道砟清潔度對(duì)聚氨酯固化材料力學(xué)性能的影響

李書(shū)明

(1.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；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

聚氨酯固化道床采用現(xiàn)場(chǎng)澆注工藝成型，施工中要求聚氨酯漿液能夠到達(dá)道床底部，并將設(shè)計(jì)范圍內(nèi)道砟間的空隙填充飽滿[4]。這要求道砟具有較高的清潔度[5]。清潔度是指道砟中顆粒粒徑小于0.1 mm的粉體顆粒含量[6]。聚氨酯固化道床具有優(yōu)異性能的前提是聚氨酯固化材料與道砟間形成良好的黏結(jié)，固化材料限制道砟的移位，從而維持固化道床的穩(wěn)定。然而，碎石道床中臟污材料的存在會(huì)影響聚氨酯固化材料與道砟的黏結(jié)性能，最終影響聚氨酯固化道床的穩(wěn)定性。目前，關(guān)于聚氨酯固化材料力學(xué)性能的影響因素以及聚氨酯固化道床力學(xué)性能的研究較多[7-9]，但是這些研究均建立在道砟清潔的基礎(chǔ)上，對(duì)于聚氨酯固化材料與臟污道砟的固化效果研究較少。

聚氨酯固化道床作為一種新型道床結(jié)構(gòu)，除了能夠在新建線路中應(yīng)用之外，在既有線中應(yīng)用前景也十分廣闊，但是，既有線有砟線路經(jīng)清篩和搗固穩(wěn)定后達(dá)到新建線路道砟清潔度的要求十分困難。道砟清潔度已成為影響聚氨酯固化道床技術(shù)在既有線有砟線路中應(yīng)用的關(guān)鍵因素，亟需對(duì)道砟清潔度允許限值及其對(duì)聚氨酯固化材料性能的影響開(kāi)展研究。

為此，本文通過(guò)模擬不同清潔度的道砟，研究聚氨酯固化材料與不同清潔度道砟的黏結(jié)性能，進(jìn)一步研究聚氨酯固化材料與不同清潔度道砟固結(jié)體的力學(xué)性能，從而提出適用于聚氨酯固化道床的道砟清潔度允許范圍,以期為聚氨酯固化道床技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 聚氨酯材料

聚氨酯材料由白料和黑料2部分組成，白料又稱多元醇組合料，由聚醚多元醇、擴(kuò)鏈劑、勻泡劑、催化劑、發(fā)泡劑等混合而成。聚醚多元醇為天津第三石油化工廠生產(chǎn)的330N型高活性聚醚三元醇；擴(kuò)鏈劑為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的1,4-丁二醇；勻泡劑為贏創(chuàng)德固賽(中國(guó))投資有限公司生產(chǎn)的有機(jī)硅類泡沫穩(wěn)定劑；催化劑為天津化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的三乙烯二胺和辛酸亞錫；發(fā)泡劑為水。異氰酸酯為萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的改性MDI(Diphenylmethane Diisocyanate,二苯基甲烷二異氰酸酯)，稱為黑料。聚氨酯原材料技術(shù)參數(shù)及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2。

表1 聚氨酯原材料技術(shù)參數(shù)

表2 聚氨酯固化材料力學(xué)性能

注：壓縮強(qiáng)度為相對(duì)變形10%時(shí)的強(qiáng)度。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 聚氨酯固化材料與臟污道砟的黏結(jié)性能

為模擬聚氨酯固化材料與臟污道砟的黏結(jié)性能，先用鉆機(jī)在特級(jí)道砟母巖上鉆取直徑50 mm試樣。用切割機(jī)將圓柱體試樣切割成厚度30 mm的圓餅試件，在圓餅試件與聚氨酯材料的黏結(jié)面上涂上石粉。為保證石粉能夠黏附在巖石上，先在圓餅試件表面抹層水，石粉涂覆量按照試件質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算。將2個(gè)圓餅試件同心對(duì)立放置，二者的間距為20 mm。周?chē)门Ｆぜ埮c膠帶密封，上方預(yù)留澆注孔，制成黏結(jié)試樣見(jiàn)圖1。待黏結(jié)表面水分干燥后再澆注聚氨酯材料。其他臟污材料(煤粉、黏土和機(jī)油)的黏結(jié)試樣，也按照上述方法制作。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試固化材料與臟污道砟的黏結(jié)性能，加載速率為50 mm/min，見(jiàn)圖2。

