弹性聚氨酯型混凝土道路嵌缝胶研制与应用

摘 要：采用聚氧化丙烯三醇，甲苯二异氰酸酯等为原料成功研制出弹性聚氨酯型混凝土道路嵌封胶。该嵌缝材料具有伸长率大、弹性高、与混凝土粘接力强、色彩可调、表干时间适宜，并可在缝内潮湿情况下施工等技术特点。该材料主要性能指标优于国内同类产品，目前已在广东省内数条混凝土道路上获得了推广应用并取得良好的技术效果。

关键词：聚氨酯；混凝土道路；嵌封胶

中图分类号：TQ323.8 文献标识码：A 文章编号：1009-220X(2004)02-0009-05

　　混凝土道路是最主要的现代交通道路之一，为适应混凝土热胀冷缩变化，通常在混凝土道路的铺设中相隔数米会预留一条伸缩缝。为了防止水分从伸缩缝流入道路地基，造成地基软弱变形，进而危害混凝土层，伸缩缝往往都充填以防水为目的的嵌缝材料。目前国内外用作混凝土道路的嵌（封）缝材料主要有三大类：（1）石油沥青；（2）膨胀橡胶类；（3）弹性聚氨酯类。传统的混凝土道路嵌（封）缝胶采用的石油沥青耐老化性能差，热软冷脆，粘接力差，不能适应混凝土热胀冷缩变化[1,2]。膨胀橡胶类在国外少数国家有使用，但该材料也存在止水效果与混凝土基材强度有关，以及橡胶条一处破损整体漏水的技术弱点，因此应用规模并不大。作为混凝土嵌封胶，目前国内外应用性能相对较好的还是聚氨酯材料。

　　聚氨酯是一种发展迅速的多功能高分子合成材料，由于原料品种的多样化以及分子结构的可调节性，可制成泡沫塑料、弹性体、胶粘剂、涂料等多种产品形式，用途极其广泛。聚氨酯混凝土道路嵌缝胶按其分类和用途，可与聚氨酯胶粘剂、密封胶同类。在聚氨酯组份的基础上加上适量的填料以调整粘稠度制备建筑密封胶国内外早已有所报道。然而，混凝土道路嵌缝胶并不是聚氨酯密封胶材料系列的重复，它与密封胶材料在性能上有较大的差异，还有不少技术关键问题尚需攻克完善。

1 实验部分

1.1 原料

　　甲苯二异氰酸酯（TDI，工业品）；聚氧化丙烯三醇（N-3010，工业品）；聚氧化丙烯三醇（N-3050，工业品）；聚氧化丙烯二醇（N-220，工业品）。

1.2 嵌封胶A 组分的制备

　　嵌封胶A 组分的基本成分为按设计比例的不同聚醚聚氨酯预聚体，其反应可用如下化学反应通式表示：

　　将计算量的复合聚醚加入釜中，加热升温，釜内温度保持在110~115℃，真空脱水。脱水完毕，冷却降温。当釜内温度降至60℃以下时，慢慢加入定量的甲苯二异氰酸酯，继续加热，搅拌，使釜内温度保持在85~90℃范围，反应3.5 h。反应完毕，趁热在66.7~93.3 kPa的条件下真空脱泡30 min，用氮气消真空。

1.3 嵌封胶B 组分的制备

　　嵌封胶B 组分的主要成分包括：3,3’-二氯-4,4’-二氨基-二苯基甲烷（商品名MOCA（摩卡））、邻苯二甲酸二辛酯、增粘树脂、轻质碳酸钙、滑石粉等。将邻苯二甲酸二辛酯在加热状态下一边搅拌一边逐量加入摩卡固化剂、增粘树脂、消泡剂、触变剂等，待增粘树脂溶解完毕后，加入轻质碳酸钙、滑石粉等填料，高速分散20 min 后封装。

1.4 嵌缝胶的配制

　　将组分A 与组分B 按100∶250~300 的重量比混合搅匀即可。

1.5 嵌缝胶主要性能测试方法[3,4]

　　（1）表干时间参照JC 500-92 方法测试。（2）粘接强度按8 字模法测试。（3）测定断裂伸长率的固化样品宽和厚均为1.0 cm，参照JC 500-92 方法测试。（4）耐高温和低温脆性参照JC 500-92 方法测试。

2 结果与讨论

　　聚氨酯混凝土道路嵌封胶的性能取决于其A 组分和B 组分的配方和相应的制备工艺。A 组分和B 组分中的各组分是相互制约的关系，任何组分掺量发生变化，都有可能导致嵌封胶固化物性能的改变。

