RESTAURACIÓN DE ASIENTOS FERROVIARIOS DAADOS LOCALIZADOS SOBRE TRAVIESAS FERROVIARIAS DE CONCRETO
CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención está dirigida a métodos y materiales para restaurar asientos ferroviarios dañados localizados sobre traviesas ferroviarias de concreto. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Convencionalmente, los rieles son soportados con traviesas ferroviarias por medio de clips ferroviarios o sujetadores que los mantienen hacia abajo sobre una base ferroviaria. Un asiento ferroviario aisla el riel de las traviesas ferroviarias . El asiento ferroviario puede ser fabricado de material elastomérico tal como caucho, poliuretano, acetato de etilo vinilo, o polietileno de alta densidad. La patente Norteamericana 5,173,222 (Patente x222"), la cual se incorpora aquí como referencia se relaciona con un método y aparato para reparar traviesas ferroviarias de concreto . dañadas. Se ha descubierto que las traviesas ferroviarias de concreto son propensas a desgastarse particularmente en lugares arenosos y húmedos o en pendientes en donde las locomotoras utilizan arena para la tracción. La Patente ?222 explica la causa de este desgaste. La Patente 222 proporciona un método y un aparato para reparar el daño de la
Ref. --175035 traviesa ferroviaria que utiliza una composición contra la abrasión y una placa de abrasión de acuerdo a lo descrito en la misma. De acuerdo a lo mostrado en las figuras de la Patente ? 222, un asiento ferroviario 4 está dispuesto sobre una traviesa ferroviaria 1. La traviesa es rodeada por el balasto
2. El asiento ferroviario está definido por los bordes de la traviesa ferroviaria 1 y los rebordes del sistema de sujeción del riel 3, los cuales están empotrados en la traviesa de concreto 1 y adaptados para soportar el sistema de sujeción de riel (no se muestra) que lo soportan hacia abajo sobre los rebordes del riel (no se muestra) . El asiento ferroviario se repara al llenar la cavidad desgastada 5 con una composición epoxi de asiento ferroviario. Una placa de abrasión 6 (también conocida como placa de amortiguación) que puede encontrase unida al asiento ferroviario reparado. La patente US' 222 identifica dos problemas. Primero, las traviesas ferroviarias desgastadas por abrasión necesitan ser reparadas lo suficientemente rápido para soportar dentro de un límite el tráfico de trenes por un periodo aceptable. Segundo, los asientos ferroviarios bastante deteriorados por abrasión deben ser restaurados a sus dimensiones originales. La pasta de la Patente US?222 emplea un material antiabrasivo y un material de resina epoxi curable. Esta resina epoxi es utilizada para reparar los asientos ferroviarios dañados y también para reducir adicionalmente la abrasión. Sin embargo, aun cuando se aplique en una capa relativamente delgada, el tiempo de curado puede tomar de 12 a 36 horas a temperaturas ambiente típicas . Esto es totalmente inaceptable desde el punto de vista de los operadores de trenes . Si los trenes son conducidos aun lentamente sobre los asientos ferroviarios reparados, y si el epoxi aun se encuentra en un estado plástico, este se expandirá. Esto trastornará el nivel real del asiento ferroviario, provocando cavidades -que se forman en el material del asiento ferroviario. Esto resulta en uniones inapropiadas con la placa de abrasión. Todos estos factores conducen a una' falla posterior del asiento ferroviario . La Patente US 222 intenta superar estos problemas al proporcionar un método para reparar una traviesa ferroviaria que comprende aplicar una composición anti-abrasiva que incluye un aglutinante epoxi curable, al área erosionada de la traviesa ferroviaria, presionar la composición dentro del sitio, y después calentar la composición aplicada por un periodo suficiente para curar el aglutinante epoxi . La placa ferroviaria puede ser ubicada sobre el asiento ferroviario sobre el área a ser reparada por lo que con el uso de la composición de aglutinante epoxi de reparación se llega a unir con la traviesa ferroviaria con la aplicación de calor y presión empleando el dispositivo de caja de calentamiento 10 descrito en la Patente x222. SUMARIO DE LA INVENCIÓN Actualmente se ha determinado que cuando se utilizan las resinas epoxi para reparar un asiento de traviesa ferroviaria ocurre un número de