道床固化用改性高分子粘結劑制備及性能研究

摘 要：針對整體道床固化用高分子粘結劑的制備方法及其應用性能進行研究。使用電子天平稱取聚乙烯醇，并采用恒溫加熱的方法加入氫氧化鈣，通過其與二氧化碳的反應使聚乙烯醇硬化，利用超聲波振動將其縮醛改性處理，制備出高分子粘結劑。粘結劑樣本在整體道床固化中表現出了較高的黏度，且高分子鏈中的分子鍵作用力較強，同時表現出了較寬的熱穩定性范圍。在整體道床的固化工作中，制備的粘結劑表現出了較高的應用水平，性能較優，在軌道建設的整體道床工程實踐中具有良好的推廣意義。

關鍵詞：高分子粘結劑；整體道床；道床固化；粘結劑制備；粘結劑性能

中圖分類號：TQ433+? 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）10-0031-04

Preparation and performance study of modified polymer adhesive for track bed curing

QU Yanpeng1，ZHOU Lun2，ZHANG Zechao2，TANG Zhilong2，LIU Guangping2，ZHANG Tengteng1

（1. China Railway Fourth Bureau Group Co.，Ltd.，Sixth Engineering Branch，Xi’an 710000，China；2. Huating Coal Industry Group Co.，Ltd.，Huating 744100，Gansu China）

Abstract：To study the preparation method and application performance of polymer binders for the solidification ofsolid track beds. An electronic weighing balance was used to weigh polyvinyl alcohol，and calcium hydroxide wasadded through constant temperature heating. The polyvinyl alcohol was hardened by its reaction with carbon dioxide，and then underwent acetal modification treatment using ultrasonic vibration to prepare a polymer binder. The adhe?sive sample exhibited high viscosity during the solidification of the overall track bed，and the molecular bond forcesin the polymer chains were strong，while exhibiting a wide range of thermal stability. In the solidification work of theintegral track bed，the prepared adhesive has shown a high level of application and excellent performance，and hasgood promotion significance in the practical application of the integral track bed engineering in track construction.

Key words：polymer binder；integrated track bed；curing of track bed；preparation of adhesive；adhesive perfor?mance

鐵路或地鐵設施的建設過程中，道床通過連接的軌枕承受列車荷載的重要作用。特殊環境下，需要進一步固化整體道床[1-2]。粘結劑的使用及其膠接性能至關重要，對此，針對環氧樹脂的粘結劑制備方法及其性能進行研究[3]。將雙馬來酰亞胺試劑與六亞甲基二異氰酸酯等預聚物混合，將反應后的混合試劑與三羥甲基丙烷加熱混合，形成交聯結構狀態的粘結劑種子試劑[4]。針對水性聚氨酯的粘結劑制備方法及其性能進行研究，在高溫情況下合成高強度的水性預聚物，加入聚氨酯加速攪拌，制備出水性粘結劑[5]。

整合以往研究成果，考慮到整體道床固化穩定性需求，本研究提出了一種整體道床固化用高分子粘結劑的制備及性能研究。該方法通過縮醛改性形成高分子鏈制備粘結劑，并開展多項性能測試。

1材料與方法

1. 1制備試劑與實驗儀器

本次實驗中所應用到的主要試劑有：NaOH（分析純），濟南鴻宇化工有限公司；C2H5OH（分析純），福晨公司；HCL（分析純），淄博市華星助劑有限公司；NaCL（化學純），濟南世紀通達化工有限公司；Na2SO4（分析純），南京金斯瑞生物科技有限公司；CaCl（2分析純），江蘇申基生物科技有限公司；ZnCl（2化學純），湖北普星特化學試劑有限公司；Ca（OH）（2化學純），南京安元科技股份有限公司；H2SO（4分析純），南京安元科技股份有限公司；H3BO（3分析純），江蘇申基生物科技有限公司；[C2H4O]（nUSP級），山東國化化學有限公司；KMnO（4化學純），江蘇申基生物科技有限公司；（NH4）2S2O（8化學純），濟南豐樂化工有限公司；SBR（化學純），南京安元科技股份有限公司；H3PO4（化學純），山東振華工業股份有限公司。

