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        無縫伸縮縫用聚氨酯彈性混凝土性能對比研究*

        2022-04-26 14:36:24
        交通科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        劉 攀 劉 洋 張 征 肖 麗

        (1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司 重慶 401336; 2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

        橋梁伸縮縫是橋梁的重要附屬構(gòu)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(huán)境比較惡劣,是橋梁結(jié)構(gòu)中最易遭到破壞而又難以修補(bǔ)的部位,降低了整個橋梁的使用壽命。并且由于其數(shù)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(yǎng)護(hù)工作內(nèi)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(fù)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(xiàn)了無縫伸縮縫[4-6]。用于無縫伸縮縫的材料必須具備優(yōu)良的變形能力、高低溫性能、耐久性、施工可操作性等。當(dāng)前,無縫伸縮縫主要采用彈塑體改性瀝青作為膠結(jié)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(xiàn)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(fā)一種新型伸縮縫材料,以更好滿足高溫重載、極端氣候?qū)ι炜s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(yīng)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(dá)到規(guī)定的密實度、平整度及最終強(qiáng)度,不會出現(xiàn)因為壓實不足而產(chǎn)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(xué)腐蝕性能,變形能力強(qiáng),抗沖擊性能、耐久性、抗低溫開裂能力優(yōu)異[8-10]。在此,本文針對自主研發(fā)的高性能聚氨酯彈性混凝土,對其使用性能進(jìn)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(jié)料

        聚氨酯彈性混凝土的關(guān)鍵材料是聚氨酯膠結(jié)料[11-12]。為了保證混凝土順利施工。聚氨酯膠結(jié)料兩組分混合后即發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),當(dāng)超過凝膠時間后,聚氨酯膠結(jié)料會失去流動性??疾鞙囟葘郯滨ツz結(jié)料凝膠時間的影響,試驗結(jié)果見表1。

        表1 聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時間

        由表1可見,隨著溫度升高,聚氨酯膠結(jié)料的凝膠時間逐漸變短。同一溫度下,高性能聚氨酯膠結(jié)料比進(jìn)口聚氨酯膠結(jié)料和國產(chǎn)聚氨酯膠結(jié)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(jié)料的凝膠時間可達(dá)30 min以上,完全能滿足施工的需要。

        3種聚氨酯膠結(jié)料主要性能指標(biāo)見表2。

        由表2可見,高性能聚氨酯彈性體具有較為優(yōu)異的綜合性能,基本達(dá)到進(jìn)口材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

        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?guī)r礦粉,其基本技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)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(jié)料作為研究對象。

        表3 0~3 mm玄武巖集料的基本技術(shù)指標(biāo)

        表4 礦粉的基本技術(shù)指標(biāo)

        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(zhì)量比對聚氨酯彈性混凝土性能的影響,試驗結(jié)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(qiáng)度。當(dāng)?shù)V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(dāng)?shù)V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(jié)構(gòu),影響混凝土的力學(xué)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(jié)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(qiáng)度則是先增大后減小。當(dāng)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(qiáng)度較低;當(dāng)油石比高于23%時,混凝土施工和易性良好,但抗壓強(qiáng)度有所降低;當(dāng)油石比進(jìn)一步增加時,混凝土可能發(fā)生離析。同時考慮到經(jīng)濟(jì)性,確定聚氨酯彈性混凝土的油石比為23%。

        2 結(jié)果討論與應(yīng)用

        2.1 力學(xué)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(qiáng)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(xué)性能,試驗結(jié)果見表7。

        表7 聚氨酯彈性混凝土抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果 MPa

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

        2.2 彈性恢復(fù)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(fù)率(試件尺寸為200 mm×20 mm×20 mm)和壓縮彈性恢復(fù)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(fù)能力,試驗結(jié)果見表8。

        表8 聚氨酯彈性混凝土彈性恢復(fù)試驗結(jié)果 %

        由表8可見,3種聚氨酯彈性混凝土的拉伸彈性恢復(fù)率和壓縮彈性恢復(fù)率高達(dá)99%以上,在實際使用過程中能夠在發(fā)生應(yīng)變后快速恢復(fù)原形,表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性恢復(fù)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(jié)果見表9。

        表9 聚氨酯彈性混凝土車轍試驗結(jié)果

        由表9可見,3種聚氨酯彈性混凝土的車轍動穩(wěn)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(xiàn)出極為優(yōu)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(wěn)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(jié)果見表10。

        表10 聚氨酯彈性混凝土低溫彎曲試驗結(jié)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(yīng)變特別高,抗彎強(qiáng)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(yīng)變達(dá)到了80 000×10-6,與進(jìn)口聚氨酯彈性混凝土相當(dāng),略高于國產(chǎn)聚氨酯彈性混凝土。聚氨酯彈性混凝土均具有非常優(yōu)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(yōu)勢。

        2.5 水穩(wěn)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(wěn)定性能,試驗結(jié)果見表11。

        表11 聚氨酯彈性混凝土浸水馬歇爾試驗結(jié)果

        由表11可見,3種聚氨酯彈性混凝土的浸水馬歇爾穩(wěn)定度均大于95%,說明水分對混凝土的破壞作用較小,表現(xiàn)出優(yōu)異的水穩(wěn)定性能,基本不會出現(xiàn)水損害問題。這是由于聚氨酯彈性混凝土采用細(xì)級配及高油石比的緣故,因而其空隙率很低(<1%),進(jìn)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(jié)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(jié)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(jié)強(qiáng)度,試驗溫度為25 ℃和60 ℃,試驗結(jié)果見表12。

        表12 聚氨酯彈性混凝土與基面剪切試驗結(jié)果

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

        2.7 應(yīng)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(xù)縫修補(bǔ),施工完后不需灑水,養(yǎng)護(hù)一定時間后,即可開放交通。氣溫越高,養(yǎng)護(hù)時間越短,常溫養(yǎng)護(hù)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(jié)論

        1) 礦料級配對聚氨酯彈性混凝土施工和易性和抗壓強(qiáng)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(nèi),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(qiáng)度則是先增大后減小,綜合考慮經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度為16.5 MPa,拉伸彈性恢復(fù)率和壓縮彈性恢復(fù)率高達(dá)99%以上,70 ℃動穩(wěn)定度為57 273 次/mm,-10 ℃低溫抗彎應(yīng)變達(dá)到了81 477×10-6,殘留穩(wěn)定度大于95%,25 ℃與水泥板和改性瀝青混合料SMA10的界面黏結(jié)強(qiáng)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(xué)性能、高低溫性能、彈性恢復(fù)能力、水穩(wěn)定性能和界面黏結(jié)性能,其使用性能基本達(dá)到進(jìn)口材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),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(xù)美觀,同時延長了橋梁伸縮縫的使用壽命。

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