2.1 嵌封胶固化剂和消泡剂的选择

　　用作聚氨酯预聚体的固化剂通常有醇类和胺类两大类。醇类有1,4-丁二醇、二甘醇、甘油、三羟甲基丙烷、山梨醇等。胺类有3,3’-二氯-4,4’-二氨基甲烷。本嵌封胶选择3,3’-二氯-4,4’-二氨基甲烷，商品名摩卡（MOCA）为固化剂。

　　在固化剂与聚氨酯预聚体反应交联的同时，实际上也同时伴随着水与聚氨酯预聚体之间的反应。聚氨酯预聚体与水的反应可能通过如下几种途径发生：
　
　　（1）聚氨酯预聚体与填料中的水反应；　　

　　（2）聚氨酯预聚体与B 组分内各组分中的水反应；

　　（3）聚氨酯预聚体吸收了空气中的水反应；

　　（4）聚氨酯预聚体与混凝土道路施工缝中的水反应。但是，不管聚氨酯预聚体与来自何种途径的水反应，最终都将放出二氧化碳，使胶料发泡。而胶料发泡会引起如下几方面的技术问题：

　　（1）A 组分和B 组分共混后，由于发泡，使聚氨酯预聚体与水反应过剧，体系粘度增加很快，使混合浆料过快失去可灌性；

　　（2）混合浆料发泡，使固化物里残留大量气泡孔，固化物的机械物理性能急剧下降；

　　（3）混合浆料发泡，大量气泡使固结物体积增大膨胀，灌入施工缝中的胶料受压膨胀高出混凝土地表平面，易被车辆行人碰撞破损。

　　显然，能否吸收或抑制聚氨酯预聚体与水反应所产生的二氧化碳的气体是控制嵌封胶性能指标的技术关键。通过反复大批次的试验，我们发现了消泡剂-1 具有吸收和抑制体系中放出二氧化碳的功能，其掺量为A 组分和B 组分总重量的1% ~ 2%。表1 列出了不同掺量消泡剂-1 的体积变化率。

2.2 嵌封胶填料、触变剂、增粘剂的选择

　　聚氨酯嵌封料中添加合适与适量的填料，可以改进相应固化物的物理性能，对固化物起补强作用，可提高其力学性能，降低其收缩应力，增强对热破坏的稳定性，调节体系的粘度和降低成本。作为聚氨酯胶料体系，通常使用的填料有重晶石粉、沉淀硫酸钡、轻质碳酸钙、重质碳酸钙、滑石粉、瓷土等。经过一系列性能比较，本嵌封胶体系选择轻质碳酸钙、滑石粉等作为填料。

　　从可灌性的方面要求嵌缝胶应该有较小的粘度，但从嵌缝胶在混凝土切割缝的流动性能来看，粘度应该大到浆液至少不能在切割缝内流动，因此这是一个互相制约的技术难题，也同样是体现嵌缝材料是否有实用性的重要技术指标之一。我们根据灌浆材料的粘控和触变原理，经过大量的反复实验之后，选择了触变剂-HB。它既能有效地降低浆料的运动粘度从而顺利地达到灌注目的，又能降低灌注料的流动性能，达到使浆料不会往低处淌流的技术要求。

　　在聚氨酯嵌封料中加入增粘剂可提高胶粘剂的初粘性和粘度。常用的增粘树脂有萜烯树脂、酚醛树脂、萜烯酚醛树脂、松香树脂、丙烯酸酯齐聚物、苯乙烯齐聚物等。我们对每一种增粘树脂都进行了增粘对比试验，根据嵌缝胶性能平衡和增粘效果，最终选择了复合增粘树脂-HN 作为增粘剂。表2 列出了掺入138 松香树脂作为增粘剂后嵌封胶的各项性能变化。

　　2.3 嵌封胶聚氨酯预聚体（A 组分）中NCO/OH 对嵌封胶性能的影响采用二异氰酸酯与端羟基聚醚进行加聚而制成预聚体。如果反应物中的NCO/OH 的比例不同，预聚体的端基或为异氰酸酯基，或为羟基。如果甲苯二异氰酸酯过量，则可以形成末端为NCO 基的齐聚物，也就是我们通常所称的聚氨酯预聚体。显然，原料的当量比对齐聚物的相对分子质量、异氰酸根含量有很大影响，并且也将影响制品的性能。

