现了较弱的羰基特征谱带,这是由于在该配方体系中,为了降低体系黏度而加入了增塑剂,增塑剂中的酯类官能团导致上述谱图中出现了羰基的振动峰。
2.1.2 交联结构
       交联体系的固化物在溶剂中一般只会发生溶胀,而线性体系的固化物一般会发生溶解,因此,从固化物的溶解性能来反映体系的交联行为往往是 一种很便捷的手段。本文通过对注浆液固化物在不同温度下的溶解性测试,对体系的交联行为进行了初步的研究,结果如图2和图3所示。

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       由图 2和图 3可知:相比加热初始,经过加热后固化产物的溶胀性能更为明显,且随着加热温度的增加,溶胀效应也增强。100 ℃下加热 120 min 后,可以明显地看到溶胀后的固化物体积增加;另外,虽然固化物破碎,但却没有发生溶解。上述这些现象从侧面证实,本注浆液体系最终固化后形成的是一种交联体系。
2.2 注浆液的施工性能
       注浆液的黏度和凝胶时间往往影响着离缝、裂缝施工的难易程度。特别是初期黏度不能过高,否则容易引起注浆不流畅的问题。
2.2.1 注浆液黏度测定
       注浆液黏度的变化与催化剂的用量密切相关,根据实际工程需要及高铁工程天窗时间的规定,初步研究了催化剂的用量对注浆液黏度变化的影响,以期望寻求一个最佳的催化剂用量比,最终结果如图4所示。
       由图4可知:随着催化剂含量的增加,固化反应的速率增大。催化剂含量为 0.20% 时,反应大约2 min,体系黏度就发生显著的增加,反应较为剧烈,不利于施工。而无催化剂的注浆液,反应 5 min时,注浆液的黏度也变化不大,难以满足实际高铁离缝注浆工程的要求。继续对比观察催化剂为 0.10%、0.05% 及参比样的黏度变化过程,从实际离缝工程 的需要出发,优选出本体系的催化剂含量为0.10%。此条件下反应较为平和,体系初始的黏度≤50 mPa·s,显示出了良好的施工性能。
2.2.2 凝胶时间测定
       在上述黏度随时间变化的基础上,又对比了不同催化剂用量下注浆液的凝胶时间,以确保催化剂用量的准确性,以满足实际工程的需求。结果如表1所示。
       由表1可知:随着催化剂含量的增加,注浆液凝胶的时间变短。这是因为催化剂增加会加快异氰酸酯基(NCO)与羟基基团(OH)的反应,导致体系黏度增加。当黏度增加到一定程度时,体系就会发生凝胶。综合工程需要及产品的指标,最终采用催化剂含量为 0.10% 的注浆液进行下一步试验,其凝胶时间为4.5 min,接近于参比样。
2.3 注浆液的力学性能
       通过上述施工性能的研究,优选出催化剂含量为 0.10% 的注浆液。接下来,又对注浆液固化后的拉伸、抗压以及粘接强度进行了研究。
2.3.1 拉伸性能
       不同固化龄期下注浆液固化物的拉伸性能如图5所示。

