橋面鋪裝用聚氨酯混凝土性能試驗研究

李田心 王 濱 宋肇磊 吳作人 李佳俊

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 聚氨酯混凝土配合比設計

本部分主要探究聚氨酯混凝土配合比對聚氨酯混凝土抗壓強度的影響。此次實驗將參照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程及JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程進行設計。正交試驗前做一組聚氨酯比例與碎石級配一致的標準馬歇爾試件與100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，試件制作與測試參照水泥規范。正交試驗完成后將得到在實驗設計范圍內抗壓表現最好的一種影響因子組合，并將這種組合應用到后續的聚氨酯混凝土性能研究中。

1.1 對照實驗設計及確定正交試驗變量

在設計正交試驗之前，為確定相關影響因子及其水平范圍需要先做一組對照實驗，用以排除無關變量并將復雜變量固定在一個較好水平。

1)聚氨酯原料。

本實驗中配制聚氨酯樹脂A組分為多亞甲基多苯基異氰酸酯，B組分為組合聚醚，經調整常溫下已選定重量比1∶1配制。

2)聚氨酯摻入比例。

在對照實驗中選取聚氨酯摻入比例為13%與15%，并將該結果作為正交試驗的上下限來深入探究。

3)石料的種類。

聚氨酯混凝土為聚氨酯與石料的混合物，而石料的種類、級配與加入比例都會影響聚氨酯混凝土的抗壓強度。對比石料有米石與碎石兩種。

4)石料的級配。

石料的級配屬于復雜變量，故用對照實驗來選取一組表現良好的級配當做正交試驗的常量。

5)催化劑的使用。

催化劑會加速聚氨酯固化，但叔胺類催化劑會使聚氨酯發泡。對照實驗將探究同等條件下，加催化劑的聚氨酯混凝土其強度增長與對照組是否存在差異，以此判斷有無將催化劑劑量作為正交試驗研究對象的必要。

1.2 設計對照實驗并制作試件

具體實驗方案設計如表1，表2所示。

表1 對照實驗確定試驗范圍

表1是對石料種類、石料級配催化劑進行變量處理的6個對照試驗。實驗1、實驗2是對石料種類做出變量控制的對照試驗，探究米石與碎石的性能；實驗1、實驗3是對聚氨酯做出變量控制的對照試驗，探究最佳的聚氨酯摻入比例；實驗1,實驗4、實驗5是對石料級配做出變量控制的對照試驗，探究最佳級配；實驗1、實驗6是對催化劑做出變量控制的對照試驗，探究催化劑的性能。

表2 對照試驗中級配種類的通過率 %

表2是對三種級配①，②，③的通過率。

模具尺寸為70 mm×70 mm×70 mm。養護時間為擊實完成后12 h。

1.3 測試試件分析數據

壓力機對試件進行抗壓強度測試。依次對每個試塊進行測試，破壞荷載與抗壓強度計算測試見表3。

表3 對照組試塊抗壓值

表3是對6個對照試驗的具體性能測試，6個對照試驗的大小控制不變(在正常范圍內)，對抗壓性能進行測試。從表3可以看出，實驗1，2對照，碎石性能優于米石；實驗1，3對照，15%聚氨酯效果優于13%；實驗1，4，5對照，級配③的抗壓性能最佳；實驗1，6對照，適當催化劑可提升抗壓能力。

1.4 正交試驗設計與最佳組合選擇

結合上述對照實驗的分析結果，選定正交試驗的影響因子：

1)聚氨酯摻入比例。

以13%為中間值，選定聚氨酯比例為10%～15%。

2)聚氨酯配制后加入石料的等待時間作為第二個影響因子。

等待時間設計為0 min～60 min。

3)聚氨酯與石料拌和后等待時間作為第三個影響因子。

等待時間設計為30 min～90 min。

4)養護時間將作為第四個影響因子。

聚氨酯混凝土的養護時間設置為12 h～48 h，用以探究聚氨酯混凝土的強度隨養護時間的增長關系。

設計一個四因素三水平的正交試驗，以單軸抗壓強度作為比較結果，正交試驗表如表4所示。

表4 正交試驗主要影響因子和水平分類

表4是聚氨酯摻入比例、加入石料的等待時間、拌和后等待時間、養護時間四個具體因素，每組因子分別進行三個水平的正交試驗。

1.5 擊實與養生及結果分析

采用L9(34)正交表，實驗共計9組，依據T 0553—2005每組試件需要3組試塊，共需制作27個試件，采用100 mm×100 mm×100 mm的水泥試模制作。試件的制作同對照實驗中的方法，配制聚氨酯后按照實驗設計的等待時間進行拌合、擊實和養生。養生結束后使用氣槍脫模，得到抗壓強度值便能進行直觀分析，分析結果如表5所示。

表5 聚氨酯配比組合對其強度影響直觀分析表

表5是聚氨酯摻入比例、加入石料的等待時間、拌和后等待時間、養護時間四個具體因素，每組因子分別進行三個平行實驗的正交試驗。通過每一列對應的均值，求出相應的極差，便能得到四個影響因素的影響大小。

