楊海忠

(溫州甌江口大橋有限公司 溫州市 325000)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的高速建設為我國經(jīng)濟社會發(fā)展提供了強大的助力，而鋼橋面鋪裝是影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁長期保持良好服役性能的關鍵因素[1]。目前典型鋼橋面鋪裝材料主要有屬于熱塑性的SMA高彈改性瀝青混凝土與GA澆筑式瀝青混凝土，以及熱固性的EA環(huán)氧瀝青混凝土與改性聚氨酯混凝土。改性聚氨酯混凝土是一種環(huán)保型鋪裝材料，其結(jié)合料由環(huán)氧樹脂改性聚氨酯(Polyurethane, PU)得到，該混凝土的密水性能出色、高溫抗變形能力良好，已先后被應用于杭州灣跨海大橋、沈陽長青街跨渾河橋與明州大橋等鋪裝工程中，并表現(xiàn)出良好的服役性能[2-3]。

改性聚氨酯混凝土不含瀝青，施工過程對環(huán)境影響小，是環(huán)保型材料[4-5]。聚氨酯混凝土的結(jié)構(gòu)強度主要來源于聚氨酯(PU)固化反應所形成的三維交聯(lián)網(wǎng)絡[6-7]，然而由于聚氨酯材料中玻璃化溫度低于室溫的柔性鏈段含量較高，導致聚氨酯混凝土的低溫抗裂性能往往相對較差。低溫開裂是鋼橋面鋪裝的常見病害，不僅會影響鋪裝結(jié)構(gòu)的服役性能，還會使外界水侵蝕鋼橋面板，進而影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全[8-9]。

環(huán)氧樹脂同聚氨酯均屬于熱固性材料，但與聚氨酯相比，環(huán)氧樹脂固化后交聯(lián)網(wǎng)絡的密度更大，且剛性鏈段含量更高。研究指出可采用環(huán)氧樹脂對聚氨酯進行改性，通過聚氨酯與環(huán)氧樹脂間的“強迫包容”效應形成互穿交聯(lián)網(wǎng)絡以實現(xiàn)對材料剛性與柔韌性的調(diào)和，獲得路用性能出色的鋪裝材料。

依托甌江北口大橋鋪裝工程，采用環(huán)氧樹脂對聚氨酯進行改性，就改性聚氨酯混凝土的低溫抗開裂性能展開研究。

1 工程概況及鋪裝方案

甌江北口大橋橫跨甌江入海口，連接樂清與靈昆島，是國內(nèi)首座水泥混凝土中塔的大跨徑懸索橋。大橋主跨采用800m+800m的三塔雙層鋼桁梁結(jié)構(gòu)，下層為雙向六車道的國道公路，鋼橋面鋪裝采用改性聚氨酯混凝土作為磨耗層，設計鋪裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 甌江北口大橋下層鋪裝結(jié)構(gòu)

2 原材料性能及試驗設計

2.1 原材料

改性聚氨酯混凝土由聚氨酯、環(huán)氧樹脂、固化劑、玄武巖粗集料、玄武巖細集料及石灰?guī)r礦粉依一定比例混合而成，其中環(huán)氧樹脂來自于中石化巴陵石化廠，所用聚氨酯與環(huán)氧樹脂的主要性能指標分別如表1與表2所示。

表1 聚氨酯性能檢測結(jié)果

表2 環(huán)氧樹脂性能檢測結(jié)果

依照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)對集料性能進行檢測，所采用玄武巖粗、細集料的性能檢測結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 玄武巖粗集料性能檢測結(jié)果

表4 玄武巖細集料性能檢測結(jié)果

2.2 試驗設計

采用環(huán)氧樹脂對聚氨酯進行改性，以制備改性聚氨酯混凝土，設計0%、20%、40%、60%與80%五種環(huán)氧樹脂摻量。

改性聚氨酯混凝土屬于自流平式混凝土，為使其具有充足的流淌性，采用表5所示級配。

表5 改性聚氨酯混凝土集料級配

依照《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3364-02—2019)附錄H中的相關方法，采用如下方法確定混凝土的膠石比：

(1)先通過貫入度與劉埃爾值確定改性聚氨酯混凝土的初始膠石比。

(2)再以±0.3%為變量設置5個膠石比。

(3)最后采用混凝土抗壓強度作為最佳膠石比的選擇依據(jù)。

確定0%環(huán)氧樹脂摻量下，改性聚氨酯混凝土的最佳膠石比為12.7%，其他試驗組的最佳膠石比均依上述方法進行，結(jié)果如表6所示。

表6 各試驗組最佳膠石比

3 改性聚氨酯混凝土高溫抗變形與抗水損害性能研究

鋼橋面鋪裝所承受的荷載作用頻次遠高于普通瀝青道面，且其常處于高溫潮濕的服役環(huán)境中，因此鋪裝材料應具有良好的高溫性能與抗水損壞性能。采用70℃高溫車轍試驗與凍融劈裂試驗作為評價方法，分別對改性聚氨酯混凝土的高溫抗變形、抗水損害性能展開分析，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同樹脂摻量下混凝土高溫抗車轍性能

