聚氨酯增韌環(huán)氧樹脂(PUEP)裂縫修補(bǔ)材料黏結(jié)性能研究*

湯祖杰 吳祖梁 戴文斌 朱孔法 康浩楠

(1.福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全中心 福州 350001; 2.龍巖市公路建設(shè)發(fā)展中心 龍巖 364000; 3.福建省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 福州 350001; 4.長安大學(xué)公路學(xué)院 西安 710000; 5.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300131)

半剛性基層瀝青路面作為我國公路建設(shè)常用路面形式,憑借高平整度與無接縫的特性使得其具有行車舒適、安全的特點(diǎn),但瀝青混合料具有較高的溫度敏感性,在行車荷載作用與半剛性基層收縮作用下,會(huì)不可避免地產(chǎn)生裂縫,裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展將導(dǎo)致路面強(qiáng)度下降,并在雨水條件下引發(fā)大面積龜裂與坑槽等其他病害。因此,采取合理的處治方式封閉瀝青路面裂縫,降低水分對(duì)道路的侵害,保證道路的正常使用,成為路面養(yǎng)護(hù)的重要研究內(nèi)容。研究表明,灌填縫處理是目前裂縫處治中最經(jīng)濟(jì)合理的方式[1]。目前常用的裂縫灌注或填充修補(bǔ)材料主要分為2類:熱補(bǔ)類和冷補(bǔ)類。其中由于冷補(bǔ)類材料不需要專業(yè)的加熱設(shè)備,使用起來更方便而得到廣泛應(yīng)用。常用的冷補(bǔ)類材料包括乳化瀝青類和聚合物類[2-4]。但由于乳化瀝青強(qiáng)度形成緩慢、黏結(jié)強(qiáng)度低且耐久性不足,很容易在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)二次破壞。而聚合物類修補(bǔ)材料由于具有良好的力學(xué)性能、穩(wěn)定性且易于操作施工等優(yōu)點(diǎn),在路面裂縫修補(bǔ)工程中得到推廣應(yīng)用。環(huán)氧樹脂材料具有良好的黏結(jié)性能,力學(xué)強(qiáng)度高,目前已用于裂縫修補(bǔ)中,但由于材料韌性差、斷裂延伸率小、變形能力不足[5-7],常導(dǎo)致開裂。而聚氨酯材料柔性較好,具有良好的變形能力,且與其他聚合物具有良好的相容性[8-9]。為此,本研究使用聚氨酯材料改性環(huán)氧樹脂以得到具有良好力學(xué)性能和變形協(xié)調(diào)性的聚合物裂縫修補(bǔ)材料。

在裂縫進(jìn)行修補(bǔ)灌填充后,受交通荷載及水分的長期作用,由于材料老化等原因,一些修補(bǔ)材料會(huì)出現(xiàn)黏結(jié)失效的情況,這嚴(yán)重影響裂縫的修補(bǔ)效果,縮短路面的使用壽命,因此對(duì)于裂縫修補(bǔ)材料而言,黏結(jié)性是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。為評(píng)估開發(fā)的聚氨酯改性環(huán)氧樹脂裂縫修補(bǔ)材料的黏結(jié)性能,采用剪切試驗(yàn)對(duì)材料在不同縫寬條件下以及服役環(huán)境和界面狀態(tài)情況下的黏結(jié)性能進(jìn)行測試,并與其他裂縫修補(bǔ)材料進(jìn)行對(duì)比,研究并評(píng)估開發(fā)材料的黏結(jié)性能。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料與樣品制備

試驗(yàn)所用材料及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。將聚氨酯按質(zhì)量比1∶5的比例與環(huán)氧樹脂混合,在50 ℃的條件下用電動(dòng)攪拌機(jī)對(duì)其進(jìn)行攪拌混合2 h,得到復(fù)合體系。將改性脂肪胺固化劑加入到復(fù)合體系中并用電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌,得到聚氨酯改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(PUEP)。

表1 原材料及其技術(shù)指標(biāo)

本研究選擇2種常溫聚合物路面裂縫修補(bǔ)材料和SBS乳化瀝青修補(bǔ)材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。聚合物修補(bǔ)材料分別為改性聚氨酯修補(bǔ)材料(PU),改性有機(jī)硅樹脂類修補(bǔ)材料(SI),3種修補(bǔ)材料類型見表2。

