聚氨酯泡沫填縫劑制備優(yōu)化及在高強(qiáng)復(fù)合路基中的應(yīng)用

摘要：對(duì)高強(qiáng)復(fù)合路基耐久性?xún)?yōu)化過(guò)程中使用的單組分聚氨酯泡沫填縫劑進(jìn)行制備和應(yīng)用，解決高強(qiáng)復(fù)合路基耐久性不強(qiáng)的問(wèn)題。按照配合比，將準(zhǔn)備的材料進(jìn)行預(yù)處理，按照不同的材料配比，制備單組分聚氨酯泡沫填縫劑，并放置24 h。根據(jù)某鐵路工程路基的特性，制備高強(qiáng)復(fù)合路基試件，并對(duì)路基試件的耐久性能進(jìn)行測(cè)試。將上述制備好的單組分聚氨酯泡沫填縫劑應(yīng)用到制備的高強(qiáng)復(fù)合路基樣本中，填縫完成后，將填縫好的試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并對(duì)路基試件進(jìn)行編號(hào)。利用馬歇爾穩(wěn)定度儀對(duì)填縫好的路基試件進(jìn)行抗水滲測(cè)試，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)填縫好的路基試件進(jìn)行抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試，記錄2次試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。在抗水滲試驗(yàn)測(cè)試中，在60℃溫度下，用水浸泡路基試件48 h后，A02路基試件的馬歇爾穩(wěn)定度最大，為14.5。在抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試中，A02路基試件的抗彎拉強(qiáng)度數(shù)值最大，為562.36 MPa。結(jié)果顯示：60%聚氨酯預(yù)聚體的單組分聚氨酯泡沫填縫劑能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高強(qiáng)復(fù)合路基抗水滲性和抗彎拉強(qiáng)度的有效提高，實(shí)現(xiàn)對(duì)路基耐久性的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)谓M分聚氨酯泡沫填縫劑；高強(qiáng)復(fù)合路基；耐久性能；鐵路路基；耐久性?xún)?yōu)化；路基耐久性

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ172.71文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）01-0028-04

Preparation and optimization of polyurethane foam caulk and its application in high-strength composite roadbed

ZHANG Yu

（Henan Traffic Technician College，Zhumadian 463000，Henan China）

Abstract：The one-component polyurethane foam caulk used in the process of optimizing the durability of high-strength composite roadbed was prepared and applied to solve the problem of low durability of high-strength composite roadbed.According to the mix ratio，the prepared materials were pretreated，and the one-component poly-urethane foam caulk was prepared according to different material ratios and placed for 24 h.According to the char-acteristics of a railway engineering subgrade，a high-strength composite subgrade specimen was prepared，and the durability of the subgrade specimen was tested.The prepared one-component polyurethane foam caulk is applied to the prepared high-strength composite subgrade sample，and after the caulking was completed，the caulking speci-men was cured，and the subgrade specimens were numbered.The Marshall stability meter was used to test the water seepage resistance of the caulked subgrade specimens，the electronic universal testing machine was used to test the flexural tensile strength of the caulked subgrade specimens，and the test results of the two tests were recorded.Inthe water infiltration resistance test，after soaking the roadbed specimen in water for 48 hours at a temperature of 60℃，the Marshall stability of A02 roadbed specimen was the highest，which was 14.5.In the flexural tensile strength test，the A02 roadbed specimen had the highest flexural tensile strength value，which was 562.36 MPa.The results show that the one-component polyurethane foam caulk with 60%polyurethane prepolymer can effective-ly improve the water permeability and flexural tensile strength of the high-strength composite subgrade，and opti-mize the durability of the subgrade.

Key words：one component polyurethane foam sealant；high strength composite roadbed；durability performance；railway subgrade；durability optimization；durability of roadbed

