水泥混凝土路面填縫料的研發(fā)及試驗(yàn)評價(jià)

龍麗琴，張東長，王進(jìn)勇

（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶市 400067）

0 引言

路面水通過接縫下滲是混凝土板產(chǎn)生脫空甚至斷裂的主要原因［1-3］。目前中國大部分地區(qū)對水泥混凝土路面接縫的密封大多使用瀝青類填縫料［4］。該類填縫料價(jià)格低廉，但性能較差。聚氨酯類填縫料相對于瀝青基填縫料在性能方面有了較大的提高，但使用壽命一般只有5 年［5-7］。道路專用硅酮密封膠耐老化性能好，與接縫縫壁黏結(jié)能力較強(qiáng)，但價(jià)格昂貴，而且彈性恢復(fù)率和耐嵌入性較差［8-9］。本文采用國產(chǎn)原料，開發(fā)了一種以有機(jī)硅為主料的新型填縫料，并通過試驗(yàn)研究了該填縫料的黏結(jié)性、抗剪性與耐久性。

1 填縫料原材料選擇

（1）基礎(chǔ)聚合物。采用α，ω—二羥基聚二甲基硅氧烷作為基礎(chǔ)聚合物，它是單組分RTV 基礎(chǔ)聚合物的典型代表。

（2）擴(kuò)鏈劑。為了使研發(fā)的新型填縫料具有良好的伸長率和較低的模量，不僅要使用交聯(lián)劑，還應(yīng)添加擴(kuò)鏈劑。國外通常是加入硅烷擴(kuò)鏈劑，本文采用國產(chǎn)擴(kuò)鏈劑。

（3）交聯(lián)劑。通過混合硅烷交聯(lián)劑體系的使用，可以加快硅橡膠的深層硫化速度和交聯(lián)密度，提高填縫料的耐嵌入性。本文交聯(lián)劑采用兩種硅烷交聯(lián)劑組成的混合交聯(lián)劑。

（4）填料。有機(jī)硅橡膠必須經(jīng)過補(bǔ)強(qiáng)后才可使用［10］。填料的作用是補(bǔ)強(qiáng)和降低成本。本文選用填料為納米活性CaCO3。

（5）促進(jìn)劑。為了提高填縫料的硫化速度，使用交聯(lián)劑的同時(shí)應(yīng)使用促進(jìn)劑［11］。在RTV-1 膠中，由于硫化速率較慢，需添加促進(jìn)劑來提高硫化速率。本文選取了有機(jī)錫類化合物為促進(jìn)劑。

（6）活化劑。單組分室溫硫化硅橡膠一般表干時(shí)間為60 min 左右，厚度0.3 mm 的單組分室溫硫化硅橡膠通常在1 d 后才能硫化，該硫化速度無法滿足填縫料使用要求。本文采用聚硅酸乙酯作為促進(jìn)劑。

（7）增黏劑。為了提高填縫料的黏附性，需加入增黏劑。

（8）偶聯(lián)劑。新型有機(jī)硅填縫料中加入偶聯(lián)劑是為了提高其可混性，防止填料結(jié)團(tuán)。本文選用聚硅酸乙酯作為偶聯(lián)劑。

（9）操作助劑。在新型填縫料中使用操作助劑主要目的在于降低填縫料的模量，提高其伸長率，改善可灌性。本文選用二甲基硅作為操作助劑。

2 填縫料的制備

（1）α，ω—二羥基聚二甲基硅氧烷與納米活性碳酸鈣在真空條件下，高溫捏合后得到基膠，然后將其密閉冷卻。在捏合前，納米活性碳酸鈣要在合適的溫度下脫水至含水量小于1%。高溫捏合的目的除了混合均勻，同時(shí)盡量除凈體系中所含有的水分，保證新型填縫料配合體系的儲存穩(wěn)定性。

（2）待基膠密閉冷卻至室溫后，將填縫料配合體系中的大部分組分加入基膠，在常溫和真空條件下，通過高速攪拌一定時(shí)間，使其與基膠混合均勻。

（3）將填縫料配合體系中的其余組分也加入第二步的混合體系中，繼續(xù)在常溫和真空條件下高速攪拌一定時(shí)間，使其充分混合均勻，然后進(jìn)行包裝。

3 新型填縫料性能檢測與評價(jià)

3.1 黏結(jié)拉伸試驗(yàn)

