密度對聚氨酯固化材料減振性能的影響

李書明 曾志 鄭新國 劉競 謝永江 郄錄朝

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

聚氨酯固化道床是由具有良好彈性和緩沖吸能作用的雙組分聚氨酯泡沫材料固結(jié)道砟而成［1］。該道床既具有無砟道床的整體性和少維修性，又具有有砟道床的良好彈性和易維修性，是一種介于無砟道床和有砟道床之間的第三種道床結(jié)構(gòu)，同時也具有一定的減振降噪性能，除可用于高速、重載鐵路之外，也可用于地鐵、城鐵等城市軌道交通中［2-3］。

聚氨酯固化道床技術(shù)最早于21 世紀初由德國拜耳公司提出［4］，近年來在中國逐步得到了應(yīng)用和發(fā)展。我國學(xué)者對聚氨酯固化道床及固化材料的性能進行了較多研究。鄭新國等［5］研究了密度對聚氨酯固化材料力學(xué)性能的影響，并提出了針對重載鐵路的聚氨酯固化材料的適宜密度范圍。李書明等［6］研究了聚氨酯固化材料與道砟之間的黏結(jié)性能，并基于黏結(jié)性能提出了聚氨酯固化材料的關(guān)鍵控制參數(shù)。郄錄朝等［7］研究了聚氨酯固化道床的彈性保持能力和抗累積變形能力，驗證了聚氨酯固化道床的優(yōu)異性能。楊書生等［8］研究了350 km/h高速列車運營條件下聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的行車安全性，驗證了聚氨酯固化道床的減振性能。蔣函珂［9］研究了聚氨酯固化道床的結(jié)構(gòu)動力特性，分析了聚氨酯固化材料彈性模量、車速、軸重等對聚氨酯固化道床的影響，確立聚氨酯固化道床的適用性。聚氨酯固化材料是一種黏彈性高分子材料［10］，其性能直接影響聚氨酯固化道床的減振性能。已有研究關(guān)于聚氨酯固化材料減振性能的相對較少，固化材料的關(guān)鍵控制參數(shù)中也未考慮減振性能參數(shù)，而減振性能是聚氨酯固化道床的重要性能，對于具有更高減振需求的城市軌道交通至關(guān)重要。

本文采用力學(xué)性能損耗因子表征聚氨酯固化材料及其固結(jié)體的減振性能，研究了聚氨酯固化材料的力學(xué)性能、變形性能和減振性能隨密度的變化規(guī)律，以及聚氨酯固化材料減振性能與其固結(jié)體減振性能的相關(guān)關(guān)系。通過觀察聚氨酯固化材料的微觀結(jié)構(gòu)形貌，分析聚氨酯固化材料減振性能的影響因素，并提出用于減振地段聚氨酯固化材料的適宜密度范圍。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試件成型

由聚醚多元醇、擴鏈劑、有機硅類泡沫穩(wěn)定劑、催化劑和發(fā)泡劑組成A 組分，其中發(fā)泡劑為水，通過調(diào)整發(fā)泡劑的用量制備不同密度的聚氨酯固化材料；由改性MDI 組成B 組分。將攪拌均勻的A 組分加熱至32 ℃，B 組分加熱至 30 ℃，將 B 組分倒入 A 組分中再快速攪拌8 s 形成聚氨酯漿液，將漿液倒入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的試模中形成自由發(fā)泡聚氨酯固化材料試件。按照TJ/GW 115—2013《聚氨酯泡沫固化道床暫行技術(shù)條件》測試聚氨酯漿液發(fā)泡過程中的起發(fā)時間和表干時間，按照GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定》測試聚氨酯自由泡的密度。將漿液倒入裝有道砟并振搗密實的試模中形成聚氨酯固化材料與道砟固結(jié)體試件，試模尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。成型時試模頂部用質(zhì)量為30 kg 的鋼板進行保壓。聚氨酯漿液、固化材料與固結(jié)體配方見表1。

表1 聚氨酯漿液、固化材料與固結(jié)體配方

1.2 力學(xué)性能測試

拉伸性能的測試參照GB/T 6344—2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料拉伸強度和斷裂伸長率的測定》，試件為啞鈴型，標距為40 mm，加載速率為500 mm/min。

壓縮性能的測試參照GB/T 8813—2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測定》，試件尺寸為100 mm×100 mm×25 mm，加載速率為50 mm/min，加載時壓縮至試件厚度的90%，按動秒表，30 s后記錄荷載值。

