李田心 王 濱 宋肇磊 吳作人 李佳俊

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 聚氨酯混凝土配合比設(shè)計(jì)

本部分主要探究聚氨酯混凝土配合比對聚氨酯混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。此次實(shí)驗(yàn)將參照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程及JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)前做一組聚氨酯比例與碎石級配一致的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件與100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，試件制作與測試參照水泥規(guī)范。正交試驗(yàn)完成后將得到在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)抗壓表現(xiàn)最好的一種影響因子組合，并將這種組合應(yīng)用到后續(xù)的聚氨酯混凝土性能研究中。

1.1 對照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及確定正交試驗(yàn)變量

在設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)之前，為確定相關(guān)影響因子及其水平范圍需要先做一組對照實(shí)驗(yàn)，用以排除無關(guān)變量并將復(fù)雜變量固定在一個(gè)較好水平。

1)聚氨酯原料。

本實(shí)驗(yàn)中配制聚氨酯樹脂A組分為多亞甲基多苯基異氰酸酯，B組分為組合聚醚，經(jīng)調(diào)整常溫下已選定重量比1∶1配制。

2)聚氨酯摻入比例。

在對照實(shí)驗(yàn)中選取聚氨酯摻入比例為13%與15%，并將該結(jié)果作為正交試驗(yàn)的上下限來深入探究。

3)石料的種類。

聚氨酯混凝土為聚氨酯與石料的混合物，而石料的種類、級配與加入比例都會(huì)影響聚氨酯混凝土的抗壓強(qiáng)度。對比石料有米石與碎石兩種。

4)石料的級配。

石料的級配屬于復(fù)雜變量，故用對照實(shí)驗(yàn)來選取一組表現(xiàn)良好的級配當(dāng)做正交試驗(yàn)的常量。

5)催化劑的使用。

催化劑會(huì)加速聚氨酯固化，但叔胺類催化劑會(huì)使聚氨酯發(fā)泡。對照實(shí)驗(yàn)將探究同等條件下，加催化劑的聚氨酯混凝土其強(qiáng)度增長與對照組是否存在差異，以此判斷有無將催化劑劑量作為正交試驗(yàn)研究對象的必要。

1.2 設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)并制作試件

具體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1，表2所示。

表1 對照實(shí)驗(yàn)確定試驗(yàn)范圍

表1是對石料種類、石料級配催化劑進(jìn)行變量處理的6個(gè)對照試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2是對石料種類做出變量控制的對照試驗(yàn)，探究米石與碎石的性能；實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)3是對聚氨酯做出變量控制的對照試驗(yàn)，探究最佳的聚氨酯摻入比例；實(shí)驗(yàn)1,實(shí)驗(yàn)4、實(shí)驗(yàn)5是對石料級配做出變量控制的對照試驗(yàn)，探究最佳級配；實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)6是對催化劑做出變量控制的對照試驗(yàn)，探究催化劑的性能。

表2 對照試驗(yàn)中級配種類的通過率 %

表2是對三種級配①，②，③的通過率。

模具尺寸為70 mm×70 mm×70 mm。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為擊實(shí)完成后12 h。

1.3 測試試件分析數(shù)據(jù)

壓力機(jī)對試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。依次對每個(gè)試塊進(jìn)行測試，破壞荷載與抗壓強(qiáng)度計(jì)算測試見表3。

表3 對照組試塊抗壓值

表3是對6個(gè)對照試驗(yàn)的具體性能測試，6個(gè)對照試驗(yàn)的大小控制不變(在正常范圍內(nèi))，對抗壓性能進(jìn)行測試。從表3可以看出，實(shí)驗(yàn)1，2對照，碎石性能優(yōu)于米石；實(shí)驗(yàn)1，3對照，15%聚氨酯效果優(yōu)于13%；實(shí)驗(yàn)1，4，5對照，級配③的抗壓性能最佳；實(shí)驗(yàn)1，6對照，適當(dāng)催化劑可提升抗壓能力。

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與最佳組合選擇

結(jié)合上述對照實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，選定正交試驗(yàn)的影響因子：