　　根据高分子反应和固化的原理，聚氨酯要形成既有强度又有弹性的固化物须要有一定的交联度。本嵌封胶采用双官能团聚醚如N-220，三官能团聚醚如N-3010，N-3050 按一定比例相配的方法，解决了固化物力学强度和弹性相平衡的技术问题。表3 列出了甲苯二异氰酸酯（TDI）与聚醚N-220，N-3010，N-3050 复合物在不同NCO/OH 下固化物的性能。

　　从表3 可以看出，NCO/OH 比例升高，齐聚物中游离NCO 基的含量增多，经扩链交联后，由扩链剂与NCO 基反应所得的氨基甲酸酯结构单元的含量相应增加，表干时间缩短，预聚体放置稳定性变好，而固化物伸长率减少，粘接强度升高。

3 嵌封胶固化材料综合性能指标

　　在研究嵌封胶材料中每一组分对其性能影响的基础上，我们确定了本嵌封胶A 组分和B组分的最佳配方。在实际应用中，A 组分和B 组分按体积比1∶2 的比例相混，其固化物有如下的性能指标：颜色：黄色，有特殊要求可调色；表干时间：2~4 h；与混凝土粘接强度：＞10 kg/cm2；断裂伸长率：＞150%；耐高温：＞150℃；低温脆性：－30℃。与国内现有同类产品相比，本嵌封胶在耐高温，低温脆性等性能与其相当。而颜色可调性、表干时间、与混凝土粘接强度、断裂伸长率等性能方面要优于国内同类产品。

4 嵌缝胶的配制与使用方法

4.1 嵌缝胶的配制

　　将组分（A）与组分（B）按100∶250~300 的重量比混合搅匀即可。

4.2 嵌缝胶的使用方法

　　按规定要求切割道路混凝土，切割完毕后用水将缝内粉浆冲干净，待切割缝干燥后再进行嵌缝施工处理。施工前先将切割缝内泥土等杂物清理干净，清缝后马上嵌入背衬带（PE发泡条），深度宜保持4 cm，待切割缝全部嵌好后，将切割缝两头用发泡条封死，以免浆料往外流淌。A 组分和B 组分（注：B 组分使用前需搅拌均匀）按体积比为1∶2 的比例配料，在配料桶内快速搅拌均匀后倒入专用灌缝工具，灌入缝内的胶料以低于路面1~2 cm 为宜。

5 嵌缝胶的施工实例和获取成果情况

　　该弹性聚氨酯型嵌缝胶材料已由广州市公路局材料供应站工业化生产近三年，相应产品已在广东省内数条工路上包括广州市北二环工程约5 公里路段、广东兴宁市至梅州市约38公里新改建公路、沿海高速公路新会市路段（1.9 公里）等混凝土道路作灌缝使用，并获得良好的技术效果和社会经济效益。

　　弹性聚氨酯型嵌缝胶成果已于2000 年申报国家专利，专利名称为：“一种弹性聚氨酯型混凝土道路嵌封胶及其制法”，并已获授权。

　　弹性聚氨酯型嵌缝胶成果于2001 年4 月通过广东省科委组织的成果鉴定，成果水平为“国内领先水平”。

　　我国公路建设投资总规模“九五”期间将达到历史最高水平，政府大规模安排财政专项资金和增加银行贷款，使公路建设的投资水平达到了前所未有的高度，同时高等级的道路建设对配套的嵌缝材料也提出更高的要求，这为弹性聚氨酯混凝土道路嵌缝胶提供了广阔的市场前景。另外，弹性聚氨酯混凝土道路嵌缝胶还具有建筑密封胶、防水材料、涂料等性能，因此对配方稍加调整，同样可以成为这些行业的应用新材料，为产品拓宽了用途。

6 结论

　　弹性聚氨酯型混凝土道路嵌封胶是中国科学院广州化学研究所和广州市公路局材料供应站根据市政、公路、交通、建筑业提出的新要求，在吸收了国内外同类产品优点的基础上开发的新型弹性聚氨酯型嵌缝材料，该嵌缝材料具有伸长率大、弹性高、与混凝土粘接力强、色彩可调、表干时间适宜，并可在缝内潮湿情况下施工等技术特点。该材料主要性能指标优于国内同类产品，目前已在广东省内数条混凝土道路上获得了推广应用并取得了良好的技术效果。

参考文献：

　　[1] 李绍雄, 刘益军. 聚氨酯胶粘剂 [M]. 北京: 化学工业出版社, 1998.

　　[2] 沈春林, 苏立荣, 李芳. 建筑防水密封材料 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.

　　[3] JT/T203-95. 中华人民共和国行业标准 [S]. 公路水泥混凝土路面接缝材料.

　　[4] 现行建筑材料规范大全[M]. 中国建筑工业出版社, 1995. 1283-1288._