圖1 黏結(jié)試樣圖2 黏結(jié)性能測(cè)試

1.2.2 聚氨酯固化材料與臟污道砟的固結(jié)性能

在清潔道砟中摻入一定量的臟污材料并混合均勻，制成臟污道砟。石粉、黏土、煤粉的含量分別為道砟質(zhì)量的0，0.6%和1.0%，機(jī)油的含量分別為0，0.2%和0.4%。將制備好的臟污道砟分2層裝入尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試模中，并在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)，見(jiàn)圖3。將攪拌均勻的聚氨酯材料倒入臟污道砟中，聚氨酯固化材料與臟污道砟形成固結(jié)體，在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試固結(jié)體的力學(xué)性能，加載速率為0.5 mm/min，最大位移為2 mm，然后以0.5 mm/min的速率卸載，見(jiàn)圖4。

圖3 臟污道砟圖4 固結(jié)體力學(xué)性能測(cè)試

1.2.3 微觀形貌觀察

將固結(jié)體中臟污道砟表面的聚氨酯固化材料取出，采用FEI Quanta 200型掃描電子顯微鏡觀察聚氨酯固化材料與臟污道砟界面的微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 道砟清潔度對(duì)固化材料與臟污道砟黏結(jié)性能的影響

1)粉體(含黏土)臟污材料

粉體(含黏土)臟污材料(以下簡(jiǎn)稱粉體臟污材料)對(duì)聚氨酯固化材料與臟污道砟黏結(jié)性能的影響見(jiàn)圖5。

圖5 粉體臟污材料對(duì)聚氨酯固化材料與臟污道砟 黏結(jié)性能的影響

由圖5可以看出:①隨著道砟表面粉體臟污材料含量的增多，聚氨酯固化材料與道砟的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低。②對(duì)于不同類型的粉體臟污材料，臟污材料含量相同時(shí)，黏土對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響更大，煤粉的影響次之。臟污材料含量為0.6%時(shí)，固化材料與含石粉、煤粉和黏土道砟的黏結(jié)強(qiáng)度分別為0.287，0.265和0.261 MPa；臟污材料含量為1.0%時(shí)，固化材料與含石粉、煤粉和黏土道砟的黏結(jié)強(qiáng)度分別為0.209，0.210和0.180 MPa。③粉體臟污材料含量不超過(guò)0.6%時(shí)，聚氨酯固化材料與道砟的黏結(jié)強(qiáng)度高于0.26 MPa，與臟污道砟仍然具有良好的黏結(jié)性能，黏結(jié)強(qiáng)度接近清潔道砟時(shí)的70%。

圖6 聚氨酯固化材料與臟污道砟的黏結(jié)破壞形式

聚氨酯固化材料與臟污道砟的黏結(jié)破壞形式見(jiàn)圖6?？梢钥闯?①道砟清潔度不同聚氨酯固化材料與臟污道砟的黏結(jié)破壞形式亦不同。粉體臟污材料含量不超過(guò)0.6%時(shí)其黏結(jié)破壞為本體斷裂，粉體臟污材料含量大于0.6%時(shí)聚氨酯固化材料與臟污道砟黏結(jié)破壞為界面破壞。這是因?yàn)榉垠w臟污材料主要被吸附在道砟表面，臟污材料含量較多時(shí)會(huì)形成隔離層，阻礙漿液向道砟表面滲透。②同樣是界面破壞，對(duì)于石粉和煤粉，部分粉體能夠粘附在聚氨酯泡沫上，而黏土完全粘附在道砟上。這可能是因?yàn)轲ね烈仔纬奢^密實(shí)的隔離層，這也是造成相同臟污材料含量時(shí)含黏土道砟黏結(jié)強(qiáng)度較低的原因。

2)機(jī)油

機(jī)油對(duì)聚氨酯固化材料與油污道砟黏結(jié)性能的影響見(jiàn)圖7。

圖7 機(jī)油對(duì)聚氨酯固化材料與油污道砟黏結(jié)性能的影響

由圖7可以看出:機(jī)油對(duì)聚氨酯固化材料與油污道砟黏結(jié)性能的影響很大。隨著機(jī)油含量的增加，固化材料與油污道砟的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低。機(jī)油含量分別為0，0.2%和0.4%時(shí)，固化材料與油污道砟的黏結(jié)強(qiáng)度分別為0.29，0.18和0.09 MPa。固化材料與油污道砟黏結(jié)破壞為界面破壞，固化材料與道砟完全分離(見(jiàn)圖7(b))。這主要是因?yàn)闄C(jī)油在道砟表面形成了隔離層，阻礙了聚氨酯固化材料的浸潤(rùn)，造成固化材料與油污道砟的黏結(jié)強(qiáng)度降低，受力破壞時(shí)與道砟完全脫開(kāi)。

