隧道裂縫病害防護專用改性單組分聚氨酯無損補強材料研究

王志偉 馬偉斌

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

我國是世界上鐵路運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。截至2020年底，中國鐵路運營隧道總長19 630 km，共有16 789座［1］。根據(jù)發(fā)改基礎(chǔ)〔2016〕1536號《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2030年，鐵路運營里程將達到20萬km。

隧道在運營后，襯砌結(jié)構(gòu)會因為設(shè)計不合理、施工不當(dāng)、地質(zhì)災(zāi)害、運營年限、氣候條件等原因產(chǎn)生各種缺陷或病害，主要表現(xiàn)為襯砌開裂掉塊、襯砌背后空洞、蜂窩麻面、襯砌施工縫錯位等。

國內(nèi)外針對襯砌劣化變異整治對策主要包括鑿除、嵌縫、開裂壓注、各類防護板（網(wǎng)）及內(nèi)襯（拱架）、錨固、局部改建等［2-6］。對于病害情況嚴重或襯砌厚度、強度不足區(qū)段，采用此類病害整治技術(shù)加固整治過程中極易造成二次人為損壞，對結(jié)構(gòu)承載能力的保持產(chǎn)生負面影響。此外，對于既有運營線路，上述對策技術(shù)都受維修時間限制。因此，涉及的技術(shù)性及經(jīng)濟性問題值得考慮。

近年來，無損噴涂補強技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域。所使用的材料通過涂覆在混凝土裂縫及剝落區(qū)域外表面，固化成型，可有效使缺陷周圍一定范圍內(nèi)的混凝土加強。此類技術(shù)理念先進、方便實施，但尚未在國內(nèi)鐵路工程領(lǐng)域應(yīng)用，相關(guān)科研成果尚屬空白。

結(jié)合工程實際需求，中國鐵道科學(xué)研究院集團公司鐵道建筑研究所依托科研課題自主研發(fā)了一種隧道防護專用改性單組分聚氨酯高強高附著力無損補強材料。本文詳細闡述材料的技術(shù)特點及施工工藝，為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 需求分析

1.1 隧道襯砌裂縫主要類型及表現(xiàn)形式

隧道襯砌裂縫表現(xiàn)形式為環(huán)向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫、月牙狀裂縫、十字形裂縫等。襯砌掉塊表現(xiàn)形式為混凝土麻面剝落、施工縫浮漿掉塊等。據(jù)統(tǒng)計，鐵路隧道襯砌裂縫病害占比不低于30%［3］。

1.2 隧道內(nèi)病害加固工程施工特點

1）隧道作業(yè)面跨度大，凈空面積大。高速鐵路單線、雙線隧道與普速鐵路單線、雙線隧道，開挖跨度6.98～13.30 m，凈空42.06～100.00 m2。在嚴格遵守鐵路隧道施工各項規(guī)章制度的情況下，針對不同的隧道跨度及隧道作業(yè)空間特點，選擇適宜的快速舉升設(shè)備進行作業(yè)，在確保安全的前提下提高作業(yè)效率。

2）隧道內(nèi)設(shè)施眾多且防護要求高。隧道設(shè)備設(shè)施包括接觸網(wǎng)、接觸懸掛、支持裝置、牽引裝置、定位支柱、通信信號設(shè)施、壁掛線纜及線路鋼軌等，大部分構(gòu)件不可觸碰。

3）單日施工時間短。施工過程受維修天窗時間影響大，且拱頂位于電氣化接觸網(wǎng)以上，須供電部門配合停電后才能進行拱頂作業(yè)，對施工中的工序安排、施工工藝流程、設(shè)備性能、人員素質(zhì)及物業(yè)方的配合程度等方面要求高。

1.3 材料選擇及涂布形式

針對隧道襯砌結(jié)構(gòu)特點、水文信息、病害類型、形成原因及表現(xiàn)形式等匯總分析，確定材料須具有高強度、高附著力、可便捷施工等特點。研發(fā)的材料為無損補強材料與防護涂料的組合——環(huán)氧封閉底涂劑+隧道防護專用改性聚氨酯高強高附著力單組分材料。其中環(huán)氧封閉底涂劑應(yīng)對混凝土基材具有優(yōu)良的滲透性能，可滲入混凝土表面的微小孔洞、裂縫中，與襯砌混凝土粘連固化，成型后可將缺陷混凝土黏結(jié)成有機整體。單組分材料通過改性設(shè)計后應(yīng)達到較高附著力和強度，涂布在已固化成型的底劑涂層上，兩者層間應(yīng)附著優(yōu)良，具有較好柔韌性，不會因襯砌發(fā)生的輕微錯動、伸縮等變形而產(chǎn)生層間破壞和脫落。

