本发明涉及铁路建设辅助件技术领域，特别是一种设置在铁道线路上铁路混凝土轨枕和道砟碎石之间起减震作用的轨枕垫及其制备方法。
背景技术：
有砟轨道是指钢轨下基础为石质散粒道床的轨道，通常也称为碎石道床轨道，是轨道结构的主要形式之一，具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特性好等优点，因此使用较为广泛。有砟轨道主要由钢轨、混凝土轨枕以及碎石道床构成，混凝土轨枕位于碎石道床上方，钢轨垂直于混凝土轨枕位于其上方。
目前，有砟铁路的混凝土轨枕大多是直接放置在道砟碎石上，混凝土轨枕和道砟碎石相互摩擦，在列车运行过程中巨大的冲击力会使道砟碎石粉化，把本来呈现棱角的道砟碎石磨耗成圆角碎石，道砟碎石间互锁能力降低，上述问题将会导致道砟层板结、弹性降低、排水性能降低、道床移位的问题出现，影响列车的安全运行。现有技术中，解决此类问题的方法是在混凝土轨枕下方插入一层棱槽（凹凸）结构或者平面结构的橡胶垫（靴）防护层，以达到缓冲列车运行振动造成的道砟碎石粉化问题，但橡胶类制品耐磨、耐久性能一般，蠕变严重，使用寿命较短；另外，平面结构的橡胶垫（靴）抗滑移能力较差，棱槽（凹凸）结构橡胶垫（靴）虽然提高了抗滑移能力，但棱槽（凹凸）结构应力集中问题严重，加速了橡胶垫（靴）防护层被压溃破损的可能，并且橡胶垫（靴）放置在道砟碎石上，道砟碎石的棱角极易刺穿橡胶垫（靴）的问题仍然无法得到解决。
聚氨酯是一种新型的、具有优异物理与化学性能的高分子材料，有出色的阻尼性能与减振效果，可单独使用或与多种材料复合使用，已广泛应用于铁路系统的多个方面，如铁路桥梁伸缩缝聚氨酯防水涂料、wj-8型扣件铁垫板下聚氨酯弹性垫板和道砟胶等。目前，国内关于钢轨与混凝土轨枕之间的聚氨酯弹性材料报道也较多，如专利cn1696166a和cn101942786等，还有其它价格昂贵的ndi、ppdi、todi型微孔聚氨酯弹性体，此类报道更多关注于微孔聚氨酯的弹性，适用于铁路混凝土上层减振，混凝土上层弹性聚氨酯材料直接应用于下层的道砟防护，会存在塑性不足、难以维持铁路轨道尺寸几何稳定性及不耐刺穿等问题；专利cn202530344u公开了聚氨酯材料在混凝土枕下的应用，其同样是着重描述了具有微发泡结构的聚氨酯轨枕垫，解决的主要是轨枕垫弹性能差的缺陷，尚未提及轨枕垫被道砟碎石刺穿的防护问题。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题是提供一种复合型聚氨酯轨枕垫以及其制备方法，在解决铁路道砟碎石粉化快问题的基础上，能够有效解决轨枕垫被道砟碎石刺穿的问题，用增强纤维补强聚氨酯材料以提升其内聚强度，解决传统轨枕垫强度低，易被压溃的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种复合型聚氨酯轨枕垫，包括聚氨酯泡沫层，所述聚氨酯泡沫层中嵌装有若干增强纤维，聚氨酯泡沫层的底端面上固定设置有防止被道砟碎石刺穿的无纺布层。
上述一种复合型聚氨酯轨枕垫，所述聚氨酯泡沫层的顶部嵌装有骨架，所述骨架包括由横杆和竖杆交叉连接而成的网格状连接层，网格状连接层的横杆和竖杆交叉处设置有垂直向上的z轴倒钩；所述z轴倒钩的顶部倒钩伸出聚氨酯泡沫层。
上述一种复合型聚氨酯轨枕垫，所述z轴倒钩包括立柱和设置在立柱顶端的圆锥倒钩，圆锥倒钩底端面的直径大于立柱的外径。
上述一种复合型聚氨酯轨枕垫，所述横杆、竖杆和z轴倒钩为一体结构。
上述一种复合型聚氨酯轨枕垫，由聚氨酯泡沫层和增强纤维构成的复合型聚氨酯层中聚氨酯泡沫层由聚氨酯组合料制备而成；其中，增强纤维占复合型聚氨酯层的重量百分比为5%－20%，聚氨酯组合料占复合型聚氨酯层的重量百分比为80%－95%。
上述一种复合型聚氨酯轨枕垫，所述增强纤维为短切玻璃纤维、短切碳纤维或者短切玄武岩纤维。
上述一种复合型聚氨酯轨枕垫，所述聚氨酯组合料包含以下重量百分比的组分：50%~70%的羟基组分、20%~40%的异氰酸酯组分、0.1%~0.3%的发泡剂、0.03%~0.1%的催化剂以及1.5%~6%的助剂。
上述一种复合型聚氨酯轨枕垫，所述骨架为聚乙烯骨架、聚丙烯骨架、聚酰胺骨架或聚氨酯骨架。