2.2 道砟清潔度對(duì)固結(jié)體力學(xué)性能的影響

1)粉體臟污材料

表3 固結(jié)體的彈性模量與粉體含量的關(guān)系

圖8 壓縮荷載位移滯回曲線

粉體臟污材料對(duì)聚氨酯固化材料的灌注性能有重要影響，粉體材料過(guò)多容易造成設(shè)計(jì)范圍內(nèi)固化道床灌注不飽滿，因此綜合考慮聚氨酯固化材料與道砟的黏結(jié)性能、固結(jié)體力學(xué)性能和灌注性能，粉體臟污材料含量不宜超過(guò)0.6%。

2)機(jī)油

機(jī)油對(duì)聚氨酯固化材料與道砟固結(jié)體力學(xué)性能的影響見(jiàn)圖9。

圖9 機(jī)油對(duì)固結(jié)體力學(xué)性能的影響

由圖9可以看出:機(jī)油對(duì)聚氨酯固化材料與道砟固結(jié)體壓縮性能的影響較大。隨著機(jī)油含量的增加，固結(jié)體的最大壓縮荷載降低，且壓縮階段固結(jié)體的彈性模量也降低。固結(jié)體卸載時(shí)體積變形未能完全復(fù)原，發(fā)生了較大的殘余變形，且機(jī)油含量越多，殘余變形越大?？赡苁且?yàn)闄C(jī)油影響了固化材料與道砟的黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)而影響了固結(jié)體的力學(xué)性能。因此，道砟中不宜含有機(jī)油。

2.3 聚氨酯固化材料與臟污道砟界面微觀形貌

聚氨酯固化材料與臟污道砟(摻煤粉)界面的微觀形貌見(jiàn)圖10。

圖10 聚氨酯固化材料與臟污道砟界面的微觀形貌

由圖10可以看出:與清潔道砟界面泡孔結(jié)構(gòu)相比，臟污道砟界面聚氨酯固化材料泡孔中夾雜著很多固體顆粒。這些顆粒分散在聚氨酯固化材料中，相當(dāng)于固化材料泡孔結(jié)構(gòu)中添加了一定量的粉體填料。通常填料含量在5%～10%時(shí)對(duì)聚氨酯泡沫材料壓縮性能的影響不大[10]；與粉體臟污材料相比，機(jī)油由于已經(jīng)浸潤(rùn)了道砟顆粒，臟污介質(zhì)很難遷移，發(fā)泡過(guò)程中機(jī)油仍然黏附在道砟表面，造成聚氨酯固化材料與道砟間的界面是薄弱層，受力時(shí)易產(chǎn)生滑動(dòng)變形。這是粉體臟污材料對(duì)聚氨酯固化材料力學(xué)性能影響小，而機(jī)油對(duì)聚氨酯固化材料力學(xué)性能影響大，尤其是對(duì)固結(jié)體殘余變形影響大的原因。

3 結(jié)論

1)道砟中石粉、煤粉、黏土等粉體臟污材料對(duì)聚氨酯固化材料與道砟的黏結(jié)強(qiáng)度有重要影響，對(duì)聚氨酯固化材料與道砟固結(jié)體力學(xué)性能的影響不大。隨著粉體臟污材料含量的增加，固化材料與道砟的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低。相比而言，黏土對(duì)固化材料與道砟的黏結(jié)強(qiáng)度及固結(jié)體力學(xué)性能的影響更大。粉體臟污材料含量小于0.6%時(shí)黏結(jié)破壞為本體斷裂。綜合考慮固化材料與道砟的黏結(jié)性能、灌注性能和固結(jié)體的力學(xué)性能，道砟中粉體臟污材料的含量不宜超過(guò)0.6%。

2)機(jī)油對(duì)聚氨酯固化材料與道砟的黏結(jié)性能和固結(jié)體力學(xué)性能的影響較大。道砟表面含有機(jī)油時(shí)，固化材料與油污道砟黏結(jié)破壞易出現(xiàn)界面破壞，且固結(jié)體承受壓縮循環(huán)荷載時(shí)殘余變形量較大。綜合考慮聚氨酯固化材料與道砟的黏結(jié)性能和固結(jié)體的力學(xué)性能，道砟中不宜含有機(jī)油。

3)聚氨酯固化材料在發(fā)泡過(guò)程中將道砟界面的粉體臟污材料帶入固化材料泡沫本體中，粉體臟污材料以填料的形式分散在固化材料中，這是聚氨酯固化材料發(fā)生本體斷裂的原因。