撕裂性能的測試參照GB/T 10808—2006《高聚物多孔彈性材料撕裂強度的測定》，加載速率為50 mm/min。

1.3 減振性能測試

在電子萬能試驗機上進行固結(jié)體的自動加載-卸載試驗。加載至最大位移2 mm 時卸載，加載和卸載速率均為0.5 mm/min。先預(yù)加載-卸載循環(huán)2 次，取第3次的試驗結(jié)果作為加載-卸載下的荷載-位移曲線（見圖1）。OAB為加載曲線，BCO為卸載曲線。力學(xué)性能損耗因子δ=SOABCO/SOABDO［11］。面積采用 Origin 軟件計算。

圖1 加載-卸載下的荷載-位移曲線

聚氨酯固化材料的力學(xué)性能損耗因子測試方法與固結(jié)體相同。固化材料試件尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，加載至5 mm時卸載，加載和卸載速率均為2 mm/min，用電子萬能試驗機記錄加載-卸載下的荷載-位移曲線。

本文采用力學(xué)性能損耗因子表征聚氨酯固化材料及其固結(jié)體的減振性能。力學(xué)性能損耗因子越高，減振性能越好，反之亦然。

1.4 微觀形貌觀察

將聚氨酯固化材料裁成尺寸為3 mm×3 mm×10 mm的棱柱體，在液氮中浸泡并脆斷成3 mm×3 mm×3 mm的試件。采用FEI Quanta 200型掃描電子顯微鏡觀察聚氨酯固化材料脆性斷裂斷面的微觀形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 密度對聚氨酯固化材料力學(xué)性能的影響

不同密度聚氨酯固化材料在循環(huán)荷載下的荷載-位移曲線見圖2。

圖2 不同密度聚氨酯固化材料的荷載-位移曲線

由圖2 可以看出：①密度對聚氨酯固化材料循環(huán)荷載下的荷載-位移曲線影響很大。當固化材料密度在85～169 kg/m3時，隨著密度的增加，荷載-位移曲線變化不大，僅在達到最大位移時壓縮荷載略有增加。當固化材料密度由169 kg/m3增加至260 kg/m3時，荷載-位移曲線變化速率加快，達到最大位移時壓縮荷載顯著增加。荷載-位移曲線變化速率反映材料的彈性模量變化，這表明在85～169 kg/m3密度范圍內(nèi)，固化材料彈性模量變化不大；密度從169 kg/m3增至260 kg/m3時，固化材料彈性模量增長幅度較大。②不同密度下聚氨酯固化材料的荷載-位移曲線閉合良好，這表明聚氨酯固化材料具有良好的彈性恢復(fù)能力，在循環(huán)荷載作用下基本沒有不可恢復(fù)的塑性變形。

不同密度下聚氨酯固化材料的拉伸性能、撕裂性能和壓縮性能見圖3。可以看出，密度對聚氨酯固化材料的力學(xué)性能影響很大。隨著密度的增加，聚氨酯固化材料的拉伸強度、撕裂強度和壓縮強度均逐漸增大，而斷裂伸長率先增大后降低，在密度為137 kg/m3時達到最大值。

圖3 密度對聚氨酯固化材料力學(xué)性能的影響

對于聚氨酯固化道床，宜選取具有較好力學(xué)強度和優(yōu)異變形性能的聚氨酯固化材料。綜合考慮，聚氨酯固化材料的密度不宜過高，137～169 kg/m3較合適。

2.2 密度對聚氨酯固化材料減振性能的影響

對不同密度聚氨酯固化材料的力學(xué)性能損耗因子散點圖進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，隨著密度的增加，聚氨酯固化材料的力學(xué)性能損耗因子逐漸降低，二者具有很強的線性負相關(guān)關(guān)系。當密度分別為85，105，137，169，260 kg/m3時，聚氨酯固化材料的力學(xué)性能損耗因子分別為0.397，0.360，0.349，0.265，0.210。力學(xué)性能損耗因子大于0，表明聚氨酯固化材料具有減振作用，且隨著密度的增加，聚氨酯固化材料的減振性能逐漸降低。因此，對于城市地鐵、城際鐵路等具有減振要求的地段，聚氨酯固化材料的密度不宜太高。

