彈性聚氨酯型混凝土道路嵌縫膠研制與應(yīng)用

摘 要：采用聚氧化丙烯三醇，甲苯二異氰酸酯等為原料成功研制出彈性聚氨酯型混凝土道路嵌封膠。該嵌縫材料具有伸長率大、彈性高、與混凝土粘接力強(qiáng)、色彩可調(diào)、表干時間適宜，并可在縫內(nèi)潮濕情況下施工等技術(shù)特點(diǎn)。該材料主要性能指標(biāo)優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品，目前已在廣東省內(nèi)數(shù)條混凝土道路上獲得了推廣應(yīng)用并取得良好的技術(shù)效果。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；混凝土道路；嵌封膠

中圖分類號：TQ323.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-220X(2004)02-0009-05

　　混凝土道路是最主要的現(xiàn)代交通道路之一，為適應(yīng)混凝土熱脹冷縮變化，通常在混凝土道路的鋪設(shè)中相隔數(shù)米會預(yù)留一條伸縮縫。為了防止水分從伸縮縫流入道路地基，造成地基軟弱變形，進(jìn)而危害混凝土層，伸縮縫往往都充填以防水為目的的嵌縫材料。目前國內(nèi)外用作混凝土道路的嵌（封）縫材料主要有三大類：（1）石油瀝青；（2）膨脹橡膠類；（3）彈性聚氨酯類。傳統(tǒng)的混凝土道路嵌（封）縫膠采用的石油瀝青耐老化性能差，熱軟冷脆，粘接力差，不能適應(yīng)混凝土熱脹冷縮變化[1,2]。膨脹橡膠類在國外少數(shù)國家有使用，但該材料也存在止水效果與混凝土基材強(qiáng)度有關(guān)，以及橡膠條一處破損整體漏水的技術(shù)弱點(diǎn)，因此應(yīng)用規(guī)模并不大。作為混凝土嵌封膠，目前國內(nèi)外應(yīng)用性能相對較好的還是聚氨酯材料。

　　聚氨酯是一種發(fā)展迅速的多功能高分子合成材料，由于原料品種的多樣化以及分子結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)性，可制成泡沫塑料、彈性體、膠粘劑、涂料等多種產(chǎn)品形式，用途極其廣泛。聚氨酯混凝土道路嵌縫膠按其分類和用途，可與聚氨酯膠粘劑、密封膠同類。在聚氨酯組份的基礎(chǔ)上加上適量的填料以調(diào)整粘稠度制備建筑密封膠國內(nèi)外早已有所報(bào)道。然而，混凝土道路嵌縫膠并不是聚氨酯密封膠材料系列的重復(fù)，它與密封膠材料在性能上有較大的差異，還有不少技術(shù)關(guān)鍵問題尚需攻克完善。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

　　甲苯二異氰酸酯（TDI，工業(yè)品）；聚氧化丙烯三醇（N-3010，工業(yè)品）；聚氧化丙烯三醇（N-3050，工業(yè)品）；聚氧化丙烯二醇（N-220，工業(yè)品）。

1.2 嵌封膠A 組分的制備

　　嵌封膠A 組分的基本成分為按設(shè)計(jì)比例的不同聚醚聚氨酯預(yù)聚體，其反應(yīng)可用如下化學(xué)反應(yīng)通式表示：

　　將計(jì)算量的復(fù)合聚醚加入釜中，加熱升溫，釜內(nèi)溫度保持在110~115℃，真空脫水。脫水完畢，冷卻降溫。當(dāng)釜內(nèi)溫度降至60℃以下時，慢慢加入定量的甲苯二異氰酸酯，繼續(xù)加熱，攪拌，使釜內(nèi)溫度保持在85~90℃范圍，反應(yīng)3.5 h。反應(yīng)完畢，趁熱在66.7~93.3 kPa的條件下真空脫泡30 min，用氮?dú)庀婵铡?/P>