由圖2可知，改性聚氨酯混凝土具有出色的高溫抗變形與抗水損害性能，混凝土動穩(wěn)定度隨環(huán)氧樹脂摻量的提升而增加，同時TSR則穩(wěn)定在90%以上。對于高溫抗車轍性能，環(huán)氧樹脂摻量在0%～40%范圍內(nèi)時，混凝土的動穩(wěn)定度增長顯著，而當環(huán)氧樹脂摻量超過40%，混凝土動穩(wěn)定度的增長速度明顯放緩，這主要是因為聚氨酯與環(huán)氧樹脂間的“強迫包容”效應提高了結(jié)合料的剛性，但該有益效果存在一定上限?？紤]鋼橋面防水要求的特殊性，鋪裝結(jié)構(gòu)往往采用密級配，這使外界水對混凝土內(nèi)部的侵蝕相對較弱；同時，由于聚氨酯與環(huán)氧樹脂均不屬于親水性材料，因此改性聚氨酯混凝土具有良好的抗水損害性能。

4 改性聚氨酯混凝土低溫性能研究

甌江北口大橋橋址區(qū)氣溫變化范圍大，為保證下層鋼橋面鋪裝的服役性能，本節(jié)重點研究改性聚氨酯混凝土的低溫抗開裂性能。

4.1 小梁彎曲試驗

小梁彎曲試驗是評價鋼橋面鋪裝材料抗開裂性能的重要方法，通過設置較低的試驗溫度可實現(xiàn)對不利溫度條件的有效模擬。試驗方法依照現(xiàn)行規(guī)范JTG E20—2011中的規(guī)程T 0715—2011進行，試件尺寸為250mm×30mm×35mm，加載跨徑為200mm，荷載加載速度為50mm/min。為更全面地分析改性聚氨酯混凝土的低溫抗開裂性能，設置5種試驗溫度，依次為-10℃，-5℃，0℃，5℃與10℃。為降低試驗誤差對結(jié)果的影響，每組試件成型4個，試驗結(jié)果取平均值，混凝土破壞彎拉強度、彎拉應變與勁度模量分別如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 不同試驗溫度下混凝土彎拉強度

圖4 不同試驗溫度下混凝土最大彎拉應變

圖5 不同試驗溫度下混凝土彎曲勁度模量

由圖3所示，不同試驗溫度下，各組混凝土試件破壞時的彎拉強度均表現(xiàn)出隨環(huán)氧樹脂摻量的提高而逐漸增加。試驗溫度為-10℃、-5℃與0℃時，20%樹脂摻量試件彎拉強度的增幅相對較小，這主要是因為聚氨酯與環(huán)氧樹脂的互穿交聯(lián)網(wǎng)絡在該摻量范圍內(nèi)初步形成，其對彎拉強度的增益效果有限；樹脂摻量大于20%時，各試驗溫度下混凝土的彎拉強度均表現(xiàn)出明顯的增長趨勢，此時環(huán)氧樹脂剛性鏈段占比較高，樹脂的摻入對混凝土剛度的提升較大，因此表現(xiàn)為彎拉強度快速增加。

如圖4所示，環(huán)氧樹脂的摻入勢必提升混凝土的整體剛度，混凝土的最大彎拉應變均隨樹脂摻量的增加而下降。試驗溫度高于-5℃時，混凝土彎拉應變在40%～60%樹脂摻量范圍內(nèi)顯著降低；而試驗溫度為-10℃時，混凝土彎拉應變在20%～60%樹脂摻量范圍內(nèi)就開始加速下降，當樹脂摻量為60%時，混凝土彎拉應變較-5℃下降了24.49%，降幅最大，說明環(huán)氧樹脂摻量不宜超過60%。

彎曲勁度模量是混凝土彎拉強度與彎拉應變的比值，常被用于表征瀝青混凝土的粘彈特性，模量越高說明混凝土的剛度越大。如圖5所示，混凝土的彎曲勁度模量隨環(huán)氧樹脂摻量的提高而增加。試驗溫度為-10℃條件下，混凝土的彎曲勁度模量均明顯大于相同樹脂摻量的試驗組，且環(huán)氧樹脂摻量超過40%后，混凝土的勁度模量顯著增加；與0%摻量聚氨酯混凝土相比，樹脂摻量80%混凝土的勁度模量提高了近1倍，說明此時混凝土的脆性相對最大。

4.2 脆化點溫度分析

鋼橋面鋪裝材料需兼具柔韌性與剛性，脆化點溫度是用以分析混凝土開裂破壞類型的指標，脆化點溫度越高說明試驗材料的柔韌性越差，即更易發(fā)生脆性開裂。改性聚氨酯混凝土屬于熱固性鋪裝材料，破壞開裂過程的應力應變曲線接近于線性。按參考文獻[8]所述方法，計算各樹脂摻量下混凝土的脆化點溫度如圖6所示。

