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工程有限公司 重慶 401336； 2.重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

橋梁伸縮縫是橋梁的重要附屬構件，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，使用環境比較惡劣，是橋梁結構中最易遭到破壞而又難以修補的部位，降低了整個橋梁的使用壽命。并且由于其數量大、破壞周期短、不容易更換，更換時需要中斷交通等特點，已成為高速公路管理部門最為頭痛的橋梁養護工作內容[3]。

針對小位移量橋梁，一般采用型鋼伸縮縫，但其安裝工藝復雜，行車舒適性差，會引起跳車等安全隱患，且耐久性差。為解決以上問題，市場上出現了無縫伸縮縫[4-6]。用于無縫伸縮縫的材料必須具備優良的變形能力、高低溫性能、耐久性、施工可操作性等。當前，無縫伸縮縫主要采用彈塑體改性瀝青作為膠結料，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，迫切需要開發一種新型伸縮縫材料，以更好滿足高溫重載、極端氣候對伸縮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性，能自流平成型，無需碾壓即能達到規定的密實度、平整度及最終強度，不會出現因為壓實不足而產生的缺陷和病害。聚氨酯彈性混凝土空隙率接近零，具有良好的防水、耐化學腐蝕性能，變形能力強，抗沖擊性能、耐久性、抗低溫開裂能力優異[8-10]。在此，本文針對自主研發的高性能聚氨酯彈性混凝土，對其使用性能進行分析，并同步對比同類聚氨酯彈性混凝土。

1 試驗部分

1.1 聚氨酯膠結料

聚氨酯彈性混凝土的關鍵材料是聚氨酯膠結料[11-12]。為了保證混凝土順利施工。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。考察溫度對聚氨酯膠結料凝膠時間的影響，試驗結果見表1。

表1 聚氨酯膠結料的凝膠時間

由表1可見，隨著溫度升高，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。在常溫條件下，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。

3種聚氨酯膠結料主要性能指標見表2。

由表2可見，高性能聚氨酯彈性體具有較為優異的綜合性能，基本達到進口材料的技術標準。

1.2 集料

聚氨酯彈性混凝土所用集料為0～3 mm玄武巖集料和石灰巖礦粉，其基本技術指標檢測結果見表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，采用高性能聚氨酯膠結料作為研究對象。

表3 0～3 mm玄武巖集料的基本技術指標

表4 礦粉的基本技術指標

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集料與礦粉的質量比對聚氨酯彈性混凝土性能的影響，試驗結果見表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度。當礦粉含量較低時，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；而當礦粉含量較高時，混凝土施工和易性降低，同時骨料不能形成有效的嵌擠結構，影響混凝土的力學性能。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，試驗結果見表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，抗壓強度則是先增大后減小。當油石比低于20%時，混凝土成型較為困難，施工和易性較差，且抗壓強度較低；當油石比高于23%時，混凝土施工和易性良好，但抗壓強度有所降低；當油石比進一步增加時，混凝土可能發生離析。同時考慮到經濟性，確定聚氨酯彈性混凝土的油石比為23%。

2 結果討論與應用

2.1 力學性能

參照水泥混凝土評價方法，成型聚氨酯彈性混凝土抗壓強度試件，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性能，試驗結果見表7。

表7 聚氨酯彈性混凝土抗壓強度試驗結果 MPa

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

2.2 彈性恢復能力

參照ASTM評價方法，測試聚氨酯彈性混凝土的拉伸彈性恢復率(試件尺寸為200 mm×20 mm×20 mm)和壓縮彈性恢復率(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能力，試驗結果見表8。

表8 聚氨酯彈性混凝土彈性恢復試驗結果 %

由表8可見，3種聚氨酯彈性混凝土的拉伸彈性恢復率和壓縮彈性恢復率高達99%以上，在實際使用過程中能夠在發生應變后快速恢復原形，表現出優異的彈性恢復能力，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，試驗溫度為70 ℃，對比評價3種聚氨酯彈性混凝土的高溫性能，試驗結果見表9。

表9 聚氨酯彈性混凝土車轍試驗結果

由表9可見，3種聚氨酯彈性混凝土的車轍動穩定度均超過5 0000 次/mm，車輪跡不明顯且車轍深度幾乎為0，表現出極為優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，在高溫條件下不會輕易軟化變形，顯著提高了材料的高溫穩定性。

2.4 低溫抗裂性能

參照瀝青混凝土評價方法，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，試驗結果見表10。

表10 聚氨酯彈性混凝土低溫彎曲試驗結果

由表10可見，相同條件下，3種聚氨酯彈性混凝土的抗彎應變特別高，抗彎強度較小，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變達到了80 000×10-6，與進口聚氨酯彈性混凝土相當，略高于國產聚氨酯彈性混凝土。聚氨酯彈性混凝土均具有非常優異的低溫抗裂性能，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勢。

2.5 水穩定性能

參照瀝青混凝土評價方法，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，試驗溫度為60 ℃，對比評價3種聚氨酯彈性混凝土的水穩定性能，試驗結果見表11。

表11 聚氨酯彈性混凝土浸水馬歇爾試驗結果

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

2.6 界面黏結性能

參照防水材料評價方法，成型“水泥混凝土或改性瀝青混合料SMA10+0.5 kg/m2聚氨酯黏結劑+聚氨酯彈性混凝土”組合試件。對比評價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的界面黏結強度，試驗溫度為25 ℃和60 ℃，試驗結果見表12。

表12 聚氨酯彈性混凝土與基面剪切試驗結果

由表12可見，3種聚氨酯彈性混凝土與水泥混凝土黏結強度較高，而與改性瀝青混合料SMA10的黏結強度較低。相同條件下，3種聚氨酯彈性混凝土與基面的黏結強度基本相當。溫度會顯著影響體系的黏結性能，隨著溫度升高，其黏結性能下降。高溫對聚氨酯彈性混凝土與瀝青混合料SMA10界面黏結性能的影響更為顯著，這是因為瀝青混合料自身強度較低且溫感性較強，高溫下破壞薄弱面主要出現在混合料內部。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性能。

2.7 應用情況

2020年10月在某高速公路大修項目中，將高性能聚氨酯彈性混凝土用于橋梁連續縫修補，施工完后不需灑水，養護一定時間后，即可開放交通。氣溫越高，養護時間越短，常溫養護時間為4～5 h。運營1年多以來，高性能聚氨酯彈性混凝土使用效果良好。

3 結論

1) 礦料級配對聚氨酯彈性混凝土施工和易性和抗壓強度的影響較小，確定集料級配為0～3 mm玄武巖集料∶礦粉=70∶30。一定范圍內，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，抗壓強度則是先增大后減小，綜合考慮經濟性，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度為16.5 MPa，拉伸彈性恢復率和壓縮彈性恢復率高達99%以上，70 ℃動穩定度為57 273 次/mm，-10 ℃低溫抗彎應變達到了81 477×10-6，殘留穩定度大于95%，25 ℃與水泥板和改性瀝青混合料SMA10的界面黏結強度均大于2 MPa。因此，高性能聚氨酯彈性混凝土具有良好的力學性能、高低溫性能、彈性恢復能力、水穩定性能和界面黏結性能，其使用性能基本達到進口材料的技術標準，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，而且使得橋梁連續美觀，同時延長了橋梁伸縮縫的使用壽命。