1.3 嵌封膠B 組分的制備

　　嵌封膠B 組分的主要成分包括：3,3’-二氯-4,4’-二氨基-二苯基甲烷（商品名MOCA（摩卡））、鄰苯二甲酸二辛酯、增粘樹脂、輕質(zhì)碳酸鈣、滑石粉等。將鄰苯二甲酸二辛酯在加熱狀態(tài)下一邊攪拌一邊逐量加入摩卡固化劑、增粘樹脂、消泡劑、觸變劑等，待增粘樹脂溶解完畢后，加入輕質(zhì)碳酸鈣、滑石粉等填料，高速分散20 min 后封裝。

1.4 嵌縫膠的配制

　　將組分A 與組分B 按100∶250~300 的重量比混合攪勻即可。

1.5 嵌縫膠主要性能測試方法[3,4]

　　（1）表干時間參照J(rèn)C 500-92 方法測試。（2）粘接強(qiáng)度按8 字模法測試。（3）測定斷裂伸長率的固化樣品寬和厚均為1.0 cm，參照J(rèn)C 500-92 方法測試。（4）耐高溫和低溫脆性參照J(rèn)C 500-92 方法測試。

2 結(jié)果與討論

　　聚氨酯混凝土道路嵌封膠的性能取決于其A 組分和B 組分的配方和相應(yīng)的制備工藝。A 組分和B 組分中的各組分是相互制約的關(guān)系，任何組分摻量發(fā)生變化，都有可能導(dǎo)致嵌封膠固化物性能的改變。

2.1 嵌封膠固化劑和消泡劑的選擇

　　用作聚氨酯預(yù)聚體的固化劑通常有醇類和胺類兩大類。醇類有1,4-丁二醇、二甘醇、甘油、三羥甲基丙烷、山梨醇等。胺類有3,3’-二氯-4,4’-二氨基甲烷。本嵌封膠選擇3,3’-二氯-4,4’-二氨基甲烷，商品名摩卡（MOCA）為固化劑。

　　在固化劑與聚氨酯預(yù)聚體反應(yīng)交聯(lián)的同時，實(shí)際上也同時伴隨著水與聚氨酯預(yù)聚體之間的反應(yīng)。聚氨酯預(yù)聚體與水的反應(yīng)可能通過如下幾種途徑發(fā)生：
　
　?。?）聚氨酯預(yù)聚體與填料中的水反應(yīng)；　　

　?。?）聚氨酯預(yù)聚體與B 組分內(nèi)各組分中的水反應(yīng)；

　?。?）聚氨酯預(yù)聚體吸收了空氣中的水反應(yīng)；

　　（4）聚氨酯預(yù)聚體與混凝土道路施工縫中的水反應(yīng)。但是，不管聚氨酯預(yù)聚體與來自何種途徑的水反應(yīng)，最終都將放出二氧化碳，使膠料發(fā)泡。而膠料發(fā)泡會引起如下幾方面的技術(shù)問題：

　　（1）A 組分和B 組分共混后，由于發(fā)泡，使聚氨酯預(yù)聚體與水反應(yīng)過劇，體系粘度增加很快，使混合漿料過快失去可灌性；

　?。?）混合漿料發(fā)泡，使固化物里殘留大量氣泡孔，固化物的機(jī)械物理性能急劇下降；

　　（3）混合漿料發(fā)泡，大量氣泡使固結(jié)物體積增大膨脹，灌入施工縫中的膠料受壓膨脹高出混凝土地表平面，易被車輛行人碰撞破損。

　　顯然，能否吸收或抑制聚氨酯預(yù)聚體與水反應(yīng)所產(chǎn)生的二氧化碳的氣體是控制嵌封膠性能指標(biāo)的技術(shù)關(guān)鍵。通過反復(fù)大批次的試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)了消泡劑-1 具有吸收和抑制體系中放出二氧化碳的功能，其摻量為A 組分和B 組分總重量的1% ~ 2%。表1 列出了不同摻量消泡劑-1 的體積變化率。

