無縫伸縮縫用聚氨酯彈性混凝土性能對比研究*

劉 攀 劉 洋 張 征 肖 麗

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司 重慶 401336； 2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

橋梁伸縮縫是橋梁的重要附屬構(gòu)件，主要作用是為了滿足橋面變形，并保證橋面平順、行車舒適[1-2]。然而，由于橋梁伸縮縫長期暴露在大氣中，使用環(huán)境比較惡劣，是橋梁結(jié)構(gòu)中最易遭到破壞而又難以修補(bǔ)的部位，降低了整個(gè)橋梁的使用壽命。并且由于其數(shù)量大、破壞周期短、不容易更換，更換時(shí)需要中斷交通等特點(diǎn)，已成為高速公路管理部門最為頭痛的橋梁養(yǎng)護(hù)工作內(nèi)容[3]。

針對小位移量橋梁，一般采用型鋼伸縮縫，但其安裝工藝復(fù)雜，行車舒適性差，會(huì)引起跳車等安全隱患，且耐久性差。為解決以上問題，市場上出現(xiàn)了無縫伸縮縫[4-6]。用于無縫伸縮縫的材料必須具備優(yōu)良的變形能力、高低溫性能、耐久性、施工可操作性等。當(dāng)前，無縫伸縮縫主要采用彈塑體改性瀝青作為膠結(jié)料，然而這種伸縮縫的高溫性能、疲勞性能及回彈性均難以令人滿意，在使用過程中容易出現(xiàn)車轍、開裂、剝離等病害，耐久性差，使用壽命短。因此，迫切需要開發(fā)一種新型伸縮縫材料，以更好滿足高溫重載、極端氣候?qū)ι炜s縫材料路用性能提出的要求。

聚氨酯彈性混凝土不同于普通的彈性混凝土，它是由雙組份反應(yīng)性聚氨酯彈性體配以適量的集料在常溫下攪拌而成[7]。完全固化前具有良好的流動(dòng)性，能自流平成型，無需碾壓即能達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度、平整度及最終強(qiáng)度，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)閴簩?shí)不足而產(chǎn)生的缺陷和病害。聚氨酯彈性混凝土空隙率接近零，具有良好的防水、耐化學(xué)腐蝕性能，變形能力強(qiáng)，抗沖擊性能、耐久性、抗低溫開裂能力優(yōu)異[8-10]。在此，本文針對自主研發(fā)的高性能聚氨酯彈性混凝土，對其使用性能進(jìn)行分析，并同步對比同類聚氨酯彈性混凝土。

1 試驗(yàn)部分

1.1 聚氨酯膠結(jié)料

聚氨酯彈性混凝土的關(guān)鍵材料是聚氨酯膠結(jié)料[11-12]。為了保證混凝土順利施工。聚氨酯膠結(jié)料兩組分混合后即發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，當(dāng)超過凝膠時(shí)間后，聚氨酯膠結(jié)料會(huì)失去流動(dòng)性?？疾鞙囟葘郯滨ツz結(jié)料凝膠時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間

由表1可見，隨著溫度升高，聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間逐漸變短。同一溫度下，高性能聚氨酯膠結(jié)料比進(jìn)口聚氨酯膠結(jié)料和國產(chǎn)聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間更長，具有更長的施工可操作時(shí)間。在常溫條件下，高性能聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時(shí)間可達(dá)30 min以上，完全能滿足施工的需要。

3種聚氨酯膠結(jié)料主要性能指標(biāo)見表2。

由表2可見，高性能聚氨酯彈性體具有較為優(yōu)異的綜合性能，基本達(dá)到進(jìn)口材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 集料

聚氨酯彈性混凝土所用集料為0～3 mm玄武巖集料和石灰?guī)r礦粉，其基本技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表3和表4。水分對聚氨酯彈性混凝土的性能影響很大，因此必須保證礦料干燥。在確定聚氨酯彈性混凝土的礦料級配和油石比時(shí)，采用高性能聚氨酯膠結(jié)料作為研究對象。

表3 0～3 mm玄武巖集料的基本技術(shù)指標(biāo)

表4 礦粉的基本技術(shù)指標(biāo)

1.3 級配確定

在油石比為23%的條件下，常溫拌和5 min，考察0～3 mm集料與礦粉的質(zhì)量比對聚氨酯彈性混凝土性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 礦料級配對聚氨酯彈性混凝土性能的影響

