高性能聚氨酯彈性混凝土用膠結料性能研究*

劉 攀

(重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336)

針對小位移量(<80 mm)橋梁，無縫伸縮縫受到越來越多的重視[1-2]。無縫伸縮縫的關鍵技術和關鍵材料是彈性膠結料，到目前為止，已有多種彈性膠結料用于填充無縫伸縮縫，主要包括瀝青填充式彈性體和樹脂類填充式彈性體[2-3]。其中，瀝青填充式彈性體的主體材料由瀝青和高分子聚合物組成，而樹脂類填充式彈性體的主體材料由熱固性樹脂和助劑組成。

聚氨酯材料具有優異的性能，近年來被廣泛用于小位移無縫伸縮縫[4-6]；羅志鵬等[7]制備了聚氨酯彈性混凝土嵌縫膠，該材料伸長率大、彈性好，可在潮濕條件下施工；南陽等[8]制備了雙組分聚氨酯嵌縫膠，低溫柔性好，能滿足嚴寒地區高速鐵路客運專線橋面混凝土伸縮縫密封材料要求；張濤[9]制備了一種新型聚氨酯，具有良好的綜合性能，能夠滿足伸縮縫對材料性能的要求；郭映瀚等[5]通過添加不同的助劑對聚氨酯彈性體的耐老化進行了研究；王葦[10]基于對工程實際的調查研究，結合影響聚氨酯材料耐久性的因素，優化伸縮縫施工工藝。在此，本文選擇高性能聚氨酯膠結料、進口聚氨酯膠結料和國產聚氨酯膠結料，對其凝膠時間、養護時間及使用性能進行詳細分析。

1 凝膠時間

圖1 聚氨酯膠結料凝膠時間測試結果Fig.1 Test results of gel time of polyurethane binder

聚氨酯膠結料兩組分混合后即發生交聯反應，當超過凝膠時間后，聚氨酯膠結料會失去流動性，導致彈性混凝土無法自流平施工?？疾鞙囟葘郯滨ツz結料凝膠時間的影響，試驗結果見圖1。

從圖1可以看出，隨著溫度升高，化學反應速率增加，聚氨酯膠結料的凝膠時間逐漸變短。同一溫度下，高性能聚氨酯膠結料比進口聚氨酯膠結料和國產聚氨酯膠結料的凝膠時間更長，具有更長的施工可操作時間。當溫度較低時(≤10 ℃)，高性能聚氨酯膠結料的凝膠時間超過75 min；在常溫范圍內(15～30 ℃)，高性能聚氨酯膠結料的凝膠時間可達30 min以上，完全能滿足施工的需要；當溫度較高時(≥40 ℃)，高性能聚氨酯膠結料的凝膠時間也能超過20 min。聚氨酯彈性混凝土施工時間需控制在30～40 min，因此施工溫度宜在20～ 35 ℃。溫度過低可采用適量的催化劑加快交聯反應，溫度過高則可添加一定的增塑劑延緩交聯反應。

2 養護時間

聚氨酯膠結料交聯反應開始后，形成最終強度需要一定的時間。將膠結料制成啞鈴型樣條，進行拉伸試驗，試驗溫度為23 ℃，考察常溫(25 ℃)養護時間對聚氨酯膠結料拉伸強度和斷裂伸長率的影響，試驗結果見圖2。

圖2 聚氨酯膠結料拉伸試驗結果Fig.2 Tensile test results of polyurethane binder

從圖2可以看出，一定范圍內，隨著養護時間的延長，聚氨酯膠結料的拉伸強度及斷裂延伸率均逐漸增大。三種聚氨酯膠結料的強度形成規律基本一致，剛開始快速上升(0～3 d)，而后上升趨勢變緩(3～5 d)，最后趨于平穩(5～7 d)。常溫養護6 h后，高性能聚氨酯膠結料的拉伸強度即可達到1.7 MPa，1 d后拉伸強度達到4.0 MPa，斷裂伸長率接近370%，表明高性能聚氨酯膠結料強度形成較快，有利于及時開放交通。

