彈性混凝土伸縮縫聚氨酯膠結(jié)料的研制及性能

何雷蕾 全弘彬 鄧 華 秦 耕 何 翔

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400067； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

1 概述

橋梁作為公路的重要組成部分，近年來我國相繼發(fā)生橋梁垮塌事故。橋梁工程結(jié)構(gòu)安全性、可靠性等技術(shù)問題[1]，成為當前我國橋梁界關(guān)注的焦點。橋梁伸縮縫填充材料作為影響橋梁質(zhì)量的重要因素，其性能直接影響橋梁的安全性、使用耐久性等[2]。傳統(tǒng)的伸縮縫的填充材料容易出現(xiàn)早期破壞，其主要破壞形式有：車轍、開裂、剝離等其他問題[3]。

膠結(jié)料作為影響伸縮縫填充材料性能最重要的因素。目前市面上伸縮縫填充材料的膠結(jié)料主要依賴進口國外的巴斯夫產(chǎn)品，但由于其價格高昂，大大的增加了施工成本。傳統(tǒng)的國產(chǎn)聚氨酯膠結(jié)料，其性能較差[4]，針對以上原因，開發(fā)具有良好的彈性、韌性及耐久性的彈性混凝土伸縮縫的膠結(jié)料十分有必要。聚氨酯具有特強的粘結(jié)性能、耐溫性、耐低溫沖擊性優(yōu)秀，低溫條件下、不脆、不開裂、韌性好、同時耐水性及耐酸堿性能非常優(yōu)秀。聚氨酯合成速度可以任意調(diào)整[5]硬度可以調(diào)整可以滿足不同的需要[6]。對比市面上主要用的伸縮縫填充材料的結(jié)合料巴斯夫產(chǎn)品，有著更有競爭力的價格優(yōu)勢，具有較大的運用價值和市場前景。

2 實驗部分

2.1 試驗原材料

自主開發(fā)的聚氨酯膠結(jié)料的合成原材料選取由華凱樹脂有限公司的聚己內(nèi)酯(f=0.7～1.1)，甲苯二異氰酸酯，3MOCA,BDO和張家港雅瑞化工有限公司生產(chǎn)的E300等為擴鏈劑作為主要合成材料。對比材料選用由德國巴斯夫集團的產(chǎn)品，簡稱為巴斯夫產(chǎn)品。

2.2 聚氨酯膠結(jié)料的性能測試

通過試驗研究對比分析了聚氨酯膠結(jié)料及巴斯夫產(chǎn)品的各項性能，其中參照國標GB/T 531.1—2008測試其凝膠時間；根據(jù)ASTM D2240測試其硬度；在測試壓縮率，參照ASTM D395；并參照ASTM D638測試其拉伸性能；在抗撕裂性能，參照了ASTM D624；并根據(jù)ASTM D638，測試抗熱空氣老化性能[8]。

2.3 聚氨酯彈性混凝土的性能測試

以聚氨酯膠結(jié)料和巴斯夫產(chǎn)品制成的彈性混凝土。彈性混凝土的性能決定著材料的路用性能，而膠結(jié)料的性能決定著彈性混凝土的性能[9]。對比其各項性能，通過參照ASTM STP252機測試其抗壓強度；參照GB/T 15704—2012測試了其沖擊性能；參照JTG E20—2011標準對抗車轍性能、粘結(jié)性能、低溫性能及抗疲勞性能進行相關(guān)測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 聚氨酯膠結(jié)料的基本性能

3.1.1聚氨酯凝膠時間測定

以凝膠時間測定儀測試聚氨酯膠結(jié)料在不同溫度下的凝膠時間(見圖1)。測試結(jié)果見表1。

表1 聚氨酯凝膠時間測定

從表1可以看出，當溫度為24 ℃時，凝膠時間約為30 min，優(yōu)于巴斯夫的凝膠時間；當溫度升至40 ℃時，凝膠時間仍然大于10 min。結(jié)果表明，聚氨酯膠結(jié)料在常溫范圍內(nèi)，其凝膠時間較長，能夠滿足施工的需要。

