ECO 改性聚氨酯混凝土應用研究

楊洋

（浦東新區公路管理署）

0 引言

聚合物混凝土又稱為樹脂混凝土或塑料混凝土，是以聚合物為唯一膠結材料的混凝土[1]，在機場跑道快速修補、公路面層的局部修補、搶修工程等方面被廣泛使用[2,3]。聚合物混凝土具有耐磨性優良、施工后硬化快和抗沖擊性好的優點，并且可在常溫或低溫下固化，同時它的抗折、抗壓強度高，抗凍性、抗滲性優良。聚合物對水泥混凝土具有很好的黏附性，因此聚合物也常作為一種優秀的快速修補材料[4,5]。

以熱固性液體樹脂做為聚合物混凝土中的粘結劑，摻入固化劑、骨料和填料制成聚合物混凝土。聚氨基甲酸酯簡稱聚氨酯（Polyurethane，PU），結構式[-OCNHRNHCOORO-]n，是一種熱固性樹脂。1937 年，德國的Bayer教授第一次合成出PU，采用逐步聚合的方式用異氯酸酯和活潑氫化合物進行反應生成具有軟硬段共存的結構，合成的材料有著強度高、硬度大、回彈性好、耐化學試劑等優點[4,6]。然而單一的PU 乳液有一定的缺陷，如不耐溶劑、耐水性差、硬度偏低，粘結強度不高等。環氧改性PU 的產品在耐水性、抗張強度、耐溶劑性、柔韌性方面得到提升。今天面對環境的嚴重污染，石油危機的重壓，利用可再生物質來研究PU 將會受到高度重視[7]。本研究選取價格低且不可食用的蓖麻油（CO）作為原料參與到PU 的改性中[8]。蓖麻油中主要的活性官能團為雙鍵、羥基和酯基，其中羥基可用作交聯劑，分子中的非極性長鏈可增加其柔順性。對蓖麻油進行環氧化處理即得環氧化蓖麻油（ECO），用ECO 改性PU 可達到環氧改性的效果[9]。

本文對ECO 改性聚氨酯混凝土性能及配比進行了初步探索，測試了ECO 改性聚氨酯混凝土抗壓強度、抗沖擊性能以及粘結性能。并且用實際工程案例介紹ECO改性聚氨酯混凝土在鋪設路面中的應用。

1 主要原材料和實驗方法

1.1 原材料

蓖麻油，天力化工有限公司生產；聚乙烯醇600，天津市科密歐有限公司生產；二苯基甲烷二異氰酸酯，日本聚氨酯工業株式會社生產；三乙胺，天津富宇有限責任公司生產；1,4-丁二醇（BDO），國藥集團試劑有限公司；雙氧水（30%）、二月桂酸二丁基錫(dbtl)，天津天力化工有限公司生產；普通硅酸鹽水泥（32.5R 級），湖北黃石華新水泥公司；砂的堆積密度1355g/L；碎石，粒徑10mm～20mm，堆積密度1410g／L。

參考其他研究工作，試驗中采用固定的灰砂比0.33[10]，砂率采用0.38，骨膠比為0.15。粘結性能測試中，測試了4 種不同膠骨比對粘結性能的影響。

1.2 實驗方法

在酸性催化劑存在下，酸類作為攜氧劑，以雙氧水作為氧源，蓖麻油反應生成環氧蓖麻油，再將制備的環氧蓖麻油加入到聚氨酯預聚體合成中ECO 改性聚氨酯預聚體，加入固化劑后，最終得到ECO 改性聚氨酯。

根據設計配合比制得，再依據相應測試標準中要求制成不同尺寸的試件, 標準養護至測試齡期。參考GB/T 50081－2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[11]，ECO 改性聚氨酯混凝土試樣尺寸為100mm×100mm×100mm。按式⑴計算混凝土抗壓強度。

式中,

P——抗壓強度，MPa；

F——最大荷載，KN；

A——試件抗壓面積，mm2。

ECO 改性聚氨酯混凝土抗沖擊性能試驗參考ASTM D5628，試樣成型后切割成指定大小試塊，對其進行養護40h，然后在-30℃、0℃及60℃保溫4h，用沖擊試驗機對ECO 改性聚氨酯混凝土試塊進行沖擊試驗。首先將試件固定在試驗臺上，然后砝碼從指定高度自由下落，對錘頭形成沖擊，錘頭對試件產生沖擊力作用于試件表面，觀察試件表面裂縫產生情況。

