水泥混凝土公路填缝材料的耐久性研究

摘要:制备了一种有机硅改性的聚氨酯填缝料,并对其各项性能进行测试,考察其耐久性。结果表明,改性后的聚氨酯填缝料的各项性能均得到了提高,是一种理想的水泥混凝土路面填缝料。

关键词:有机硅;填缝料;耐久性;剪切疲劳;弹性恢复率

中图分类号: U418. 6 文献标识码:A

引言

　　由于水泥混凝土路面具有承载能力大、性能稳定、使用寿命长、日常养护费用低等优点,同时我国水泥产量大、分布广,因此水泥混凝土路面在我国得到了广泛发展[ 1 ]。但水泥混凝土路面经常出现开裂、断板、沉陷、错台等危害,严重影响了水泥混凝土路面的承载能力和使用寿命。这些危害产生的原因很多,但很大程度上与接缝的破坏有关,而接缝的破坏又与填缝料的好坏有很大关系[ 2 ]。

　　水泥混凝土路面填缝料有两个主要功能,一是防止路面水渗入路基,路面水一旦沿缝渗入路基,将使路基强度降低,混凝土面板就会在交通荷载作用下发生开裂;二是防止接缝中落入杂物,砂、石子等硬物一旦落入接缝,就会使接缝失去胀缩功能,当路面板块随温度的升高而膨胀时, 接缝处混凝土往往被挤坏[ 3 ]。所以填缝料的好坏很大程度上影响了水泥混凝土路面的质量和使用寿命。

　　聚氨酯填缝料耐磨性、低温柔软性、粘结性、耐油性等性能优良,且其常温流动性能比较好,施工工艺简单,得到迅速发展[ 4 ] ,但是由于其防老化性较差(使用年限为2—3年) ,严重地制约了水泥混凝土路面的质量和使用寿命。制备了一种有机硅改性聚氨酯填缝料,并对填缝料的各项性能进行测试,对填缝料进行耐久性研究,取得了良好的效果。

1　实验部分

1.1　实验原料

　　聚醚二元醇,工业级; 聚醚三元醇,工业级; 反应性有机硅,工业级; 2, 4 - 甲苯二异氰酸酯,工业级(纯度≥98% ) ;二元硅酸二丁基锡,化学纯;其它助剂,工业级。

1.2　填缝料的制备

(1)甲组分的制备

　　将计量好的聚醚和有机硅加入带有温度计、搅拌装置、氮气保护装置的四口瓶中, 在110℃和-0.086MPa左右的真空度下脱水2—3h,将体系温度降至反应温度,滴加一定计量的2, 4—甲苯二异氰酸酯,反应维持2h左右,降温贮存备用。

(2)乙组分的制备

　　按配方称取聚醚多元醇、催化剂以及其他助剂,充分搅拌,混合均匀后在三辊研磨机上研磨至颗粒合格,在- 0.086MPa左右的真空度和80℃下减压脱水3h,关闭真空装置,降温后密封储存备用。

1.3　试样制备

1.3.1　拉伸性能测试试件的制备

　　将制备好的甲组分和乙组分按1 n 1.5 的比例混合,搅拌均匀后制成厚度为2mm的薄膜,待固化后制成标准哑铃型试件(如图1所示) 。

1.3.2　粘结性能测试试件的制备

　　(1)根据JC /T—2005《道桥嵌缝用密封胶》对试验基材的要求标准,将42.5 普通硅酸盐水泥、标准砂、水按一定比例混合制成砂浆,填入“8”字形模具中, 24h后拆模,在(20 ±1) ℃的水中放置7d后,取出干燥至恒重后备用。

　　(2)将自制填缝料甲、乙组分按1 n 1.5 的配比混合,充分搅拌至无气泡生成,用其粘结水泥模块,制成如图2所示的粘结测试试件。

1.4　性能测试

　　(1)弹性恢复率测试。将制备好的试件在标准试验条件下放置28d后,按GB /T 13477.17—2002中所述的方法进行试验。

　　(2)力学性能测试。将制备好的试件在标准试验条件下放置28d后,按JC /T 976—2005 在XL—100A型万能拉力机上进行,内聚破坏拉伸速度为500mm /min,粘结测试拉伸速度5mm /min。

　　(3)耐水性能测试。将制备好的试件在标准试验条件下放置28d 后,放在( 23 ±2 ) ℃蒸馏水中浸泡4d,接着将试件于标准试验条件下放置1d,进行性能测试。

　　(4)耐油性能测试。将制备好的试件在标准试验条件下放置28d后,放在(23 ±2) ℃的无铅汽油中浸泡24h,取出试件擦洗干净,在标准试验条件下放置1d,进行测试。

　　(5)耐老化性能测试。老化试验在ATLAS人工气候加速老化试验仪中进行, 辐照波长为300—400nm, 老化时间定为180h,黑板温度计温度为(65 ±3) ℃,喷水时间为( 18 ±0.5) min,二次喷水之间的干燥间隔为( 102 ±0.5) min。试样老化后进行性能测试。

　　(6)抗剪切疲劳性能测试。将制备好的试件在标准试验条件下放置28d后,剪切疲劳试验在US—52型疲劳试验机上进行,振动频率为90转/min,测试温度为(23 ±2) ℃。

　　(7)热压冷拉后粘结性能测试。将制备好的试件在标准试验条件下放置28d后,按GB /T 1.477.13—2002中所述方法进行试验。

2　实验结果与讨论

2.1　弹性恢复率和针入度测试

　　弹性恢复率反映填缝料产生的变形能否恢复的程度。用于作填缝料的材料必须有很强的弹性恢复能力,否则,板块膨胀、接缝收缩后填缝料就会高出路面,长期受到车轮的挤压和摩擦,寿命降低。同时填缝料必须具有一定的硬度,避免沙子、石子等硬物的嵌入而使接缝失去胀缩功能。见表1。