高強(qiáng)復(fù)合路基作為一種新型的路基結(jié)構(gòu)形式，其自身有著非常優(yōu)秀的承載能力和穩(wěn)定性，能夠有效延長(zhǎng)鐵路工程的使用壽命。然而，復(fù)合路基在使用過(guò)程中，由于環(huán)境因素、交通荷載的反復(fù)作用以及材料自身老化等因素的影響，不可避免地會(huì)出現(xiàn)裂縫、沉降等病害，進(jìn)而影響其整體性能和使用壽命[1]。因此，探索有效的填縫材料和技術(shù)，提高復(fù)合路基的耐久性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。單組分聚氨酯泡沫填縫劑作為一種新型的高分子材料，以其優(yōu)良的粘合結(jié)構(gòu)性能、耐候性能、耐水性能以及良好的彈性和壓縮性能，在土木工程領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。該填縫劑能夠在常溫下迅速反應(yīng)，生成具有優(yōu)異密封性能的泡沫體，有效填充路基裂縫，減少外界有害物質(zhì)的入侵，避免水分對(duì)路基裂縫的滲透，從而提高路基的耐久性能[2]。此外，單組分聚氨酯泡沫填縫劑在實(shí)際應(yīng)用中，施工過(guò)程較為簡(jiǎn)單，且成分無(wú)污染，符合現(xiàn)代綠色施工的需求。

本研究旨在深入探究單組分聚氨酯泡沫填縫劑在高強(qiáng)復(fù)合路基耐久性?xún)?yōu)化中的應(yīng)用。通過(guò)系統(tǒng)分析填縫劑的性能特點(diǎn)、作用機(jī)理以及與復(fù)合路基材料的相容性，分析其在路基填縫中的應(yīng)用與性能變化。同時(shí)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估填縫劑對(duì)復(fù)合路基耐久性提升的效果，為相關(guān)工程實(shí)踐提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1研究實(shí)例

在本次試驗(yàn)中，以某鐵路工程為例。該鐵路工程是我國(guó)境內(nèi)的重要交通干線，全長(zhǎng)250.36 km，承載著極為繁忙的客貨運(yùn)輸任務(wù)。該工程經(jīng)過(guò)多個(gè)城市，地形變化復(fù)雜，地質(zhì)條件多樣，且路基周邊存在大量的建筑物和管道設(shè)施，給鐵路路基的日常維護(hù)帶來(lái)了一定困難。正因如此，隨著使用年限的增長(zhǎng)，該鐵路工程中多個(gè)區(qū)域的路徑出現(xiàn)裂縫、破碎等情況，給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)了一定影響[3]。在本次試驗(yàn)中，以某鐵路工程的實(shí)際情況為基礎(chǔ)，通過(guò)引入填縫劑，優(yōu)化鐵路高強(qiáng)復(fù)合路基的耐久性，從而保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

2試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1試驗(yàn)材料

單組分聚氨酯泡沫填縫劑具有填縫、粘接、密封等多種效果，其制備過(guò)程較為復(fù)雜，需要多種原材料。試驗(yàn)過(guò)程中的使用材料具體如下：

異氰酸酯（工業(yè)級(jí)，萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司）；聚醚二元醇（工業(yè)級(jí)，山東東大化工集團(tuán)）；聚醚三元醇（工業(yè)級(jí)，山東東大化工集團(tuán)）；二甲醚（工業(yè)級(jí)，北京化工原料公司）；丙烷（工業(yè)級(jí)，北京化工原料公司）；丁烷（工業(yè)級(jí)，北京化工原料公司）；二嗎啉基二乙基醚（工業(yè)級(jí)，廊坊思科瑞聚氨酯有限公司）；氯化石蠟（工業(yè)級(jí)，沈陽(yáng)睦鑫阻燃材料廠）；酮亞胺（工業(yè)級(jí)，安鄉(xiāng)艾利特化工有限公司）；勻泡劑（工業(yè)級(jí)，江蘇美思德化學(xué)股份有限公司）；阻燃劑（工業(yè)級(jí)，山東藍(lán)星東大化工有限公司）；催化劑（工業(yè)級(jí)，山東久泰能源科技有限公司）；水泥；集料；外加劑。

異氰酸酯作為主要的制備材料，其在保存時(shí)，要注意保存在陰涼干燥處，避免吸濕[4]。同時(shí)，在接觸上述試劑的過(guò)程中，需要做好安全防護(hù)，佩戴好防護(hù)眼鏡和手套，保證自身安全。