一种复合型聚氨酯轨枕垫的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a.在带有侧挡的平面工作台上铺设一层无纺布；
b.将聚氨酯组合料和增强纤维通过带纤维切割并加入功能的浇注机浇注均匀，形成浇注料；
c.将步骤b形成的浇注料浇注到铺设有无纺布的平面工作平台上，自然流平；同时进行发泡反应并固化形成带有微孔结构的纤维复合型聚氨酯层，固化的同时与底层无纺布紧密粘接为一体形成复合型聚氨酯轨枕垫。
上述一种复合型聚氨酯轨枕垫的制备方法，其特征在于，步骤c中待浇注料在平面工作台上流平后且未完全固化前，将骨架的网格状连接层压入到浇注料中，并使倒钩裸露在外，待浇注料完全固化后即可将骨架紧急包裹形成带骨架的复合型聚氨酯轨枕垫。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明制备的轨枕垫由聚氨酯组合料和增强纤维复合而成，兼具弹性和塑性，塑性以维持铁路轨道尺寸几何稳定性，弹性以缓冲列车运行震动，在保持铁路轨道尺寸几何稳定性的同时，解决了铁路道砟碎石粉化快的问题，延长了道砟碎石捣固周期，延缓了道床板结时间，降低了铁路维修成本；其背部设置的无纺布加强层，直接面对道砟碎石，有效解决了轨枕垫被刺穿的问题；使用时通过粘接或者物理锚合的方式与混凝土枕连接在一起，可解决混凝土轨枕与轨枕垫的滑移问题。
本发明制备的轨枕垫自身内聚强度高，耐久性、耐撕裂性以及耐磨性能更强，同时还具有良好的低温柔顺性，解决了橡胶制品低温变硬、弹性变差及耐久性差的问题，应用于铁路混凝土轨和道砟碎石之间，具有防止铁路道砟碎石粉化、降低铁路道床维修及捣固周期以及提升铁路运营寿命的作用。
附图说明
图1为本发明所述轨枕垫的结构示意图；
图2为本发明所述骨架的结构示意图。
其中：1.聚氨酯泡沫层，2.增强纤维，3.无纺布层，4.骨架，41.横杆，42.竖杆，43.z轴倒钩。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种复合型聚氨酯轨枕垫，其结构如图1所示，包括聚氨酯泡沫层1，聚氨酯泡沫层中嵌装有若干增强纤维2，聚氨酯泡沫层的底端面上固定设置有无纺布层3，用于防止轨枕垫被道砟碎石刺穿。本发明的轨枕垫主体为由聚氨酯泡沫层和增强纤维构成的复合型聚氨酯层，所述聚氨酯泡沫层由聚氨酯组合料制备而成。
复合型聚氨酯层中，增强纤维占复合型聚氨酯层的重量百分比为5%－20%，聚氨酯组合料占复合型聚氨酯层的重量百分比为80%－95%。由聚氨酯组合料和增强纤维复合而成复合型聚氨酯层兼具弹性和塑性，插入混凝土枕和道砟碎石间，能够解决铁路道砟碎石粉化快的问题，延长道砟碎石捣固周期，维持铁路几何尺寸稳定性。
所述增强纤维为短切玻璃纤维、短切碳纤维或者短切玄武岩纤维，优选直径为9um－13um、长度为1mm-3mm的玻璃纤维。
所述聚氨酯组合料包含以下重量百分比的组分：50%~70%的羟基组分、20%~40%的异氰酸酯组分、0.1%~0.3%的发泡剂、0.03%~0.1%的催化剂以及1.5%~6%的助剂。
其中，羟基组分包括10%~20%的分子量为90~500、官能度为2~4的聚醚多元醇a，20%~30%的分子量为600~3000、官能度为2的聚醚多元醇b，20%~30%的分子量为3000~8000、官能度为2~4的聚醚多元醇c。聚醚多元醇a为丙三醇、三羟甲基丙烷、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种，或者以它们中一种为起始剂的聚氧化乙烯多元醇、聚氧化丙烯多元醇及聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚多元醇，本发明中聚醚多元醇a优选分子量为200~500的聚氧化丙烯多元醇，例如佳化化学的聚醚多元醇303、蓝星东大聚醚mn-50、聚醚dv-125；聚醚多元醇b为二官能度的聚氧化乙烯二元醇、聚氧化丙烯二元醇、聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚二元醇、聚四氢呋