高速鐵路軌道板下新型聚氨酯填充材料的性能研究

馮 超，張偉康，張 晶

（陜西交通職業技術學院 公路與鐵道工程學院，陜西西安710018）

目前，隨著高速鐵路建設規模和速度的激增，板式無渣軌道因兼具高穩定性、維修自動化、低成本性而成為主流的軌道結構形式，而該結構中，支撐鋼軌的夾撐墊，軌道板與混凝土基床、混凝土擋臺之間均需要特定的彈性填充料，用以防護變形、提升減震性能，但以往的水泥瀝青青砂漿CA 施工復雜度高、30mm 填充厚度下強度低、成本高等問題，亟待尋求新型填充材料。

而樹脂基材料作為一種以聚氨酯類、環氧樹脂類為基體的高強、高韌性的復合填充料，其施工便捷、效率高，可彌補CA 的不足，但是，卻面臨著高成本的困擾，而聚氨酯樹脂未使用胺類化合物及瀝青，環保性更優，并使用反應基濃度高的異氰酸酯來減少樹脂用料，控制成本，以此制備的聚氨酯彈性體融合了塑料和橡膠的雙重優勢，表現出優異的彈性、強度、沖擊、抗震及耐磨性，將其作為高速鐵路板下的填充材料，不僅可以提升軌道的應用性能，且可降低材料成本。為此，本文旨在研究一種低成本、高性能的聚氨酯填充材料，用以替代CA，并彌補樹脂基材料高成本的不足，以為高速鐵路軌道板優化設計提供有效支撐。

1 實驗部分

1.1 實驗要求

針對CA 砂漿及樹脂基填充材料的不足，本文擬設計的新型聚氨酯填充材料將以無機填料來控制其制備成本，并通過位鎖效應來改善其綜合性能，結合高速鐵路軌道板下填充材料的應用需求，其應達到如下技術要求：

（1）可長期支撐鋼軌、軌枕的負荷壓力，且承受高速列車多數量、高負載的運動負荷［1］；可基于高分子的粘彈性，實現機械振動能量向熱量的轉換［2］，以提升減震、抗噪性能。

（2）以合理的價格、最優的性能，來替代CA 砂漿、減少樹脂基填充材料的用量，以達到低成本要求，且各項性能需滿足鐵道部規定的表面硬度、實密度、耐腐蝕、耐熱老化、抗壓強度、剪切強度、粘結強度等物理力學性能指標要求。

1.2 實驗材料及設備

新型聚氨酯填充材料制備中所用的材料見表1。同時，為通過填料改善新型聚氨酯填充材料的成本及綜合性能，本文以硬度、抗壓強度和熱重分析為選用指標，從10 種無機填料中優選出硅灰粉、炭黑和浮石3 種無機填料；而且，因為無機填料與有機基質存在極性差異，兩者相容性差，為此，此處選用硅烷偶聯劑 KH560 為改性劑對硅灰粉、炭黑等填料進行了有機表面處理［3］，使其與有機基質更好地相容。

表1 新型聚氨酯填充材料制備中所用的材料Table 1 Materials used in the preparation of new polyurethane filling materials

通過無機填料改性制備新型聚氨酯填充材料所需的實驗儀器見表2 。

表2 實驗儀器Table 2 Experimental instruments

1.3 實驗設計

為實現聚氨酯填充材料性能的最優配比設計，采用正交設計方法，以不同摻量的改性硅灰粉、浮石、改性炭黑等無機填料進行配合比設計見表3，采用雙組分方法制備聚氨酯填充材料［4］，具體步驟如下:

（1）稱取定量的聚醚二元醇、聚醚三元醇置于單口圓底瓶中，并摻入適量丙酮以減弱其粘度，而后，將放置在集熱式恒溫加熱油浴鍋中，以封閉磁力攪拌方式使其充分預聚反應后，在105℃減壓脫水1h［5］，靜置65℃再摻入特定比例的MDI-100 反應0.5h，待溫度升至80℃反應2h，再降至65℃即可完成A 組分制備。

（2）稱取定量的二甲硫基甲苯二胺、蓖麻油、浮石、改性的硅灰粉及炭黑等摻入單口圓底瓶中，依照步驟(1) 的方法，置于集熱式恒溫加熱油浴鍋中反應后，在105℃下減壓脫水2h，降至65℃即可得B 組分。

（3）將所得A、B 組分充分攪拌混合均勻，將其放入磨具內進行固化成型，靜置48h 脫膜后，再放入電熱鼓風干燥箱中90℃養護9h［6］，即可得不同配合比的聚氨酯填充材料試樣。

表3 正交實驗的配合比設計Table 3 Mix proportion design of orthogonal experiment

2 性能指標測試

為滿足高速鐵路軌道板下應用要求，本文將測定不同配合比聚氨酯填充材料的硬度、抗壓強度、SEM、熱重、耐候性等性能指標。

硬度測試：采用日本ASKER 橡膠硬度計，選定試樣平面上的5 個測點分別進行硬度測試，取均值作為最終結果。

抗壓強度：根據GBT 17671-1999 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法），將試樣置于微機控制電子萬能試驗機的中心以使其均勻受力［7］，采用10mm/min 的加載速度逐漸壓縮，以下壓5mm 時的抗壓強度為準［8］，記錄測試結果，總計進行5 次測試，取均值作為最終結果。

SEM 形貌：使用液態快速冷凍試樣，斷面鍍金，采用掃描電子顯微鏡放大倍數1000×，加速電壓25kV，進行5 次圖像采樣觀測SEM 形貌。

熱重分析：稱取5mg 定量的試樣，置于TG 熱重分析儀上，以150mL/min 的速度通入氣體，通過程序控溫將試樣升值105℃保溫5～10 min，再將其升至800℃進行測試［9］。

