高速公路路面快速修复用聚氨酯混凝土的研究.pdf

2 0 1 1年 第 5期 (总 第 2 5 9期 】 Nu mb e r 5 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACTI C AL T ECHN0LoGy d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 5 0 4 3 高速公路路面快速修复用聚氨酯混凝土的研究 张文静 ，王晖 ，尹健 ，周静 ，庄彩虹 ，傅俊添 ，武宝新 ，金龙 ， ( 1 中南大学 化学化工学 院，湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ；2 中南大学 土木建筑学 院，湖南 长沙 4 1 0 0 1 2 ) 摘要 ： 开展 了适 于高速公路路面面层快速修补的聚氨酯混凝土的系统研究 ， 考察 了水泥砂石 比、 胶骨 比、 固化剂用量和稀释剂用量等 对聚氨酯混凝土力学性能 的影响 ， l并将试验得到 的最优配合 比材料用于废 I H 水泥块 的修补 ， 同时运 用扫描 电子显 微镜 ( S E M) 分 析检测 了 聚氨酯混凝土的微观结构和其与废 旧水泥块的黏结情况 结果表 明： 试件 于 2 h时 的抗折强度达 6 6 7 MP a ， 抗 压强度达 9 1 5 MP a ， 已远远 超过相关国标要求 ， 可实现高速公路路面在 2 h 之 内的怏速修 复； S E M 图显示 聚氨酯分子与骨料以及聚氨酯混凝土与水泥块之间黏结紧密 ， 表明材料在具备快速修复特点的同时兼具 良好的力学性能。 关键 词： 聚氨酯混凝土 ；硬质聚氯酯泡沫塑料 ；_力学性 能；路面快速修复 ；高速公路 中图分类号： T U5 2 8 0 4 2 文献标志码 ： A 文章 编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 1 2 8 0 4 Ex per i m en t al s t udy on t he pol yur e t ha ne c onc r e t e us e d f o r r a pi d r e pai r o f h i gh w a y pa ve m en t Z HA NG We n -j i n g ， WA NGHu i ， YI NY i a n 2 Z HOUJ i n g ， Z HU ANGC a i h o n g ， F uJ u n t i a n ， WUB a o - x i n J I NL o n g ( 1 C o l l e g e o f C h e mi s t r y a n dC h e mi c a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t y ， C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 1 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e po l y u r e t h a n e c o n c r e t e f o r r e pa i r i n g r a p i d l y p a v e me n t s u r f a c e c o u r s e o f h i g h wa y wa s s y s t e mi c a l l y c a r r i e d o u t Th e f a c t o r s s u c h a s c e me n t s a n d a n d s t o n e r a t i o， c o l l o i d - a g g r e g a t e r a t i o， a mo u n t o fc u r i n g a g e n t a n d d i lu e n t o n m e c h a n i c a l p r o pe ai e s oft h e p o l y u r e t h a n e c o n c r e t e we r e i n v e s t i g a t e d Th e ma t e r i a l i n o p t i ma l f o r mul a wa s u s e d i n r e p a i r ing t h e b r o k e n c e me n t b l o c k s An d mi c r o s t r u c t u r e o f p o l y u r e t h a n e c o n c r e t e a n d bo n di n g s i t u a t i o n o f t h e n e w ma t e ria l s wi t h t h e o l d we r e o b s e r x ， e d t h r o u g h S EM t e s t s Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e fle x u r a l s tr e n g t h o f t h e s p e c ime nfor 2 hwa s 6 6 7MP a ， a n dt h e c o mp r e s s i v e s t r e n gthWa s 9 1 5MP a whi c hf a r e x c e e d e dt h e r e q u i r e me nt i n r e l a t e dGBTh ema t e r i a 1 i Sh o p e f u l t o a c h i e v e r a p i d p a v e me n t r e p a i r o f hig h wa y i n 2 h ， S EM i ma g e s i n d i c a t e d t h a t p o l y ur e t h a n e mo l e c u l a r a n d a g g r e g a t e we r e fir ml y b o n d e d t o e a c h o t h e r ， a n d S Owe r et h ep o l yu r e t h a n e c o n c r e t ea n d c e me n t b l o c k s ， t h em a t e r i a l h a d c h a r a c t e r i s t i c o f r a p i d r e p a ira swe l l a sg o o dme c h a ni c a l p r o p e r t y Ke y w or ds ： p o l y u r e t h a n e c o n c r e t e； rig i d p o l yu r e t h a n e fo a m ； me c h a n i c a l p r o p e r t y； r a pi d pa v e m e n t r e p a i r ； hig h wa y 0 引言 现代社会交通压力的 日益增加 ， 各种路面破损的情况愈来 愈频繁， 这激发了人们对路面快速修复技术进行更加全面的研 究 1】 。 高速公路路面抢修就是用最短的时间修复好可供车辆正常 通过的高速公路路面， 修复的路面结构应具有足够的承载强度 、 良好的平整度以确保车辆在高速公路上的行驶安全。 聚合物混凝土是以聚合物为唯_皎结材料的混凝土 ， 在我 国也常常称之为树脂混凝土或塑料混凝土。 聚合物混凝土具有 优 良的耐久性( 包括耐水、 耐冻融、 耐腐蚀等 ) 、 可在常温或低温 下 固化 、 抗折和抗压 强度 都很 高等优点 ， 一般 来说 ， 2 4 h的强度 可以达到最终强度的 8 0 ：再者， 聚合物混凝土在大多数材料上 都具有很好 的黏 附性 ， 是一种优秀的快速修补材料 。 聚氨酯材料是一类“ 可设计的” 高分子材料 ， 通过改变原料 化学结构、 规格 、 品种等， 调节配合比组合， 可得到不同性质的 产品14 。 硬质聚氨酯泡沫塑料( 简称“ 硬泡” ) 具有质量轻 、 比强度 高 、 与其他物质黏结力强 、 耐老化性能好及可实现快速固化等 特点， 是一种优 良的结构材料 。 美国等国家自2 0世纪9 O年代 以来开始了以聚氨酯硬泡作为道面抢修材料的研究 7 9 1 。 本研究 以一步法合成聚氨酯硬泡的最优配合比为基础， 结合普通混 凝土u r 艺 ， 制备聚氨酯混凝土材料， 测定其相关力学性能参数， 确定其最优制备方案， 同时将材料应用于废旧水泥块的修补， 采用 S E M 分析检测新旧材料的黏结情况 ， 研究聚氨酯混凝土作 为高速公路路面快 速修 复材料的可行性 。 1试 验 部 分 1 1 试 剂 聚醚多元醇 H 8 4 0 4 ， 南京红宝丽股份有限公司； 异氰酸酯 P M一 2 0 0 ， 烟 台万华聚氨酯股份有限公司； 有机硅稳泡剂 A K8 8 0 5 ， 南京德美世创化工有限公司 ； 有机锡催化剂 T 9 ， 上海启光工 贸有限公司； 叔胺类催化剂 A 3 3 ， 上海启光工贸有限公司； 自 来水 ； 固化剂 H AR T C UR E 3 0 ， 杭州崇舜化学有限公 司； 中砂 ( 表观密度 2 6 0 g c m ， 堆积密度 1 5 0 g c m ) ， 市售 ； 碎石( 粒 径 5 1 0 I T U T I ) ， 市售 ； 填料 4 2 5级水泥， 市售 ； 稀释剂丙酮， 衡 阳市凯信化丁试剂有限公司。 除丙酮是分析纯外， 其余均为工 、 f 品 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 0 8 基金项 目：中南 大学前沿研究计划重点项 目( 2 0 1 0 DX P Y0 0 9 ) ； 国家大学 生创新性实验资助项 目( L D0 9 1 6 2 ) 1 28 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 仪 器和设备 D J I C型增力电动搅拌器 ； NYL 一 6 0型压力试验机； D KZ 一 5 0 0 0 型电动抗 折试 验机 ； E H DC型恒加 载 压力 试验 机微机 控制 系 统 ； T Y W- 3 0 0型微机控制式 电液式压力试验机 ； S I R I O N 2 0 0场 发射扫描电镜 ； 模具 ， 4 0 mmx 4 0 mmx l 2 0 mm等 。 