實驗主要儀器有：SJ413型號臺式離心機，河北朵麥信息科技有限公司；DYB23型號臺式真空干燥箱，南京諾爾曼生物技術有限公司；QL620型號電子分析天平，江蘇中科四象儀器有限公司；DM4型號電熱恒溫箱，河北朵麥信息科技有限公司；HU45型號恒溫水浴鍋，南京舜瑪儀器設備有限公司；LJ-6W型號冷卻水循環機，無錫恒溫制冷技術；JI-461型號電子稱量天平，鋼研納克檢測技術股份有限公司；CNX808型號傅里葉紅外光譜儀，鋼研納克檢測技術股份有限公司；HI-T00型號超聲均質攪拌乳化分散儀器，邯鄲市海拓機械科技有限公司；定性濾紙，河北中儀偉創試驗儀器有限公司；KZDL-8000型號二分器，鶴壁市先烽儀器儀表有限公司；pH試紙，吉林省泰斯特生物電子工程有限公司；STA200型號熱重分析儀，日立分析儀器上海有限公司；BJ-620型號實驗超純水機，鋼研納克檢測技術股份有限公司。

1. 2整體道床固化用高分子粘結劑的制備

1. 2. 1原料處理

使用電子天平稱取聚乙烯醇，以30 g為標準分別放置，作為粘結劑的制備原材料。利用實驗超純水機制備的超純水將硫酸及硼酸等稀釋。將稱取的聚乙烯醇單體加入到硫酸及硼酸的混合溶劑中，將混合后的溶劑轉移至電熱恒溫箱中儲存[6-7]。

將氫氧化鈣等固體原材料使用200目的篩網進行篩分處理。將過篩后的原料分別裝袋已做備用。

1. 2. 2高分子粘結劑制備

測試聚乙烯醇混合溶劑的醇解度。在混合溶劑中每10 min取樣一次，并測定該混合溶劑中的聚乙烯醇的醇解度。經測定，本次實驗中所制備的聚乙烯醇混合溶劑的醇解度為90.5%，基于這一結果，采用恒溫加熱的方法制備高分子粘結劑。

利用導流棒將混合的聚乙烯醇溶液轉移至恒溫水浴鍋中。并在恒溫水浴鍋的上方搭建超聲均質攪拌乳化分散儀器，在恒溫環境下，攪拌混合溶劑[8-10]。當恒溫水浴鍋中的溫度升至60?后，使用漏網加入篩分后的氫氧化鈣原料。通過氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應，使聚乙烯醇緩慢硬化。該過程的化學反應原理如式（1）所示。

Ca（OH） +CO =CaCO+H O+22 3 2 Q（1）

式中：Q表示熱量。

如式（1）可知，生成的熱量使得恒溫水浴鍋中的溫度急速上升，聚乙烯醇在短時間內吸收了大量的熱量，分子間的聯結鍵快速形成，迅速建立起粘結劑的當上述反應達到穩定狀態后，將反應后的剩余試劑轉移至臺式真空干燥箱中，去除試劑中的水分。將干燥后的試劑放置在電熱恒溫箱中，在80?的環境下靜置1 h。

使用臺式高速離心機去除干燥試劑中的雜質。開啟離心機至800 r/min，單次離心30 s，共離心5次[11]。將離心后的溶液轉移至超聲均質攪拌乳化分散儀器中。根據該儀器的超聲效應，聚乙烯醇溶液中將出現大量的氣泡，伴隨著超聲波的振動，溶液的氣泡出現破裂和分裂的現象，由此在聚乙烯醇溶液中產生強烈的局部激波[12-14]。根據這一反應過程制得縮醛改性的聚乙烯醇，形成分子的聚乙烯醇分子鏈。

通過上述處理步驟，形成聚乙烯醇的高分子鏈。使用稱量天平將高分子鏈的聚乙烯醇樣本按照50 g每份分別放置。分別在每個樣本試劑瓶中加入3 g磷酸溶液作為催化劑，促進改進合成反應的進行，加速粘結劑乳液的形成。待反應完全后，將其放置在冷卻水循環機中加速冷卻。待溫度降至室溫后，完成高分子粘結劑的最終制備。

1. 2. 3粘結劑養護處理

制備完成后的粘結劑樣本存儲在干燥背光的地方，并且保證存儲環境在室溫左右，避免過低溫和過高溫對粘結劑基礎性能測定結果的影響。

當開展粘結劑性能測試的過程中，按照需要的測試量取用樣本，若單樣本未完全使用，則及時做好密封處理。在養護期間，需要在較為濕潤的環境，避免粘結劑由于放置時間過久，失去原本的水分，導致變干或固化[15]。