喃醚二醇、聚己内酯二元醇或者聚碳酸酯二元醇，本发明中聚醚多元醇b优选分子量为600~2000的聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚二元醇、聚四氢呋喃二元醇和聚己内酯二元醇及它们的混合物，例如巴斯夫的pthf1000、大赛璐化学pcl210、聚醚dl-1000d；聚醚多元醇c为聚氧化丙烯多元醇、聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚多元醇、含苯乙烯和丙烯腈的聚合物多元醇，本发明中聚醚多元醇c优选分子量为4000~6000的聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚多元醇和含苯乙烯和丙烯腈的聚合物多元醇，例如蓝星东大的hpop40、聚醚ep-3600、佳化化学的聚合物多元醇3628。
异氰酸酯组分为二苯基甲烷二异氰酸酯及其改性产物或者多苯基多亚甲基多异氰酸酯，优选多苯基多亚甲基多异氰酸酯，例如万华化学的pm200。发泡剂为去离子水。催化剂为有机锡类和胺类的复配物，锡类为辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡或二醋酸二丁基锡中的一种，胺类包括三亚乙基二胺、双（二甲氨基乙基）醚或二吗啉基二乙基醚中的一种，有机锡类和胺类复配后用量为0.03%~0.1%。
助剂包括0.5%~2%的聚氨酯泡沫稳定剂、0.5%~2%的耐候助剂、0.5%~2%的颜料。其中，聚氨酯泡沫稳定剂选用美思德化学的ak8805，耐候助剂选用抗氧剂1010和紫外吸收剂uv-327的复配，颜料选用铁红、炭黑、钛白粉、酞菁蓝等的一种或几种。
为防止轨枕垫在混凝土轨枕底部滑移，在复合型聚氨酯层的顶部嵌装了骨架4，骨架的结构如图2所示，包括由横杆41和竖杆42交叉连接而成的网格状连接层，网格状连接层的横杆和竖杆交叉处设置有垂直向上的z轴倒钩43；z轴倒钩43的顶部倒钩伸出聚氨酯泡沫层。z轴倒钩43包括立柱和设置在立柱顶端的圆锥倒钩，圆锥倒钩底端面的直径大于立柱的外径。使用时可将z轴倒钩外露部分直接按压进入未固化的混凝土轨枕中，混凝土轨枕固化后便将该复合型聚氨酯轨枕垫锚合为一体。本发明中横杆41、竖杆42和z轴倒钩43为聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或聚氨酯一次成型制成的一体结构，可优选聚酰胺骨架或聚氨酯骨架。
无纺布层直接与道砟碎石接触，能有效解决轨枕垫被刺穿的问题；无纺布层可由聚乙烯纤维无纺布、聚丙烯纤维无纺布、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维无纺布或聚酰胺纤维无纺布与复合型聚氨酯层粘接后形成，本发明优选克重为100g-250g的点纹状聚酰胺纤维无纺布。
上述复合型聚氨酯轨枕垫的制备方法，具体包括以下步骤：
a.在带有侧挡的平面工作台上铺设一层无纺布。
b.将聚氨酯组合料和增强纤维通过带纤维切割并加入功能的浇注机浇注均匀，形成浇注料。
聚氨酯组合料制备的方法为：首先，依次将聚醚多元醇a、聚醚多元醇b、聚醚多元醇c、发泡剂、催化剂和助剂加入到混合搅拌釜中，搅拌60min，装桶封闭保存，配制成a组分；取二苯基甲烷二异氰酸酯改性产物或多苯基多亚甲基多异氰酸酯作为b组分；分别将a组分和b组分装入带有纤维切割并加入功能的聚氨酯浇注机的料仓待用，由此配制成聚氨酯组合料。
c.将步骤b形成的浇注料浇注到铺设有无纺布的平面工作平台上，自然流平；同时进行发泡反应并固化形成带有微孔结构的纤维复合型聚氨酯层，固化的同时与底层无纺布紧密粘接为一体形成复合型聚氨酯轨枕垫。复合型聚氨酯轨枕垫制成后，根据使用环境切割成所需形状即可。
如在复合型聚氨酯层中添加骨架，则在步骤c中待浇注料在平面工作台上流平后且未完全固化前，将骨架的网格状连接层压入到浇注料中，并使倒钩裸露在外，待浇注料完全固化后即可将骨架紧密包裹形成带骨架的复合型聚氨酯轨枕垫。
实施例1
本实施例提供一种复合型聚氨酯轨枕垫，包括由聚氨酯组合料和增强纤维共混构成的复合型聚氨酯层以及无纺布层3，无纺布层位于复合型聚氨酯层下方。