problemas. Reparar la traviesa ferroviaria con el uso de presión y calentamiento es un problema, puesto que el método de restauración es difícil de ejecutar en campo por los técnicos quienes no están capacitados para esta postura de material polimérico. Es difícil realizar el curado de una resina epoxi en un amplio intervalo de humedad, temperaturas y presión. Por lo tanto, es complicado conseguir de forma consistente, conformar un asiento de traviesa ferroviaria eficaz en un periodo de tiempo conveniente comercialmente. Los endurecedores de epoxi pre-catalizadores basados-en mercaptano comúnmente son requeridos en las formulaciones epoxi . El curado de estos productos es difícil bajo condiciones climáticas frías . Estos endurecedores basados-en mercaptano también tienen un olor desagradable y los trabajadores frecuentemente se quejan de que llegan presentar nauseas cuando trabajan con estos productos . La reparación de una traviesa ferroviaria con una resina epoxi no resulta en un producto renovado en donde no se puede mantener un desempeño superior bajo condiciones dinámicas de operación. El uso de una resina epoxi no resulta en una traviesa ferroviaria que muestre un alto nivel de durabilidad bajo carga por lo que es un problema mantener los estándares de dimensión de un ensamble ferroviario. El uso de una resina epoxi no resulta en una traviesa ferroviaria que muestre un alto nivel de resistencia a la fractura bajo carga por lo que no se puede lograr mantener los estándares de dimensión de un ensamble ferroviario. La alta viscosidad de la resina epoxi hace más complicado su manejo cuando es suministrada, particularmente en campo. Actualmente se ha determinado con respecto a la presente invención que cuando se utilizan los materiales poliméricos de la presenté invención los cuales comprenden, y preferiblemente consisten esencialmente de, polímeros de poli (uretano-urea) , para reparar- un asiento de traviesa ferroviaria, resultan un número de ventajas. Más específicamente, se proporciona un método para restaurar un asiento ferroviario ubicado sobre una traviesa ferroviaria de concreto . El método comprende aplicar un material polimérico que comprende el material de poli (uretano) al asiento ferroviario dañado ubicado sobre la traviesa ferroviaria de concreto . Después el material polimérico es curado y el asiento de traviesa ferroviario es restaurado bajo condiciones de temperatura ambiental, preferiblemente tan bajas como aproximadamente 7.2 grados centígrados (45 grados F) , y bajo condiciones de presión ambiental . El material de poli (uretano-urea) sustancialmente es resistente a hundirse y muestra excelente pseudoplasticidad. Así, el material de poli (uretano-urea) puede mantener su forma durante la operación de restauración del asiento ferroviario. En el método el asiento ferroviario dañado preferiblemente es restaurado sin requerir el uso de calor-no ambiental. Esto ocurrirá bajo las condiciones de temperatura anteriormente descritas. Adicionalmente, el asiento ferroviario dañado preferiblemente es restaurado sin requerir el uso de presión no-ambiental. Por consiguiente, el método de restauración objeto se ejecuta más fácilmente en campo por lo técnicos quienes son contratados para este propósito. El asiento ferroviario restaurado de conformidad con esta invención tiene un Periodo en estado de Gel extremadamente corto. Preferiblemente, el periodo en gel del material polimérico no mayor que aproximadamente cinco segundos, más preferiblemente no mayor de tres segundos, y lo más preferiblemente no mayor de un segundo. Esto permite la colocación y retención de los componentes del asiento ferroviario sobre el sitio de reparación sustancialmente sin que el material polimérico se desborde del sitio de reparación. En otras palabras, el asiento ferroviario dañado y el material de poli (uretano-urea) pueden ser mantenidos en una posición fija sobre la superficie de la traviesa ferroviaria de concreto durante el curso del procedimiento de restauración del asiento ferroviario. El Periodo de Curado del material polimérico también puede ser suficiente para permitir conformar el asiento ferroviario en sitio en el área de reparación empleando técnicas de aplicación que no requieren el uso de fuentes auxiliares de calor tal como trazadores de líneas o similares .