1 3 硬 质 聚氨 酯泡 沫塑料 的合成 按配合比将一定量 H 8 4 0 4 、 A K8 8 0 5 、 T 9 、 A 3 3和水高速搅 拌， 制得“ 白料” 。由异氰酸酯指数( R) 计算得到P M一 2 0 0 ( “ 黑料” ) 的质量， 与高速搅拌的白料混合均匀后， 静置发泡。 2 mi n内发泡 结束， 3 0 mi n内基本硬化。 通过排水法测表观密度， 求得发泡率。 通过对各影响因素进行分析 ， 获得最优配合 比( 质量份 ) 如下 ： H 8 4 0 41 0 0 ， A K8 8 0 5 3 ， 复#4 4 L N( A一 3 3 与 T 一 9 之比为 3 ：2 ) 1 ， 水 2 ， P M一 2 0 0 质量按 R为 1 4 计算得到。 试件的表观密度为 0 1 0 1 e d mI ， 体积发泡倍率为 l 0 ， 抗压强度为 0 9 7 2 MP a 。 1 4 聚氨 酯混凝 土 的制备 采用上述最优 配合 比制得 白料 ， 根据配合 比 ， 以黑 料一 白 料一丙酮一水泥砂石混合物一固化剂的顺序加料， 同时快速搅 拌至均匀， 装模， 加压成型， 自然养护至适当龄期后进行抗折强 度 和抗压强度的测定 。 抗折强 度测定试验 中 ， 加压 至试件 断裂 ， 此 强度 即为该 试 件的抗折强度， 每组有效试验不少于3个。 抗压强度测定试验中， 测定受压面积 4 0 m mx 4 0 mm。 以抗折强度测定后 的两件试件作 为测量对象， 原始试件的抗压强度取两次测量的平均值。 2 结果与讨论 2 1 水泥砂石比( C： S ) 对试件力学性能的影响 称取 白料 1 5 g ， 黑料 2 7 g ， 丙酮 4 g ， H AR T C U R E 3 0 3 g ， 胶 骨比( 聚氨酯及其他助剂如固化剂 、 稀释剂等与砂石、 水泥等骨 料 的质量 比) 1 ： 7 ， 改变水 泥砂石 比。 试件室温养护 1 2 h 。 取 5个 试件 C ： S值依次为 l ： 6 、 1 ： 7 、 1 ： 8 、 l ： 9 、 0 ： 9 ， 水泥砂石比与聚氨酯混 凝土力学性能的关系见图 1 。 山 越 跫 L I ： 图 1 水泥砂石比与聚氨酯混凝土力学性 能的关 系 由图 1 可以看出， 混凝土试件的抗压强度和抗折强度都随 水泥用量的减少呈上升的趋势。 不添加水泥试件的力学性能虽好 ， 但试件表面平整度不如添加水泥的试件。 综合考虑试件的抗折强 度、 抗压强度以及试件的表面平整度 ， 试验选择水泥砂石比C ： S 为 l ： 8 。 2 2正 趸试 验 影响 聚氨酯混凝土 固化速度 和试件成型状 态 的主要因素 有固化剂用量 、 稀释剂用量和胶骨 比等 。 为了充分分析这 3 个 因 素对聚氨酯混凝土试件力学性能的影响， 试验采用 了三因素三 水平的正交试验方式， 不考虑因素问的交互作用， 选用 k( 3 ) 正 交表， 试验因素水平见表 1 ， 其中试验采用水泥砂石比 1 ： 8 。 试件 加压成型， 自然养护 2 、 5 、 2 4 h后拆模。 对 9个试件进行早期强度 测试， 计算出各强度指标下各个因素的极差， 结果见表 1 - 3 。 表 1 试验 因素水平 表 2 正交试验 结果 表 3 因素极差计算结果 因素 极差 R 抗折强度 MP a 抗压强度 MP a 2h 5 h 2 4 h 2 h 5 h 2 4h 通过对正交试验结果的分析， 最优材料配合 比为胶骨比选 用 1 ：6 ， P U与固化剂的用量之比选用 1 0 ： 1 ， P U与丙酮的用量之 比选用 1 3 ： 1 或 6 ： 1 。 试验 中发现当 P u与丙酮之比为 6 ： l 时 ， 物料 的流动性较好 ， 但对应的发泡速度较快 ， 操作性不好 ， 故选择 P U与丙酮质量之比 1 3 ： 1 。 P U与固化剂的用量之比对试件的指标影响最大， P u与丙 酮的用量之比以及胶骨比次之， 且两者近似。 固化剂能为聚氨酯混 凝土提供早期强度， 若固化剂用量大， 固化剂则试件将较决硬化； 胶骨比影响着骨料和聚氨酯间支撑网络的形成状态 ， 若胶骨 比太 小， 骨料相对较多， 体系流动性小 ， 操作性不好 ； 稀释剂降低了液 体原料的黏度， 便于骨料和液体原料的混合， 但加入稀释剂的量 l 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 6中较光滑面为聚氨酯混凝土部分， 凹凸不平面为废旧 水泥块部分 ， 与水泥块连接 的部分是聚氨酯 。 从 S E M 图中可以 看出聚氨酯混凝 土能较好地嵌 于废 旧水泥块 的不规则 断面处 ， 填满不平整交界 ， 且 两者之间 的黏结非常 紧密 ， 一定 程度上表 明了聚氨酯混凝土材料用于路面修复的适用性。 