2 單組分聚氨酯防護材料研發(fā)

2.1 單組分聚氨酯材料簡介

聚氨基甲酸酯（polyurethane，簡稱聚氨酯，PU）是高分子鏈上具有氨基甲酸酯基團重復(fù)單元的一類高分子總稱。1937年德國化學(xué)家Otto Bayer首次發(fā)現(xiàn)異氰酸酯與醇類化合物反應(yīng)可制得聚氨酯，見式（1），并以此為基礎(chǔ)進入工業(yè)化應(yīng)用。中國自20世紀60年代開始獨立研發(fā)和發(fā)展聚氨酯樹脂，近幾十年來發(fā)展迅猛，產(chǎn)品品類眾多，在各行各業(yè)得到應(yīng)用。

聚氨酯類材料在鐵路工程中應(yīng)用廣泛，如聚氨酯固化道床、聚氨酯枕木、聚氨酯彈性道砟墊、聚氨酯微發(fā)泡彈性墊板等。在高速鐵路車輛上也大量采用上述聚氨酯類材料用于保溫、減噪、膠合、密封、絕緣等［7］。

當(dāng)前聚氨酯材料多采用雙組分混合組成，使用前須調(diào)節(jié)兩種組分中異氰酸酯量與羥基或其他官能團比例，須通過加入催化劑或者其他助劑來調(diào)節(jié)后期固化狀態(tài)，混合均勻后再進行施工。雙組分聚氨酯混合后只有短暫的適用期，適用期長短須根據(jù)現(xiàn)場溫度進行調(diào)節(jié)，工藝復(fù)雜，不能滿足短天窗等要求。

與雙組分聚氨酯相比，單組分聚氨酯使用較為方便，無須進行后期調(diào)配，使用時可以通過加熱或其他方式使其交聯(lián)固化，操作較為方便。單組分聚氨酯涂料后期為濕氣固化，主要是通過聚氨酯預(yù)聚體中的NCO與空氣中濕氣反應(yīng)，見式（2），因此適用期較長，使用后可以將剩余物料密封保存防止?jié)駳膺M入出現(xiàn)交聯(lián)固化。

單組分聚氨酯材料中有軟、硬段。以柔順性較好、多元醇占優(yōu)的主鏈為軟段，以異氰酸酯、擴鏈劑等組成的內(nèi)聚能較大的主鏈為硬段。由于軟硬段熱力學(xué)上的不相容性，導(dǎo)致了聚氨酯材料獨特的微相分離結(jié)構(gòu)。聚氨酯結(jié)構(gòu)中除含有氨基甲酸酯鍵外，還含有酯鍵、醚鍵、脲鍵、縮二脲鍵、脲基甲酸酯鍵、酰基脲鍵，使得分子內(nèi)和分子間易形成氫鍵，線性聚氨酯分子中存在較多結(jié)合力較強的物理交聯(lián)點。因此，既具有類似酰胺基的特性，如強度、耐磨性、耐油性，又具有聚酯的耐熱性、耐溶劑性以及聚醚的耐水性、柔順性。

聚氨酯的主要原料異氰酸酯很活潑，不僅能與羥基樹脂結(jié)合，還能與底材中的羥基結(jié)合，形成牢固的化學(xué)鍵和氫鍵，增強了與底材的黏附力。

2.2 單組分聚氨酯防護材料改性技術(shù)攻關(guān)

普通單組分聚氨酯防護材料施工方便，但固化后強度低，僅2～3 MPa，附著力較差。作為隧道防護專用材料，應(yīng)滿足高強度、高附著力、高延伸率、表干速度快等特性，同時應(yīng)具備良好的適涂性，以保證其涂裝質(zhì)量及施工效率。

根據(jù)上述要求對材料進行改性設(shè)計：

1）提高附著性能，篩選配套優(yōu)良的環(huán)氧封閉底劑，提高混凝土基材的強度，并增強與聚氨酯面漆的層間附著力；

2）提高延伸率及拉伸強度，篩選合適的聚醚二元醇、聚酯二元醇、小分子醇復(fù)合配方合成預(yù)聚體，滿足高延伸率的要求；通過增加高內(nèi)聚能基團含量、提高化學(xué)和物理交聯(lián)密度、提高結(jié)晶度等方式來提高單組分聚氨酯材料強度；