表2 對(duì)比材料類型

1.2 試驗(yàn)方法

本研究參考橋面鋪裝防水黏結(jié)層研究成果,設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,利用現(xiàn)有設(shè)備測定裂縫修補(bǔ)材料的黏結(jié)能力,按照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》成型標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件,然后將車轍板用鉆芯設(shè)備鉆取直徑為100 mm的芯樣,取2個(gè)芯樣平面對(duì)齊后固定相應(yīng)寬度后注入修補(bǔ)材料并在常溫下養(yǎng)生48 h后制得黏結(jié)試件,黏結(jié)試件示意圖見圖1。

圖1 黏結(jié)試件示意圖

將試件置于剪切儀夾具中,以5 mm/min的速率加載,直至試件沿黏結(jié)界面發(fā)生錯(cuò)位,記錄水平推力并計(jì)算剪切強(qiáng)度。裂縫修補(bǔ)材料的界面剪切強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果按式(1)計(jì)算。

σj=-P/S

(1)

式中:σj為試件的界面剪切強(qiáng)度,MPa;P為試件破壞荷載,N;S為試件黏結(jié)面面積,mm2。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

為評(píng)價(jià)裂縫修補(bǔ)材料的黏結(jié)性能,本研究從裂縫寬度、服役環(huán)境條件和界面狀態(tài)3個(gè)方面進(jìn)行黏結(jié)性能試驗(yàn)。

1) 不同裂縫寬度下的黏結(jié)試驗(yàn)。試件制備與試驗(yàn)方法見1.2節(jié),裂縫寬度分別控制為3,5,7,10 mm。將制備好的試件常溫下養(yǎng)護(hù)48 h后進(jìn)行界面剪切試驗(yàn)。

各內(nèi)河走向自然形成，其支流較多，走向錯(cuò)亂，沖溝溝壑深，場地以丘陵地為主，存在諸如建筑地塊及道路豎向不平整、涉及道路交叉、橋梁布設(shè)不正交，市政排水分區(qū)及其排向不規(guī)則等問題，難以滿足城市開發(fā)建設(shè)用地、排水等要求。

2) 不同服役環(huán)境條件下的黏結(jié)試驗(yàn)。本文將主要研究溫度及凍融環(huán)境因素對(duì)于瀝青混合料與修補(bǔ)材料黏結(jié)性能的影響,試件制備與試驗(yàn)方法見1.2節(jié),裂縫寬度控制為5 mm。

溫度因素。選擇25,0,-15 ℃下進(jìn)行黏結(jié)強(qiáng)度測試,將制備好的修補(bǔ)試件養(yǎng)生完畢后分別置于相應(yīng)溫度的環(huán)境箱中養(yǎng)生12 h,取出試件馬上進(jìn)行試驗(yàn)測定各溫度下的界面剪切強(qiáng)度。

凍融循環(huán)因素。試件處理方式參照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》,凍融后測定試件的界面剪切強(qiáng)度。

3) 不同界面狀態(tài)下的黏結(jié)性能。本文分別探究粉塵、油污,以及水分對(duì)開裂界面與修補(bǔ)材料之間的黏結(jié)強(qiáng)度的影響。粉塵污染是通過在鉆芯試件表面撒布礦粉,撒布量為0,0.1,0.2,0.3 kg/m2。油污污染則在表面涂抹汽油,涂抹量分別為0,0.1,0.2,0.3 kg/m2。潮濕界面是在試件表面噴灑水分。試驗(yàn)測試溫度均為25 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同裂縫寬度下的黏結(jié)性能

不同裂縫寬度下各修補(bǔ)材料界面剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 各修補(bǔ)材料與不同裂縫寬度試件的界面剪切強(qiáng)度