Nuevamente, preferiblemente se realiza bajo condiciones de temperatura ambiental, preferiblemente tan bajas como 7.2 grados C (45 grados F.), y bajo condiciones de presión ambiental. Preferiblemente, el Tiempo de Curado del material polimérico es suficiente para conformar el contorno del asiento ferroviario restaurado sin que requiera el uso de una temperatura no-ambiental y una presión no-ambiental. El Tiempo de Curado típicamente es dependiente de las condiciones de temperatura y del espesor del material polimérico aplicado.
Generalmente un calentamiento auxiliar no se requiere si el espesor del material polimérico aplicado se encuentra entre aproximadamente 1/4" hasta aproximadamente 1". Otra propiedad de desempeño mejorado para los materiales poliméricos de esta invención es la Dureza Shore D (24 hr.). Así, la Dureza Shore D (24hrs) del material polimérico objeto preferiblemente es al menos aproximadamente 65, más preferiblemente al menos aproximadamente 70, y lo más preferiblemente al menos aproximadamente 75. Las propiedades de la traviesa ferroviaria preferida se pueden mantener en un amplio intervalo de temperatura ambiental durante su uso. Estas temperaturas ambientales preferiblemente se encuentran al menos hasta aproximadamente 49 SC (1202F), más preferiblemente hasta al menos aproximadamente 60 2C (140aF) , y lo más preferiblemente al menos hasta 71 SC (160aF) , y tan baja como -45aC (-50aF) , más preferiblemente tan baja como aproximadamente -31aC (-25aF) , y lo más preferiblemente tan baja como aproximadamente -17aC (0aF) . En el método de esta invención, el curado del material polimérico durante la reparación del asiento ferroviario se puede conseguir en un amplio intervalo de humedad, temperatura y presión. Por lo tanto, un asiento de traviesa ferroviaria puede ser producido en un periodo de tiempo comercial . Con el material polimérico objeto no existe la emisión de un olor desagradable. De esa forma, un técnico en campo no tiene que tratar con problemas de olor, de los cuales están plagados los productos de reparación de asientos ferroviarios del estado previo de la técnica. La reparación de un asiento de traviesa ferroviaria con el material polimérico objeto resulta en un producto renovado en donde se mantiene un desempeño superior bajo condiciones de operación dinámica por lo que se puede proporcionar un alto nivel de durabilidad bajo carga mientras que mantiene los estándares dimensionales de un ensamble ferroviario . El módulo del asiento ferroviario de material polimérico preferiblemente también es incrementado a un nivel el cual resistirá cargar de compresión y se mantendrá el estándar dimensional del ensamble ferroviario.