1)聚氨酯摻入比例。

以13%為中間值，選定聚氨酯比例為10%～15%。

2)聚氨酯配制后加入石料的等待時(shí)間作為第二個(gè)影響因子。

等待時(shí)間設(shè)計(jì)為0 min～60 min。

3)聚氨酯與石料拌和后等待時(shí)間作為第三個(gè)影響因子。

等待時(shí)間設(shè)計(jì)為30 min～90 min。

4)養(yǎng)護(hù)時(shí)間將作為第四個(gè)影響因子。

聚氨酯混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間設(shè)置為12 h～48 h，用以探究聚氨酯混凝土的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長關(guān)系。

設(shè)計(jì)一個(gè)四因素三水平的正交試驗(yàn)，以單軸抗壓強(qiáng)度作為比較結(jié)果，正交試驗(yàn)表如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)主要影響因子和水平分類

表4是聚氨酯摻入比例、加入石料的等待時(shí)間、拌和后等待時(shí)間、養(yǎng)護(hù)時(shí)間四個(gè)具體因素，每組因子分別進(jìn)行三個(gè)水平的正交試驗(yàn)。

1.5 擊實(shí)與養(yǎng)生及結(jié)果分析

采用L9(34)正交表，實(shí)驗(yàn)共計(jì)9組，依據(jù)T 0553—2005每組試件需要3組試塊，共需制作27個(gè)試件，采用100 mm×100 mm×100 mm的水泥試模制作。試件的制作同對照實(shí)驗(yàn)中的方法，配制聚氨酯后按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的等待時(shí)間進(jìn)行拌合、擊實(shí)和養(yǎng)生。養(yǎng)生結(jié)束后使用氣槍脫模，得到抗壓強(qiáng)度值便能進(jìn)行直觀分析，分析結(jié)果如表5所示。

表5 聚氨酯配比組合對其強(qiáng)度影響直觀分析表

表5是聚氨酯摻入比例、加入石料的等待時(shí)間、拌和后等待時(shí)間、養(yǎng)護(hù)時(shí)間四個(gè)具體因素，每組因子分別進(jìn)行三個(gè)平行實(shí)驗(yàn)的正交試驗(yàn)。通過每一列對應(yīng)的均值，求出相應(yīng)的極差，便能得到四個(gè)影響因素的影響大小。

由此可知，聚氨酯的摻入比例對聚氨酯混凝土的影響程度最大，摻入石料間隔時(shí)間次之，擊實(shí)等待時(shí)間相較于其余三種因素影響最小。

2 聚氨酯混凝土路用性能分析

2.1 聚氨酯混凝土高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

聚氨酯混凝土高溫穩(wěn)定性指在高溫條件下，外力不斷作用導(dǎo)致混合料產(chǎn)生的永久變形。對于高速公路與一級公路，高溫穩(wěn)定性選用JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程T 0719—2011車轍試驗(yàn)進(jìn)行。

2.1.1試件的制作與測試

制件采用正交試驗(yàn)所得配合比，集料用量與聚氨酯用量通過與立方體試件體積換算得到，車轍試驗(yàn)?zāi)＞叱叽鐬?00 mm×300 mm×50 mm，制作三個(gè)試件為平行實(shí)驗(yàn)。

試件成型后標(biāo)注輪碾方向，密封養(yǎng)生24 h。

圖1～圖3是試件實(shí)驗(yàn)室制作與測試中的部分流程，其中圖1為試件輪碾法成型的圖示，圖2為試件養(yǎng)生階段的圖示，圖3為車轍實(shí)驗(yàn)測試的圖示。

2.1.2動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算

動(dòng)穩(wěn)定度(DS)是反映混合料高溫性能的指標(biāo)，其計(jì)算需在變形量—時(shí)間曲線上讀取t1=45 min與t2=60 min對應(yīng)的變形量d1與d2，數(shù)據(jù)精確至0.01 mm，計(jì)算公式見式(1)：

(1)

其中，N為橡膠輪往返速度，N=42次/min；C1為試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動(dòng)加載往返運(yùn)行取C1=1.0；C2為試件系數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室制備的寬300 mm車轍板取C2=1.0。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 聚氨酯混凝土動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算表