1. 3性能測定

為了全面評估粘結劑的性能，對以下3方面進行測試。

（1）黏度性能檢測：黏度是衡量粘結劑流動性能的重要指標，它直接影響到粘結劑的涂抹性能和使用效果；

（2）紅外光譜檢測：紅外光譜是一種常用的化學分析方法，可以用于檢測粘結劑中的化學成分和結構；

（3）熱穩定性性能檢測：在高溫或低溫環境下，粘結劑可能會受到溫度的影響，導致性能下降或變質。

2結果與分析

2. 1搭建整體道床固化測試環境

根據本研究所制備粘結劑的現實應用方向需求，搭建整體道床固化的測試環境。

基于軌道建設中，整體道床的道砟需求，將固化測試中的道砟顆粒劃分為不同的尺寸范圍，如圖1所示。

由圖1可知，上述4個尺寸范圍的道砟顆粒均準備若干個，確保滿足粘結劑性能測試需求量。分別使用4個尺寸的道砟制作整體道床，在這一過程中測試本研究所制備粘結劑的性能。在測試之前，檢驗道砟的基本性質。在圍壓加載環境下，分析道砟的彈性模量。這一性質的計算方法如式（2）所示。

式中：V表示彈性模量系數；s表示尺寸范圍；Fs 1表示荷載上限值；F表示荷載下限值；A表示粘接0 表面積；D、D分別表示相應的位移向量值1 0 。

將根據式（2）計算的道床道砟試件的彈性模量分析結果作為基礎參數，以便進行后續的粘結劑性能分析。

2. 2黏度性能測試與分析

取用同一尺寸范圍的道床的道砟試件若干，并取用本研究所制備的粘結劑樣本適量。將道砟試件貼合，滴入粘結劑樣本并混合，制作出固化的整體道床。

使用固化的整體道床開展剝離強度測試，以此分析所制備粘結劑的黏度性能。本次測試共采用2種角度的剝離作用力，分別為180°和90°。經過測試，得到粘結劑在整體道床的道砟中的剝離強度性能結果如圖2所示。

由圖2可知，粘結劑對整體道床的固化平均剝離作用力分別為2.52 N和2.24 N。基于如圖3所示的結果，分析本研究所制備粘結劑的黏度性能。其計算方法如式（3）所示。

式中：d表示粘結劑的黏度系數；m表示粘接面積；F3表示剝離作用力；θ表示剝離作用力角度。

根據式（3）的計算，得到本研究所制備粘結劑的平均黏度為7 800 cPs，滿足行業標準，且性能較優。

2. 3紅外光譜測試與分析

經過測試，得到粘結劑樣本的紅外光譜結果如圖3所示。

由圖3可知，通過所制備粘結劑的紅外光譜可見，在高分子粘結劑中，含有的羥基含量較少，說明通過縮醛改性的高分子鏈形成過程，降低了粘結劑中—OH基團的含量，對紅外波的特征吸收峰減小。同時，在該粘結劑樣本中，1 450 cm的波數處，為B—O高分子鍵的特征吸收峰，由此可見，所制備粘結劑的B—O高分子鍵較多。基于B—O鍵作用產生的粘接力較—OH基團大，可以本研究的制備方法優化了粘結劑的粘接性能。

2. 4粘結劑熱穩定性性能測試與分析

取部分所制備粘結劑少許，置于反應器皿中測試該粘結劑的熱穩定性性能。將粘結劑樣本置于熱重分析儀中，得到粘結劑樣本的熱穩定性測試結果如圖4所示。

由圖4可知，在對制備的粘結劑樣本的熱穩定性測試結果中，在第1個溫度階段中，粘結劑分子的熱分解速度較慢，表明粘結劑的高分子鏈之間，有著較強的螯合作用，熱穩定性較高。當熱重分析儀的溫度升至第2階段和第3階段后，粘結劑樣本的熱分解速度處于較為平緩的狀態，表明本研究所制備的粘結劑樣本可以在較高溫度下，通過高分子鏈轉移至中間產物中。通過這一過程，使得粘結劑在整體道床的固化過程中，能夠通過分子轉移過程保證較高的黏度，熱穩定性滿足應用需求。熱重分析儀中的溫度升至第4階段后，粘結劑表現出的質量分數呈現快速下跌的趨勢，表明所制備的粘結劑樣本在環境溫度達到800?以上時，熱穩定性出現下降，熱降解速度開始加快，粘結劑的整體粘接性能出現下降趨勢。總體來看，本研究所制備粘結劑的熱穩定性范圍較為寬泛，在大多數的溫度環境下，均有著較高的熱穩定性，滿足了整體道床的固化作用需求。

