隧道裂缝病害防护专用改性单组分聚氨酯无损补强材料研究

王志伟 马伟斌

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

我国是世界上铁路运营里程最长、在建规模最大的国家。截至2020年底，中国铁路运营隧道总长19 630 km，共有16 789座［1］。根据发改基础〔2016〕1536号《中长期铁路网规划》，到2030年，铁路运营里程将达到20万km。

隧道在运营后，衬砌结构会因为设计不合理、施工不当、地质灾害、运营年限、气候条件等原因产生各种缺陷或病害，主要表现为衬砌开裂掉块、衬砌背后空洞、蜂窝麻面、衬砌施工缝错位等。

国内外针对衬砌劣化变异整治对策主要包括凿除、嵌缝、开裂压注、各类防护板（网）及内衬（拱架）、锚固、局部改建等［2-6］。对于病害情况严重或衬砌厚度、强度不足区段，采用此类病害整治技术加固整治过程中极易造成二次人为损坏，对结构承载能力的保持产生负面影响。此外，对于既有运营线路，上述对策技术都受维修时间限制。因此，涉及的技术性及经济性问题值得考虑。

近年来，无损喷涂补强技术已经广泛应用于工业与民用建筑领域。所使用的材料通过涂覆在混凝土裂缝及剥落区域外表面，固化成型，可有效使缺陷周围一定范围内的混凝土加强。此类技术理念先进、方便实施，但尚未在国内铁路工程领域应用，相关科研成果尚属空白。

结合工程实际需求，中国铁道科学研究院集团公司铁道建筑研究所依托科研课题自主研发了一种隧道防护专用改性单组分聚氨酯高强高附着力无损补强材料。本文详细阐述材料的技术特点及施工工艺，为相关工程应用提供参考。

1 需求分析

1.1 隧道衬砌裂缝主要类型及表现形式

隧道衬砌裂缝表现形式为环向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝、月牙状裂缝、十字形裂缝等。衬砌掉块表现形式为混凝土麻面剥落、施工缝浮浆掉块等。据统计，铁路隧道衬砌裂缝病害占比不低于30%［3］。

1.2 隧道内病害加固工程施工特点

1）隧道作业面跨度大，净空面积大。高速铁路单线、双线隧道与普速铁路单线、双线隧道，开挖跨度6.98～13.30 m，净空42.06～100.00 m2。在严格遵守铁路隧道施工各项规章制度的情况下，针对不同的隧道跨度及隧道作业空间特点，选择适宜的快速举升设备进行作业，在确保安全的前提下提高作业效率。

2）隧道内设施众多且防护要求高。隧道设备设施包括接触网、接触悬挂、支持装置、牵引装置、定位支柱、通信信号设施、壁挂线缆及线路钢轨等，大部分构件不可触碰。

3）单日施工时间短。施工过程受维修天窗时间影响大，且拱顶位于电气化接触网以上，须供电部门配合停电后才能进行拱顶作业，对施工中的工序安排、施工工艺流程、设备性能、人员素质及物业方的配合程度等方面要求高。

1.3 材料选择及涂布形式

针对隧道衬砌结构特点、水文信息、病害类型、形成原因及表现形式等汇总分析，确定材料须具有高强度、高附着力、可便捷施工等特点。研发的材料为无损补强材料与防护涂料的组合——环氧封闭底涂剂+隧道防护专用改性聚氨酯高强高附着力单组分材料。其中环氧封闭底涂剂应对混凝土基材具有优良的渗透性能，可渗入混凝土表面的微小孔洞、裂缝中，与衬砌混凝土粘连固化，成型后可将缺陷混凝土黏结成有机整体。单组分材料通过改性设计后应达到较高附着力和强度，涂布在已固化成型的底剂涂层上，两者层间应附着优良，具有较好柔韧性，不会因衬砌发生的轻微错动、伸缩等变形而产生层间破坏和脱落。