El material polimérico muestra un alto grado de dureza y ductibilidad. La dureza del material está indicada por el área bajo la curva esfuerzo-deformación desarrollada durante la prueba de resistencia a la tracción. Las clasificaciones dureza-ductilidad dependen del Módulo de Elasticidad (Módulo de Young) , resistencia a la tracción, y elongación. Los materiales rígidos tienen un Módulo de Elasticidad (E) que se define como E>700Mpa. Los materiales frágiles tienen una elongación menor de 10%, en el caso de los materiales epoxi una elongación de aproximadamente 5%. Los materiales dúctiles tienen una elongación que se define como menor de por lo menos aproximadamente 10% o mayor. El material polimérico objeto también tiene un módulo que se encuentra en la clase rígida de los materiales, una mayor área bajo la curva esfuerzo-deformación, una sustancial energía plástica del término de deformación, y un menor carga del rellenador que se mejora por una excelente aglutinación de la matriz polimérica con el rellenador, minimiza los defectos internos y el tamaño de los defectos internos . Típicamente los sistemas epoxi son llenados muy bien y tienen una aglutinación nominal matriz-rellenador que resulta en numerosos defectos internos de tamaño considerable. El asiento ferroviario restaurado forma una traviesa ferroviaria, la cual preferiblemente muestra un alto nivel de resistencia a la fractura bajo carga mientras que mantiene el estándar de dimensiones de un ensamble ferroviario. Esta resistencia a la fractura mejorada es evidente por la presencia de un mayor nivel de propiedades mecánicas, mejores resultados en el análisis de imagen de SEM, y un análisis Griffith de fracturas mejorado. Más aun, el esfuerzo de tensión del asiento ferroviario de material polimérico generalmente es al menos equivalente a las resinas epoxi usadas convencionalmente. El valor de elongación porcentual del asiento ferroviario restaurado preferiblemente es incrementado a un nivel que los resultados muestren la morfología de fractura frágil. El asiento ferroviario restaurado preferiblemente proporciona un valor de elongación porcentual incrementado que resulta en una durabilidad del material sustancialmente mejorada. La verificación de las diferencias estructurales en la durabilidad de las resinas epoxi convencionales y el material polimérico objeto se puede establecer al, por ejemplo, comparar la elongación ("Elongación") de cada uno de los respectivos materiales bajo carga de tensión (ASTM D 638) . Típicamente, los polímeros epoxi convencionales muestran pobres propiedades de elongación (Elongación>5%) y exhiben una morfología correspondiente de fractura frágil. Por el contrario, la Elongación del material polimérico aquí empleado preferiblemente es al menos aproximadamente de 10%, más preferiblemente al menos 15%, y lo más preferiblemente de al menos aproximadamente 20%.
Con la viscosidad más baja del material polimérico objeto su manejo se vuelve menos complicado cuando es despachado, en especial en campo . DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Los materiales poliméricos que comprenden un poli (uretano-urea) que es particularmente útil en esta invención, son preparados con varias combinaciones de resinas amino-terminadas e hidroxilo-terminadas que son reaccionadas con un material de isocianato. Estos materiales de poli (uretano-urea) generalmente comprenden por lo menos un compuesto de poliol, por lo menos un compuesto de amina, y un isocianato. El poli (uretano-urea) se forma empleando (a) por lo menos un compuesto de poliol, típicamente un poliol hidroxilo- taponado y/o un extendedor de cadena de hidroxilo, en una cantidad preferida de aproximadamente 20%, más preferiblemente desde aproximadamente 25%, y lo más preferiblemente desde aproximadamente 30%, preferiblemente hasta aproximadamente 60%, más preferiblemente hasta aproximadamente 55%, y lo más preferiblemente hasta 45%, (b) por lo menos un compuesto de amina, típicamente un poliéster de amina taponado y un extendedor de cadena de amina, en una cantidad preferida desde aproximadamente 0.5%, más preferiblemente desde aproximadamente
