ECO 改性聚氨酯混凝土應(yīng)用研究

楊洋

（浦東新區(qū)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(jié)材料的混凝土[1]，在機(jī)場跑道快速修補(bǔ)、公路面層的局部修補(bǔ)、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(yōu)良、施工后硬化快和抗沖擊性好的優(yōu)點(diǎn)，并且可在常溫或低溫下固化，同時(shí)它的抗折、抗壓強(qiáng)度高，抗凍性、抗?jié)B性優(yōu)良。聚合物對(duì)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(yōu)秀的快速修補(bǔ)材料[4,5]。

以熱固性液體樹脂做為聚合物混凝土中的粘結(jié)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(jié)構(gòu)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(jìn)行反應(yīng)生成具有軟硬段共存的結(jié)構(gòu)，合成的材料有著強(qiáng)度高、硬度大、回彈性好、耐化學(xué)試劑等優(yōu)點(diǎn)[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(jié)強(qiáng)度不高等。環(huán)氧改性PU 的產(chǎn)品在耐水性、抗張強(qiáng)度、耐溶劑性、柔韌性方面得到提升。今天面對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，石油危機(jī)的重壓，利用可再生物質(zhì)來研究PU 將會(huì)受到高度重視[7]。本研究選取價(jià)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(tuán)為雙鍵、羥基和酯基，其中羥基可用作交聯(lián)劑，分子中的非極性長鏈可增加其柔順性。對(duì)蓖麻油進(jìn)行環(huán)氧化處理即得環(huán)氧化蓖麻油（ECO），用ECO 改性PU 可達(dá)到環(huán)氧改性的效果[9]。

本文對(duì)ECO 改性聚氨酯混凝土性能及配比進(jìn)行了初步探索，測(cè)試了ECO 改性聚氨酯混凝土抗壓強(qiáng)度、抗沖擊性能以及粘結(jié)性能。并且用實(shí)際工程案例介紹ECO改性聚氨酯混凝土在鋪設(shè)路面中的應(yīng)用。

1 主要原材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

蓖麻油，天力化工有限公司生產(chǎn)；聚乙烯醇600，天津市科密歐有限公司生產(chǎn)；二苯基甲烷二異氰酸酯，日本聚氨酯工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)；三乙胺，天津富宇有限責(zé)任公司生產(chǎn)；1,4-丁二醇（BDO），國藥集團(tuán)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(chǎn)；普通硅酸鹽水泥（32.5R 級(jí)），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(yàn)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(jié)性能測(cè)試中，測(cè)試了4 種不同膠骨比對(duì)粘結(jié)性能的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(yīng)生成環(huán)氧蓖麻油，再將制備的環(huán)氧蓖麻油加入到聚氨酯預(yù)聚體合成中ECO 改性聚氨酯預(yù)聚體，加入固化劑后，最終得到ECO 改性聚氨酯。

根據(jù)設(shè)計(jì)配合比制得，再依據(jù)相應(yīng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中要求制成不同尺寸的試件, 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期。參考GB/T 50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]，ECO 改性聚氨酯混凝土試樣尺寸為100mm×100mm×100mm。按式⑴計(jì)算混凝土抗壓強(qiáng)度。

式中,

P——抗壓強(qiáng)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(yàn)參考ASTM D5628，試樣成型后切割成指定大小試塊，對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)40h，然后在-30℃、0℃及60℃保溫4h，用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)ECO 改性聚氨酯混凝土試塊進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。首先將試件固定在試驗(yàn)臺(tái)上，然后砝碼從指定高度自由下落，對(duì)錘頭形成沖擊，錘頭對(duì)試件產(chǎn)生沖擊力作用于試件表面，觀察試件表面裂縫產(chǎn)生情況。

對(duì)試件的粘結(jié)性能進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)方法參照DL/T 5150－2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[12]。根據(jù)以往研究中發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)方法對(duì)粘結(jié)性能影響較大，因此為了使結(jié)果更有說服力，本研究采用兩種試驗(yàn)方法，具體如下：

⑴“8”字形粘結(jié)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28d。抗折試驗(yàn)機(jī)拉斷，粘結(jié)強(qiáng)度按式⑵計(jì)算：

式⑵中，

P——斷裂荷載，N；

A——受拉面積，取500mm2。

⑵棱柱體粘結(jié)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至齡期為28d，抗折試驗(yàn)機(jī)折斷得到抗折破壞荷載。粘結(jié)強(qiáng)度按式⑶計(jì)算：

式⑶中,Rf——抗折強(qiáng)度（MPa）；Pf——抗折破壞荷載（N）。

2 結(jié)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(yǎng)護(hù)，根據(jù)混凝土強(qiáng)度發(fā)展特點(diǎn)，設(shè)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間6h、1d、3d、5d、7d。不同齡期試件的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表1。

表1 ECO 改性聚氨酯混凝土抗壓強(qiáng)度

由表1 可知ECO 改性聚氨混凝土抗壓強(qiáng)度6h 為6.8MPa。ECO 改性聚氨混凝土硬化速度快，總施工時(shí)間短，6h 的強(qiáng)度可滿足通車要求，《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[13](JTJ 073.1－2001) 中規(guī)定對(duì)道路允許通車的混凝土抗壓強(qiáng)度要求6.0MPa，ECO 改性聚氨酯混凝土齡期為1 天時(shí)就能形成較大強(qiáng)度，適用于快速修補(bǔ)的情況。ECO 改性聚氨酯混凝土7d 抗壓強(qiáng)度達(dá)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(yǎng)護(hù)40h，在-30℃、0℃及60℃下保溫4h，切割成指定大小試塊，用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)ECO 改性聚氨酯混凝土試塊進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)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(píng)論家們?cè)噲D將其作品置于夢(mèng)境與噩夢(mèng)之間的某個(gè)位置，或是杜尚(Duchamp)與瑪格麗特(Magritte)的藝術(shù)史傳統(tǒng)中，又或是達(dá)達(dá)與超現(xiàn)實(shí)主義類別之下。但嚴(yán)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(yàn)設(shè)置的三個(gè)溫度下的沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)中ECO 改性聚氨酯混凝土的表面由于受到?jīng)_擊產(chǎn)生破損，但是破損處沒有產(chǎn)生裂縫。說明在各溫度下ECO 改性聚氨酯混凝土力學(xué)性能穩(wěn)定，ECO 改性聚氨酯混凝土在各溫度下遭受沖擊時(shí)保持形狀能力強(qiáng)，不容易產(chǎn)生裂紋，抗沖擊性能優(yōu)良。