　　从表1可以看出,经有机硅改性后的聚氨酯填缝材料针入度较非焦油聚氨酯填缝料有所降低,但能够达到抵抗砂石等硬物嵌入的要求;改性后的填缝材料的弹性恢复率得到了较大的提高,增强了填缝料变形后恢复原状的能力。

2.2　耐水性能测试

　　水泥混凝土路面填缝材料必须具有优异的防水功能,否则路面水会经接缝渗入路基,路基长期受水浸泡就会软化,强度降低,致使水泥混凝土路面板在行车荷载作用下会产生裂缝、唧泥、错台等病害。见表2。

　　水对聚氨酯填缝料的作用有两种[ 5 ] :一是所吸的水产生增塑作用,即水与聚氨酯中的极性基团形成氢

键,使聚合物分子间的氢键减弱,物理性能降低,但此过程是可逆的,干燥后物理性能可以恢复;二是所吸的水使聚氨酯发生水解,此过程不可逆,由于酯基易水解,耐水性能差,对防水要求高的领域多采用聚醚型聚氨酯。实验采用有机硅对其进行改性,在聚氨酯主链上引入Si - O键, Si - O键键能大,对水很稳定,而且有机硅链段有很强的憎水性,浸水后材料的性能保持率达到95%以上。

2.3　耐老化性能测试

　　自然界的气候变化会加速密封材料的老化,使填缝料粘结力下降,最终导致填缝料的断裂或从混凝土脱落,丧失密封防水性能,路面水经缝隙进入路基降低路基强度。由于水泥混凝土路面填缝料在使用过程中要长期暴露在自然界中,所以耐老化性是路面填缝料必须考察的一个重要指标,老化试验通过ATLAS人工气候加速老化试验仪人为实现,见表3。

　　经老化后, 填缝料的各项性能均降低, 这是由于在长期的紫外线作用下,聚氨酯主链上的弱键断裂,从而导致填缝料的性能降低。通过有机硅改性,填缝料的耐老化性能均得到提高。因为在聚氨酯分子主链中引入了硅氧键,而硅氧键键能大, 高达422.5 kJ /mol,键角较宽,较易旋转,这就意味着有机硅采取一种无规线圈构型,有高度抗紫外线和臭氧等性能,使得有机硅材料在受到自然界紫外线的长期照射时,不易发生自然断链、降解等现象[ 6 ] 。

　　可见在填缝料中引入有机硅材料,能有效地解决聚氨酯填缝料耐老化性、耐候性差的缺点,延长填缝料的使用寿命,从而提高水泥混凝土路面的质量和使用寿命。

2.4　耐油性能测试

　　浸油会造成填缝材料的各种性能下降,最后导致填缝料的破坏,失去密封保护作用。浸油试验的目的是考察填缝料的耐油性,耐油性是评价填缝材料性能优劣的一项重要指标,见表4。

　　经过无铅汽油浸泡后,填缝料的质量增加,这是由于聚氨酯填缝材料属高分子聚合物,汽油渗入分子链间难以挥发,使质量增加;同时渗入的汽油使缠绕在一起的高分子主链溶胀开来,交联程度降低,分子链间的作用力减弱,内聚能减小,导致拉伸强度和断裂伸长率变小。在聚氨酯分子主链中引入有机硅链段,使分子链中的极性基团增多,同时分子链间的氢键作用增大,分子间作用力增强,内聚能增大,所以改性后的聚氨酯填缝料的耐油性较为改性的聚氨酯填缝料的耐油性有所提高[ 7 ]。

2.5　热压冷拉后粘结性能测试

　　水泥混凝土路面属刚性路面,随温度的升降会产生胀缩。当温度升高时,面板膨胀致使接缝收缩,挤压填缝料;当温度降低时,面板收缩致使接缝扩张,拉伸填缝料[ 8 ]。热压冷拉试验用以模拟水泥混凝土路面板随温度变化的位移,考察填缝材料经受伸缩循环后的拉伸粘结性能。见表5。

　　在聚氨酯主链中引入有机硅链段,有效地提高了填缝料的伸缩疲劳的抵抗能力,这是由于分子链中引入了含有硅氧键( Si - O)的柔性链段, Si - O键比C -C键和C - O 键的键长大,键角也大,内旋转更为容易,高分子链柔顺性好[ 9 ] ,使填缝料的变形适应性提高。

2.6　抗剪切疲劳性能测试

　　在实际路面中填缝料除受拉伸压缩循环作用外,还会在车轮作用受到垂直路面方向的剪切循环作用[ 10 ] ,如图3所示,剪切疲劳试验用以模拟这种剪切疲劳作用,考察填缝料经受剪切循环后的粘结性能。

　　经过剪切疲劳试验,有机硅改性聚氨酯填缝料在经受300次的剪切疲劳循环后仍没有遭到破坏,耐疲劳性能优良。见表6。这是由于有机硅改性聚氨酯分子主链中引入了有机硅链段,使聚氨酯分子链变得柔韧,而且硅氧键键能大,不易破坏,耐疲劳性能优良。

3　结论

　　(1)通过力学性能测试、耐水性能测试、耐老化性能测试、耐油性能测试、热压冷拉后粘结性能测试、抗剪切疲劳性能测试等手段更全面的考察填缝料的耐久性,为评价填缝料的优劣提供了有效的依据。

　　(2)合成一种有机硅改性的聚氨酯填缝料,其各项性能均得到了提高,其中最突出的优点就是其耐老化性比未改性的聚氨酯填缝料有了较大提高,老化后性能保持率达到了90%以上,对提高水泥混凝土路面的质量和使用寿命提供了保障。

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