表观密度对聚氨酯泡沫固化材料力学性能的影响

６５ ６２ ６１ ６６ ５９ ５５
３３９ ２８１ １９９ １７５ １６４ １１４
４） 撕裂性能 按照 ＧＢ／Ｔ１０８０８—２００６ 《高 聚 物 多 孔 弹 性 材 料撕裂 强 度 的 测 定 》 方 法 测 定， 加 载 速 率 为 ５０ ｍｍ·ｍｉｎ－１。 ５） 聚氨酯泡沫固化材料的黏结性能 聚氨酯泡沫固化材料的黏结性能是确保聚氨酯 泡沫固化道床稳定性的关键。聚氨酯泡沫固化材料 除应与碎石道砟黏结在一起外，还应与混凝土轨枕 黏结在一起。因此，本文设计了固化材料与道砟石 和混凝土试件的黏结性能试验。首先用切割机将特 级道砟 母 岩 和 Ｃ５０ 混 凝 土 试 件 切 割 成 尺 寸 为 ４０ ｍｍ×４０ｍｍ×３０ｍｍ 的 试 块， 将 ２ 个 同 材 质 棱 柱 体试样 同 心 对 立 放 置， 二 者 的 间 距 为 ２０ ｍｍ， 周 围用胶带纸密封，上方预留浇注孔，然后在２个棱 柱体间浇注混合后的聚氨酯浆液，试样成型后在温 度为 （２３±３）℃，湿度为５０％±５％的养护箱中养 护７ｄ，去掉胶带 纸， 并 用 裁 纸 刀 将 多 余 的 固 化 材 料切除，接 着 在 棱 柱 体 试 样 的 两 外 侧 粘 贴 金 属 测 头，在电子万能试验机上测试聚氨酯泡沫的粘结性 能， 如 图 １ 所 示， 试 验 的 拉 伸 速 率 为 ５０ ｍｍ·ｍｉｎ－１。
收 稿 日 期 ：２０１４－０２－１０； 修 订 日 期 ：２０１５－０３－１０ 基金项目：中国铁道科学研究院行业服务技术创新项目 （２００ＹＪ８４） 作者简介：郑新国 （１９７４—），男，湖北天门人，副研究员。
第３期 表观密度对聚氨酯泡沫固化材料力学性能的影响
１３
第３ ６卷 ，第３期 中 国 铁 道 科 学 ２ ０ １ ５ 年 ５ 月 ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．３
Ｍａｙ，２０１５
文章编号：１００１－４６３２ （２０１５）０３－００１２－０５
表观密度对聚氨酯泡沫固化材料力学性能的影响
２ 结果及讨论
不同表观密度的聚氨酯泡沫固化材料的拉伸强 度、断 裂 伸 长 率、 撕 裂 强 度、 压 缩 强 度 如 图 ２
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所示。
中 国 铁 道 科 学 第 ３６ 卷
可以看出，在表观密度相同时，固化材料与混凝土 试件的黏结强度高于与道砟石的黏结强度，这表明 相同表观密度的聚氨酯泡沫固化材料与混凝土具有 更高的黏结性能。这可能是因为混凝土是一种多孔 材料，混合后的聚氨酯浆液接触到多孔材料时，部 分材料能够渗入混凝土表面的孔隙中，从而形成更 好的黏结。
图 １ 粘 结 性 能 试 验
６） 微观形貌分析 采 用 ＪＥＯＬＳ－６７００Ｆ 型 扫 描 电 子 显 微 镜
（ＳＥＭ） 对聚氨酯泡 沫 固 化 材 料 的 泡 孔 结 构 进 行 分 析，将去皮后的聚氨酯泡沫固化材料裁成三维尺寸 为３ｍｍ 左右的试样，把试样放入液氮中骤冷， 用 裁纸刀沿中部切开试样，取切开后的一部分试样固 定在样品座上，切割面朝上，在切割面上喷金后， 将样品座放入扫描电子显微镜中观察其断面形态。
泡剂为赢创德固赛 （中国） 投资有限公司生产的有 机硅类泡沫稳定剂；扩链剂为国药集团化学试剂有 限 公 司 生 产 的 １，４－丁 二 醇 ； 发 泡 剂 为 水 。 １．２ 试 样 制 备
首先用高速搅拌机将由聚醚多元醇、催化剂及 水等组 成 的 Ａ 组 分 搅 拌 均 匀， 搅 拌 速 度 为４ ０００ ｒａｄ·ｍｉｎ－１，搅拌时间为４０ｓ，然后迅速将 精 确 计 量的异氰 酸 酯 （Ｂ 组 分） 倒 入 Ａ 组 分 中， 以４ ０００ ｒａｄ·ｍｉｎ－１的搅拌速度搅拌二者的混合液， 搅 拌 时 间为 ８ｓ， 接 着 将 搅 拌 好 的 浆 液 倒 入 尺 寸 为 １００ ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ 的 试 模 中， 待 试 样 温 度 降 至室温时脱模，将试样放入温度为 （２３±３）℃，湿 度为５０％±５％ 的 养 护 箱 中 养 护 ７ｄ， 然 后 将 试 样 裁成各试验需要的标准试件后进行性能试验。