由圖2可知,不同裂縫寬度下各修補(bǔ)材料與瀝青混合料的界面剪切強(qiáng)度大小關(guān)系為PUEP>SI>SBS乳化瀝青>PU,表明PUEP具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度,明顯大于其他修補(bǔ)材料。不同修補(bǔ)材料隨著裂縫寬度的增加,界面剪切強(qiáng)度均出現(xiàn)了先小幅增加然后穩(wěn)定不變的趨勢,這是由于當(dāng)裂縫寬度較小時(shí),由于裂縫內(nèi)部存在的氣體使得開裂界面發(fā)生不能被修補(bǔ)材料完全浸潤的情況,存在未黏結(jié)的薄弱位置,隨著裂縫寬度的增大,基本可以保證開裂界面與修補(bǔ)材料的充分結(jié)合,此時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度由修補(bǔ)材料與原路面材料黏附力大小決定,與修補(bǔ)材料的厚度無關(guān)。

2.2 不同服役環(huán)境條件下的黏結(jié)性能

1) 溫度因素。不同溫度下各修補(bǔ)材料界面剪切試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同溫度下各修補(bǔ)材料與瀝青混合料的強(qiáng)度比

由圖3可知,隨著溫度的下降,各修補(bǔ)材料與瀝青混合料的剪切強(qiáng)度不斷增大,主要是由于溫度降低導(dǎo)致材料內(nèi)分子鏈間距離減小且趨于有序排列致使分子間作用力增強(qiáng),因而剪切強(qiáng)度增強(qiáng),但一定程度會(huì)導(dǎo)致材料的脆硬性增大。0 ℃時(shí)各修補(bǔ)材料與瀝青混合料剪切強(qiáng)度大小關(guān)系為:PUEP>SBS乳化瀝青>SI>PU,表明PUEP在低溫情況下仍優(yōu)于其他材料。各材料相較于常溫的強(qiáng)度比分別為102.61%,138.52%,106.89%,111.12%。結(jié)合已有研究可得強(qiáng)度比越大,材料更趨向于脆硬性,比較可以得出PUEP的強(qiáng)度比相對(duì)較小,在0 ℃下的剪切強(qiáng)度穩(wěn)定性相對(duì)較好,產(chǎn)生脆裂破壞可能性小,PU與SI的強(qiáng)度比相對(duì)較大,逐漸趨于硬化,SBS乳化瀝青在0 ℃下趨于玻璃態(tài),更易脆裂。-15 ℃下各修補(bǔ)材料與瀝青混合料剪切強(qiáng)度大小次序無變化,雖然SBS乳化瀝青的剪切強(qiáng)度超過PU與SI,但其已完全變?yōu)椴ＡB(tài),易在低溫下脆裂。相較于其他材料,PUEP具有較好的界面剪切強(qiáng)度與強(qiáng)度穩(wěn)定性。

2) 凍融因素。凍融前后各修補(bǔ)材料界面剪切試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 凍融前后各修補(bǔ)材料與瀝青混合料的界面剪切強(qiáng)度及強(qiáng)度比

2.3 不同界面狀態(tài)下的黏結(jié)性能

撒布粉塵后各修補(bǔ)材料界面剪切試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 不同粉塵撒布量下各修補(bǔ)材料與瀝青混合料的界面剪切強(qiáng)度與強(qiáng)度損失率

由圖5可得,隨著礦粉撒布量的增加,各修補(bǔ)材料與開裂界面的界面剪切強(qiáng)度損失率不斷增加,主要是由于粉塵存在于開裂界面與修補(bǔ)材料之間,且呈現(xiàn)松散狀態(tài),使得修補(bǔ)材料與開裂界面之間的黏附力減小,造成黏結(jié)強(qiáng)度下降。此外對(duì)比發(fā)現(xiàn)PU與開裂界面的強(qiáng)度損失率明顯高于其余類型的修補(bǔ)料與開裂界面的強(qiáng)度損失率,分析原因可能是PU為填縫料,制備試件過程中主要靠涂抹為主,而其余修補(bǔ)材料制備試件的方法為灌注,由上而下的灌縫可以帶走部分粉塵進(jìn)入修補(bǔ)材料自身,使得修補(bǔ)材料與開裂界面間粉塵量減小,因此強(qiáng)度損失率相較于PU較小。對(duì)比除PU外其余修補(bǔ)材料,發(fā)現(xiàn)不同粉塵撒布量下的強(qiáng)度損失率基本相同,說明修補(bǔ)材料類型對(duì)于粉塵污染后的黏結(jié)強(qiáng)度損失率影響不大,但實(shí)際過程中應(yīng)盡可能將裂縫中粉塵用吹風(fēng)機(jī)處理干凈。對(duì)比發(fā)現(xiàn),PUEP材料在不同粉塵污染情況下仍具有較高的剪切強(qiáng)度,且強(qiáng)度損失率最小,抗粉塵污染穩(wěn)定性最好。