2.3 密度對固結(jié)體減振性能的影響

不同密度聚氨酯固化材料與道砟形成的固結(jié)體在循環(huán)荷載下的荷載-位移曲線見圖4。可以看出：①密度對固結(jié)體的荷載-位移曲線影響很大。隨著密度的增加，荷載-位移曲線的斜率逐漸增大，且位移2 mm時的極限荷載也增大。這說明，隨著聚氨酯固化材料密度的增大，固結(jié)體的彈性模量增大，聚氨酯固化道床的承載力也相應(yīng)地增大。②固結(jié)體的荷載-位移曲線閉合良好，表明固結(jié)體具有良好的彈性。

圖4 固結(jié)體的荷載-位移曲線

對固結(jié)體的力學(xué)性能損耗因子隨密度的變化規(guī)律進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，隨著密度的增加，固結(jié)體的力學(xué)性能損耗因子逐漸降低，二者具有很強的線性負相關(guān)關(guān)系。當聚氨酯固化材料密度分別為85，105，137，169，260 kg/m3時，固結(jié)體的損耗因子分別為0.721，0.688，0.639，0.534，0.420。損耗因子大于0，驗證了聚氨酯固化道床具有一定的減振作用，且隨著聚氨酯固化材料密度的降低，減振性能逐漸增強。

另外，固結(jié)體的損耗因子高于相同密度聚氨酯固化材料的損耗因子，這是因為道砟本身具有一定的減振作用，聚氨酯固化材料與道砟復(fù)合后進一步疊加了減振作用。通過對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，固結(jié)體的損耗因子與聚氨酯固化材料的損耗因子之間具有很強的線性相關(guān)性，且正相關(guān)。這說明聚氨酯固化材料的減振性能能夠直接影響聚氨酯固化道床的減振性能，因此選擇合適的聚氨酯固化材料可以制備具有優(yōu)異減振性能的聚氨酯固化道床。

綜上，用于聚氨酯固化道床的固化材料應(yīng)具有適宜的密度。密度過低，雖然減振性能較好，但是力學(xué)性能不能滿足要求；密度過高，雖然力學(xué)性能有所提高，但是減振性能降低，同時聚氨酯固化材料的用量也會相應(yīng)增加，聚氨酯固化道床的經(jīng)濟性下降。綜合考慮力學(xué)性能和減振性能，聚氨酯固化材料的密度宜在140～170 kg/m3。

2.4 聚氨酯固化材料減振性能影響因素分析

觀察不同密度聚氨酯固化材料斷面的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，聚氨酯固化材料為多孔結(jié)構(gòu)，這些氣孔中少量氣泡呈開孔狀，且隨著密度的增加，閉孔氣泡數(shù)量增多，開孔氣泡數(shù)量減少。開孔氣泡對于增大聚氨酯固化材料的力學(xué)性能損耗因子至關(guān)重要。聚氨酯固化材料在承受壓縮荷載時，外力壓縮氣泡，將開孔氣泡內(nèi)的空氣擠出；在卸載過程中，開孔氣泡逐步吸入空氣，泡沫結(jié)構(gòu)逐步復(fù)原，起到了緩沖作用，減小了卸載時反力，表現(xiàn)出力學(xué)性能損耗因子增加。而閉孔氣泡類似于彈性體，壓縮時氣泡內(nèi)的氣體量無變化，加載力與卸載力基本相同，起到的緩沖作用較小。因此，聚氨酯固化材料的密度越低，開孔氣泡數(shù)量越多，緩沖作用越明顯，減振效果越好。

3 結(jié)論

1）密度對聚氨酯固化材料的力學(xué)性能具有顯著影響，隨著密度的增加，聚氨酯固化材料的拉伸強度、撕裂強度和壓縮強度均逐漸增加。斷裂伸長率先增加后降低，在密度為137 kg/m3時達到最大值。

2）隨著密度的增加，聚氨酯固化材料的減振性能呈線性降低，密度由137 kg/m3增至260 kg/m3時，力學(xué)性能損耗因子降低了40%。

3）隨著密度的增加，聚氨酯固化材料與道砟形成的固結(jié)體的力學(xué)性能損耗因子呈線性降低，密度由137 kg/m3升高至260 kg/m3時，力學(xué)性能損耗因子降低了34%。聚氨酯固化材料的減振性能同固結(jié)體的減振性能呈線性正相關(guān)關(guān)系。

4）聚氨酯固化材料的密度越高，開孔氣泡數(shù)量越少，減振效果越差。

5）綜合考慮力學(xué)性能和減振性能，用于減振地段的聚氨酯固化材料密度宜在140～170 kg/m3。