彈性混凝土伸縮縫聚氨酯膠結料的研制及性能

何雷蕾 全弘彬 鄧 華 秦 耕 何 翔

(1.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400067； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

1 概述

橋梁作為公路的重要組成部分，近年來我國相繼發生橋梁垮塌事故。橋梁工程結構安全性、可靠性等技術問題[1]，成為當前我國橋梁界關注的焦點。橋梁伸縮縫填充材料作為影響橋梁質量的重要因素，其性能直接影響橋梁的安全性、使用耐久性等[2]。傳統的伸縮縫的填充材料容易出現早期破壞，其主要破壞形式有：車轍、開裂、剝離等其他問題[3]。

膠結料作為影響伸縮縫填充材料性能最重要的因素。目前市面上伸縮縫填充材料的膠結料主要依賴進口國外的巴斯夫產品，但由于其價格高昂，大大的增加了施工成本。傳統的國產聚氨酯膠結料，其性能較差[4]，針對以上原因，開發具有良好的彈性、韌性及耐久性的彈性混凝土伸縮縫的膠結料十分有必要。聚氨酯具有特強的粘結性能、耐溫性、耐低溫沖擊性優秀，低溫條件下、不脆、不開裂、韌性好、同時耐水性及耐酸堿性能非常優秀。聚氨酯合成速度可以任意調整[5]硬度可以調整可以滿足不同的需要[6]。對比市面上主要用的伸縮縫填充材料的結合料巴斯夫產品，有著更有競爭力的價格優勢，具有較大的運用價值和市場前景。

2 實驗部分

2.1 試驗原材料

自主開發的聚氨酯膠結料的合成原材料選取由華凱樹脂有限公司的聚己內酯(f=0.7～1.1)，甲苯二異氰酸酯，3MOCA,BDO和張家港雅瑞化工有限公司生產的E300等為擴鏈劑作為主要合成材料。對比材料選用由德國巴斯夫集團的產品，簡稱為巴斯夫產品。

2.2 聚氨酯膠結料的性能測試

通過試驗研究對比分析了聚氨酯膠結料及巴斯夫產品的各項性能，其中參照國標GB/T 531.1—2008測試其凝膠時間；根據ASTM D2240測試其硬度；在測試壓縮率，參照ASTM D395；并參照ASTM D638測試其拉伸性能；在抗撕裂性能，參照了ASTM D624；并根據ASTM D638，測試抗熱空氣老化性能[8]。

2.3 聚氨酯彈性混凝土的性能測試

以聚氨酯膠結料和巴斯夫產品制成的彈性混凝土。彈性混凝土的性能決定著材料的路用性能，而膠結料的性能決定著彈性混凝土的性能[9]。對比其各項性能，通過參照ASTM STP252機測試其抗壓強度；參照GB/T 15704—2012測試了其沖擊性能；參照JTG E20—2011標準對抗車轍性能、粘結性能、低溫性能及抗疲勞性能進行相關測試。

3 結果與討論

3.1 聚氨酯膠結料的基本性能

3.1.1聚氨酯凝膠時間測定

以凝膠時間測定儀測試聚氨酯膠結料在不同溫度下的凝膠時間(見圖1)。測試結果見表1。

表1 聚氨酯凝膠時間測定

從表1可以看出，當溫度為24 ℃時，凝膠時間約為30 min，優于巴斯夫的凝膠時間；當溫度升至40 ℃時，凝膠時間仍然大于10 min。結果表明，聚氨酯膠結料在常溫范圍內，其凝膠時間較長，能夠滿足施工的需要。