耐候性：此處主要測定耐鹽性、耐堿性等2 項指標，具體根據GB/T 16777-2008，稱取定量的試樣分別置于5% 的NaCl、28.57 % 的NaOH 溶液中靜置96h 后，取出測試其硬度。

3 結果分析

3.1 聚氨酯填充材料的硬度分析

通過實驗分析，可得正交設計中各類配合比下的聚氨酯填充材料硬度性能如圖1 所示?？梢姡驌饺氲母男怨杌曳?、改性炭黑、浮石等無機填料種類及比例不同，聚氨酯填充材料的硬度有顯著差異，而第9 種設計方案的試樣硬度最高，這源于3 種無機填料自身硬度優于聚氨酯彈性體，試樣硬度隨無機填料種類而變化，且3 種無機填料的粒徑各異，由大及小依次為浮石、改性硅灰粉、改性炭黑，其影響聚氨酯填充材料的孔隙率，進而影響硬度變化。

圖1 不同配合比下聚氨酯填充材料的硬度Fig. 1 Hardness of polyurethane filling materials with different mix proportions

3.2 聚氨酯填充材料的抗壓強度分析

通過實驗分析，可得各類配合比下的聚氨酯填充材料抗壓強度性能如圖2 所示。很明顯，第8 種設計方案下試樣的抗壓強度最優，這源于浮石基于大顆粒的骨架支撐作用建構其與聚氨酯的松弛應力過渡層結構［10］，以確保傳遞應力的均勻性，且可發揮補強增韌的作用，極大地優化聚氨酯填充材料的抗壓強度。但是，浮石添加量過高，易引發沉底，影響試樣的抗壓強度，而適量添加改性的硅灰粉及炭黑，可提升預聚體的粘度，控制浮石下沉，且3 種無機填料粒徑各異，可更好地填充試樣的孔隙，增強抗壓強度。

圖2 不同配合比下聚氨酯填充材料的抗壓強度Fig. 2 Compressive strength of polyurethane filling materials with different mix proportions

3.3 SEM 形貌分析

為測定無機填料對于聚氨酯填充材料性能的改性作用，通過實驗測得摻入無機填料前后試樣的SEM 形貌如圖3 所示。顯然，未添加無機填料的聚氨酯填充材料表層溝壑明顯，棱角分明，裂紋容易擴散，進而影響其在高速鐵路軌道板下的應用，而通過無機填料改性的聚氨酯填充材料表層溝壑不明顯，較為平整，這是因為聚氨酯緊密包裹無機填料，使其不能分散吸收外力沖擊，進而提升聚氨酯填充材料的應用性能。

圖3 摻入無機填料前后聚氨酯填充材料SEM 形貌變化Fig. 3 Changes of SEM morphology of polyurethane filling materials before and after adding inorganic fillers

3.4 TG 分析

將實驗測得抗壓強度最優的第9 種方案制成的試樣進行TG 分析，與純聚氨酯進行比較，結果如圖4 所示?？梢姡瑹o機填料改性的試樣熱穩定性更優，這是因為聚氨酯作為線性的彈性高分子，線性分子內的化學鍵可催生分子鏈的運動，造成熱穩定性差，而此時，通過添加無機填料，可強化其結構緊實度，更好地覆蓋有機材料，且可一定程度降低聚氨酯的分子運動，提升其耐高溫性。

圖4 摻入無機填料前后聚氨酯填充材料TG 熱重變化Fig. 4 TG change of polyurethane filling material before and after adding inorganic filler

3.5 聚氨酯填充材料的耐老化性

通過實驗分析，可得聚氨酯填充材料的耐鹽性、耐堿性如圖5 所示，由圖可知，因長期處于暴露于野外，鹽堿分子腐蝕下造成大分子鏈產生水解氧化，讓試樣溶脹、軟化，耐老化性能下降，但此處所得聚氨酯填充材料在耐鹽堿處理前后，硬度未見有明顯變化，尤其第8種方案的變化最小，耐鹽、堿的變化率分別為0.5%、1.08%，達到了高速鐵路軌道板下的應用要求。究其原因，是因為第8 種方案的填料配合比設計合理，緊密的結構阻擋了鹽堿介質向聚氨酯填充材料內部的侵蝕，故而，未發生明顯溶脹、軟化現象，硬度較高，耐老化性能較優。

圖5 聚氨酯填充材料的耐鹽堿性Fig. 5 Salt and alkali resistance of polyurethane filling materials

4 結束語

高速鐵路軌道板下填充料中，CA 砂漿在30mm 以下填充厚度或軌道板與混凝土擋臺的間隙過窄時，強度受限，而取代其的樹脂基填充材料成本過高，無疑增加了聚氨酯彈性體的成本，限制了其應用前景。而上述研究將關注點轉向無機填料，擬通過填充料的改性，來降低樹脂基填充材料的用量，控制成本，以推進聚氨酯彈性體在高速鐵路軌道板中的應用，通過實驗分析，得出如下結論：

（1）無機填料具備低成本性，通過改性設計可更好地與有機基體相容，優化聚氨酯填充材料的硬度、抗壓強度、SEM 形貌、熱穩定性、耐老化性各項性能，具備替代CA 砂漿及樹脂基填充料的優勢性，值得在高速鐵路軌道板下新型材料研制中予以推廣。

（2）新型聚氨酯填充材料使用無機填料后，可縮減樹脂基用量，控制成本，但是，其各項性能受無機填料類型、添加比影響，需根據高速鐵路軌道板下彈性填充材料的應用需求，進行適配選型及配比設計。