水泥混凝土公路填縫材料的耐久性研究

摘要:制備了一種有機(jī)硅改性的聚氨酯填縫料,并對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試,考察其耐久性。結(jié)果表明,改性后的聚氨酯填縫料的各項(xiàng)性能均得到了提高,是一種理想的水泥混凝土路面填縫料。

關(guān)鍵詞:有機(jī)硅;填縫料;耐久性;剪切疲勞;彈性恢復(fù)率

中圖分類號(hào): U418. 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

引言

　　由于水泥混凝土路面具有承載能力大、性能穩(wěn)定、使用壽命長、日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)我國水泥產(chǎn)量大、分布廣,因此水泥混凝土路面在我國得到了廣泛發(fā)展[ 1 ]。但水泥混凝土路面經(jīng)常出現(xiàn)開裂、斷板、沉陷、錯(cuò)臺(tái)等危害,嚴(yán)重影響了水泥混凝土路面的承載能力和使用壽命。這些危害產(chǎn)生的原因很多,但很大程度上與接縫的破壞有關(guān),而接縫的破壞又與填縫料的好壞有很大關(guān)系[ 2 ]。

　　水泥混凝土路面填縫料有兩個(gè)主要功能,一是防止路面水滲入路基,路面水一旦沿縫滲入路基,將使路基強(qiáng)度降低,混凝土面板就會(huì)在交通荷載作用下發(fā)生開裂;二是防止接縫中落入雜物,砂、石子等硬物一旦落入接縫,就會(huì)使接縫失去脹縮功能,當(dāng)路面板塊隨溫度的升高而膨脹時(shí), 接縫處混凝土往往被擠壞[ 3 ]。所以填縫料的好壞很大程度上影響了水泥混凝土路面的質(zhì)量和使用壽命。

　　聚氨酯填縫料耐磨性、低溫柔軟性、粘結(jié)性、耐油性等性能優(yōu)良,且其常溫流動(dòng)性能比較好,施工工藝簡(jiǎn)單,得到迅速發(fā)展[ 4 ] ,但是由于其防老化性較差(使用年限為2—3年) ,嚴(yán)重地制約了水泥混凝土路面的質(zhì)量和使用壽命。制備了一種有機(jī)硅改性聚氨酯填縫料,并對(duì)填縫料的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試,對(duì)填縫料進(jìn)行耐久性研究,取得了良好的效果。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)原料

　　聚醚二元醇,工業(yè)級(jí); 聚醚三元醇,工業(yè)級(jí); 反應(yīng)性有機(jī)硅,工業(yè)級(jí); 2, 4 - 甲苯二異氰酸酯,工業(yè)級(jí)(純度≥98% ) ;二元硅酸二丁基錫,化學(xué)純;其它助劑,工業(yè)級(jí)。

1.2　填縫料的制備

(1)甲組分的制備

　　將計(jì)量好的聚醚和有機(jī)硅加入帶有溫度計(jì)、攪拌裝置、氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置的四口瓶中, 在110℃和-0.086MPa左右的真空度下脫水2—3h,將體系溫度降至反應(yīng)溫度,滴加一定計(jì)量的2, 4—甲苯二異氰酸酯,反應(yīng)維持2h左右,降溫貯存?zhèn)溆谩?/P>

(2)乙組分的制備

　　按配方稱取聚醚多元醇、催化劑以及其他助劑,充分?jǐn)嚢?混合均勻后在三輥研磨機(jī)上研磨至顆粒合格,在- 0.086MPa左右的真空度和80℃下減壓脫水3h,關(guān)閉真空裝置,降溫后密封儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/P>

1.3　試樣制備

1.3.1　拉伸性能測(cè)試試件的制備

　　將制備好的甲組分和乙組分按1 n 1.5 的比例混合,攪拌均勻后制成厚度為2mm的薄膜,待固化后制成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試件(如圖1所示) 。

1.3.2　粘結(jié)性能測(cè)試試件的制備

　　(1)根據(jù)JC /T—2005《道橋嵌縫用密封膠》對(duì)試驗(yàn)基材的要求標(biāo)準(zhǔn),將42.5 普通硅酸鹽水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、水按一定比例混合制成砂漿,填入“8”字形模具中, 24h后拆模,在(20 ±1) ℃的水中放置7d后,取出干燥至恒重后備用。

　　(2)將自制填縫料甲、乙組分按1 n 1.5 的配比混合,充分?jǐn)嚢柚翢o氣泡生成,用其粘結(jié)水泥模塊,制成如圖2所示的粘結(jié)測(cè)試試件。