3.1.2聚氨酯膠結(jié)料硬度測試

在兩種試樣不同位置測量硬度值，取中位數(shù)作為樣品硬度值[10]，如表2所示。

表2 彈性混凝土膠結(jié)料固化物的硬度測試結(jié)果

由表2可知， 聚氨酯膠結(jié)料的邵氏D型硬度約為39，與巴斯夫的產(chǎn)品相比硬度相當，滿足規(guī)范指標要求。

3.1.3聚氨酯膠結(jié)料的壓縮永久變形

制備聚氨酯膠結(jié)料試樣，測試其壓縮率，壓縮時間22 h，試驗溫度70 ℃，如表3所示。

表3 壓縮率試驗結(jié)果

由表3可知，自主開發(fā)的聚氨酯膠結(jié)料的壓縮率在37%左右，滿足巴斯夫指標要求及規(guī)范要求。

3.1.4聚氨酯膠結(jié)料拉伸性能

制備試樣，待其完全固化后，測試拉伸性能。

由表4可知，在常溫養(yǎng)護6 h聚氨酯膠結(jié)料即可達到4.5 MPa，養(yǎng)護1 d后，聚氨酯膠結(jié)料的拉伸強度即達到6.2 MPa左右，斷裂伸長率接近300%，表明聚氨酯膠結(jié)料強度形成較快。當養(yǎng)護7 d后，聚氨酯膠結(jié)料拉伸強度接近7 MPa，斷裂伸長率超過500%。結(jié)果表明，聚氨酯膠結(jié)料能在短時間內(nèi)形成較高的強度，最終強度且其斷裂伸長率遠遠超過規(guī)范要求值，并且略高于巴斯夫產(chǎn)品。

3.1.5聚氨酯膠結(jié)料抗撕裂強度

試驗測定在25 ℃的溫度下測試結(jié)合料的撕裂強度，如圖2所示。

試驗結(jié)果見表5。

表5 聚氨酯結(jié)合料抗撕裂性能

由表5可知，聚氨酯膠結(jié)料平均抗撕裂強度為1.75 kg/mm，抗撕裂強度高于巴斯夫產(chǎn)品。

3.1.6聚氨酯膠結(jié)料熱空氣老化

將聚氨酯膠結(jié)料養(yǎng)護完成后，切割成啞鈴型試件，放置于70 ℃烘箱中老化72 h，測試試件老化前后的拉伸性能，結(jié)果如表6所示。

表6 聚氨酯熱空氣老化性能測試

由表6可知，聚氨酯膠結(jié)料在熱空氣的沖擊下會發(fā)生材料老化，老化后其拉伸強度反而增加，而斷裂伸長率下降明顯。聚氨酯即使在老化后，性能仍優(yōu)于巴斯夫產(chǎn)品，其指標仍然滿足規(guī)范指標要求，證明聚氨酯膠結(jié)料具有一定的耐熱老化性能。

3.2 彈性混凝土的性能對比

表7 自制聚氨酯彈性混凝土和巴斯夫彈性混凝土基本性能

實驗測試選取骨料∶填料=70∶30 ，油石比20%，通過高溫車轍實驗、低溫小梁三點彎曲試驗、拉伸測試、彈性壓縮測試、彈性恢復率測試、壓縮彈性恢復率及疲勞測試，對自制聚氨酯彈性混凝土和巴斯夫彈性混凝土進行性能對比，見表7。

通過實驗得知：通過車轍及小梁彎曲測試，證明聚氨酯彈性混合料具有良好的高低溫性能；通過考察彈性混合料不同溫度的情況下的拉伸變形能力，表明彈性混合料的拉伸性能對溫度變化不敏感，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)正常使用；通過測試聚氨酯彈性混凝土的拉伸及壓縮彈性恢復率，表明自主開發(fā)的聚氨酯彈性混凝土具有與巴斯夫產(chǎn)品同樣優(yōu)異的壓縮彈性恢復率；研究了彈性混凝土的疲勞抗開裂性。通過研究發(fā)現(xiàn)自主開發(fā)的聚氨酯彈性混凝土與巴斯夫產(chǎn)品相比，具有與其同樣優(yōu)異的抗疲勞開裂性能。通過抗疲勞測試試驗結(jié)果表明，自主開發(fā)的聚氨酯彈性混凝土伸縮縫具有比巴斯夫產(chǎn)品更加優(yōu)異的疲勞耐久性。

4 結(jié)語

1)采用聚氨酯作為橋梁伸縮縫的填充材料中的膠結(jié)料，該產(chǎn)品具有較長的凝膠時間，能夠滿足施工的需求。該自制聚氨酯膠結(jié)料的硬度、壓縮率、抗撕裂強度、耐熱老化性均達到或超越巴斯夫產(chǎn)品，并且能在短時間內(nèi)形成較高的強度。

2)采用自制聚氨酯膠結(jié)料成型的彈性混凝土的性能測試表明，其具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，有較高的強度，具有較強的抗壓性能以及優(yōu)良的抗疲勞性，力學性能全面達到或超越目前應(yīng)用較廣的巴斯夫產(chǎn)品。

3)自制的聚氨酯膠結(jié)料的成本遠低于巴斯夫產(chǎn)品，將其應(yīng)用于橋梁彈性混凝土伸縮縫的膠結(jié)料，具有良好的市場前景。