3）加快干燥速度，選用非重金屬催化劑降低反應(yīng)活化能，縮短表干時間；

4）提高可噴涂性，篩選適宜的溶劑，降低體系黏度，從而滿足可噴涂的要求。

2.2.1環(huán)氧封閉底涂劑

環(huán)氧樹脂固化后力學(xué)性能好，強度高，與混凝土基材附著力強，收縮率小，電絕緣性好，抗化學(xué)品性能優(yōu)良，且樹脂本身穩(wěn)定性較好，并且環(huán)氧樹脂在混凝土基材上流平性、滲透性較好，能夠封閉基材表面氣孔、裂隙，在一定程度上能夠提高基材表面強度。環(huán)氧樹脂固化后表面帶有的活性官能團可參與其他材料反應(yīng)，如-OH可與聚氨酯中-NCO反應(yīng)，提高兩種材料層間附著力。

環(huán)氧樹脂中以雙酚A型環(huán)氧樹脂應(yīng)用最為廣泛，固化反應(yīng)一般為環(huán)氧樹脂與胺類固化劑開環(huán)交聯(lián)反應(yīng)，見式（3）。

環(huán)氧樹脂固化強度、硬度可根據(jù)環(huán)氧當(dāng)量、活潑氫當(dāng)量大小進行調(diào)節(jié)，同時必須滿足固化后與聚氨酯涂層的配套性，如層間附著力、剝離強度等，見表1。

表1 自研多型環(huán)氧底涂劑性能及與聚氨酯面漆配套性對照

交聯(lián)密度高時，環(huán)氧樹脂強度有所提高，但密度過高時聚氨酯涂料在環(huán)氧樹脂表面浸潤性變差，使得層間附著力、剝離強度降低。交聯(lián)密度過低時，環(huán)氧樹脂強度降低，剝離強度同樣降低。因此須選用配套性較好的環(huán)氧樹脂封閉底劑。

針對聚氨酯材料特點進行配套性驗證，驗證在環(huán)氧底涂劑使用不同固化劑時底面漆的配套性能表現(xiàn)，結(jié)果見表2。

表2 環(huán)氧底涂劑使用不同固化劑時底面漆的性能對比

小分子胺類固化劑優(yōu)點：與混凝土基材附著力高，剛性較大；表干及實干固化快；價格相對較低。缺點為：具有揮發(fā)性特點，對人體危害較大；環(huán)氧固化后交聯(lián)密度大，延伸率低，柔性差；與柔性單組分聚氨酯配套性差，強度只有3 MPa左右。

聚酰胺類固化劑優(yōu)點：與混凝土基材附著力強；與改性聚氨酯層間附著力強，兩者間配套性良好，強度大于5 MPa；聚酰胺類固化劑揮發(fā)性較低。缺點為：與小分子胺固化劑對比，實干時間略長；價格較高。

根據(jù)上述兩類固化劑的性能測試數(shù)據(jù)對比分析，環(huán)氧封閉底涂劑在使用聚酰胺類固化劑時，綜合性能要優(yōu)于小分子胺類固化劑，與聚氨酯面漆具有較好配套性，自身強度大，且具有良好柔韌性和延伸率。因此，選用聚酰胺類固化劑。

2.2.2 單組分聚氨酯外涂材料

根據(jù)單組分聚氨酯體系改性要求進行了原材料篩選。

1）通過對比聚醚二元醇1000、2000、3000及聚酯二元醇1000、2000、3000，利用聚酯二元醇制備得到單組分聚氨酯強度高于聚醚二元醇聚氨酯，聚醚低溫柔韌性較為優(yōu)異，隨著聚醚、聚酯二元醇分子量的增加，延伸率提高，而聚酯二元醇耐酸堿性降低。

2）增加多官能度醇提高交聯(lián)密度，固化后強度增加，但延伸率降低較為明顯，增加物理交聯(lián)點，提高拉伸強度，延伸率降低較小。

3）利用芳香族異氰酸酯（MDI、TDI、粗MDI）制備單組分聚氨酯。其強度高于脂肪族異氰酸酯（HMDI、IPDI）聚氨酯，粗MDI強度最高，但穩(wěn)定性差，MDI黏度高不利于噴涂，脂肪族異氰酸酯活性低，與環(huán)氧底涂劑附著力差。

4）含有羰基類溶劑能夠與氨基甲酸酯基形成氫鍵，具有更好的溶解性，因此酯類、酮類溶劑與其他非極性溶劑相比降黏效果較為明顯。

5）聚氨酯催化劑有金屬類催化劑（有機錫、有機鉍）及胺類催化劑。為縮短表干時間，應(yīng)選擇催化-NCO與水反應(yīng)效果明顯的胺類催化劑及催化-NCO與-OH明顯的金屬催化劑復(fù)配使用。

選用加入多官能度的原材料及芳香族異氰酸酯時增加了聚氨酯面漆交聯(lián)密度，高內(nèi)聚力基團因此增加了聚氨酯涂層強度，長鏈二元醇及多元醇增加了延伸率?？紤]到后期固化速度及延伸率，選用分子量為2000～5000二元醇及多元醇，同時加入一定量有機鉍及叔胺催化劑，加快聚氨酯面漆交聯(lián)固化速度，從而使表干、實干時間得到保證。

