弹性混凝土伸缩缝聚氨酯胶结料的研制及性能

何雷蕾 全弘彬 邓 华 秦 耕 何 翔

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400067； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

1 概述

桥梁作为公路的重要组成部分，近年来我国相继发生桥梁垮塌事故。桥梁工程结构安全性、可靠性等技术问题[1]，成为当前我国桥梁界关注的焦点。桥梁伸缩缝填充材料作为影响桥梁质量的重要因素，其性能直接影响桥梁的安全性、使用耐久性等[2]。传统的伸缩缝的填充材料容易出现早期破坏，其主要破坏形式有：车辙、开裂、剥离等其他问题[3]。

胶结料作为影响伸缩缝填充材料性能最重要的因素。目前市面上伸缩缝填充材料的胶结料主要依赖进口国外的巴斯夫产品，但由于其价格高昂，大大的增加了施工成本。传统的国产聚氨酯胶结料，其性能较差[4]，针对以上原因，开发具有良好的弹性、韧性及耐久性的弹性混凝土伸缩缝的胶结料十分有必要。聚氨酯具有特强的粘结性能、耐温性、耐低温冲击性优秀，低温条件下、不脆、不开裂、韧性好、同时耐水性及耐酸碱性能非常优秀。聚氨酯合成速度可以任意调整[5]硬度可以调整可以满足不同的需要[6]。对比市面上主要用的伸缩缝填充材料的结合料巴斯夫产品，有着更有竞争力的价格优势，具有较大的运用价值和市场前景。

2 实验部分

2.1 试验原材料

自主开发的聚氨酯胶结料的合成原材料选取由华凯树脂有限公司的聚己内酯(f=0.7～1.1)，甲苯二异氰酸酯，3MOCA,BDO和张家港雅瑞化工有限公司生产的E300等为扩链剂作为主要合成材料。对比材料选用由德国巴斯夫集团的产品，简称为巴斯夫产品。

2.2 聚氨酯胶结料的性能测试

通过试验研究对比分析了聚氨酯胶结料及巴斯夫产品的各项性能，其中参照国标GB/T 531.1—2008测试其凝胶时间；根据ASTM D2240测试其硬度；在测试压缩率，参照ASTM D395；并参照ASTM D638测试其拉伸性能；在抗撕裂性能，参照了ASTM D624；并根据ASTM D638，测试抗热空气老化性能[8]。

2.3 聚氨酯弹性混凝土的性能测试

以聚氨酯胶结料和巴斯夫产品制成的弹性混凝土。弹性混凝土的性能决定着材料的路用性能，而胶结料的性能决定着弹性混凝土的性能[9]。对比其各项性能，通过参照ASTM STP252机测试其抗压强度；参照GB/T 15704—2012测试了其冲击性能；参照JTG E20—2011标准对抗车辙性能、粘结性能、低温性能及抗疲劳性能进行相关测试。

3 结果与讨论

3.1 聚氨酯胶结料的基本性能

3.1.1聚氨酯凝胶时间测定

以凝胶时间测定仪测试聚氨酯胶结料在不同温度下的凝胶时间(见图1)。测试结果见表1。

表1 聚氨酯凝胶时间测定

从表1可以看出，当温度为24 ℃时，凝胶时间约为30 min，优于巴斯夫的凝胶时间；当温度升至40 ℃时，凝胶时间仍然大于10 min。结果表明，聚氨酯胶结料在常温范围内，其凝胶时间较长，能够满足施工的需要。