2 单组分聚氨酯防护材料研发

2.1 单组分聚氨酯材料简介

聚氨基甲酸酯（polyurethane，简称聚氨酯，PU）是高分子链上具有氨基甲酸酯基团重复单元的一类高分子总称。1937年德国化学家Otto Bayer首次发现异氰酸酯与醇类化合物反应可制得聚氨酯，见式（1），并以此为基础进入工业化应用。中国自20世纪60年代开始独立研发和发展聚氨酯树脂，近几十年来发展迅猛，产品品类众多，在各行各业得到应用。

聚氨酯类材料在铁路工程中应用广泛，如聚氨酯固化道床、聚氨酯枕木、聚氨酯弹性道砟垫、聚氨酯微发泡弹性垫板等。在高速铁路车辆上也大量采用上述聚氨酯类材料用于保温、减噪、胶合、密封、绝缘等［7］。

当前聚氨酯材料多采用双组分混合组成，使用前须调节两种组分中异氰酸酯量与羟基或其他官能团比例，须通过加入催化剂或者其他助剂来调节后期固化状态，混合均匀后再进行施工。双组分聚氨酯混合后只有短暂的适用期，适用期长短须根据现场温度进行调节，工艺复杂，不能满足短天窗等要求。

与双组分聚氨酯相比，单组分聚氨酯使用较为方便，无须进行后期调配，使用时可以通过加热或其他方式使其交联固化，操作较为方便。单组分聚氨酯涂料后期为湿气固化，主要是通过聚氨酯预聚体中的NCO与空气中湿气反应，见式（2），因此适用期较长，使用后可以将剩余物料密封保存防止湿气进入出现交联固化。

单组分聚氨酯材料中有软、硬段。以柔顺性较好、多元醇占优的主链为软段，以异氰酸酯、扩链剂等组成的内聚能较大的主链为硬段。由于软硬段热力学上的不相容性，导致了聚氨酯材料独特的微相分离结构。聚氨酯结构中除含有氨基甲酸酯键外，还含有酯键、醚键、脲键、缩二脲键、脲基甲酸酯键、酰基脲键，使得分子内和分子间易形成氢键，线性聚氨酯分子中存在较多结合力较强的物理交联点。因此，既具有类似酰胺基的特性，如强度、耐磨性、耐油性，又具有聚酯的耐热性、耐溶剂性以及聚醚的耐水性、柔顺性。

聚氨酯的主要原料异氰酸酯很活泼，不仅能与羟基树脂结合，还能与底材中的羟基结合，形成牢固的化学键和氢键，增强了与底材的黏附力。

2.2 单组分聚氨酯防护材料改性技术攻关

普通单组分聚氨酯防护材料施工方便，但固化后强度低，仅2～3 MPa，附着力较差。作为隧道防护专用材料，应满足高强度、高附着力、高延伸率、表干速度快等特性，同时应具备良好的适涂性，以保证其涂装质量及施工效率。

根据上述要求对材料进行改性设计：

1）提高附着性能，筛选配套优良的环氧封闭底剂，提高混凝土基材的强度，并增强与聚氨酯面漆的层间附着力；

2）提高延伸率及拉伸强度，筛选合适的聚醚二元醇、聚酯二元醇、小分子醇复合配方合成预聚体，满足高延伸率的要求；通过增加高内聚能基团含量、提高化学和物理交联密度、提高结晶度等方式来提高单组分聚氨酯材料强度；

3）加快干燥速度，选用非重金属催化剂降低反应活化能，缩短表干时间；

4）提高可喷涂性，筛选适宜的溶剂，降低体系黏度，从而满足可喷涂的要求。

2.2.1环氧封闭底涂剂

环氧树脂固化后力学性能好，强度高，与混凝土基材附着力强，收缩率小，电绝缘性好，抗化学品性能优良，且树脂本身稳定性较好，并且环氧树脂在混凝土基材上流平性、渗透性较好，能够封闭基材表面气孔、裂隙，在一定程度上能够提高基材表面强度。环氧树脂固化后表面带有的活性官能团可参与其他材料反应，如-OH可与聚氨酯中-NCO反应，提高两种材料层间附着力。