改性單組分聚氨酯、普通單組分聚氨酯及雙組分聚脲材料性能對比見表3?？梢?，改性單組分聚氨酯材料的表干、實干時間比聚脲材料長。一定的表干時間確保了材料對混凝土基材有足夠的浸潤時間，交聯(lián)固化效果得到保證，提高了襯砌混凝土表面的補強效果。

表3 改性聚氨酯與普通聚氨酯防水、雙組分聚脲性能對比

2.3 施工工藝

1）手工清理。表面松動物、氧化皮、起砂、浮塵等可以用鏟刀、鋼刷、砂紙等工具手工清理。

2）用動力工具清理。表面的劣化層、承載力較低的局部混凝土可利用動力工具進行清理，通常使用的動力工具有動力鋼絲刷、沖擊工具、打磨機、砂輪機等。

3）用水沖洗清理。利用潔凈的水體沖洗混凝土表面可溶性物質(zhì)。若襯砌結(jié)構(gòu)表面含有鹽分和其他可溶性物質(zhì)，應(yīng)做好防護，以免可溶性物質(zhì)隨水體流動被轉(zhuǎn)移至鄰近基面上，造成新的可溶性物質(zhì)污染。

2.4 涂裝條件與方法

2.4.1 施涂條件

涂裝作業(yè)只有在良好的大氣環(huán)境下和溫度適宜的天氣條件下才能進行。下列情況下不宜涂裝：①氣溫降至該涂層干燥或固化溫度的下限；②襯砌混凝土表面有明水；③隧道內(nèi)濕度大于85%時。

2.4.2 涂裝方法

1）刷涂。使用優(yōu)質(zhì)天然纖維或人造毛制成的、大小合適且與所使用的涂料相匹配的漆刷。

2）滾涂。根據(jù)涂料的種類和表面粗糙度，選擇絨毛長度合適的滾筒。一般采用酚醛滾筒芯，配以短絨或中長絨的滾筒套，使用前應(yīng)先清洗滾筒套，并清除松散的纖維。

3）刮涂。采用刮刀進行手工涂裝。

4）噴涂。通過噴槍利用壓縮空氣的低壓氣流使涂料霧化進行噴涂。

應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)隧道實際情況，建議優(yōu)先采用刷涂配合刮涂方式施工。雖然這種方式效率較低，但能有效降低對現(xiàn)場設(shè)施防護的工作量，也避免了噴涂帶來的漆霧污染。

2.5 施工要點

1）應(yīng)嚴格按照環(huán)氧封閉要求調(diào)配固化劑加入量，攪拌均勻，確保足夠的熟化時間；

2）環(huán)氧封閉底劑施工時，首道涂層應(yīng)調(diào)稀一些，反復(fù)涂刷防止漏涂，確保環(huán)氧封閉底劑對混凝土表面的滲透、浸潤效果，使其充分滲透并封閉混凝土表面氣孔和裂縫；

3）施涂單組分改性聚氨酯面漆時，須確保環(huán)氧封閉底劑涂層表面干燥，施涂前可用吸水巾擦拭一遍，有效防止兩道涂層間發(fā)生起泡現(xiàn)象。

4）運營隧道施工時，為保證不影響線路正常運行，應(yīng)留有足夠的改性聚氨酯面漆表干時間。

由于隧道所處地域的不同，工藝要求也不盡相同，具體施工工藝應(yīng)符合隧道所在地的實際情況。應(yīng)根據(jù)隧道所在地的氣候環(huán)境、隧道內(nèi)部特點、天窗時長等情況制定具有較強針對性的施工方案，以確保隧道線路的正常運營和施工的順利進行。

3 結(jié)論

1）鐵路隧道襯砌裂縫病害占比不低于30%，混凝土麻面剝落、施工縫浮漿掉塊等時有發(fā)生，通過在混凝土裂縫及剝落區(qū)域外表面上施作無損防護材料，將混凝土局部加強，防治裂縫進一步開展及掉塊是當(dāng)前工程維護的實際需求。

2）聚酰胺類固化涂劑與混凝土基材附著力強，與改性聚氨酯層間附著力強，二者之間的抗拉強度大于5 MPa，揮發(fā)性較低，適用性好。

3）單組分聚氨酯防護材料具有高附著力、良好的延伸率、較大的拉伸強度、可快速表干等優(yōu)點，具備良好的適涂性，可保證其涂裝質(zhì)量及施工效率。

4）聚酰胺類固化涂劑與單組分聚氨酯防護材料可采用刷涂、滾涂、刮涂等工藝，施工便捷，利于推廣。