聚氨酯的黏结 特性 不仅可 以改 善混凝土 的性能 ， 还可 以使 两种材料间的界面 黏结强度提高， 强化薄弱的界面区。 4结 论 ( 1 ) 硬质聚氨酯泡沫塑料制备的最优配合 比( 质量份 ) 为 ： H8 4 0 4 1 0 0 ， AK 8 8 0 5 3 ， 复合催 化剂 ( A 3 3与 T 一 9之 比为 3 ： 2 ) 1 ， 水 2 ， P M 2 0 0质量按 R为 1 4计算得到。 试件的表观密度为 0 1 0 1 g m L， 体积发泡倍率为 1 0 ， 抗压强度为 O 9 7 2 MP a 。 ( 2 ) 聚氨酯混凝土制备的最优方案为胶骨 比 l ： 6 ， 水泥砂石 比 1 ： 8 ， P U： 固化剂 1 4 ： 1 ， P U： 丙酮 1 3 ： 1 。 试件在 2 h时的抗折强度 远远超过 J T J 0 7 3 1 2 o 0 1中“ 开放交通时路面混凝土最低抗折 强度应达到原板块设计强度 ( 一般 为 4 0 MP a ) 的 7 0 以上 ” 的 要求， 可实现高速公路路面在 2 h内的快速修复。 ( 3 ) 通过观 察宏 观实物照 片与微观结构表 征 ， 聚氨酯 分子 与骨料以及聚氨酯混凝土与水泥块之间黏结紧密， 孑 L 隙填充致 密， 形成了有机一 无机复合网络结构 ， 因而在具备快速修复特点 的同时兼具 良好的力学性能。 参考文献： 【 1 崔玉红 ， 周世才， 严宗达国 外道桥路面快速抢修技术研究述评 ， 一) 【 q 第十三届全国结构工程学术会议论 文集 井冈山 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 4： 4 6 4 47 8 【 2 钟世云 ， 袁华 聚合物在混凝土 中的应 用 M 北京 ： 化 学工业 出版 社 ， 2 0 0 3 3 】 李继业 ， 刘福胜 新型混凝土实用技术手册 M _ E 京 ： 化学工业出版 社 ， 2 0 0 5 【 4 】 徐培林 ， 张淑琴 聚氨酯材料手册【 M 】 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 2 5 朱吕民， 刘益军 聚氨酯泡沫塑料 M1 E 京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 6 】L I X i a o b i n ， C AO Ho n g - b i n ， Z HA N G Y i P r o p e r t i e s o f w a t e r b l o w n r i g i d p o l y u r e t h a n e foa ms w i t h d i f f e r e n t f u n c t i o n a l i t y J J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y - Ma t e r S c i E d ， 2 0 0 8 ， 2 3 ( O： 1 2 5 1 2 9 上 接 第 1 2 0页 下室结构的抗裂眭能， 从综合效益考虑， 显然是最优方案。 ( 2 ) 预应力混凝土扁梁 +双 向平板较普通混凝土梁板结构 有明显优势对于地下车库顶板需要作为上部嵌固层的结构， 需 要设置框架梁 ， 就楼盖本身造价而言， 预应力梁板结构与普通 混凝土梁板结构造价基本持平， 但由于预应力梁高度的降低 ， 可 以减少层高和基础的开挖 深度 ， 因而其综合价格较普通粱 板结 构降低 3 3 9 3 4 0 7 5 = 8 3 。 同时 ， 采用预应力框架梁 +双向大平 板形式， 可以取消次梁 ， 简化了支模， 降低了模板费用 ， 而且可 以加快施工速度 ， 综合效益优 于普通混凝土主次梁结构 。 【 7 】 彭全敏 聚氨酯材料快速修补机场跑道的试验研究 阱天津 ： 天津大 学 ， 2 0 0 5 8 】MA R Z O C C H I A， R OB E R T N G， B OL E N C E R o a d p a v e me n t a n d r e p a i r ： U S P ， U S 4 2 6 5 5 6 3 P 1 1 9 8 1 0 5 0 5 9 】 丁雪佳， 薛海蛟， 李洪波 ， 等 硬质聚氨酯泡沫塑料研究进展【 J 化工 进展 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 7 8 2 8 2 【 1 0 S I N G H R， F E C H T E R R O n e s t e p p r o c e s s f o r r a p i d s t r u c t u r e r e p a i r ： U S A， U S 0 0 2 6 1 4 2 AI P 2 0 0 7 0 2 - 0 1 【 1 1 MON D A L P， KH AK H AR D V R e g u l a t i o n o f c e l l