對試件的粘結性能進行檢測，試驗方法參照DL/T 5150－2001《水工混凝土試驗規程》[12]。根據以往研究中發現試驗方法對粘結性能影響較大，因此為了使結果更有說服力，本研究采用兩種試驗方法，具體如下：

⑴“8”字形粘結試驗方法

采用“8”字形試件，普通混凝土試件拉斷成為近似的兩半，然后另一半分別制備ECO 改性聚氨酯混凝土和普通混凝土，標準條件養護28d。抗折試驗機拉斷，粘結強度按式⑵計算：

式⑵中，

P——斷裂荷載，N；

A——受拉面積，取500mm2。

⑵棱柱體粘結試驗方法

棱柱體試件40mm×40mm×160mm，普通混凝土試件拉斷成兩半，然后另一半分別制備ECO 改性聚氨酯混凝土和普通混凝土，標準條件下養護至齡期為28d，抗折試驗機折斷得到抗折破壞荷載。粘結強度按式⑶計算：

式⑶中,Rf——抗折強度（MPa）；Pf——抗折破壞荷載（N）。

2 結果與討論

2.1 ECO 改性聚氨酯混凝土抗壓性能

常溫條件下養護，根據混凝土強度發展特點，設定養護時間6h、1d、3d、5d、7d。不同齡期試件的抗壓強度結果如表1。

表1 ECO 改性聚氨酯混凝土抗壓強度

由表1 可知ECO 改性聚氨混凝土抗壓強度6h 為6.8MPa。ECO 改性聚氨混凝土硬化速度快，總施工時間短，6h 的強度可滿足通車要求，《公路水泥混凝土路面養護技術規范》[13](JTJ 073.1－2001) 中規定對道路允許通車的混凝土抗壓強度要求6.0MPa，ECO 改性聚氨酯混凝土齡期為1 天時就能形成較大強度，適用于快速修補的情況。ECO 改性聚氨酯混凝土7d 抗壓強度達到25.8MPa。

2.2 ECO 改性聚氨酯混凝土抗沖擊性能

成型ECO 改性聚氨酯混凝土，自然條件下養護40h，在-30℃、0℃及60℃下保溫4h，切割成指定大小試塊，用沖擊試驗機對ECO 改性聚氨酯混凝土試塊進行沖擊試驗。其試驗結果如表2 所示。

搖擺于詼諧與荒謬之間，斯各格蘭德的作品難以安放。評論家們曾試圖將其作品置于夢境與噩夢之間的某個位置，或是杜尚(Duchamp)與瑪格麗特(Magritte)的藝術史傳統中，又或是達達與超現實主義類別之下。但嚴格地說，斯各格蘭德作品中的靈感所帶來的影響絕非微不足道。

表2 ECO 改性聚氨酯混凝土抗沖擊性能

由表2 可知，試驗設置的三個溫度下的沖擊試驗，試驗中ECO 改性聚氨酯混凝土的表面由于受到沖擊產生破損，但是破損處沒有產生裂縫。說明在各溫度下ECO 改性聚氨酯混凝土力學性能穩定，ECO 改性聚氨酯混凝土在各溫度下遭受沖擊時保持形狀能力強，不容易產生裂紋，抗沖擊性能優良。

2.3 ECO 改性聚氨酯混凝土粘結性能

與普通混凝土相比，聚合物混凝土的粘結性能更優異，因此聚合物混凝土可以作為混凝土修補加固材料。試驗中采用兩種聚合物混凝土粘結性能測試方法研究ECO 改性聚氨酯混凝土粘結性能，兩種方法測試結果如下：