2.2試驗(yàn)儀器與設(shè)備

W-O溫油/水浴鍋（上海申順生物科技有限公司）；DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；2XZ雙極旋片式真空泵（上海星夜真空設(shè)備廠）；WEW-100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司）；QCJ全自動(dòng)發(fā)泡膠霧劑灌裝機(jī)（揚(yáng)州愛(ài)莎爾氣霧劑制造有限公司）；WHF-5L高壓反應(yīng)釜（威海市環(huán)宇化工機(jī)械有限公司）；NDJ-8黏度計(jì)（鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司）；AN8333泡沫性能測(cè)試儀（上海巖征實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；Agilent7890B氣相色譜儀（安捷倫）；氣霧罐（浙江中益鋁業(yè)有限公司）；OHAUS Explorer電子天平（蘇州太湖鋁業(yè)股份有限公司）；HT-J10攪拌器（山東諾銘機(jī)械設(shè)備有限公司）；HG-101恒溫恒濕箱（山東柏嘉潤(rùn)化工設(shè)備有限公司）；KG-48計(jì)量泵（淄博庚潤(rùn)化工設(shè)備有限公司）；SYD-0709馬歇爾穩(wěn)定度儀（內(nèi)蒙古華科嘉誠(chéng)科技有限公司）。

3試樣制備及試驗(yàn)方法

3.1單組分聚氨酯泡沫填縫劑制備

單組分聚氨酯泡沫填縫劑的制備過(guò)程較為復(fù)雜，其制作不同過(guò)程中需要異氰酸酯和聚醚多元醇按照 1∶1 共同制備的聚氨酯預(yù)聚體，二甲醚、丙烷和丁烷按照 1∶1∶1 的比例共同混合而成的發(fā)泡劑，再結(jié)合催化劑和混合機(jī)共同制備而成。在制備時(shí)，根據(jù)上述不同材料的占比，得到具有不同性能的單組分聚氨酯泡沫填縫劑。其具體比例如表 1 所示。

根據(jù)表1配比，進(jìn)行單組分聚氨酯泡沫填縫劑的制備[5] 。在制備填縫劑的過(guò)程中，按照上述配比，先將上述準(zhǔn)備好的材料進(jìn)行預(yù)處理和稱(chēng)重，并將其投放到氣霧罐中，并對(duì)其進(jìn)行閥門(mén)封口操作，再對(duì)氣霧罐進(jìn)行充氣[6] 。在充氣時(shí)，先充入一定量的氣體，再充入丙丁烷等推進(jìn)劑[7] 。充氣完成后，將氣霧罐進(jìn)行密封，并將其放入振搖機(jī)中搖擺10 min使得氣霧罐中的原材料充分混合，生成均勻的泡沫，并在室溫下放置24 h。

3.2 高強(qiáng)復(fù)合路基試件制備及填縫劑應(yīng)用

在上述過(guò)程中，先對(duì)某鐵路工程的路基性能進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行高強(qiáng)復(fù)合路基試件的制備[8] 。在制備時(shí)，將水泥、集料和外加劑按照3∶5∶2的比例進(jìn)行混合，并用篩子將其過(guò)篩，去除尺寸在19 mm 以上的顆粒，將剩下的顆粒混合均勻[9] 。根據(jù)測(cè)試要求，將剩下的顆粒放入模具中，將其壓實(shí)，得到相應(yīng)的高強(qiáng)復(fù)合路基樣本[10] 。上述為制備的路基試件，其尺寸為50 mm×50 mm，該試件的結(jié)構(gòu)性能與某鐵路工程的路基完全相同[11] 。將路基試件從模具中脫模后，需要對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。在養(yǎng)護(hù)時(shí)，需要控制好溫度和濕度，確保路基的性能[12] 。

將上述路基試件作為基礎(chǔ)，利用制備的不同配比的單組分聚氨酯泡沫填縫劑對(duì)其進(jìn)行填縫處理。使用不同填縫劑填縫處理后的路基如圖1所示。

將上述填縫好的路基試件作為基礎(chǔ)，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試[13] 。根據(jù)性能測(cè)試結(jié)果，分析路基試件的耐久性。

3.3 單組分聚氨酯泡沫填縫劑在路基耐久性?xún)?yōu)化效果的應(yīng)用測(cè)試

高強(qiáng)復(fù)合路基的耐久性通過(guò)對(duì)路基試件的抗水滲和抗彎拉強(qiáng)度進(jìn)行體現(xiàn)。在本次實(shí)驗(yàn)中，將上述路基試件分為多組，分別進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)試路基試件的性能。

3.3.1 高強(qiáng)復(fù)合路基抗水滲的試驗(yàn)

在本次實(shí)驗(yàn)中，在路基試件進(jìn)行抗水滲測(cè)試，通過(guò)計(jì)算試件的馬歇爾穩(wěn)定度來(lái)體現(xiàn)試件的抗水滲性。因此，在測(cè)試過(guò)程中，利用馬歇爾穩(wěn)定度儀展開(kāi)試驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中，將上述路基試件分為2組[14] 。其2 組試驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