圖6 不同樹脂摻量下混凝土脆化點溫度

由圖6可知，混凝土的脆化點溫度隨環(huán)氧樹脂摻量的增加而逐漸變大，說明混凝土發(fā)生脆性開裂的溫度越來越高。所用聚氨酯主鏈中的柔性鏈段由聚酯多元醇組成，環(huán)氧樹脂摻入后可增大復合體系的整體剛度。樹脂摻量在20%～60%內(nèi)時，混凝土的脆化點溫度相近，說明聚氨酯-環(huán)氧樹脂互穿交聯(lián)網(wǎng)絡已初步形成；當樹脂摻量超過60%時，脆化點溫度出現(xiàn)明顯增加并在80%摻量時達到最高，此時環(huán)氧樹脂已成為交聯(lián)網(wǎng)絡的主體，即混凝土相對更易開裂。同時，脆化點溫度的上下限也隨樹脂摻量增加而表現(xiàn)出增長趨勢，結(jié)合試驗過程中較高的攪拌難度可知，聚氨酯與環(huán)氧樹脂的混融不易，施工中應當采取合理措施保證二者充分混合。

4.3 應變能分析

彎拉應變難以充分反映鋪裝材料的抗開裂性能，而脆化點溫度只能大致判斷環(huán)氧樹脂摻量對混凝土抗裂性能的影響趨勢，為確定環(huán)氧樹脂的最優(yōu)改性摻量，采用應變能分析鋪裝材料的低溫抗裂性能，應變能的計算公式如式(1)所示，匯總試驗結(jié)果如圖7所示。

式中，Qp為應變能密度；a為混凝土彎曲破壞時的應變；σ(ε)為應變ε對應的應力。

圖7 不同溫度下混凝土斷裂應變能

由圖7可知，不同試驗溫度下，混凝土的斷裂應變能均表現(xiàn)出隨樹脂摻量的提高而先增加后降低的趨勢；0%～40%樹脂摻量范圍內(nèi)，混凝土的斷裂應變能表現(xiàn)出增長趨勢，這是因為剛性較大的環(huán)氧樹脂網(wǎng)絡有效分擔了荷載作用，同時聚氨酯的柔性鏈段提高了開裂所需的能量閾值，最終表現(xiàn)出對混凝土抗裂性能的有益效果；當樹脂摻量超過40%，可發(fā)現(xiàn)混凝土斷裂能轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔荩藭r聚氨酯-環(huán)氧樹脂互穿網(wǎng)絡中柔性鏈段的含量較低，混凝土主要以剛性大的環(huán)氧樹脂網(wǎng)絡為主，導致其應變能相對下降；此外，樹脂摻量超過60%時，與-10℃試驗溫度相比，-10℃時混凝土的斷裂應變能下降超過37%。-10℃條件下，當環(huán)氧樹脂摻量為40%，改性聚氨酯混凝土開裂所需的應變能相對最高，為35.9kJ/m3，說明環(huán)氧樹脂摻量宜取40%左右，以獲取最佳的抗裂性能。

5 結(jié)論

依托甌江北口大橋鋼橋面鋪裝項目，重點就聚氨酯混凝土新型鋪裝材料的低溫性能展開研究，主要得到以下結(jié)論：

(1)采用環(huán)氧樹脂改性獲得的改性聚氨酯混凝土具有出色的高溫抗變形性能，環(huán)氧樹脂摻量在0%～40%范圍內(nèi)時，混凝土的動穩(wěn)定度可獲得明顯增長；當樹脂摻量超過40%時，環(huán)氧樹脂摻量的增加對混凝土高溫抗變形性能的提升效果相對有限。

(2)聚氨酯與環(huán)氧樹脂間的“強迫包容”效應可形成互穿交聯(lián)網(wǎng)絡，進而提升改性聚氨酯混凝土的低溫彎拉應變。試驗溫度為-10℃時，混凝土的彎拉應變在環(huán)氧樹脂摻量20%～60%范圍內(nèi)快速下降；環(huán)氧樹脂摻量為60%時，與-5℃試驗溫度相比，-10℃時混凝土的彎拉應變降幅最大，達到24.49%，即環(huán)氧樹脂摻量不宜超過60%。

(3)混凝土的脆化點溫度隨環(huán)氧樹脂摻量的提高而增大，且當樹脂摻量在20%～60%范圍內(nèi)時，聚氨酯與環(huán)氧樹脂已形成互穿交聯(lián)網(wǎng)絡；同時，脆化點溫度上下限也隨樹脂摻量的增加而增長，結(jié)合試驗過程可知，高摻量下，聚氨酯與環(huán)氧樹脂的混融難度相對更大。

(4)0%～40%樹脂摻量范圍內(nèi)，混凝土的斷裂應變能表現(xiàn)出增長趨勢，說明此摻量范圍內(nèi)環(huán)氧樹脂的改性效果相對最好，其與聚氨酯所組成的互穿交聯(lián)網(wǎng)絡具有相對最好的抗裂性能。試驗溫度為-10℃、環(huán)氧樹脂摻量40%時，改性聚氨酯混凝土開裂所需的應變能最大，為35.9kJ/m3。綜合考慮工程經(jīng)濟性，建議取環(huán)氧樹脂摻量為40%，以獲取抗裂性能優(yōu)良的改性聚氨酯混凝土。