（1）正常條件下黏結(jié)拉伸性能試驗(yàn)

試驗(yàn)分別在（23±2）℃和（-20±2）℃兩個(gè)溫度下進(jìn)行。測試-20 ℃溫度下的試件時(shí)，需預(yù)先在-18～-22 ℃溫度下放置4 h。然后通過簾布剝離試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)速度采用5～6 mm/min，直至將試件拉伸破壞。

（2）浸水后黏結(jié)拉伸性能試驗(yàn)

先將試件在21～25 ℃的水中浸泡4 d，接著在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)1 d。拉伸試驗(yàn)在（23±2）℃溫度下進(jìn)行。以同樣的設(shè)備、同樣的速度拉伸試件。

（3）冷拉熱壓后黏結(jié)拉伸性能試驗(yàn)

由于縮縫縫寬的變化是由混凝土板伸縮變形引起的，這種伸縮變形主要由兩部分組成：干縮變形和冷縮變形。

干縮變形：自由變形時(shí)收縮值取0.15～0.2 mm/m，混凝土板長取5 m，則縮縫干縮裂縫寬度為0.75～1 mm，取最大干縮變形1 mm。

冷縮變形：混凝土板的最大收縮值=板長×施工期與冬季最大溫差×α。施工期與冬季最大溫差取60 ℃，α=0.5×10-5/℃，經(jīng)計(jì)算得最大收縮值為1.5 mm。

縮縫變形值=裂縫干縮寬度+混凝土板的收縮值=2.5 mm。

接縫伸長率=混凝土板收縮值/縮縫寬度，最大變化值=1.5/2.5×100%=60%。

（4）黏結(jié)伸長試驗(yàn)結(jié)果

本文首先研究納米碳酸鈣用量對填縫料力學(xué)性能的影響，按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，得到黏結(jié)拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果對比

由表1 可知：7 d 黏結(jié)強(qiáng)度與28 d 黏結(jié)強(qiáng)度相差不大，即黏結(jié)強(qiáng)度與填縫料的固化交聯(lián)時(shí)間無關(guān)。這是由于填縫料的內(nèi)聚強(qiáng)度只與固化交聯(lián)有關(guān)，當(dāng)填縫料交聯(lián)完成以后，內(nèi)聚強(qiáng)度不再變化。筆者在原有配方的基礎(chǔ)上增加一定量的增黏劑，試驗(yàn)檢測效果見圖1，通過黏結(jié)拉伸試驗(yàn)，試件黏結(jié)強(qiáng)度和伸長率均有大幅度提升，黏結(jié)強(qiáng)度提高了3.25 倍。

圖1 黏結(jié)拉伸試驗(yàn)（加增黏劑）

從表1 的試驗(yàn)結(jié)果還可以看出：冷處理前后的黏結(jié)強(qiáng)度變化不大，說明黏結(jié)強(qiáng)度與環(huán)境溫度無關(guān)，但冷處理后填縫料的伸長率略有降低（降低到初始值的80%）。這是因?yàn)樵诘蜏貤l件下，新型填縫料分子鏈的熱運(yùn)動降低，Si-O 鍵自旋運(yùn)動的阻力增大，使得填縫料的抗變形能力也隨之增加，彈性模量也因此增大。表明當(dāng)溫度降低時(shí)，在黏結(jié)強(qiáng)度不變的情況下，試件的黏結(jié)伸長率將有所下降，但亦能滿足路用性能的要求。

（5）浸水后黏結(jié)拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，得到浸水后的黏結(jié)拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試件浸水前后的黏結(jié)拉伸性能對比

由表2 可知：浸水前后試件的黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)伸長率基本相同，說明填縫料的防水性能良好。

（6）冷拉熱壓后黏結(jié)拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

為了考察增黏劑用量對有機(jī)硅填縫料灌入稠度的影響，在其他組分用量不變的情況下，將不同增黏劑用量加入混合體系中，制成不同的填縫料（1#～4#試件），將其冷拉熱壓后進(jìn)行試驗(yàn)檢測，結(jié)果見表3。

表3 黏結(jié)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表3 可以看出：試件在受到冷拉熱壓的反復(fù)作用后，未見任何破壞。然后再進(jìn)行黏結(jié)拉伸試驗(yàn)，黏結(jié)強(qiáng)度和黏結(jié)伸長率基本沒有變化，冷拉熱壓后未出現(xiàn)黏結(jié)和內(nèi)聚破壞。說明了冷熱氣候在填縫料彈性范圍內(nèi)的拉伸壓縮均不會對新型填縫料的性能造成影響。