1.4　性能測(cè)試

　　(1)彈性恢復(fù)率測(cè)試。將制備好的試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置28d后,按GB /T 13477.17—2002中所述的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

　　(2)力學(xué)性能測(cè)試。將制備好的試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置28d后,按JC /T 976—2005 在XL—100A型萬能拉力機(jī)上進(jìn)行,內(nèi)聚破壞拉伸速度為500mm /min,粘結(jié)測(cè)試?yán)焖俣?mm /min。

　　(3)耐水性能測(cè)試。將制備好的試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置28d 后,放在( 23 ±2 ) ℃蒸餾水中浸泡4d,接著將試件于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置1d,進(jìn)行性能測(cè)試。

　　(4)耐油性能測(cè)試。將制備好的試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置28d后,放在(23 ±2) ℃的無鉛汽油中浸泡24h,取出試件擦洗干凈,在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置1d,進(jìn)行測(cè)試。

　　(5)耐老化性能測(cè)試。老化試驗(yàn)在ATLAS人工氣候加速老化試驗(yàn)儀中進(jìn)行, 輻照波長為300—400nm, 老化時(shí)間定為180h,黑板溫度計(jì)溫度為(65 ±3) ℃,噴水時(shí)間為( 18 ±0.5) min,二次噴水之間的干燥間隔為( 102 ±0.5) min。試樣老化后進(jìn)行性能測(cè)試。

　　(6)抗剪切疲勞性能測(cè)試。將制備好的試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置28d后,剪切疲勞試驗(yàn)在US—52型疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,振動(dòng)頻率為90轉(zhuǎn)/min,測(cè)試溫度為(23 ±2) ℃。

　　(7)熱壓冷拉后粘結(jié)性能測(cè)試。將制備好的試件在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置28d后,按GB /T 1.477.13—2002中所述方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　彈性恢復(fù)率和針入度測(cè)試

　　彈性恢復(fù)率反映填縫料產(chǎn)生的變形能否恢復(fù)的程度。用于作填縫料的材料必須有很強(qiáng)的彈性恢復(fù)能力,否則,板塊膨脹、接縫收縮后填縫料就會(huì)高出路面,長期受到車輪的擠壓和摩擦,壽命降低。同時(shí)填縫料必須具有一定的硬度,避免沙子、石子等硬物的嵌入而使接縫失去脹縮功能。見表1。

　　從表1可以看出,經(jīng)有機(jī)硅改性后的聚氨酯填縫材料針入度較非焦油聚氨酯填縫料有所降低,但能夠達(dá)到抵抗砂石等硬物嵌入的要求;改性后的填縫材料的彈性恢復(fù)率得到了較大的提高,增強(qiáng)了填縫料變形后恢復(fù)原狀的能力。

2.2　耐水性能測(cè)試

　　水泥混凝土路面填縫材料必須具有優(yōu)異的防水功能,否則路面水會(huì)經(jīng)接縫滲入路基,路基長期受水浸泡就會(huì)軟化,強(qiáng)度降低,致使水泥混凝土路面板在行車荷載作用下會(huì)產(chǎn)生裂縫、唧泥、錯(cuò)臺(tái)等病害。見表2。

　　水對(duì)聚氨酯填縫料的作用有兩種[ 5 ] :一是所吸的水產(chǎn)生增塑作用,即水與聚氨酯中的極性基團(tuán)形成氫

鍵,使聚合物分子間的氫鍵減弱,物理性能降低,但此過程是可逆的,干燥后物理性能可以恢復(fù);二是所吸的水使聚氨酯發(fā)生水解,此過程不可逆,由于酯基易水解,耐水性能差,對(duì)防水要求高的領(lǐng)域多采用聚醚型聚氨酯。實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)硅對(duì)其進(jìn)行改性,在聚氨酯主鏈上引入Si - O鍵, Si - O鍵鍵能大,對(duì)水很穩(wěn)定,而且有機(jī)硅鏈段有很強(qiáng)的憎水性,浸水后材料的性能保持率達(dá)到95%以上。

2.3　耐老化性能測(cè)試

　　自然界的氣候變化會(huì)加速密封材料的老化,使填縫料粘結(jié)力下降,最終導(dǎo)致填縫料的斷裂或從混凝土脫落,喪失密封防水性能,路面水經(jīng)縫隙進(jìn)入路基降低路基強(qiáng)度。由于水泥混凝土路面填縫料在使用過程中要長期暴露在自然界中,所以耐老化性是路面填縫料必須考察的一個(gè)重要指標(biāo),老化試驗(yàn)通過ATLAS人工氣候加速老化試驗(yàn)儀人為實(shí)現(xiàn),見表3。