2.2 嵌封膠填料、觸變劑、增粘劑的選擇

　　聚氨酯嵌封料中添加合適與適量的填料，可以改進(jìn)相應(yīng)固化物的物理性能，對固化物起補(bǔ)強(qiáng)作用，可提高其力學(xué)性能，降低其收縮應(yīng)力，增強(qiáng)對熱破壞的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)體系的粘度和降低成本。作為聚氨酯膠料體系，通常使用的填料有重晶石粉、沉淀硫酸鋇、輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣、滑石粉、瓷土等。經(jīng)過一系列性能比較，本嵌封膠體系選擇輕質(zhì)碳酸鈣、滑石粉等作為填料。

　　從可灌性的方面要求嵌縫膠應(yīng)該有較小的粘度，但從嵌縫膠在混凝土切割縫的流動性能來看，粘度應(yīng)該大到漿液至少不能在切割縫內(nèi)流動，因此這是一個互相制約的技術(shù)難題，也同樣是體現(xiàn)嵌縫材料是否有實(shí)用性的重要技術(shù)指標(biāo)之一。我們根據(jù)灌漿材料的粘控和觸變原理，經(jīng)過大量的反復(fù)實(shí)驗(yàn)之后，選擇了觸變劑-HB。它既能有效地降低漿料的運(yùn)動粘度從而順利地達(dá)到灌注目的，又能降低灌注料的流動性能，達(dá)到使?jié){料不會往低處淌流的技術(shù)要求。

　　在聚氨酯嵌封料中加入增粘劑可提高膠粘劑的初粘性和粘度。常用的增粘樹脂有萜烯樹脂、酚醛樹脂、萜烯酚醛樹脂、松香樹脂、丙烯酸酯齊聚物、苯乙烯齊聚物等。我們對每一種增粘樹脂都進(jìn)行了增粘對比試驗(yàn)，根據(jù)嵌縫膠性能平衡和增粘效果，最終選擇了復(fù)合增粘樹脂-HN 作為增粘劑。表2 列出了摻入138 松香樹脂作為增粘劑后嵌封膠的各項(xiàng)性能變化。

　　2.3 嵌封膠聚氨酯預(yù)聚體（A 組分）中NCO/OH 對嵌封膠性能的影響采用二異氰酸酯與端羥基聚醚進(jìn)行加聚而制成預(yù)聚體。如果反應(yīng)物中的NCO/OH 的比例不同，預(yù)聚體的端基或?yàn)楫惽杷狨セ?，或?yàn)榱u基。如果甲苯二異氰酸酯過量，則可以形成末端為NCO 基的齊聚物，也就是我們通常所稱的聚氨酯預(yù)聚體。顯然，原料的當(dāng)量比對齊聚物的相對分子質(zhì)量、異氰酸根含量有很大影響，并且也將影響制品的性能。

　　根據(jù)高分子反應(yīng)和固化的原理，聚氨酯要形成既有強(qiáng)度又有彈性的固化物須要有一定的交聯(lián)度。本嵌封膠采用雙官能團(tuán)聚醚如N-220，三官能團(tuán)聚醚如N-3010，N-3050 按一定比例相配的方法，解決了固化物力學(xué)強(qiáng)度和彈性相平衡的技術(shù)問題。表3 列出了甲苯二異氰酸酯（TDI）與聚醚N-220，N-3010，N-3050 復(fù)合物在不同NCO/OH 下固化物的性能。

　　從表3 可以看出，NCO/OH 比例升高，齊聚物中游離NCO 基的含量增多，經(jīng)擴(kuò)鏈交聯(lián)后，由擴(kuò)鏈劑與NCO 基反應(yīng)所得的氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)單元的含量相應(yīng)增加，表干時間縮短，預(yù)聚體放置穩(wěn)定性變好，而固化物伸長率減少，粘接強(qiáng)度升高。

3 嵌封膠固化材料綜合性能指標(biāo)