聚氨酯泡沫固化材料是形成聚氨酯固化道床的 关键工程材料，服役中的聚氨酯固化材料与道砟一 起承受列车的疲劳荷载和外界环境的作用。聚氨酯 泡沫固化材料除限制碎石道砟的相对滑动进而提高 道床稳定性之外，还应提供一定的弹性和承载力， 以分散道砟间的作用力，为路基传递均匀荷载。这 要求聚氨酯泡沫固化材料具有良好的力学性能。
关键词：聚氨酯固化道床；固化材料；聚氨酯泡沫；表观密度；力学性能
中 图 分 类 号 ：Ｕ２１４．２；ＴＱ３２３．８ 文 献 标 识 码 ：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４６３２．２０１５．０３．０３
聚氨酯泡沫固化道床是一种新型的整体道床， 它是将具有环保安全、弹性好、缓冲吸能效果优越 的双组分聚氨 酯 泡 沫 材 料 经 ［１－３］ 加 压 混 合 后 浇 注 到 新铺设的碎石道床内，利用双组分材料间的化学反 应及产生的体积膨胀并迅速固化的特性，达到填充 散粒体道砟间的空隙并将散粒体道砟固结成为整体 的目的。与混凝土整体道床和沥青固化道床不同， 聚氨酯固化道床既在一定程度上保持了有砟道床弹 性良好、噪声小和养护维修方便等诸多优点，又提 高了有砟道床结构的整体性和稳定性，增强了道床 承载力，延长了轨枕和钢轨的使用寿命，降低了线 路的养护维修工作量，从而有效缓解铁路运输与养 护维修之间 的 矛 盾 。 ［４－５］ 同 时 作 为 黏 弹 性 材 料 的 聚 氨酯泡沫固化材料还具有一定的减振降噪作用。
１．３ 试 验 内 容 及 方 法 １） 表观密度 按照 ＧＢ／Ｔ ６３４３—２００９ 《泡 沫 塑 料 及 橡 胶 表
观密度的测定》 方 法 测 定， 试 样 尺 寸 为 １００ ｍｍ× １００ ｍｍ×５０ ｍｍ。
２） 拉伸性能 按照 ＧＢ／Ｔ ６３４４—２００８ 《软 质 泡 沫 聚 合 材 料 拉伸强度和断裂伸长率的测定》方法测定，试样为 哑 铃 型， 标 距 为 ４０ ｍｍ， 加 载 速 率 为 ５００ ｍｍ·ｍｉｎ－１。 ３） 压缩性能 按照 ＧＢ／Ｔ ８８１３—２００８ 《硬 质 泡 沫 塑 料 压 缩 性能的 测 定 》 方 法 测 定， 试 样 尺 寸 为 １００ ｍｍ× １００ ｍｍ×２５ ｍｍ， 加 载 速 率 为 ５０ ｍｍ·ｍｉｎ－１， 加 载时压缩至 试 样 厚 度 的 ９０％， 按 动 秒 表，３０ｓ后 记录荷载值。
１ 试 验
１．１ 主 要 原 材 料 聚醚多 元 醇 为 天 津 第 Байду номын сангаас 石 油 化 工 厂 生 产 的
３３０Ｎ 型高活性聚 醚 三 元 醇； 异 氰 酸 酯 为 烟 台 万 华 科技新材料 有 限 公 司 生 产 的 改 性 ＭＤＩ； 催 化 剂 为 天津化学试剂厂生产的三乙烯二胺和辛酸亚锡；匀
编号
１ ２ ３ ４ ５ ６
用 水 量／％ （占 Ａ 组分 的质量百
分数）
０．３ ０．６ ０．９ １．２ １．５ １．８
起发 时 间／
ｓ
拉丝 时 间／
ｓ
表干 时 间／
ｓ
表观 密 度／ （ｋｇ·ｍ－３）
２１ ２０ １９ ２１ １８ １６
４８ ４７ ４６ ５０ ４４ ４３
影响聚氨酯泡沫固化材料力学性能的因素很 多。已有研究 表 明 ， ［６－９］ 表 观 密 度 对 硬 质 聚 氨 酯 泡
沫材料的力学性能产生重要影响。但是，聚氨酯泡 沫固化材料不属于硬质聚氨酯泡沫的范畴，并且国 内外对聚氨酯固化道床的研究尚处于初始阶段，尚 无关于表观密度对固化材料力学性能影响的研究。 因此，为促进聚氨酯泡沫固化材料在我国铁路中的 应用，减少有砟道床的养护维修工作量，提高有砟 道床结构的使用寿命，本研究通过调整配方中的用 水量控制聚氨酯泡沫固化材料的密度，制备出了６ 种不同表观密度的材料，采用电子万能试验机分别 测试聚氨酯泡沫固化材料的拉伸性能、压缩性能、 撕裂性能 以 及 固 化 材 料 与 石 材 和 混 凝 土 的 黏 结 性 能，获得聚氨酯泡沫固化材料力学性能随表观密度 的变化规律。并通过扫描电子显微镜观察聚氨酯泡 沫固化材料的泡孔结构，研究表观密度影响聚氨酯 泡沫固化材料力学性能的原因。