3.1.2聚氨酯膠結料硬度測試

在兩種試樣不同位置測量硬度值，取中位數作為樣品硬度值[10]，如表2所示。

表2 彈性混凝土膠結料固化物的硬度測試結果

由表2可知， 聚氨酯膠結料的邵氏D型硬度約為39，與巴斯夫的產品相比硬度相當，滿足規范指標要求。

3.1.3聚氨酯膠結料的壓縮永久變形

制備聚氨酯膠結料試樣，測試其壓縮率，壓縮時間22 h，試驗溫度70 ℃，如表3所示。

表3 壓縮率試驗結果

由表3可知，自主開發的聚氨酯膠結料的壓縮率在37%左右，滿足巴斯夫指標要求及規范要求。

3.1.4聚氨酯膠結料拉伸性能

制備試樣，待其完全固化后，測試拉伸性能。

由表4可知，在常溫養護6 h聚氨酯膠結料即可達到4.5 MPa，養護1 d后，聚氨酯膠結料的拉伸強度即達到6.2 MPa左右，斷裂伸長率接近300%，表明聚氨酯膠結料強度形成較快。當養護7 d后，聚氨酯膠結料拉伸強度接近7 MPa，斷裂伸長率超過500%。結果表明，聚氨酯膠結料能在短時間內形成較高的強度，最終強度且其斷裂伸長率遠遠超過規范要求值，并且略高于巴斯夫產品。

3.1.5聚氨酯膠結料抗撕裂強度

試驗測定在25 ℃的溫度下測試結合料的撕裂強度，如圖2所示。

試驗結果見表5。

表5 聚氨酯結合料抗撕裂性能

由表5可知，聚氨酯膠結料平均抗撕裂強度為1.75 kg/mm，抗撕裂強度高于巴斯夫產品。

3.1.6聚氨酯膠結料熱空氣老化

將聚氨酯膠結料養護完成后，切割成啞鈴型試件，放置于70 ℃烘箱中老化72 h，測試試件老化前后的拉伸性能，結果如表6所示。

表6 聚氨酯熱空氣老化性能測試

由表6可知，聚氨酯膠結料在熱空氣的沖擊下會發生材料老化，老化后其拉伸強度反而增加，而斷裂伸長率下降明顯。聚氨酯即使在老化后，性能仍優于巴斯夫產品，其指標仍然滿足規范指標要求，證明聚氨酯膠結料具有一定的耐熱老化性能。

3.2 彈性混凝土的性能對比

表7 自制聚氨酯彈性混凝土和巴斯夫彈性混凝土基本性能

實驗測試選取骨料∶填料=70∶30 ，油石比20%，通過高溫車轍實驗、低溫小梁三點彎曲試驗、拉伸測試、彈性壓縮測試、彈性恢復率測試、壓縮彈性恢復率及疲勞測試，對自制聚氨酯彈性混凝土和巴斯夫彈性混凝土進行性能對比，見表7。

通過實驗得知：通過車轍及小梁彎曲測試，證明聚氨酯彈性混合料具有良好的高低溫性能；通過考察彈性混合料不同溫度的情況下的拉伸變形能力，表明彈性混合料的拉伸性能對溫度變化不敏感，能夠在較寬的溫度范圍內正常使用；通過測試聚氨酯彈性混凝土的拉伸及壓縮彈性恢復率，表明自主開發的聚氨酯彈性混凝土具有與巴斯夫產品同樣優異的壓縮彈性恢復率；研究了彈性混凝土的疲勞抗開裂性。通過研究發現自主開發的聚氨酯彈性混凝土與巴斯夫產品相比，具有與其同樣優異的抗疲勞開裂性能。通過抗疲勞測試試驗結果表明，自主開發的聚氨酯彈性混凝土伸縮縫具有比巴斯夫產品更加優異的疲勞耐久性。

4 結語

1)采用聚氨酯作為橋梁伸縮縫的填充材料中的膠結料，該產品具有較長的凝膠時間，能夠滿足施工的需求。該自制聚氨酯膠結料的硬度、壓縮率、抗撕裂強度、耐熱老化性均達到或超越巴斯夫產品，并且能在短時間內形成較高的強度。

2)采用自制聚氨酯膠結料成型的彈性混凝土的性能測試表明，其具有優良的高溫穩定性和低溫抗裂性，有較高的強度，具有較強的抗壓性能以及優良的抗疲勞性，力學性能全面達到或超越目前應用較廣的巴斯夫產品。

3)自制的聚氨酯膠結料的成本遠低于巴斯夫產品，將其應用于橋梁彈性混凝土伸縮縫的膠結料，具有良好的市場前景。