何雷蕾 全弘彬 鄧 華 秦 耕 何 翔
(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶 400067; 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶 400067)
橋梁作為公路的重要組成部分,近年來我國相繼發(fā)生橋梁垮塌事故。橋梁工程結(jié)構(gòu)安全性、可靠性等技術(shù)問題[1],成為當(dāng)前我國橋梁界關(guān)注的焦點。橋梁伸縮縫填充材料作為影響橋梁質(zhì)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(tǒng)的伸縮縫的填充材料容易出現(xiàn)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(jié)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(jié)料主要依賴進(jìn)口國外的巴斯夫產(chǎn)品,但由于其價格高昂,大大的增加了施工成本。傳統(tǒng)的國產(chǎn)聚氨酯膠結(jié)料,其性能較差[4],針對以上原因,開發(fā)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(jié)料十分有必要。聚氨酯具有特強(qiáng)的粘結(jié)性能、耐溫性、耐低溫沖擊性優(yōu)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(yōu)秀。聚氨酯合成速度可以任意調(diào)整[5]硬度可以調(diào)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(jié)合料巴斯夫產(chǎn)品,有著更有競爭力的價格優(yōu)勢,具有較大的運(yùn)用價值和市場前景。
自主開發(fā)的聚氨酯膠結(jié)料的合成原材料選取由華凱樹脂有限公司的聚己內(nèi)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(chǎn)的E300等為擴(kuò)鏈劑作為主要合成材料。對比材料選用由德國巴斯夫集團(tuán)的產(chǎn)品,簡稱為巴斯夫產(chǎn)品。
通過試驗研究對比分析了聚氨酯膠結(jié)料及巴斯夫產(chǎn)品的各項性能,其中參照國標(biāo)GB/T 531.1—2008測試其凝膠時間;根據(jù)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(jù)ASTM D638,測試抗熱空氣老化性能[8]。
以聚氨酯膠結(jié)料和巴斯夫產(chǎn)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(jié)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(jī)測試其抗壓強(qiáng)度;參照GB/T 15704—2012測試了其沖擊性能;參照J(rèn)TG E20—2011標(biāo)準(zhǔn)對抗車轍性能、粘結(jié)性能、低溫性能及抗疲勞性能進(jìn)行相關(guān)測試。
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(jié)料在不同溫度下的凝膠時間(見圖1)。測試結(jié)果見表1。
表1 聚氨酯凝膠時間測定
從表1可以看出,當(dāng)溫度為24 ℃時,凝膠時間約為30 min,優(yōu)于巴斯夫的凝膠時間;當(dāng)溫度升至40 ℃時,凝膠時間仍然大于10 min。結(jié)果表明,聚氨酯膠結(jié)料在常溫范圍內(nèi),其凝膠時間較長,能夠滿足施工的需要。
3.1.2聚氨酯膠結(jié)料硬度測試
在兩種試樣不同位置測量硬度值,取中位數(shù)作為樣品硬度值[10],如表2所示。
表2 彈性混凝土膠結(jié)料固化物的硬度測試結(jié)果
由表2可知, 聚氨酯膠結(jié)料的邵氏D型硬度約為39,與巴斯夫的產(chǎn)品相比硬度相當(dāng),滿足規(guī)范指標(biāo)要求。
3.1.3聚氨酯膠結(jié)料的壓縮永久變形
制備聚氨酯膠結(jié)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(jié)果
由表3可知,自主開發(fā)的聚氨酯膠結(jié)料的壓縮率在37%左右,滿足巴斯夫指標(biāo)要求及規(guī)范要求。
3.1.4聚氨酯膠結(jié)料拉伸性能
制備試樣,待其完全固化后,測試?yán)煨阅堋?/p>
由表4可知,在常溫養(yǎng)護(hù)6 h聚氨酯膠結(jié)料即可達(dá)到4.5 MPa,養(yǎng)護(hù)1 d后,聚氨酯膠結(jié)料的拉伸強(qiáng)度即達(dá)到6.2 MPa左右,斷裂伸長率接近300%,表明聚氨酯膠結(jié)料強(qiáng)度形成較快。當(dāng)養(yǎng)護(hù)7 d后,聚氨酯膠結(jié)料拉伸強(qiáng)度接近7 MPa,斷裂伸長率超過500%。結(jié)果表明,聚氨酯膠結(jié)料能在短時間內(nèi)形成較高的強(qiáng)度,最終強(qiáng)度且其斷裂伸長率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范要求值,并且略高于巴斯夫產(chǎn)品。
3.1.5聚氨酯膠結(jié)料抗撕裂強(qiáng)度
試驗測定在25 ℃的溫度下測試結(jié)合料的撕裂強(qiáng)度,如圖2所示。
試驗結(jié)果見表5。
表5 聚氨酯結(jié)合料抗撕裂性能
由表5可知,聚氨酯膠結(jié)料平均抗撕裂強(qiáng)度為1.75 kg/mm,抗撕裂強(qiáng)度高于巴斯夫產(chǎn)品。
3.1.6聚氨酯膠結(jié)料熱空氣老化
將聚氨酯膠結(jié)料養(yǎng)護(hù)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(jié)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(jié)料在熱空氣的沖擊下會發(fā)生材料老化,老化后其拉伸強(qiáng)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(yōu)于巴斯夫產(chǎn)品,其指標(biāo)仍然滿足規(guī)范指標(biāo)要求,證明聚氨酯膠結(jié)料具有一定的耐熱老化性能。
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(fù)率測試、壓縮彈性恢復(fù)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(jìn)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(nèi)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(fù)率,表明自主開發(fā)的聚氨酯彈性混凝土具有與巴斯夫產(chǎn)品同樣優(yōu)異的壓縮彈性恢復(fù)率;研究了彈性混凝土的疲勞抗開裂性。通過研究發(fā)現(xiàn)自主開發(fā)的聚氨酯彈性混凝土與巴斯夫產(chǎn)品相比,具有與其同樣優(yōu)異的抗疲勞開裂性能。通過抗疲勞測試試驗結(jié)果表明,自主開發(fā)的聚氨酯彈性混凝土伸縮縫具有比巴斯夫產(chǎn)品更加優(yōu)異的疲勞耐久性。
1)采用聚氨酯作為橋梁伸縮縫的填充材料中的膠結(jié)料,該產(chǎn)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(jié)料的硬度、壓縮率、抗撕裂強(qiáng)度、耐熱老化性均達(dá)到或超越巴斯夫產(chǎn)品,并且能在短時間內(nèi)形成較高的強(qiáng)度。
2)采用自制聚氨酯膠結(jié)料成型的彈性混凝土的性能測試表明,其具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性,有較高的強(qiáng)度,具有較強(qiáng)的抗壓性能以及優(yōu)良的抗疲勞性,力學(xué)性能全面達(dá)到或超越目前應(yīng)用較廣的巴斯夫產(chǎn)品。
3)自制的聚氨酯膠結(jié)料的成本遠(yuǎn)低于巴斯夫產(chǎn)品,將其應(yīng)用于橋梁彈性混凝土伸縮縫的膠結(jié)料,具有良好的市場前景。