图 ３ 聚 氨 酯 泡 沫 固 化 材 料 与 混 凝 土 和 道 砟 石 的 黏 结 性 能
图 ２ 不 同 表 观 密 度 聚 氨 酯 泡 沫 固 化 材 料 的 力 学 性 能
由图２可以看出，随着表观密度的增加，聚氨 酯泡沫固化材料的拉伸强度，断裂伸长率，撕裂强 度及压缩强度均呈线性增长，且表观密度与拉伸强 度、断裂伸长率、撕裂强度和压缩强度均具有较好 的线 性 相 关 性。 当 表 观 密 度 分 别 为 １６４，１９９ 和 ３４０ｋｇ·ｍ－３时， 聚 氨 酯 泡 沫 固 化 材 料 的 拉 伸 强 度 分别为０．２８，０．３１和０．３５ ＭＰａ；断裂伸长率分别 为 ９５％，１１０％ 和 １６３％； 撕 裂 强 度 分 别 为 ５２７， ７０２和１ １２０Ｎ·ｍ－１； 压 缩 变 形 １０％ 条 件 下 的 压 缩强度 分 别 为 ８．７，１３．３ 和 ２３．４ｋＰａ。 可 见， 表 观密度对聚氨酯泡沫固化材料的拉伸性能、撕裂性 能和压缩性能均有较大影响。 不同表观密度聚氨酯泡沫固化材料与道砟石和 混凝土试件黏结强度的测试结果如图３所示。 由图３可以看出，随着表观密度的增加，聚氨 酯泡沫固化材料与混凝土和道砟石的黏结强度均逐 渐增加。当表观 密 度 分 别 为 １６４，１９９ 和 ３３９ｋｇ· ｍ－３时，固化材料与混凝土试 件 的 黏 结 强 度 分 别 为 ８０，１１０和１４０ｋＰａ， 与 道 砟 石 的 黏 结 强 度 分 别 为 ７０，８０ 和 １３０ｋＰａ。 这 可 能 是 因 为 随 着 泡 沫 体 密 度 的增加，单位黏结面积上泡孔的数量减小，从而使 得黏结性能随着表观密度的增加而增大。此外，还
对于重载铁路而言，列车轴重和线路的载重量 均较大，这要求道床能够提供较高的支承能力并保 持道床 的 长 期 稳 定 性 。 ［１０］ 因 此， 对 承 载 力 和 道 床 稳定性要求更高的重载铁路而言，需要较高力学性 能的聚氨酯泡沫固化材料，宜采用较高表观密度的 聚氨酯泡沫固化材料进行道床固结。但是，随着固 化材料表观密度的增加，单位里程内聚氨酯泡沫固 化材料的使用量将会增大，进而增加聚氨酯泡沫固 化道床的成本。因此，在设计重载铁路聚氨酯泡沫 固化道床时，需综合考虑聚氨酯泡沫固化道床的技 术性和经济性， 宜选择表观密度为 １６５～２００ｋｇ· ｍ－３的 聚 氨 酯 泡 沫 固 化 材 料 。
试样制备中，通过调整 Ａ 组分中水的用量控 制聚氨酯 泡 沫 固 化 材 料 的 表 观 密 度， 不 同 用 水 量 （占 Ａ 组分的质量分数） 时固化材料的反 应 时 间 及 表 观 密 度 见 表 １。
表１ 不同用水 量 聚 氨 酯 泡 沫 固 化 材 料 的 反 应 时 间 及 表 观 密度
郑新国，李书明，曾 志，翁智财，刘 竞，杨德军，谢永江，李林香
（中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 １０００８１）
摘 要：为深化聚氨酯固化道床的研究，通过调整用水量控制聚氨酯泡沫固化材料的表观密度，研究表观 密度对聚氨酯泡沫固化材料拉伸性能、撕裂性能、压缩性能和黏结性能的影响，并利用扫描电子显微镜观察聚 氨酯泡沫固化材料的泡孔结构。结果表明：聚氨酯泡沫固化材料的表观密度直接影响其泡孔结构，随着表观密 度的增加，泡孔数量及大孔数量均减少，而其拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度、压缩强度均呈线性增加，黏 结强度逐渐增大。因此，综合考虑技术性和经济性，对碎石道床承载力和稳定性有更高要求的重载铁路而言， 宜采用表观密度为１６５～２００ｋｇ·ｍ－３的聚氨酯泡沫固化材料；聚 氨 酯 泡 沫 固 化 材 料 能 够 与 混 凝 土 和 道 砟 石 良 好 黏结，且相同表现密度下聚氨酯泡沫固化材料与混凝土的黏结强度高于其与道砟石的黏结强度。