2.3 ECO 改性聚氨酯混凝土粘結(jié)性能

與普通混凝土相比，聚合物混凝土的粘結(jié)性能更優(yōu)異，因此聚合物混凝土可以作為混凝土修補(bǔ)加固材料。試驗(yàn)中采用兩種聚合物混凝土粘結(jié)性能測(cè)試方法研究ECO 改性聚氨酯混凝土粘結(jié)性能，兩種方法測(cè)試結(jié)果如下：

⑴“8”字形粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

膠骨比增加，混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度變化幅度很小，粘結(jié)強(qiáng)度略有增加，膠骨比為0.25 時(shí)，混凝土粘結(jié)強(qiáng)度為2.40MPa，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 混凝土“8”字形試件粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

⑵棱柱體粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混凝土棱柱體試件粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從“8”字形試驗(yàn)中結(jié)果中可以看出，膠骨比增加，ECO 改性聚氨酯混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度有略微提高，當(dāng)膠骨比為0.25 時(shí)，混凝土28d 粘結(jié)強(qiáng)度與膠骨比為0.10 時(shí)相比，提高10%。在0.10～0.25 的膠骨比范圍內(nèi)，ECO 改性聚氨酯混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度與ECO 改性聚氨酯摻量有一定關(guān)系。棱柱體試件粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)中，膠骨比為0.10時(shí)，28d 粘結(jié)強(qiáng)度最高，為2.11MPa，在0.15～0.25 范圍內(nèi)，隨著膠骨比增加，粘結(jié)強(qiáng)度略微提高。

兩種試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，不具有可比性，但能得出結(jié)論ECO 改性聚氨酯混凝土對(duì)粘結(jié)基體粘結(jié)效果好，可以提高界面的粘結(jié)力，因而混凝土的粘結(jié)性可以得到一定改善。

3 ECO 改性聚氨酯混凝土路面鋪設(shè)施工性能

3.1 ECO 改性聚氨酯混凝土的原材料準(zhǔn)備

ECO 改性聚氨酯混合料分為I、II、III 三個(gè)組分，I組分為ECO 改性聚氨酯預(yù)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(jìn)行干燥處理，通過真空包裝系統(tǒng)包裝在密閉鐵桶中。根據(jù)預(yù)先設(shè)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(shè)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(dòng)攪拌器將兩組分?jǐn)嚢柚辆鶆蚧旌稀II 組分中的砂、石以及填料在桶中拌勻，可使用電動(dòng)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(dòng)攪拌至所有組分均混勻。

路面鋪設(shè)時(shí)，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(shè)區(qū)段聚氨酯混凝土攤鋪后進(jìn)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(jī)來回往返整平，將路面刮平壓實(shí)。

圖1 人工找平和混凝土表面處理

圖2 整平機(jī)刮平壓實(shí)

ECO 改性聚氨酯混凝土在用于路面鋪設(shè)具有優(yōu)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(jié)省人工成本、提高鋪設(shè)效率，并且具有更加優(yōu)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(hù)、降低維護(hù)成本。

⑵養(yǎng)護(hù)及開放交通

完成路面鋪設(shè)后，對(duì)ECO 改性聚氨酯混凝土鋪設(shè)的路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)完成后才能夠開放鋪設(shè)區(qū)段交通，進(jìn)行使用。由于ECO 改性聚氨酯膠凝時(shí)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(yǎng)護(hù)時(shí)間取決于施工時(shí)溫度。建議的不同環(huán)境溫度下的養(yǎng)護(hù)時(shí)間如表5。

4 結(jié)論

在本研究試驗(yàn)范圍內(nèi)，得到以下結(jié)論。

⑴ECO 改性聚氨酯混凝土粘結(jié)性能好，膠骨比為0.15 時(shí)，“8”字形粘結(jié)試驗(yàn)測(cè)試得到粘結(jié)強(qiáng)度為2.34MPa。

⑵ECO 改性聚氨混凝土養(yǎng)護(hù)6h 抗壓強(qiáng)度達(dá)6.8 MPa，表明ECO 改性聚氨混凝土施工后硬化快，6h 后強(qiáng)度滿足道路通車要求。

圖3 ECO 改性聚氨酯混凝土道路養(yǎng)護(hù)

表5 ECO 改性聚氨酯混凝土在不同溫度下的養(yǎng)護(hù)時(shí)間

⑶ECO 改性聚氨酯混凝土具有優(yōu)秀的力學(xué)性能以及抗沖擊性能。

⑷ECO 改性聚氨酯混凝土的施工前應(yīng)做好材料準(zhǔn)備工作以及路面清理工作，施工過程中應(yīng)遵守施工規(guī)范。養(yǎng)護(hù)條件對(duì)ECO 改性聚氨酯混凝土質(zhì)量影響較大，為了保證工程質(zhì)量，應(yīng)避免在雨天施工，并且根據(jù)建議養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。