1.0%, y lo más preferiblemente desde aproximadamente 1.5%, preferiblemente hasta aproximadamente 20%, más preferiblemente hasta aproximadamente 15%, y lo más preferiblemente hasta aproximadamente 10%, y (c) un compuesto de isocianato, típicamente un prepolímero de isocianato, en una cantidad preferida desde aproximadamente 20%, más preferiblemente desde aproximadamente 25%, y lo más preferiblemente desde aproximadamente 30%, preferiblemente hasta aproximadamente 45%, más preferiblemente hasta aproximadamente 40%, y lo más preferiblemente hasta aproximadamente 35%. Los compuestos de poliol típicos son los óxidos de polipropileno di, tri-funcionales hidroxilo taponados, óxidos de polietileno di, tri-funcionales hidroxilo taponados, óxidos de poli (propileno-etileno) di, tri-funcionales hidroxilo taponados, poliésteres di, tri-funcionales hidroxilo taponado. Los ejemplos de polioles que pueden ser empleados aquí son Bayer LHT-240, Arch 20-280, Dow Voranol 230-283, y BASF Quadrol . Los compuestos de amina típicos son di-tri-polioxipropilenodiaminas, diaminas aromáticas líquidas, isofronadiamina, dietilenotriamina. Los ejemplos de aminas las cuales pueden ser empleadas aquí son Shell Epi-Cure 3271, Huntsman D-230, y Dorf etal Unilin 4100. Los compuestos de isocianato típicos son isocianatos aromáticos di, tri-funcionales, diisocianatos de 4,4-difenilmetano poliméricos modificados, y diisocianatos de 1,6-hexametileno (isocianatos alifáticos) . Ejemplos de los isocianatos que pueden ser empleados aquí son Bayer Desmodure N 3400, ICI Rubinate 1209, Bayer Mondur ML, Bayer Mondur MR. Las reacciones del poli (uretano-urea) pueden incluir un sistema catalizador para acelerar la reacción entre el isocianato y los grupos hidroxilo de cada poliol. Los catalizadores pueden ser utilizados en el sistema de esta invención para acelerar las reacciones de formación del poli (uretano-urea) objeto. Estos catalizadores pueden incluir estaño, mercurio, plomo, bismuto, zinc, y varios compuestos de amina tal como los que se describen en la Patente Norteamericana 5,011,902, la cual se incorpora aquí en su totalidad como referencia. Un catalizador aquí empleado es un carboxilato metálico . En ciertos casos puede ser deseable agregar un extendedor de cadena para completar la formulación de los polímeros de poli (uretano-urea) al reaccionar los grupos de isocianato de productos de adición o prepolímeros . Ejemplos de algunos tipos de extendedores de cadena de amina incluyen el 1, 3-butanodiol, 1, 4-butanodiol, 2-etil-l, 3-hexanodiol, dietilenglicol, trimetilol propano e hidroquinona di (beta hidroxietil éter) . Las composiciones de poli (uretano-urea) objeto adicionalmente pueden incluir diluyentes, rellenadores, agentes de compatibilidad, tixotropos, pigmentos y agentes anti fraguado. Los rellenadores apropiados incluyen al sulfato de bario, sulfato de calcio, carbonato de calcio, sílice, y partículas de arcilla, tales como silicatos de aluminio, silicatos de magnesio, micro-esferas cerámicas y de vidrio, y caolín. Los agentes de compatibilidad apropiados son los compuestos orgánicos que contienen hidroxi, preferiblemente hidrocarburos aromáticos monocíclicos tal como nonil fenol etoxilatado, el cual hace compatible al poliol y los reactivos de diisocianto aromático en la formulación. Los diluyentes apropiados incluyen al los aceites parafínicos hidrotratados, carbonatos, aceites nafténicos hidrotratados, solventes alifáticos y carbonato de propileno . El equipo para suministrar el isocianato y aminas/poliol (es) empleados en la producción del material de poli (uretano-urea) , tal como el equipo de despacho Mixus™ manufacturado por Willamette Valley Company de Eugene, Oregón, el cual se encuentra comercialmente disponible. Típicamente, los dos componentes que forman el material rellenador de poliuretano objeto son bombeados desde los tanques de almacenamiento hacia una unidad de dosificación en donde los componentes son dosificados de conformidad con una proporción específica. Una cantidad conocida de cada material es bombeada de forma separada hacia una unidad despachadora. Los componentes son mezclados en la unidad despachadora y después son introducidos dentro del orificio del perno del orificio de clavo del durmiente ferroviario . Una formulación y método de producción de material polimérico preferido que se puede emplear en esta invención, y la cual fue el material polimérico en la prueba de adhesión mostrada en la Tabla 1, es la que se presenta a continuación: Tabla 1
La Elongación del material polimérico de la Tabla 1 anterior es de aproximadamente 25%. En resumen, los datos de SEM y la Elongación claramente muestra que el material polimérico es significativamente superior para los asientos ferroviarios dañados restaurados para utilizarse con traviesas ferroviarias de concreto. Tabla 2-Sumario de la Prueba de Adhesión-Modo de Falla %)
La Tabla 2 compara los modos de falla de ruptura de una resina epoxi convencional para concreto seco y húmedo, comparado con el material polimérico de la Tabla 1 en cuanto a la adherencia al concreto húmedo y seco. La Tabla 2 muestra la resistencia de estos materiales poliméricos a ser desprendidos de una superficie de concreto húmedo y seco. El material polimérico objeto exhibió un 71.7% en la Fuerza de Desprendimiento sobre concreto seco y un incremento de 78.3% en la Fuerza de Desprendimiento sobre concreto húmedo que un material epoxi convencional .