由表5可見，礦料級配能影響聚氨酯彈性混凝土的施工和易性和抗壓強(qiáng)度。當(dāng)?shù)V粉含量較低時(shí)，混凝土容易離析，且骨料之間的空隙率較大，影響混凝土的耐久性；而當(dāng)?shù)V粉含量較高時(shí)，混凝土施工和易性降低，同時(shí)骨料不能形成有效的嵌擠結(jié)構(gòu)，影響混凝土的力學(xué)性能。綜合考慮，確定礦料級配為0～3 mm集料∶礦粉=70∶30。

1.4 油石比確定

在0～3 mm集料∶礦粉=70∶30的條件下，常溫拌和5 min，考察不同油石比對聚氨酯彈性混凝土性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 油石比對聚氨酯彈性混凝土性能的影響

由表6可見，隨著油石比的增加，聚氨酯彈性混凝土的施工和易性逐漸變好，抗壓強(qiáng)度則是先增大后減小。當(dāng)油石比低于20%時(shí)，混凝土成型較為困難，施工和易性較差，且抗壓強(qiáng)度較低；當(dāng)油石比高于23%時(shí)，混凝土施工和易性良好，但抗壓強(qiáng)度有所降低；當(dāng)油石比進(jìn)一步增加時(shí)，混凝土可能發(fā)生離析。同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，確定聚氨酯彈性混凝土的油石比為23%。

2 結(jié)果討論與應(yīng)用

2.1 力學(xué)性能

參照水泥混凝土評價(jià)方法，成型聚氨酯彈性混凝土抗壓強(qiáng)度試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，對比3種聚氨酯彈性混凝土的力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 聚氨酯彈性混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

由表7可見，3種聚氨酯彈性混凝土的抗壓強(qiáng)度均大于15 MPa。聚氨酯彈性混凝土的熱固特性，使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

2.2 彈性恢復(fù)能力

參照ASTM評價(jià)方法，測試聚氨酯彈性混凝土的拉伸彈性恢復(fù)率(試件尺寸為200 mm×20 mm×20 mm)和壓縮彈性恢復(fù)率(試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm)，對比3種聚氨酯彈性混凝土的彈性恢復(fù)能力，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 聚氨酯彈性混凝土彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果 %

由表8可見，3種聚氨酯彈性混凝土的拉伸彈性恢復(fù)率和壓縮彈性恢復(fù)率高達(dá)99%以上，在實(shí)際使用過程中能夠在發(fā)生應(yīng)變后快速恢復(fù)原形，表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性恢復(fù)能力，能滿足小位移伸縮縫的橋面變形。

2.3 高溫抗車轍性能

參照瀝青混凝土評價(jià)方法，采用自流平方式成型聚氨酯彈性混凝土車轍試件，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗(yàn)溫度為70 ℃，對比評價(jià)3種聚氨酯彈性混凝土的高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 聚氨酯彈性混凝土車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表9可見，3種聚氨酯彈性混凝土的車轍動(dòng)穩(wěn)定度均超過5 0000 次/mm，車輪跡不明顯且車轍深度幾乎為0，表現(xiàn)出極為優(yōu)異的抗高溫車轍變形能力，能承受高溫及重載通車條件。相比于瀝青類熱塑性材料，聚氨酯彈性混凝土是熱固性材料，在高溫條件下不會(huì)輕易軟化變形，顯著提高了材料的高溫穩(wěn)定性。

2.4 低溫抗裂性能

參照瀝青混凝土評價(jià)方法，制作聚氨酯彈性混凝土車轍試件，試件尺寸為250 mm×35 mm×30 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，對比3種聚氨酯彈性混凝土的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 聚氨酯彈性混凝土低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表10可見，相同條件下，3種聚氨酯彈性混凝土的抗彎應(yīng)變特別高，抗彎強(qiáng)度較小，勁度模量很小。其中，高性能聚氨酯彈性混凝土的低溫抗彎應(yīng)變達(dá)到了80 000×10-6，與進(jìn)口聚氨酯彈性混凝土相當(dāng)，略高于國產(chǎn)聚氨酯彈性混凝土。聚氨酯彈性混凝土均具有非常優(yōu)異的低溫抗裂性能，能承受極端低溫的服役條件，這也是聚氨酯彈性混凝土的突出優(yōu)勢。

