一种铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体及其制备方法和应用与流程

本发明属于建筑工程，具体涉及一种铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体及其制备方法和应用，可广泛应用于桥梁伸缩缝建设及维修更换等工程中。

背景技术：

1、铁路桥梁伸缩缝是桥梁梁端之间的重要连接部件，对铁路桥梁端部伸缩及防水性能起重要作用。传统的橡胶止水带伸缩缝防水装置在使用过程中，很容易出现不同程度的病害，丧失梁端防水密封及排水功能，严重影响防水装置使用寿命和桥梁质量。

2、近几年开发的聚氨酯弹性体伸缩缝因具有低模量和高伸长的特点，在满足桥梁伸缩变形的同时，可保证梁间防水，提高了混凝土结构桥梁的耐久性，确保行车安全。

3、但现场浇注的聚氨酯弹性体材料不仅价格昂贵，而且仅能在常温干燥的施工条件下施工，在雨雪、大风、极寒以及混凝土梁体潮湿的情况下不能施工，极大的限制了施工的整体进度。

4、因此迫切需要一种铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体，在保持现有橡胶止水带伸缩缝和聚氨酯弹性体伸缩缝优良性能的同时，能够尽可能改善其在使用过程中存在的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体及其制备方法，通过成分设计，使聚氨酯的力学性能，热性能得到明显改善；本发明铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体本体先预制成具有空腔结构的构件，不仅可以节省价格昂贵的聚氨酯用量，大大节省成本。

2、本发明还有一个目的在于提供一种铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体的应用，用于铁路桥梁伸缩缝建设、维修或更换中。应用中，为了使本发明聚氨酯弹性体使用寿命更长，避免界面处发生漏水开裂现象，需要聚氨酯弹性体和桥梁混凝土界面处涂抹胶黏剂，为了增加粘结强度及施工性能，本发明提供的单组份湿气固化聚氨酯胶黏剂，在潮湿阴雨条件下仍可以施工。

3、本发明具体技术方案如下：

4、一种铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体的制备方法，包括以下步骤：

5、a、制备预聚体a组分：

6、在干燥的搅拌罐中加入聚四氢呋喃多元醇、聚丙二醇，开启搅拌，升温至110℃后在-0.09mpa条件下抽真空脱水s2.5h后，测定水分含量小于0.05％时，停止抽真空，开启氩气保护，降温至40-50℃，加入的4,4’－二环己基甲烷二异氰酸酯，保持氩气保护下升温至90-100℃反应s2.5h；加入环氧树脂，升温至110-120℃，搅拌反应3-4h；抽真空脱气至无气泡，即得预聚体a组分；

7、b、制备扩链剂b组分：

8、在干燥的搅拌罐中加入扩链剂、聚丙二醇和聚乙二醇，开启搅拌升温至100℃真空脱水s2.5h，测定水分含量小于0.05％时，停止抽真空，降至室温，保持搅拌，加入催化剂、纳米碳酸钙、色浆、热稳定剂、光稳定剂和水解稳定剂；

9、c、改性聚氨酯成型：将预聚体a组分升温至90-100℃，脱去气泡后，加入预热至50-60℃的扩链剂b组分，搅拌5-10min，脱去气泡，浇注至事先预热至40-55℃的模具中，放入80℃平板模压机中加压至1.0-2.0mpa，保温固化1-2h，再升温至90℃固化30min-1h，自然冷却至室温后泄压脱模，即得铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体部件。

10、步骤a中，所述聚四氢呋喃多元醇、聚丙二醇、4,4’－二环己基甲烷二异氰酸酯和环氧树脂的质量比为35-40：35-40：20-30：5-10；

11、步骤a中，所述聚四氢呋喃多元醇选自ptmg1000；

12、步骤a中，所述聚乙二醇选自ppg6000，

13、步骤a中，所述环氧树脂为e20、e44、e51、kh-50中的一种；

14、步骤b中，所述扩链剂、聚丙二醇、聚乙二醇、催化剂、纳米碳酸钙、色浆、热稳定剂、光稳定剂和水解稳定剂质量比为：2-15：30-40：35-45：0.01-0.03：1-5：0.1-0.5：1.0-2.0：0.1-1：0.1-1；

15、步骤b中，所述扩链剂选自3，3-二氯-4，4-二氨基二苯基甲烷(moca)扩链剂；

16、步骤b中，所述聚丙二醇选自ppg2000；

17、步骤b中，所述聚乙二醇选自peg400；

18、步骤b中，所述催化剂为己二酸、壬二酸、三乙烯二胺、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡中的一种；

19、步骤b中，所述色浆选自灰色色浆；

20、步骤b中，所述热稳定剂为亚磷酸三苯酯、亚磷酸三壬基苯酯、3，5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸十八酯中的一种。