　　在研究嵌封膠材料中每一組分對其性能影響的基礎(chǔ)上，我們確定了本嵌封膠A 組分和B組分的最佳配方。在實(shí)際應(yīng)用中，A 組分和B 組分按體積比1∶2 的比例相混，其固化物有如下的性能指標(biāo)：顏色：黃色，有特殊要求可調(diào)色；表干時間：2~4 h；與混凝土粘接強(qiáng)度：＞10 kg/cm2；斷裂伸長率：＞150%；耐高溫：＞150℃；低溫脆性：－30℃。與國內(nèi)現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比，本嵌封膠在耐高溫，低溫脆性等性能與其相當(dāng)。而顏色可調(diào)性、表干時間、與混凝土粘接強(qiáng)度、斷裂伸長率等性能方面要優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。

4 嵌縫膠的配制與使用方法

4.1 嵌縫膠的配制

　　將組分（A）與組分（B）按100∶250~300 的重量比混合攪勻即可。

4.2 嵌縫膠的使用方法

　　按規(guī)定要求切割道路混凝土，切割完畢后用水將縫內(nèi)粉漿沖干凈，待切割縫干燥后再進(jìn)行嵌縫施工處理。施工前先將切割縫內(nèi)泥土等雜物清理干凈，清縫后馬上嵌入背襯帶（PE發(fā)泡條），深度宜保持4 cm，待切割縫全部嵌好后，將切割縫兩頭用發(fā)泡條封死，以免漿料往外流淌。A 組分和B 組分（注：B 組分使用前需攪拌均勻）按體積比為1∶2 的比例配料，在配料桶內(nèi)快速攪拌均勻后倒入專用灌縫工具，灌入縫內(nèi)的膠料以低于路面1~2 cm 為宜。

5 嵌縫膠的施工實(shí)例和獲取成果情況

　　該彈性聚氨酯型嵌縫膠材料已由廣州市公路局材料供應(yīng)站工業(yè)化生產(chǎn)近三年，相應(yīng)產(chǎn)品已在廣東省內(nèi)數(shù)條工路上包括廣州市北二環(huán)工程約5 公里路段、廣東興寧市至梅州市約38公里新改建公路、沿海高速公路新會市路段（1.9 公里）等混凝土道路作灌縫使用，并獲得良好的技術(shù)效果和社會經(jīng)濟(jì)效益。

　　彈性聚氨酯型嵌縫膠成果已于2000 年申報(bào)國家專利，專利名稱為：“一種彈性聚氨酯型混凝土道路嵌封膠及其制法”，并已獲授權(quán)。

　　彈性聚氨酯型嵌縫膠成果于2001 年4 月通過廣東省科委組織的成果鑒定，成果水平為“國內(nèi)領(lǐng)先水平”。

　　我國公路建設(shè)投資總規(guī)模“九五”期間將達(dá)到歷史最高水平，政府大規(guī)模安排財(cái)政專項(xiàng)資金和增加銀行貸款，使公路建設(shè)的投資水平達(dá)到了前所未有的高度，同時高等級的道路建設(shè)對配套的嵌縫材料也提出更高的要求，這為彈性聚氨酯混凝土道路嵌縫膠提供了廣闊的市場前景。另外，彈性聚氨酯混凝土道路嵌縫膠還具有建筑密封膠、防水材料、涂料等性能，因此對配方稍加調(diào)整，同樣可以成為這些行業(yè)的應(yīng)用新材料，為產(chǎn)品拓寬了用途。

6 結(jié)論

　　彈性聚氨酯型混凝土道路嵌封膠是中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所和廣州市公路局材料供應(yīng)站根據(jù)市政、公路、交通、建筑業(yè)提出的新要求，在吸收了國內(nèi)外同類產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上開發(fā)的新型彈性聚氨酯型嵌縫材料，該嵌縫材料具有伸長率大、彈性高、與混凝土粘接力強(qiáng)、色彩可調(diào)、表干時間適宜，并可在縫內(nèi)潮濕情況下施工等技術(shù)特點(diǎn)。該材料主要性能指標(biāo)優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品，目前已在廣東省內(nèi)數(shù)條混凝土道路上獲得了推廣應(yīng)用并取得了良好的技術(shù)效果。

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