2.5 水穩(wěn)定性能

參照瀝青混凝土評價(jià)方法，采用自流平方式成型聚氨酯彈性混凝土馬歇爾試件，試件尺寸為直徑×高度=101.6 mm×63.5 mm，試驗(yàn)溫度為60 ℃，對比評價(jià)3種聚氨酯彈性混凝土的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 聚氨酯彈性混凝土浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表11可見，3種聚氨酯彈性混凝土的浸水馬歇爾穩(wěn)定度均大于95%，說明水分對混凝土的破壞作用較小，表現(xiàn)出優(yōu)異的水穩(wěn)定性能，基本不會(huì)出現(xiàn)水損害問題。這是由于聚氨酯彈性混凝土采用細(xì)級配及高油石比的緣故，因而其空隙率很低(<1%)，進(jìn)而保證混凝土基本不滲水或完全不滲水，避免水損害。

2.6 界面黏結(jié)性能

參照防水材料評價(jià)方法，成型“水泥混凝土或改性瀝青混合料SMA10+0.5 kg/m2聚氨酯黏結(jié)劑+聚氨酯彈性混凝土”組合試件。對比評價(jià)3種聚氨酯彈性混凝土與水泥混凝土及改性瀝青混合料SMA10的界面黏結(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)溫度為25 ℃和60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 聚氨酯彈性混凝土與基面剪切試驗(yàn)結(jié)果

由表12可見，3種聚氨酯彈性混凝土與水泥混凝土黏結(jié)強(qiáng)度較高，而與改性瀝青混合料SMA10的黏結(jié)強(qiáng)度較低。相同條件下，3種聚氨酯彈性混凝土與基面的黏結(jié)強(qiáng)度基本相當(dāng)。溫度會(huì)顯著影響體系的黏結(jié)性能，隨著溫度升高，其黏結(jié)性能下降。高溫對聚氨酯彈性混凝土與瀝青混合料SMA10界面黏結(jié)性能的影響更為顯著，這是因?yàn)闉r青混合料自身強(qiáng)度較低且溫感性較強(qiáng)，高溫下破壞薄弱面主要出現(xiàn)在混合料內(nèi)部。整體而言，高性能聚氨酯彈性混凝土與基面具有良好的黏結(jié)性能。

2.7 應(yīng)用情況

2020年10月在某高速公路大修項(xiàng)目中，將高性能聚氨酯彈性混凝土用于橋梁連續(xù)縫修補(bǔ)，施工完后不需灑水，養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，即可開放交通。氣溫越高，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短，常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間為4～5 h。運(yùn)營1年多以來，高性能聚氨酯彈性混凝土使用效果良好。

3 結(jié)論

1) 礦料級配對聚氨酯彈性混凝土施工和易性和抗壓強(qiáng)度的影響較小，確定集料級配為0～3 mm玄武巖集料∶礦粉=70∶30。一定范圍內(nèi)，隨著油石比的增加，聚氨酯彈性混凝土的施工和易性逐漸變好，抗壓強(qiáng)度則是先增大后減小，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，確定聚氨酯彈性混凝土的較佳油石比為23%。

2) 高性能聚氨酯彈性混凝土的抗壓強(qiáng)度為16.5 MPa，拉伸彈性恢復(fù)率和壓縮彈性恢復(fù)率高達(dá)99%以上，70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度為57 273 次/mm，-10 ℃低溫抗彎應(yīng)變達(dá)到了81 477×10-6，殘留穩(wěn)定度大于95%，25 ℃與水泥板和改性瀝青混合料SMA10的界面黏結(jié)強(qiáng)度均大于2 MPa。因此，高性能聚氨酯彈性混凝土具有良好的力學(xué)性能、高低溫性能、彈性恢復(fù)能力、水穩(wěn)定性能和界面黏結(jié)性能，其使用性能基本達(dá)到進(jìn)口材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完全能滿足橋梁無縫伸縮縫的使用要求。

3) 無縫伸縮縫高性能聚氨酯彈性混凝土不但提高了行車舒適性，而且使得橋梁連續(xù)美觀，同時(shí)延長了橋梁伸縮縫的使用壽命。