环氧树脂中以双酚A型环氧树脂应用最为广泛，固化反应一般为环氧树脂与胺类固化剂开环交联反应，见式（3）。

环氧树脂固化强度、硬度可根据环氧当量、活泼氢当量大小进行调节，同时必须满足固化后与聚氨酯涂层的配套性，如层间附着力、剥离强度等，见表1。

表1 自研多型环氧底涂剂性能及与聚氨酯面漆配套性对照

交联密度高时，环氧树脂强度有所提高，但密度过高时聚氨酯涂料在环氧树脂表面浸润性变差，使得层间附着力、剥离强度降低。交联密度过低时，环氧树脂强度降低，剥离强度同样降低。因此须选用配套性较好的环氧树脂封闭底剂。

针对聚氨酯材料特点进行配套性验证，验证在环氧底涂剂使用不同固化剂时底面漆的配套性能表现，结果见表2。

表2 环氧底涂剂使用不同固化剂时底面漆的性能对比

小分子胺类固化剂优点：与混凝土基材附着力高，刚性较大；表干及实干固化快；价格相对较低。缺点为：具有挥发性特点，对人体危害较大；环氧固化后交联密度大，延伸率低，柔性差；与柔性单组分聚氨酯配套性差，强度只有3 MPa左右。

聚酰胺类固化剂优点：与混凝土基材附着力强；与改性聚氨酯层间附着力强，两者间配套性良好，强度大于5 MPa；聚酰胺类固化剂挥发性较低。缺点为：与小分子胺固化剂对比，实干时间略长；价格较高。

根据上述两类固化剂的性能测试数据对比分析，环氧封闭底涂剂在使用聚酰胺类固化剂时，综合性能要优于小分子胺类固化剂，与聚氨酯面漆具有较好配套性，自身强度大，且具有良好柔韧性和延伸率。因此，选用聚酰胺类固化剂。

2.2.2 单组分聚氨酯外涂材料

根据单组分聚氨酯体系改性要求进行了原材料筛选。

1）通过对比聚醚二元醇1000、2000、3000及聚酯二元醇1000、2000、3000，利用聚酯二元醇制备得到单组分聚氨酯强度高于聚醚二元醇聚氨酯，聚醚低温柔韧性较为优异，随着聚醚、聚酯二元醇分子量的增加，延伸率提高，而聚酯二元醇耐酸碱性降低。

2）增加多官能度醇提高交联密度，固化后强度增加，但延伸率降低较为明显，增加物理交联点，提高拉伸强度，延伸率降低较小。

3）利用芳香族异氰酸酯（MDI、TDI、粗MDI）制备单组分聚氨酯。其强度高于脂肪族异氰酸酯（HMDI、IPDI）聚氨酯，粗MDI强度最高，但稳定性差，MDI黏度高不利于喷涂，脂肪族异氰酸酯活性低，与环氧底涂剂附着力差。

4）含有羰基类溶剂能够与氨基甲酸酯基形成氢键，具有更好的溶解性，因此酯类、酮类溶剂与其他非极性溶剂相比降黏效果较为明显。

5）聚氨酯催化剂有金属类催化剂（有机锡、有机铋）及胺类催化剂。为缩短表干时间，应选择催化-NCO与水反应效果明显的胺类催化剂及催化-NCO与-OH明显的金属催化剂复配使用。

选用加入多官能度的原材料及芳香族异氰酸酯时增加了聚氨酯面漆交联密度，高内聚力基团因此增加了聚氨酯涂层强度，长链二元醇及多元醇增加了延伸率。考虑到后期固化速度及延伸率，选用分子量为2000～5000二元醇及多元醇，同时加入一定量有机铋及叔胺催化剂，加快聚氨酯面漆交联固化速度，从而使表干、实干时间得到保证。