3結語

本研究提出了整體道床固化用高分子粘結劑的制備及性能研究。以聚乙烯醇為核心材料，通過縮醛改性等步驟，形成粘結劑的高分子鏈結構。經過性能測試，本研究所制備的粘結劑在整體道床固化用的測試中，所制備的粘結劑在各項測試中均表現出了較為優質的結果，表現出了較高的黏度性能。同時，粘結劑的紅外光譜顯示，所制備粘結劑的高分子鏈較為穩固，分子鍵之間的作用力較強。所制備粘結劑在熱穩定性測試中，表現出了較寬的熱穩定性范圍，表明本研究所提方法制備的粘結劑可在大多數的溫度環境下應用，滿足整體道床的固化作用需求以及道床在后續的實際應用需求。

綜上所述，本研究所制備的高分子粘結劑在整體道床固化的實際應用中，具備較高的實踐應用價值。

【參考文獻】

[1]靳偉江，張思瑩，汶曉強，等.隨機不平順激勵下地鐵整體道床式軌道振動特性研究[J].噪聲與振動控制，2022，42（2）：128-133.

[2]唐先習，李維東，戚彥福，等.摻加碳纖維和石墨粉對整體道床軌枕端部溫度應力影響研究[J].混凝土，2021（10）：110-114.

[3]張常虎，李宏濤，田旺旺，等.丁腈橡膠和聚乙二醇增韌環氧樹脂制備膠粘劑及性能研究[J].化學研究與應用，2023，35（4）：955-960.

[4]石碧茹，武浩浩，謝昊圃，等.Diels-Alder型自修復聚氨酯膠粘劑的制備及其性能[J].應用化學，2023，40（2）：277-287.

[5]李聰，劉歡歡，楊桂花，等.基于肟-氨基甲酸酯的超強自修復水性聚氨酯膠粘劑的制備及性能分析[J].高等學校化學學報，2021，42（8）：2651-2660.

[6]李鈺，閆美玲，萬里鷹，等.羥丙基甲基纖維素在干法煙草薄片膠粘劑的應用研究[J].化學研究與應用，2023，35（1）：208-214.

[7]李騰飛，武書彬，莊軍平，等.氧化預處理木質素制備高性能木質素酚醛樹脂膠粘劑[J].應用化工，2022，51（4）：907-911.

[8]張小平，范乾松，甄東華，等.無機納米與有機纖維改性復材對透水混凝土耐久性影響研究[J].粘接，2023，50（11）：114-117.

[9]余文穎，徐旸，郄錄朝，等.橋隧區段道砟墊對厚度不足道床力學性能的改善機理研究[J].中南大學學報（自然科學版），2023，54（10）：4210-4218.

[10] 陳嶸，李俊鋒，戴佳程，等.基于DEM-MBD聯合仿真的車致有砟道床破碎分析[J].同濟大學學報（自然科學版），2023，51（10）：1617-1624.

[11]崔亞楠，孫琪，任曉燕，等.基于原位電化學石英晶體微天平技術的硅基負極粘結劑性能分析[J].分析化學，2022，50（3）：384-391.

[12]艾兵，包予佳，張世超，等.氧化鋅和氧化鎂對磷酸鹽膠黏劑吸潮性能的影響[J].材料導報，2021，35（S2）：72-74.

[13]王永巖，崔立樁，周彤彤.不同水泥膠結充填體的壓縮性能試驗研究[J].礦業研究與開發，2021，41（5）：49-52.

[14]徐輝，逯志斌.密封膠的化學鍵能分析及對鋼筋混凝土梁加固的粘接性能測試[J].粘接，2023，50（8）：20-23.

[15] 羅鴻宇，黃文博，譚西平.醫療建筑中防輻射混凝土材料影響分析及建筑裂縫控制方法[J].粘接，2023，50（10）：98-100.