表6是對三個(gè)平行試件變形量d1，d2的測量以及動(dòng)穩(wěn)定度的計(jì)算。

2.1.3高溫穩(wěn)定性分析

聚氨酯動(dòng)穩(wěn)定度取三組動(dòng)穩(wěn)定度的平均值，并按規(guī)范要求算出變異系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 車轍試驗(yàn)結(jié)果表

表7是對三個(gè)平行試件平均動(dòng)穩(wěn)定度的計(jì)算。

同時(shí)將聚氨酯混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度與高溫性能較優(yōu)異的改性瀝青[18]做橫向?qū)Ρ?，如圖4所示。

2.2 聚氨酯混凝土低溫抗裂性試驗(yàn)

絕大多數(shù)材料在低溫時(shí)變脆，而聚氨酯混凝土在常溫下已表現(xiàn)為脆性破壞，測試其低溫抗裂性以探究在低溫狀況下聚氨酯混凝土的變形能力。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。

2.2.1試件的制作與測試

低溫彎曲試驗(yàn)的棱柱體試件由經(jīng)過車轍試驗(yàn)的車轍板(300 mm×300 mm×50 mm)切割得到，試件如圖5所示。

圖5，圖6是試件實(shí)驗(yàn)室制作與測試中的部分流程，其中圖5為試件切割后的圖示，圖6為試件彎曲試驗(yàn)測試的圖示。

試件測試儀器選用量程為100 kN的數(shù)控萬能試驗(yàn)機(jī)，測試完成將自動(dòng)生成荷載—跨中撓度曲線，如圖7所示。

2.2.2勁度模量計(jì)算

將荷載—跨中撓度曲線中直線段延長與x軸相交，并將此點(diǎn)作為該曲線的原點(diǎn)，試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度RB見式(2)，梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖見式(3)及彎曲勁度模量SB見式(4)。

(2)

(3)

(4)

測試數(shù)據(jù)與勁度模量計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 聚氨酯混凝土勁度模量計(jì)算表

表8是對三個(gè)平行試件變形量撓度、最大力的測量，從而計(jì)算抗彎強(qiáng)度、抗彎應(yīng)變和勁度模量。

2.2.3低溫抗裂性分析

將三組所有指標(biāo)都取平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 小梁彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表9是對三個(gè)平行試件變形量相關(guān)計(jì)算量抗彎強(qiáng)度、抗彎應(yīng)變和勁度模量的計(jì)算處理。

選取摻加添加劑后PR.M高模量瀝青混合料(60 ℃,0.7 MPa動(dòng)穩(wěn)定高于5 000次/mm)的低溫抗裂性指標(biāo)與聚氨酯混凝土作對比，見圖8。

如果單以勁度模量指標(biāo)來評價(jià)低溫抗裂性的好壞，則聚氨酯混凝土明顯差于PR.M高模量瀝青混合料，但聚氨酯混凝土的抗彎拉強(qiáng)度與抗彎應(yīng)變甚至高于低溫抗裂性最好的摻玄武巖纖維的PR.M高模量瀝青混合料。而在低溫狀況下，材料的變形能力決定了材料抗裂性好壞，則聚氨酯混凝土的低溫抗裂性不差于高模量瀝青混合料。

3 結(jié)語

本文主要通過分析聚氨酯混凝土強(qiáng)度形成原理來得到對照實(shí)驗(yàn)與正交試驗(yàn)的影響因子，先設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)將簡單與復(fù)雜因子選定合理參數(shù)，可直接用于正交試驗(yàn)當(dāng)做常量。選定四個(gè)影響因子，采用L9(34)正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，以抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)選出四個(gè)影響因子的最佳水平組合。接著從數(shù)據(jù)分析聚氨酯混凝土在高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性的優(yōu)勢，同時(shí)與現(xiàn)有的瀝青混合料性能作對比，直觀顯示出聚氨酯混凝土的優(yōu)勢。

注：指導(dǎo)老師：張國偉。