還可以看出，常溫養護7 d后，三種聚氨酯膠結料均已形成最終強度。其中，高性能聚氨酯膠結料拉伸強度和斷裂伸長率分別為5.7 MPa和552.5%，進口聚氨酯膠結料拉伸強度和斷裂伸長率分別為6.8 MPa和608.8%，國產聚氨酯膠結料拉伸強度和斷裂伸長率分別為6.1 MPa和515.7%。由此可見，三種聚氨酯膠結料的拉伸強度均大于5.5 MPa，斷裂伸長率均大于500%，表現出十分優異的拉伸性能。

3 變形能力

3.1 壓縮永久變形

壓縮永久變形可用于評價彈性體材料在受壓后恢復原有形狀的能力。測試聚氨酯膠結料的壓縮變形率，試驗溫度為23 ℃，試驗結果見表1。

表1 聚氨酯膠結料壓縮試驗結果Table 1 Compression test results of polyurethane cement

從表1可以看出，三種聚氨酯膠結料的壓縮變形率均低于40%，在受壓后恢復原有形狀的能力強。

3.2 回彈恢復

回彈恢復可用于評價彈性體材料在受拉后恢復原有形狀的能力。測試聚氨酯膠結料的回彈恢復率，試驗溫度為23 ℃，試驗結果見表2。

表2 聚氨酯膠結料回彈恢復試驗結果Table 2 Rebound recovery test results of polyurethane binder

從表2可以看出，三種聚氨酯膠結料的回彈率均超過90%，在受拉后恢復原有形狀的能力強。

綜上所述，高性能聚氨酯膠結料具有優異的彈性恢復能力，受拉受壓后能快速恢復原狀，永久變形小，特別滿足小位移橋梁伸縮縫的使用要求。

4 抗老化性能

表3 聚氨酯膠結料老化試驗結果Table 3 Aging test results of polyurethane cement

將完全固化的聚氨酯膠結料分別放置于70 ℃烘箱及熒光紫外老化儀中老化3 d，然后進行拉伸試驗，試驗溫度為 23 ℃，通過拉伸強度和斷裂伸長率的變化來評價聚氨酯膠結料的抗老化性能，試驗結果見表3。

從表3可以看出，聚氨酯膠結料熱氧條件和紫外條件下會發生老化，老化后其拉伸強度基本不變，但斷裂伸長率有一定的下降。老化可能導致聚氨酯分子結構的分解，也可能影響其固化交聯程度。高性能聚氨酯膠結料老化后，其斷裂伸長率仍然大于500%，表現出十分優異的抗老化性能，進而可以保證聚氨酯彈性混凝土在氣候因素影響下不易老化。

5 耐化學腐蝕性能

將完全固化的聚氨酯膠結料干燥除去水分，再將其分別放置在2%NaCl溶液、2%NaOH溶液及2%H2SO4溶液中常溫浸泡7 d，干燥后計算其質量變化，試驗結果見表4。

表4 聚氨酯膠結料耐化學腐蝕試驗結果Table 4 Chemical corrosion resistance test results of polyurethane binder

從表4可以看出，三種聚氨酯膠結料經過酸堿鹽的腐蝕后，質量變化均很小(<1.0%)，且表面無明顯變化。結果表明，高性能聚氨酯膠結料具有和同類材料同等優異的耐化學腐蝕性能，能有效抵御酸堿鹽的腐蝕。

6 結 論

(1)常溫下高性能聚氨酯膠結料的凝膠時間可達30 min以上，隨著溫度升高，其凝膠時間逐漸變短，施工溫度宜控制在20～35 ℃，當溫度不在此范圍時，可采用適量的催化劑或增塑劑調節凝膠時間。同一溫度下，高性能聚氨酯膠結料比進口聚氨酯膠結料和國產聚氨酯膠結料的凝膠時間更長，具有更長的施工可操作時間。

(2)隨著養護時間的延長，聚氨酯膠結料的拉伸強度及斷裂延伸率先快速上升，而后上升趨勢變緩直至平緩。高性能聚氨酯膠結料強度形成較快，常溫養護6 h后，其拉伸強度即可達到1.7 MPa，有利于及時開放交通。

(3)養護完全后，高性能聚氨酯膠結料拉伸強度和斷裂伸長率分別可達5.7 MPa和552.5%，表現出十分優異的拉伸性能。高性能聚氨酯膠結料具有優異的彈性恢復能力、抗老化性能、耐化學腐蝕性能等，基本達到同類材料的技術標準，完全能滿足小位移橋梁伸縮縫的使用要求，具有良好的應用前景。