21、步骤b中，所述光稳定剂为双(2，2，6，6-四甲基哌啶)癸二酸酯、2(2-羟基-3’，5’-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2，2’-二羟基-4-甲氧基二苯甲酮中的一种。

22、步骤b中，所述水解稳定剂为碳化二亚胺类化合物，优选单碳化二亚胺。

23、步骤c中，预聚体a组分和扩链剂b组分的重量比1:0.8-1:1.0。

24、本发明提供的一种铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体，采用上述方法制备得到。

25、本发明提供的一种铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体的应用，用于铁路桥梁伸缩缝建设、维修或更换中；具体应用方法为：对桥梁伸缩缝的桥梁梁端混凝土界面清理打毛，涂抹胶黏剂，将铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体置于桥梁伸缩缝内；再在聚氨酯弹性体和桥梁梁端混凝土之间的缝隙中均匀浇注单组分聚氨酯弹性体。

26、所述铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体为薄壁空腔结构，优选长方体结构或u型结构，所述铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体外表面为粗糙面，即与胶黏剂连接的靠近桥梁梁端的面为粗糙面，提高连接的牢固度。

27、所述铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体的宽度大于铁路桥梁伸缩缝宽度。优选的，所述铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体为薄壁空腔结构的u型结构时，其u型腿间距＞铁路桥梁伸缩缝宽度。

28、所述胶黏剂用于连接铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体和桥梁伸缩缝的梁端混凝土；本发明的胶黏剂是针对铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体设计的，特制单组份聚氨酯胶黏剂，其粘结性更高。用于桥梁梁端的水泥混凝土与聚氨酯弹性界面粘结，具体制备方法为：

29、s1、将二羟基聚醚和环氧树脂加入到搅拌罐中，搅拌均匀，在100-120℃、-0.09mpa真空下干燥3-4小时；

30、s2、将粒径为15-50nm的纳米二氧化硅加入到丙酮中，搅拌分散后，在60-70℃下进行30min超声处理，抽滤烘干；

31、s4、将步骤s2制备的纳米二氧化硅加入到步骤s1产物中中，超声分散；

32、s4、将多亚甲基多苯基异氰酸酯加入到搅拌罐中，开启搅拌，升温至60-80℃，通氮气保护，将步骤s4得到的改性聚醚多元醇滴加入搅拌罐中，滴加时间控制为s2.5小时，滴加完成后，继续反应1.5-2小时，在氮气保护下冷却至室温，加入乙酸乙酯、γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷、二月桂酸二丁基锡、芳香族亚胺型潜湿气固化剂，搅拌均与，即得改性单组份聚氨酯胶黏剂。

33、步骤s1中的二羟基聚醚、环氧树脂与步骤s2中纳米二氧化硅的质量比为50-60：5-10：0.5-2.0；

34、步骤s1中，所述二羟基聚醚选自二羟基聚醚n210；所述环氧树脂选自环氧树脂e51；

35、步骤s2中，纳米二氧化硅与丙酮的重量比为1:(1.5-2)；

36、步骤s4中，超声分散时间为30min；

37、步骤s4中，所述多亚甲基多苯基异氰酸酯选自pm-200；

38、步骤s4中，多亚甲基多苯基异氰酸酯、乙酸乙酯、γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷、二月桂酸二丁基锡和芳香族亚胺型潜湿气固化剂的质量比为：3-10：20-25：1-3：0.05-0.20：0.1-0.5；

39、步骤s4中，所述芳香族亚胺型潜湿气固化剂为固化剂xy-401；

40、所述单组分聚氨酯弹性体优选单组份低模量聚氨酯弹性体，为市售产品，满足邵氏a硬度30-45，拉伸强度≥3.0mpa,断裂伸长率≥900％，弹性模量≤0.3mpa。

41、发明人经分析发现现浇型聚氨酯弹性体伸缩缝虽然较橡胶止水带伸缩缝有了较大改善，但是其在使用过程中大多因其与桥梁梁端混凝土界面连接处开裂而失去防水作用，大大缩短了其使用年限；而且普通聚氨酯虽然耐低温性较好，但是其耐热性较差，随着温度的升高物性指标下降幅度较大。由于伸缩缝应用环境较差，夏季午间地面温度高达40℃以上，再经紫外线照射，抗老化性能急剧下降，聚氨酯弹性体本体损坏的情况也时有发生。