Cada una de la muestras poliméricas fueron inspeccionadas después de ser desprendidas de los bloques húmedo y seco de acuerdo a lo estipulado en la Tabla 2 anterior. De esa forma se realizo la determinación de acuerdo a dónde ocurrió la falla, y la extensión de la falla con respecto al bloque de concreto y material polimérico. En la mejor situación, en este caso, la aglutinación de concreto, el total de la falla ocurriría en el bloque de concreto y la muestra de material polimérico desprendida tendría un 100% de concreto adherido a la misma. En la siguiente mejor situación, en este caso, aglutinación cohesiva, nada del material polimérico desprendido permanece unido al bloque de concreto y tiene algún material de concreto unido al mismo. En la peor situación, en este caso, aglutinación adhesiva, una porción de la muestra de material polimérico habría sido adherida al bloque de concreto. De esa forma, conforme a la evidencia de los datos anteriores, el material polimérico de la presente invención tiene una mejor adhesión que el material epoxi (sobre ambos, concreto seco y húmedo) . Ninguna de Las muestras de material polimérico objeto mostraron alguna aglutinación adhesiva con respecto a cualquiera del concreto húmedo o seco . La muestra de material polimérico objeto no mostró aglutinación cohesiva o adhesiva con respecto al concreto seco. Por otro lado, el material epoxi tuvo una aglutinación cohesiva de 19% y un 3% para el concreto seco y húmedo, respectivamente, y una aglutinación adhesiva de 88% para el concreto húmedo. Se han realizado ciertas diferencias entre el material polimérico objeto y los materiales basados en epoxi tradicionales que son diseñados para reparar los asientos ferroviarios de concreto desgastados por abrasión al examinar los datos mecánicos, el criterio de fractura Griffith, criterio de desempeño, e imagen de SEM. Más específicamente, la imagen de SEM es utilizada para establecer el tamaño de defecto local para la ejecución de los cálculos de la resistencia a la fractura Griffith. En un análisis visual de materiales poliméricos de esta invención y materiales epoxi, respectivamente, la evaluación directa de los modos de fractura fue realizada con el uso de un microscopio electrónico de barrido de emisión en campo JOEL 6400. Un prototipo para el material polimérico descrito anteriormente fue comparado con un material epoxi típico con el uso de técnicas de fractura criogénica. Se realizó un análisis de los materiales de conformidad con las descripciones de los modos de fractura en el texto Polymer Microscopy (Second Edition; Sawyer and Grubb) contenido en el Capítulo Cuatro -Specimen Preparation Methods. Específicamente, la sección 4.8 del texto contiene descripciones detalladas e imágenes de varios modos de fluencia y fractura. El material polimérico de esta invención se determinó de visualmente como intacto con únicamente unos pocos puntos de fluencia y zonas de deslizamiento de acuerdo a lo representado por las líneas que corren verticalmente por la imagen. En contraste, un material epoxi típico se determinó visualmente que cuenta con una matriz de polímero la cual ha sido fracturada en esquirlas. La matriz no se encontró intacta y se observaron numerosas zonas de fractura. La imagen fue llenada con picos dentados de fractura que contribuyen con una imagen bastante cargada. Con la fractura criogénica, se explora el escenario del peor caso de falla del material . En el caso del material polimérico, la matriz tiene la capacidad de fluencia sin facturas evidentes, de esa forma contribuye para mayores resistencias a la fractura. El material epoxi no tiene la capacidad de fluencia y puede se puede predecir que los esfuerzos aplicados cíclicamente eventualmente degradarán el material . El análisis de falla adicionalmente puede ser comparado con el uso de técnicas de Reifsnider y Case, Damage Tolerance and Durability of Material Systems . Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por el solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.