⑴“8”字形粘結試驗結果

膠骨比增加，混凝土的粘結強度變化幅度很小，粘結強度略有增加，膠骨比為0.25 時，混凝土粘結強度為2.40MPa，試驗結果如表3 所示。

表3 混凝土“8”字形試件粘結強度試驗結果

⑵棱柱體粘結試驗結果

試驗結果見表4。

表4 混凝土棱柱體試件粘結強度試驗結果

從“8”字形試驗中結果中可以看出，膠骨比增加，ECO 改性聚氨酯混凝土的粘結強度有略微提高，當膠骨比為0.25 時，混凝土28d 粘結強度與膠骨比為0.10 時相比，提高10%。在0.10～0.25 的膠骨比范圍內，ECO 改性聚氨酯混凝土的粘結強度與ECO 改性聚氨酯摻量有一定關系。棱柱體試件粘結強度試驗中，膠骨比為0.10時，28d 粘結強度最高，為2.11MPa，在0.15～0.25 范圍內，隨著膠骨比增加，粘結強度略微提高。

兩種試驗的試驗結果存在較大差異，不具有可比性，但能得出結論ECO 改性聚氨酯混凝土對粘結基體粘結效果好，可以提高界面的粘結力，因而混凝土的粘結性可以得到一定改善。

3 ECO 改性聚氨酯混凝土路面鋪設施工性能

3.1 ECO 改性聚氨酯混凝土的原材料準備

ECO 改性聚氨酯混合料分為I、II、III 三個組分，I組分為ECO 改性聚氨酯預聚體，II 組分固化劑，III 組為砂、石以及填料。III 組分提前用烘箱進行干燥處理，通過真空包裝系統包裝在密閉鐵桶中。根據預先設定好的比例將I、II、III 三組分分別裝封裝。

3.2 ECO 改性聚氨酯混凝土路面鋪設施工工藝

⑴ECO 改性聚氨酯混凝土施工

拌和混凝土，首先將ECO 改性聚氨酯I、II 兩組分倒入容器中，用電動攪拌器將兩組分攪拌至均勻混合。將III 組分中的砂、石以及填料在桶中拌勻，可使用電動攪拌鉆攪拌至III 中全部集料徹底拌勻。然后在III中倒入以及混勻的I、II 組分，用電動攪拌至所有組分均混勻。

路面鋪設時，用噴涂裝置將ECO 改性聚氨酯混凝土噴涂于施工段路面，使混凝土均勻攤鋪，鋪設區段聚氨酯混凝土攤鋪后進行人工初步找平，然后用邊角抹刀將攤鋪的ECO 改性聚氨酯混凝土路面抹平，完成聚氨酯混凝土表面的初步處理后采用整平機來回往返整平，將路面刮平壓實。

圖1 人工找平和混凝土表面處理

圖2 整平機刮平壓實

ECO 改性聚氨酯混凝土在用于路面鋪設具有優良施工性，相比于其他聚氨酯混凝土，使用ECO 改性聚氨酯混凝土可以節省人工成本、提高鋪設效率，并且具有更加優良的平整度，混凝土整體性良好。并且使用ECO改性聚氨酯混凝土能有效解決地面不平整、起殼、開裂或空鼓等問題，便于后期維護、降低維護成本。

⑵養護及開放交通

完成路面鋪設后，對ECO 改性聚氨酯混凝土鋪設的路面進行養護。養護完成后才能夠開放鋪設區段交通，進行使用。由于ECO 改性聚氨酯膠凝時間受到溫度的影響較大，溫度越高凝膠越迅速，因此ECO 改性聚氨酯混凝土養護時間取決于施工時溫度。建議的不同環境溫度下的養護時間如表5。

4 結論

在本研究試驗范圍內，得到以下結論。

⑴ECO 改性聚氨酯混凝土粘結性能好，膠骨比為0.15 時，“8”字形粘結試驗測試得到粘結強度為2.34MPa。

⑵ECO 改性聚氨混凝土養護6h 抗壓強度達6.8 MPa，表明ECO 改性聚氨混凝土施工后硬化快，6h 后強度滿足道路通車要求。

圖3 ECO 改性聚氨酯混凝土道路養護

表5 ECO 改性聚氨酯混凝土在不同溫度下的養護時間

⑶ECO 改性聚氨酯混凝土具有優秀的力學性能以及抗沖擊性能。

⑷ECO 改性聚氨酯混凝土的施工前應做好材料準備工作以及路面清理工作，施工過程中應遵守施工規范。養護條件對ECO 改性聚氨酯混凝土質量影響較大，為了保證工程質量，應避免在雨天施工，并且根據建議養護時間進行養護。