42、本发明采用的改性聚氨酯弹性体材料将化学改性和物理改性相结合，由于环氧树脂与聚氨酯分子具有一定的相容性，而且可以参与聚氨酯的合成，形成半互穿网络结构，使聚氨酯的力学性能，热性能得到明显改善。由于环氧树脂分子内双酚a刚性链的引入及分子内支链增多，增加了整个体系的交联程度，使得共聚而成的改性聚氨酯分子间形成的网状交联结构水分子渗入难度增大，吸水率降低，材料的防水性更好。而且交联程度的增大，空间网络结构的增加，有利于提高材料的热分解温度，耐性热提高。本发明在采用适量环氧树脂接枝聚氨酯分子中的同时，掺加纳米碳酸钙、热稳定剂、光稳定剂、水解稳定剂等化学助剂，各组分之间相互配合，发挥协同作用，使得改性聚氨酯材料具有更好的耐温性、力学性能以及抗老化性能，延长了聚氨酯材料本体使用寿命。

43、另一方面，因本发明的改性聚氨酯材料不可常温固化，且采用传统的现浇工艺同样存在桥梁梁端混凝土与聚氨酯的连接界面处易开裂的问题，因此本发明采用预制型结构，将聚氨酯弹性体本体先预制成具有空腔结构的构件，不仅可以节省价格昂贵的聚氨酯用量，大大节省成本，另一方面伸缩体设计成自带拱形结构，比如u型结构，可自由伸缩，安装于梁端伸缩缝后的伸缩量大幅提高，保证了聚氨酯本体尽可能减少受拉力及受压力的循环作用，间接使聚氨酯本体性能保持完好，不因拉力压力的循环作用而降低，延长了使用寿命。本发明聚氨酯弹性体宽度大于缝隙宽度，可使聚氨酯弹性体与梁端一直存在挤压应力，连接更加紧密，大大改善了了现浇型聚氨酯弹性体伸缩缝与梁端混凝土界面易开裂的问题。

44、进一步的，为了使本发明伸缩缝装置使用寿命更长，避免界面处发生漏水开裂现象，需要聚氨酯和桥梁混凝土界面处涂抹胶黏剂，为了增加粘结强度及施工性能，本发明自制了单组份湿气固化聚氨酯胶黏剂，在潮湿阴雨条件下仍可以施工；为了提高胶黏剂的粘结强度，在胶黏剂中引入环氧基团，与聚氨酯弹性体结构更加相似，粘结性更好，同时引入纳米二氧化硅，纳米二氧化硅离子表面活跃的羟基能够与部分胶黏剂基体聚合，产生交联，进而提高了胶黏剂的剪切强度，加入催化剂、潜固化剂等助剂，使其胶黏剂有更加优良的粘结性能，避免因聚氨酯弹性体与混凝土界面处开裂而降低伸缩缝的使用寿命。

45、最后，在伸缩缝装置与桥梁梁端的缝隙处浇注单组份低模量聚氨酯弹性体，同样施工不受环境气候影响，施工效率高，其不仅可以防止雨水杂物的堆积，对伸缩缝装置也起到了保护作用，大大提高了伸缩缝装置的使用寿命。

46、本发明成功开发出一种铁路桥梁伸缩缝用聚氨酯弹性体及其制备方法和应用，通过材料和结构的合理配合，使本发明所提供的技术有针对性的解决了目前橡胶止水带伸缩缝和现场浇筑型聚氨酯弹性体伸缩缝的痛点和难点，大大扩大了聚氨酯弹性体伸缩缝的应用范围，提高了伸缩缝的使用年限，加快施工速度，而且后期的维修更换更加便捷。

47、与现有技术相比，本发明提供的该技术具有突出的优点：1)聚氨酯弹性体性能更加优异，结构更加合理；采用自制的聚氨酯弹性体，更加适宜桥梁伸缩缝所需性能，耐候性更加优良。2)施工安装方便，不受环境气候影响，与现场浇筑型聚氨酯弹性体伸缩缝相比，将预制的聚氨酯弹性体快速安装于桥梁梁端伸缩缝内，施工更加便捷，且几乎不受环境气候影响，大风、极寒以及混凝土潮湿同样可以施工，加快施工速度。3)通过合理的设计，可以使伸缩缝与桥梁之间一直保持发生挤压应力，而不产生拉应力，进而使桥梁与伸缩缝界面之间粘接更加紧密，不会因车辆载荷或环境因素导致桥梁与聚氨酯界面发生脱离或开裂；4)施工性价比高，聚氨酯弹性体伸缩缝结构设计更加多样化，可以摒弃现浇型聚氨酯弹性体伸缩缝的实心伸缩缝结构，将预制聚氨酯弹性体伸缩缝设计成具有空箱的弹性体伸缩缝结构，节省了聚氨酯材料的用量，降低了弹性体伸缩缝的材料成本；施工成本较低，施工安装更加便捷快速，节省了人工成本及机械成本。