制备本实施例轨枕垫所需的原料为：无纺布层选用克重为200g的点纹状聚酰胺6无纺布，增强纤维选用浇注料总质量为10%、直径为10um、长度为2mm的玻璃纤维，浇注料总质量为90%的聚氨酯组合料；聚氨酯组合料包括由16份佳化化学的聚醚多元醇303、23份巴斯夫的pthf1000、23.04份蓝星东大的hpop40、0.2份去离子水、0.01份催化剂二月桂酸二丁基锡、0.05份催化剂三亚乙基二胺、1份美思德化学的泡沫稳定剂ak8805、0.3份紫外吸收剂uv327、0.4份抗氧剂1010和1份颜料炭黑搅拌60分钟形成的a组分以及由35份万华化学的pm200形成的b组分。
制备轨枕垫时，首先将a组分和b组分以及玻璃纤维放入浇注机中形成浇注料，然后在浇注料浇注到聚酰胺6无纺布上，发泡固化即得到不含骨架的复合型聚氨酯轨枕垫，使用时切割成所需形状即可。
实施例2
本实施例与实施例1中复合型聚氨酯轨枕垫结构上的区别在于，本实施例在由聚氨酯组合料和增强纤维共混形成的复合型聚氨酯层顶部设置了骨架，骨架为聚氨酯骨架。
制备本实施例轨枕垫所需的原料为：无纺布层选用克重为200g的点纹状聚酰胺6无纺布，增强纤维选用浇注料总质量为18%、直径为12um、长度为3mm的玻璃纤维，浇注料总质量为82%的聚氨酯组合料；聚氨酯组合料包括由11份三乙醇胺、25份巴斯夫的pthf1000、21.12份蓝星东大的hpop40、0.1份去离子水、0.05份催化剂二月桂酸二丁基锡、0.1份催化剂三亚乙基二胺、2份美思德化学的泡沫稳定剂ak8805、0.55份紫外吸收剂uv327、0.2份抗氧剂1010和2份颜料炭黑搅拌60分钟形成的a组分以及由37.88份万华化学的pm200形成的b组分。
制备轨枕垫的过程中，与实施例1的区别点在于，在浇注料的发泡过程后期，将聚氨酯骨架的网格状连接层部分压入到发泡料中，再充分固化即得到含骨架的复合型聚氨酯轨枕垫，使用时切割成所需形状即可。
实施例3
本实施例与实施2的区别在于制备轨枕垫所需的原料不同，具体为：无纺布层选用聚乙烯纤维无纺布，增强纤维选用浇注料总质量为20%、长度为2mm的碳纤维，浇注料总质量为80%的聚氨酯组合料；聚氨酯组合料包括由17份蓝星东大聚醚mn-500、22.42份pthf1000、30份佳化化学的聚醚330n、0.3份的去离子水、0.02份催化剂辛酸亚锡、0.06份催化剂双（二甲氨基乙基）醚、0.5份美思德化学的泡沫稳定剂ak8805、1份紫外吸收剂uv327、0.2份抗氧剂1010和1.12份颜料铁红搅拌60分钟形成的a组分以及由27.38份万华化学的pm200形成的b组分。
实施例4
本实施例与实施2的区别在于制备轨枕垫所需的原料不同，具体为：无纺布层选用聚丙烯纤维无纺布，增强纤维选用浇注料总质量为5%、直径为10um、长度为2mm的玻璃纤维，浇注料总质量为95%的聚氨酯组合料；聚氨酯组合料包括由10份三羟甲基丙烷、20份大赛璐化学pcl210、24.42份聚醚ep-3600、0.1份的去离子水、0.05份催化剂二醋酸二丁基锡、0.03份催化剂三亚乙基二胺、2份美思德化学的泡沫稳定剂ak8805、0.8份紫外吸收剂uv327、0.6份抗氧剂1010和2份颜料钛白粉搅拌60分钟形成的a组分以及由40份万华化学的pm200形成的b组分。
实施例5
本实施例与实施2的区别在于制备轨枕垫所需的原料不同，具体为：无纺布层选用聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维无纺布，增强纤维选用浇注料总质量为15%、长度为2mm的玄武岩纤维，浇注料总质量为85%的聚氨酯组合料；聚氨酯组合料包括由18份聚醚dv-125、20份聚醚dl-1000d、28.23份佳化化学的聚合物多元醇3628、0.2份的去离子水、0.02份催化剂二月桂酸二丁基锡、0.1份催化剂二吗啉基二乙基醚、1份美思德化学的泡沫稳定剂ak8805、1份紫外吸收剂uv327、1份抗氧剂1010和0.68份颜料酞菁蓝搅拌60分钟形成的a组分以及由29.77份万华化学的pm200形成的b组分。