灑布汽油后各修補(bǔ)材料界面剪切試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 不同汽油灑布量下各修補(bǔ)材料與瀝青混合料的界面剪切強(qiáng)度與強(qiáng)度損失率

由圖6可見,隨著汽油灑布量的增大,各修補(bǔ)材料與開裂界面的界面剪切強(qiáng)度損失率不斷增加,主要是由于汽油對(duì)修補(bǔ)材料及修補(bǔ)界面的腐蝕作用,導(dǎo)致修補(bǔ)材料黏結(jié)性能下降。PUEP具有相對(duì)優(yōu)異的耐汽油腐蝕性能。由圖6可知,當(dāng)灑布量為0.3 kg/m2時(shí),各材料的界面剪切強(qiáng)度損失率達(dá)到40%以上,極大程度影響了修補(bǔ)材料與開裂界面的黏結(jié)強(qiáng)度。

界面潮濕條件下各修補(bǔ)材料界面剪切試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 干燥與潮濕界面狀態(tài)下的界面剪切強(qiáng)度于強(qiáng)度損失率

由圖7可知,水分會(huì)造成修補(bǔ)材料與開裂界面黏結(jié)強(qiáng)度的下降,主要是由于水分存在于界面集料間的縫隙中,降低了修補(bǔ)材料與開裂界面的接觸面積,導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度減小。由圖可知,SBS乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度損失率最小,主要是由于材料自身就包含水分,縫壁上的水分殘留對(duì)強(qiáng)度影響較小。而對(duì)于PU影響較大主要是由于材料自身的抗水腐蝕性能稍差。對(duì)于其余修補(bǔ)材料而言,水分導(dǎo)致接觸面積減小,導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度減小。

通過對(duì)比粉塵污染、汽油污染與潮濕界面狀態(tài)對(duì)于修補(bǔ)材料黏結(jié)性能的影響,可以發(fā)現(xiàn)潮濕界面狀態(tài)對(duì)于修補(bǔ)材料的黏結(jié)強(qiáng)度影響最小,油污對(duì)于修補(bǔ)材料的黏結(jié)性能的影響最大,對(duì)于裂縫中的水分與粉塵應(yīng)在裂縫修補(bǔ)前采用設(shè)備及時(shí)清理以消除其影響,汽油污染則相對(duì)難處理,會(huì)極大程度影響修補(bǔ)材料于開裂界面的黏結(jié)性能。

3 結(jié)論

1) 開發(fā)的PUEP材料與瀝青混合料的黏結(jié)性能良好,明顯優(yōu)于PU、SI和SBS乳化瀝青。

2) 裂縫寬度由3 mm增至5 mm時(shí),各修補(bǔ)材料與瀝青混合料的界面剪切強(qiáng)度有小于4%的增大,當(dāng)裂縫寬度大于5 mm時(shí),界面剪切強(qiáng)度幾乎不變。整體而言,裂縫寬度對(duì)材料的黏結(jié)強(qiáng)度影響不大。

3) 溫度下降后各修補(bǔ)材料與瀝青混合料的界面剪切強(qiáng)度略有增大,由常溫變?yōu)榈蜏睾蟮酿そY(jié)性能穩(wěn)定性PUEP較好,PU與SBS乳化瀝青則相對(duì)較差。

4) 在凍融循環(huán)后,PUEP的黏結(jié)性能優(yōu)于PU、SI和SBS乳化瀝青,具有相對(duì)較好的抗剪切破壞能力。就凍融穩(wěn)定性而言,PUEP受凍融影響也較小,SBS乳化瀝青次之,PU的凍融穩(wěn)定性最差。

5) 界面粉塵污染、油污污染及界面潮濕會(huì)導(dǎo)致修補(bǔ)材料與開裂界面的黏結(jié)性能下降,其中油污對(duì)性能影響最大,PUEP具有相對(duì)優(yōu)異的耐汽油腐蝕性能。