由此可知，聚氨酯的摻入比例對聚氨酯混凝土的影響程度最大，摻入石料間隔時間次之，擊實等待時間相較于其余三種因素影響最小。

2 聚氨酯混凝土路用性能分析

2.1 聚氨酯混凝土高溫穩定性試驗

聚氨酯混凝土高溫穩定性指在高溫條件下，外力不斷作用導致混合料產生的永久變形。對于高速公路與一級公路，高溫穩定性選用JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程T 0719—2011車轍試驗進行。

2.1.1試件的制作與測試

制件采用正交試驗所得配合比，集料用量與聚氨酯用量通過與立方體試件體積換算得到，車轍試驗模具尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，制作三個試件為平行實驗。

試件成型后標注輪碾方向，密封養生24 h。

圖1～圖3是試件實驗室制作與測試中的部分流程，其中圖1為試件輪碾法成型的圖示，圖2為試件養生階段的圖示，圖3為車轍實驗測試的圖示。

2.1.2動穩定度計算

動穩定度(DS)是反映混合料高溫性能的指標，其計算需在變形量—時間曲線上讀取t1=45 min與t2=60 min對應的變形量d1與d2，數據精確至0.01 mm，計算公式見式(1)：

(1)

其中，N為橡膠輪往返速度，N=42次/min；C1為試驗機類型系數，曲柄連桿驅動加載往返運行取C1=1.0；C2為試件系數，在實驗室制備的寬300 mm車轍板取C2=1.0。

實驗數據與計算結果如表6所示。

表6 聚氨酯混凝土動穩定度計算表

表6是對三個平行試件變形量d1，d2的測量以及動穩定度的計算。

2.1.3高溫穩定性分析

聚氨酯動穩定度取三組動穩定度的平均值，并按規范要求算出變異系數，計算結果見表7。

表7 車轍試驗結果表

表7是對三個平行試件平均動穩定度的計算。

同時將聚氨酯混凝土的動穩定度與高溫性能較優異的改性瀝青[18]做橫向對比，如圖4所示。

2.2 聚氨酯混凝土低溫抗裂性試驗

絕大多數材料在低溫時變脆，而聚氨酯混凝土在常溫下已表現為脆性破壞，測試其低溫抗裂性以探究在低溫狀況下聚氨酯混凝土的變形能力。參照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程。

2.2.1試件的制作與測試

低溫彎曲試驗的棱柱體試件由經過車轍試驗的車轍板(300 mm×300 mm×50 mm)切割得到，試件如圖5所示。

圖5，圖6是試件實驗室制作與測試中的部分流程，其中圖5為試件切割后的圖示，圖6為試件彎曲試驗測試的圖示。

試件測試儀器選用量程為100 kN的數控萬能試驗機，測試完成將自動生成荷載—跨中撓度曲線，如圖7所示。

2.2.2勁度模量計算

將荷載—跨中撓度曲線中直線段延長與x軸相交，并將此點作為該曲線的原點，試件破壞時的抗彎拉強度RB見式(2)，梁底最大彎拉應變εB見式(3)及彎曲勁度模量SB見式(4)。

(2)

(3)

(4)

測試數據與勁度模量計算結果見表8。

表8 聚氨酯混凝土勁度模量計算表

表8是對三個平行試件變形量撓度、最大力的測量，從而計算抗彎強度、抗彎應變和勁度模量。

2.2.3低溫抗裂性分析

將三組所有指標都取平均值并計算標準差，計算結果見表9。

表9 小梁彎曲實驗結果

表9是對三個平行試件變形量相關計算量抗彎強度、抗彎應變和勁度模量的計算處理。

選取摻加添加劑后PR.M高模量瀝青混合料(60 ℃,0.7 MPa動穩定高于5 000次/mm)的低溫抗裂性指標與聚氨酯混凝土作對比，見圖8。

如果單以勁度模量指標來評價低溫抗裂性的好壞，則聚氨酯混凝土明顯差于PR.M高模量瀝青混合料，但聚氨酯混凝土的抗彎拉強度與抗彎應變甚至高于低溫抗裂性最好的摻玄武巖纖維的PR.M高模量瀝青混合料。而在低溫狀況下，材料的變形能力決定了材料抗裂性好壞，則聚氨酯混凝土的低溫抗裂性不差于高模量瀝青混合料。

3 結語

本文主要通過分析聚氨酯混凝土強度形成原理來得到對照實驗與正交試驗的影響因子，先設計對照實驗將簡單與復雜因子選定合理參數，可直接用于正交試驗當做常量。選定四個影響因子，采用L9(34)正交表設計正交試驗，以抗壓強度為指標選出四個影響因子的最佳水平組合。接著從數據分析聚氨酯混凝土在高溫穩定性與低溫抗裂性的優勢，同時與現有的瀝青混合料性能作對比，直觀顯示出聚氨酯混凝土的優勢。

注：指導老師：張國偉。