s t r u c t u r e i n w a t e r b l o w n ri g i d p o l y u r e t h a n e foa m J Ma e r o m o 1 S y m p ， 2 0 0 4 ( 2 1 6 ) ： 2 4 1 2 5 4 1 2 胡锋， 游飞越， 胡哲， 等 硬质聚氨酯泡沫塑料及其生产方法： 中国， C N1 0 1 1 2 5 9 1 0 A P I 2 0 0 8 0 2 2 0 1 3 1 王翔， 孙飞， 徐强， 等 高强度硬质聚氨酯泡沫塑料及其制备方法： 中 国 ， C N1 9 0 0 1 3 2 A L P 2 0 0 7 0 1 - 2 4 ( 1 4 】 何继敏新型聚合物发泡材料及技5 C M I 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 7 1 5 I C AO X i a ， J AME S L e e ， WI D Y A T o my ， e t a1 P o l y u r e t h a n e c l a y n a n o c o m pes i t e s f o a ms ： P r o c e s s i n g ， t ruc t u r e a n d p r o p e r t i e s J P o l y m e r ， 2 0 0 5 ， 4 6 ( 3 ) ： 7 7 5 7 8 3 1 6 V E R DO L O T T I L ， MA I O E D， L A V OR G N A M， e t a1 P o l y u r e t h a n e - c e - me n t b a s e d foa ms ： c h a r a c t e ri z a t i o n a n d p o t e n t i a l u s e s J J o u r n a l o f Ap - p l i e d P o l y me r S c i e n c e ， 2 0 0 8 ( 1 0 7 ) ： 1 8 1 7 S E O W J ， J U N G H C， K i m W NMe c h a n i c a l ， mo r p h o l o g i c a l ， a n d t h e r ma l p r o p e r t i e s o f ri g i d p o l y u r e t h a n e f o a ms b l o w n b y d i s t i l l e d w a t e r J J o u r - n a l o f Ap p l i e d P o l y m e r S c i e n c e ， 2 0 0 3 ， 9 0 ( 1 ) ： 1 2 2 1 1 8 庵i 屹， 韦灼彬 聚氨酯混合材料发泡技术现场试验研究 J 1 工程力学， 2 0 0 9 ( s 1 ) ： 2 5 2 2 5 6 【 l 9 】 唐希玲 高性能硬质聚氨酯泡沫塑料的制备及其阻燃性能的研究 D 1 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 7 【 2 0 G B T 5 0 0 8 】 一2 0 o 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准 s J _ 【 2 1 J T J 0 7 3 ， 1 2 o 0 1 ， 公路水泥混凝土路面养护技术规范 s 】 作者简介 联 系地址 联 系电话 张文静( 1 9 8 9 一 ) ， 女， 主要研究方向： 混凝土裂缝修补材料 研究 。 湖南省长沙市麓山南路 9 3 2 号 中南大学本部理学楼 1 0 5 ( 4 1 0 0 8 3 ) 0 7 3 l 一 8 8 8 3 6 3 0 9 参考文献 ： 1 徐金声， 薛立红 现代预应力混凝土楼盖结构【 M 北京： 中国建筑工 业 出版社 ， 1 9 9 8 2 1 许开成 ， 刘鹏 地下车库柱网及楼盖选型与经济分析【 J _ 地下空间与 工程学报， 2 0 0 7 ， 3 ( 3 ) 作者简介： 徐鹏( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 硕士， 工程师， 一级注册建造师。 联 系地址 ： 上海市 汝南街 7 6号 4 0 2室( 2 0 0 0 2 3 ) 联系电话 ： 1 3 8 1 8 4 5 1 1 4 5 、 、 、 p p 啊翻囝圜 行业工程标准 石灰石粉在混凝土中应用技术规程 获得立项 中华人民共和l 住房和城乡建设部以 关于印发 2 0 1 1 年工程建设标准规范制订 、修汀计划的通知 ( 建标【 2 0 n l 7 号) 文件 ， 下 达了2 0 1 1 年行业标准制修订计划 ， 石灰石粉在混凝土中应用技术规程 被列为制定项目 ，主编单位为中国建筑科学研究院。 l 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m