3.2 抗剪性能試驗(yàn)

將試件標(biāo)養(yǎng)7 d 或28 d 后，分別檢測其剪切性能。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 剪切強(qiáng)度對比試驗(yàn)結(jié)果

從表4 可知：①所有試件的剪切破壞形式均為黏結(jié)面破壞，表明黏結(jié)面仍然為最薄弱的位置；②從剪切變形來看，D 組試件固化交聯(lián)7 d 的剪切變形比固化交聯(lián)28 d 的大，這是由于固化交聯(lián)有一個(gè)過程，7 d 時(shí)填縫料的硫化交聯(lián)程度較28 d 的低，在受到剪切應(yīng)力的作用時(shí)，只進(jìn)行7 d 交聯(lián)的填縫料，易發(fā)生塑性變形；③D 組試件的黏結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均大于其他試件，其原因主要是針對性地加入了增黏劑，大幅提高了黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)，剪切強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。最重要的是，所有試件的黏結(jié)強(qiáng)度均小于其剪切強(qiáng)度，這與填縫料的受力機(jī)理相符，在車輛荷載反復(fù)頻繁的剪切作用下，如果填縫料具有較好的剪切變形能力，那么填縫料在車輛荷載的作用下，不會因?yàn)榧袅Σ蛔愣茐模瑫r(shí)也說明了新型有機(jī)硅填縫料的性能完全滿足路用要求。

3.3 抗紫外線老化試驗(yàn)

自然光中的紫外線對填縫料的耐久性影響最大。本文采用UV-Ⅱ型非金屬材料人工加速老化試驗(yàn)儀進(jìn)行紫外線輻射試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 老化后黏結(jié)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表5 可知：填縫料黏結(jié)性能在老化前后的變化較小，表明研發(fā)的填縫料抗紫外線老化的性能優(yōu)良。

4 工程驗(yàn)證

通過試驗(yàn)，采用D 組試件配方生產(chǎn)的填縫料，用于廣東省番禺區(qū)內(nèi)某二級水泥混凝土路面改造工程。

原路面接縫內(nèi)填縫料基本喪失，填縫料完全喪失黏結(jié)和防水功能，縫內(nèi)填充著泥土和雜物，如圖2所示。

圖2 原水泥混凝土路面接縫

應(yīng)用中，首先用清縫機(jī)對接縫進(jìn)行清縫（圖3），然后用高壓水槍沖洗，再用吹風(fēng)機(jī)對縫內(nèi)殘留水進(jìn)行清除，最后灌注新型有機(jī)硅填縫料，實(shí)施效果如圖4 所示。目前，該路段已通車5 年，填縫料無脫落，無損壞，效果良好。

圖3 原接縫清縫

圖4 新型填縫料施工效果圖

5 結(jié)論

采用α，ω—二羥基聚二甲基硅氧烷作為基礎(chǔ)聚合物，研發(fā)了一種新型的填縫料，探索了不同條件下的黏結(jié)拉伸、抗剪和抗紫外線老化性能，并選擇了一條二級公路水泥混凝土路面進(jìn)行工程示范應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

（1）研究的新型填縫料不使用國外進(jìn)口的硅烷擴(kuò)鏈劑，全部使用當(dāng)前國產(chǎn)原材料，通過先進(jìn)的配方和生產(chǎn)工藝技術(shù)，可生產(chǎn)得到新型有機(jī)硅填縫料系列產(chǎn)品。

（2）通過黏結(jié)拉伸試驗(yàn)，可知新型填縫料的7 d黏結(jié)強(qiáng)度與28 d 黏結(jié)強(qiáng)度相差不大，防水性能優(yōu)良，能較好地適應(yīng)冷熱氣候的變化；抗剪切試驗(yàn)表明其抗剪切能力優(yōu)良，28 d 的抗剪切強(qiáng)度大于7 d 的抗剪切強(qiáng)度；抗紫外線老化試驗(yàn)結(jié)果表明新型填縫料的黏結(jié)性能在老化前后變化較小，說明其抗老化性能優(yōu)良。

（3）在示范工程中，研發(fā)的新型填縫料至今已歷經(jīng)5 年均未發(fā)生明顯破壞，說明其耐久性良好。