按照表2試驗(yàn)參數(shù)，將2組路基試件放置在不同水浴鍋中，并利用馬歇爾穩(wěn)定度儀測(cè)試路基試件的穩(wěn)定度，由此計(jì)算出路基試件的殘留穩(wěn)定度。其計(jì)算過(guò)程如下：

式中：M0 表示路基試件的浸水殘留穩(wěn)定度；M1表示試件浸泡后的穩(wěn)定度；M 表示路基試件的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度。利用式（1），計(jì)算出路基試件的浸水殘留穩(wěn)定度，由此分析路基試件的抗水滲性。

3.3.2 高強(qiáng)復(fù)合路基抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

將填充好的路基樣本放置到電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)試高強(qiáng)復(fù)合路基的抗彎拉強(qiáng)度。在測(cè)試過(guò)程中，先將路基試件放置在測(cè)試平臺(tái)上，并用夾子將路基試件固定住。啟動(dòng)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，用恒定的速度進(jìn)行加載，直到路基試件出現(xiàn)劈裂或者破壞。在上述過(guò)程中，利用測(cè)量與顯示系統(tǒng)記錄下所有的數(shù)據(jù)[15] 。由此計(jì)算出路基樣本的抗彎拉強(qiáng)度，其計(jì)算過(guò)程如下：

式中：Rf 表示路基樣本的抗彎拉強(qiáng)度；PN 表示路基樣本被破壞時(shí)的荷載值；Lf表示路基樣本的跨距；bf 表示路基樣本的寬度；hf 表示路基樣本的高度。利用式（2），計(jì)算出路基樣本的抗彎拉強(qiáng)度，將數(shù)值與初始結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而對(duì)路基樣本的耐久性能進(jìn)行分析。

4 結(jié)果及性能分析

4.1 高強(qiáng)復(fù)合路基抗水滲的測(cè)試結(jié)果分析

利用馬歇爾穩(wěn)定度儀測(cè)定路基試件的穩(wěn)定度值，由此分析路基的抗水滲性能。其試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

由表3可知，隨著放置試件的增長(zhǎng)，路基試件的馬歇爾穩(wěn)定度得到了顯著提升，這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的浸水和高溫能夠有效提高路基試件與填縫劑之間的緊密程度，從而提高試件的穩(wěn)定度。同時(shí)，A02試件的馬歇爾穩(wěn)定度最高，遠(yuǎn)高于其他試件。因此，當(dāng)聚氨酯預(yù)聚體的占比達(dá)到60%時(shí)，填縫劑能夠有效提高路基試件的馬歇爾穩(wěn)定度，從而提高路基的抗水滲性。

4.2高強(qiáng)復(fù)合路基抗彎拉強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果分析

將上述抗彎拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)比路基樣本在應(yīng)用不同配比單組分聚氨酯泡沫填縫劑后的抗彎拉強(qiáng)度值，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，針對(duì)占比不同的聚氨酯預(yù)聚體，路基試件的抗彎拉強(qiáng)度在不斷發(fā)生變化。從表4中可以看出，A02試件的抗彎拉強(qiáng)度最大，為543.26 MPa，說(shuō)明當(dāng)聚氨酯預(yù)聚體的占比達(dá)到60%時(shí)，填縫劑能夠有效提高路基試件的抗彎拉強(qiáng)度。

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)單組分聚氨酯泡沫填縫劑在高強(qiáng)復(fù)合路基耐久性?xún)?yōu)化中的應(yīng)用，進(jìn)行了深入的理論分析和實(shí)際應(yīng)用探討，當(dāng)聚氨酯預(yù)聚體的占比達(dá)到60%時(shí)，填縫劑能夠有效提高路基試件的抗水滲性和抗彎拉強(qiáng)度，在提升路基整體強(qiáng)度、減少裂縫產(chǎn)生、優(yōu)化結(jié)構(gòu)耐久性等方面具有顯著效果。其獨(dú)特的粘彈性和優(yōu)良的抗老化性能，使得它在復(fù)雜多變的路基環(huán)境中能夠保持穩(wěn)定性能，有效延長(zhǎng)了路基的使用壽命。此外，單組分聚氨酯泡沫填縫劑的施工簡(jiǎn)便，能夠快速固化，極大地提高了工程效率，環(huán)保性能也符合現(xiàn)代綠色建筑的發(fā)展要求。

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（責(zé)任編輯：張玉平）