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       由图5可知:随着固化时间的延长,拉伸强度逐渐增加,7 d能达到30 MPa以上。这是因为随着固化时间延长,体系中A和B两组分能充分固化,体系会形成更完整的交联网络,内聚能逐渐增大,相应的拉伸强度增大。另外,车辆在行驶的过程中会产生动载,因此所用的注浆液材料固化后还需要有很好的柔韧性。对比不同龄期下固化物的断裂伸长率可以发现,随着固化时间的增加,断裂伸长率降低,这是由于体系中 A 组分采用的是两种柔性的聚醚多元醇,醚类结构赋予体系更好的断裂伸长率;随着固化时间的增加,反应程度变大,链段堆积度增加,内聚能增大,相同拉伸情况下断裂伸长率自然会降低。同时相比参比样,本研究开发出的注浆液固化后具有更好的拉伸性能,这或许是因为本体系 A 组分中引入了三官能度多元醇,一定程度上增加了固化体系的交联密度,进而保证固化物具有良好的拉伸性能。
2.3.2 抗压强度
       车辆在高速行驶过程中会产生很大的载荷,因此需保证修补使用的注浆液固化后具有较好的抗压强度。不同龄期下固化物的抗压强度如图6所示。
       由图 6 可知:对比不同龄期下的抗压强度可以发 现 ,自 制 注 浆 液 固 化 2 h 的 抗 压 强 度 能 达 到40 MPa,远优于参比样的抗压性能。这是由于自制注浆液的 A 组分中引入了三元醇,在相同固化龄期下体系具有更大的交联密度,进而抗压强度也会较好。另外,随着固化时间的延长,反应程度变大,体系交联程度增加,相应的抗压强度也增大,其中自制注浆液固化7 d的抗压强度能达到65 MPa。 

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2.3.3 粘接强度
       粘接性能也是离缝修补的关键指标之一,相比传统的环氧树脂注浆液,聚氨酯注浆液本身的粘接性能较弱,对混凝土的粘接性能较差。通过对配方体系的调整优化,本研究开发出的双组分注浆液产粘接强度达到了 5 MPa 以上,几乎接近于参比样聚氨酯注浆液产品所能达到的强度,如表2所示。 

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       这是由于注浆液体系的初期黏度较低,粘接时注浆液小分子更容易渗透到混凝土内,且注浆液固化后形成的是一种交联网络,因此显示出了良好的粘接性能。两种粘接界面如图7所示。
       由图 7 可知:自制注浆液和参比样注浆液粘接破坏产生的均是混凝土内聚破坏,进一步显示出自制注浆液对混凝土也具有很好的粘接性能。
3 工程应用案例
       本研究开发的注浆液在某高铁轨道板离缝修补工程的应用情况,具体采用以下四个步骤进行,如图8所示。
       (1)转孔和清理:首先在轨道板离缝区域进行转孔,孔深大约为 5 cm,两个孔之间的距离大约为30 cm;用钢丝刷和真空吸尘器清理离缝表面和转孔内部的灰尘、浮渣及松散层。如果是存水的离缝区域,首先应该进行排水。
       (2)插管和封边:在转孔区域埋植注浆管,然后用封边胶在离缝和转孔区域进行封边,保证离缝区域的密闭性,防止注浆时发生泄漏。
       (3)注浆:注浆机的注浆头插到注浆管中,按照质量比1∶1进行注浆,当注浆液发生倒流溢出时,停止注浆,然后拔出注浆头。另外,每注浆一段时间,应用清洗剂对注浆头进行清洗,防止堵塞。
       (4)打磨和涂覆:待注浆液发生固化后(大约30 min),用剪刀剪去注浆管,利用打磨机对封边和注浆区域进行打磨,保证美观性。另外,为了保证材料的长久性和修补后的美观性,采用防腐涂料在封边和注浆区域进行涂覆。

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4 结 语
       (1)对注浆液的结构研究发现,自制双组分注浆液固化后形成的是一种交联体系,且红外谱图显示在1∶1的配比下A组分和B组分能充分反应。
       (2)确定注浆液的催化剂含量为 0.10%,在该条件下,注浆液的初始黏度小于 50 mPa·s,凝胶时间为 4.5 min 左右,保证注浆液具有良好的施工性能。
       (3)三官能度多元醇的存在,改善了体系的交 联程度,保证了固化物具有良好的力学性能。7 d的拉伸强度达到了 30 MPa 以上,抗压强度达到了60 MPa以上,粘接强度达到了5 MPa以上,均满足无砟轨道离缝修补的力学性能指标。
       (4)本研究开发的低黏度聚氨酯注浆液在某无砟轨道线路离缝整治中已得到了应用,试用 1 年后仍保持了良好的修补性能。
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