3.1.2聚氨酯胶结料硬度测试

在两种试样不同位置测量硬度值，取中位数作为样品硬度值[10]，如表2所示。

表2 弹性混凝土胶结料固化物的硬度测试结果

由表2可知， 聚氨酯胶结料的邵氏D型硬度约为39，与巴斯夫的产品相比硬度相当，满足规范指标要求。

3.1.3聚氨酯胶结料的压缩永久变形

制备聚氨酯胶结料试样，测试其压缩率，压缩时间22 h，试验温度70 ℃，如表3所示。

表3 压缩率试验结果

由表3可知，自主开发的聚氨酯胶结料的压缩率在37%左右，满足巴斯夫指标要求及规范要求。

3.1.4聚氨酯胶结料拉伸性能

制备试样，待其完全固化后，测试拉伸性能。

由表4可知，在常温养护6 h聚氨酯胶结料即可达到4.5 MPa，养护1 d后，聚氨酯胶结料的拉伸强度即达到6.2 MPa左右，断裂伸长率接近300%，表明聚氨酯胶结料强度形成较快。当养护7 d后，聚氨酯胶结料拉伸强度接近7 MPa，断裂伸长率超过500%。结果表明，聚氨酯胶结料能在短时间内形成较高的强度，最终强度且其断裂伸长率远远超过规范要求值，并且略高于巴斯夫产品。

3.1.5聚氨酯胶结料抗撕裂强度

试验测定在25 ℃的温度下测试结合料的撕裂强度，如图2所示。

试验结果见表5。

表5 聚氨酯结合料抗撕裂性能

由表5可知，聚氨酯胶结料平均抗撕裂强度为1.75 kg/mm，抗撕裂强度高于巴斯夫产品。

3.1.6聚氨酯胶结料热空气老化

将聚氨酯胶结料养护完成后，切割成哑铃型试件，放置于70 ℃烘箱中老化72 h，测试试件老化前后的拉伸性能，结果如表6所示。

表6 聚氨酯热空气老化性能测试

由表6可知，聚氨酯胶结料在热空气的冲击下会发生材料老化，老化后其拉伸强度反而增加，而断裂伸长率下降明显。聚氨酯即使在老化后，性能仍优于巴斯夫产品，其指标仍然满足规范指标要求，证明聚氨酯胶结料具有一定的耐热老化性能。

3.2 弹性混凝土的性能对比

表7 自制聚氨酯弹性混凝土和巴斯夫弹性混凝土基本性能

实验测试选取骨料∶填料=70∶30 ，油石比20%，通过高温车辙实验、低温小梁三点弯曲试验、拉伸测试、弹性压缩测试、弹性恢复率测试、压缩弹性恢复率及疲劳测试，对自制聚氨酯弹性混凝土和巴斯夫弹性混凝土进行性能对比，见表7。

通过实验得知：通过车辙及小梁弯曲测试，证明聚氨酯弹性混合料具有良好的高低温性能；通过考察弹性混合料不同温度的情况下的拉伸变形能力，表明弹性混合料的拉伸性能对温度变化不敏感，能够在较宽的温度范围内正常使用；通过测试聚氨酯弹性混凝土的拉伸及压缩弹性恢复率，表明自主开发的聚氨酯弹性混凝土具有与巴斯夫产品同样优异的压缩弹性恢复率；研究了弹性混凝土的疲劳抗开裂性。通过研究发现自主开发的聚氨酯弹性混凝土与巴斯夫产品相比，具有与其同样优异的抗疲劳开裂性能。通过抗疲劳测试试验结果表明，自主开发的聚氨酯弹性混凝土伸缩缝具有比巴斯夫产品更加优异的疲劳耐久性。

4 结语

1)采用聚氨酯作为桥梁伸缩缝的填充材料中的胶结料，该产品具有较长的凝胶时间，能够满足施工的需求。该自制聚氨酯胶结料的硬度、压缩率、抗撕裂强度、耐热老化性均达到或超越巴斯夫产品，并且能在短时间内形成较高的强度。

2)采用自制聚氨酯胶结料成型的弹性混凝土的性能测试表明，其具有优良的高温稳定性和低温抗裂性，有较高的强度，具有较强的抗压性能以及优良的抗疲劳性，力学性能全面达到或超越目前应用较广的巴斯夫产品。

3)自制的聚氨酯胶结料的成本远低于巴斯夫产品，将其应用于桥梁弹性混凝土伸缩缝的胶结料，具有良好的市场前景。