改性单组分聚氨酯、普通单组分聚氨酯及双组分聚脲材料性能对比见表3。可见，改性单组分聚氨酯材料的表干、实干时间比聚脲材料长。一定的表干时间确保了材料对混凝土基材有足够的浸润时间，交联固化效果得到保证，提高了衬砌混凝土表面的补强效果。

表3 改性聚氨酯与普通聚氨酯防水、双组分聚脲性能对比

2.3 施工工艺

1）手工清理。表面松动物、氧化皮、起砂、浮尘等可以用铲刀、钢刷、砂纸等工具手工清理。

2）用动力工具清理。表面的劣化层、承载力较低的局部混凝土可利用动力工具进行清理，通常使用的动力工具有动力钢丝刷、冲击工具、打磨机、砂轮机等。

3）用水冲洗清理。利用洁净的水体冲洗混凝土表面可溶性物质。若衬砌结构表面含有盐分和其他可溶性物质，应做好防护，以免可溶性物质随水体流动被转移至邻近基面上，造成新的可溶性物质污染。

2.4 涂装条件与方法

2.4.1 施涂条件

涂装作业只有在良好的大气环境下和温度适宜的天气条件下才能进行。下列情况下不宜涂装：①气温降至该涂层干燥或固化温度的下限；②衬砌混凝土表面有明水；③隧道内湿度大于85%时。

2.4.2 涂装方法

1）刷涂。使用优质天然纤维或人造毛制成的、大小合适且与所使用的涂料相匹配的漆刷。

2）滚涂。根据涂料的种类和表面粗糙度，选择绒毛长度合适的滚筒。一般采用酚醛滚筒芯，配以短绒或中长绒的滚筒套，使用前应先清洗滚筒套，并清除松散的纤维。

3）刮涂。采用刮刀进行手工涂装。

4）喷涂。通过喷枪利用压缩空气的低压气流使涂料雾化进行喷涂。

应用时应根据隧道实际情况，建议优先采用刷涂配合刮涂方式施工。虽然这种方式效率较低，但能有效降低对现场设施防护的工作量，也避免了喷涂带来的漆雾污染。

2.5 施工要点

1）应严格按照环氧封闭要求调配固化剂加入量，搅拌均匀，确保足够的熟化时间；

2）环氧封闭底剂施工时，首道涂层应调稀一些，反复涂刷防止漏涂，确保环氧封闭底剂对混凝土表面的渗透、浸润效果，使其充分渗透并封闭混凝土表面气孔和裂缝；

3）施涂单组分改性聚氨酯面漆时，须确保环氧封闭底剂涂层表面干燥，施涂前可用吸水巾擦拭一遍，有效防止两道涂层间发生起泡现象。

4）运营隧道施工时，为保证不影响线路正常运行，应留有足够的改性聚氨酯面漆表干时间。

由于隧道所处地域的不同，工艺要求也不尽相同，具体施工工艺应符合隧道所在地的实际情况。应根据隧道所在地的气候环境、隧道内部特点、天窗时长等情况制定具有较强针对性的施工方案，以确保隧道线路的正常运营和施工的顺利进行。

3 结论

1）铁路隧道衬砌裂缝病害占比不低于30%，混凝土麻面剥落、施工缝浮浆掉块等时有发生，通过在混凝土裂缝及剥落区域外表面上施作无损防护材料，将混凝土局部加强，防治裂缝进一步开展及掉块是当前工程维护的实际需求。

2）聚酰胺类固化涂剂与混凝土基材附着力强，与改性聚氨酯层间附着力强，二者之间的抗拉强度大于5 MPa，挥发性较低，适用性好。

3）单组分聚氨酯防护材料具有高附着力、良好的延伸率、较大的拉伸强度、可快速表干等优点，具备良好的适涂性，可保证其涂装质量及施工效率。

4）聚酰胺类固化涂剂与单组分聚氨酯防护材料可采用刷涂、滚涂、刮涂等工艺，施工便捷，利于推广。