　　經(jīng)老化后, 填縫料的各項(xiàng)性能均降低, 這是由于在長期的紫外線作用下,聚氨酯主鏈上的弱鍵斷裂,從而導(dǎo)致填縫料的性能降低。通過有機(jī)硅改性,填縫料的耐老化性能均得到提高。因?yàn)樵诰郯滨シ肿又麈溨幸肓斯柩蹑I,而硅氧鍵鍵能大, 高達(dá)422.5 kJ /mol,鍵角較寬,較易旋轉(zhuǎn),這就意味著有機(jī)硅采取一種無規(guī)線圈構(gòu)型,有高度抗紫外線和臭氧等性能,使得有機(jī)硅材料在受到自然界紫外線的長期照射時(shí),不易發(fā)生自然斷鏈、降解等現(xiàn)象[ 6 ] 。

　　可見在填縫料中引入有機(jī)硅材料,能有效地解決聚氨酯填縫料耐老化性、耐候性差的缺點(diǎn),延長填縫料的使用壽命,從而提高水泥混凝土路面的質(zhì)量和使用壽命。

2.4　耐油性能測(cè)試

　　浸油會(huì)造成填縫材料的各種性能下降,最后導(dǎo)致填縫料的破壞,失去密封保護(hù)作用。浸油試驗(yàn)的目的是考察填縫料的耐油性,耐油性是評(píng)價(jià)填縫材料性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo),見表4。

　　經(jīng)過無鉛汽油浸泡后,填縫料的質(zhì)量增加,這是由于聚氨酯填縫材料屬高分子聚合物,汽油滲入分子鏈間難以揮發(fā),使質(zhì)量增加;同時(shí)滲入的汽油使纏繞在一起的高分子主鏈溶脹開來,交聯(lián)程度降低,分子鏈間的作用力減弱,內(nèi)聚能減小,導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率變小。在聚氨酯分子主鏈中引入有機(jī)硅鏈段,使分子鏈中的極性基團(tuán)增多,同時(shí)分子鏈間的氫鍵作用增大,分子間作用力增強(qiáng),內(nèi)聚能增大,所以改性后的聚氨酯填縫料的耐油性較為改性的聚氨酯填縫料的耐油性有所提高[ 7 ]。

2.5　熱壓冷拉后粘結(jié)性能測(cè)試

　　水泥混凝土路面屬剛性路面,隨溫度的升降會(huì)產(chǎn)生脹縮。當(dāng)溫度升高時(shí),面板膨脹致使接縫收縮,擠壓填縫料;當(dāng)溫度降低時(shí),面板收縮致使接縫擴(kuò)張,拉伸填縫料[ 8 ]。熱壓冷拉試驗(yàn)用以模擬水泥混凝土路面板隨溫度變化的位移,考察填縫材料經(jīng)受伸縮循環(huán)后的拉伸粘結(jié)性能。見表5。

　　在聚氨酯主鏈中引入有機(jī)硅鏈段,有效地提高了填縫料的伸縮疲勞的抵抗能力,這是由于分子鏈中引入了含有硅氧鍵( Si - O)的柔性鏈段, Si - O鍵比C -C鍵和C - O 鍵的鍵長大,鍵角也大,內(nèi)旋轉(zhuǎn)更為容易,高分子鏈柔順性好[ 9 ] ,使填縫料的變形適應(yīng)性提高。

2.6　抗剪切疲勞性能測(cè)試

　　在實(shí)際路面中填縫料除受拉伸壓縮循環(huán)作用外,還會(huì)在車輪作用受到垂直路面方向的剪切循環(huán)作用[ 10 ] ,如圖3所示,剪切疲勞試驗(yàn)用以模擬這種剪切疲勞作用,考察填縫料經(jīng)受剪切循環(huán)后的粘結(jié)性能。

　　經(jīng)過剪切疲勞試驗(yàn),有機(jī)硅改性聚氨酯填縫料在經(jīng)受300次的剪切疲勞循環(huán)后仍沒有遭到破壞,耐疲勞性能優(yōu)良。見表6。這是由于有機(jī)硅改性聚氨酯分子主鏈中引入了有機(jī)硅鏈段,使聚氨酯分子鏈變得柔韌,而且硅氧鍵鍵能大,不易破壞,耐疲勞性能優(yōu)良。

3　結(jié)論

　　(1)通過力學(xué)性能測(cè)試、耐水性能測(cè)試、耐老化性能測(cè)試、耐油性能測(cè)試、熱壓冷拉后粘結(jié)性能測(cè)試、抗剪切疲勞性能測(cè)試等手段更全面的考察填縫料的耐久性,為評(píng)價(jià)填縫料的優(yōu)劣提供了有效的依據(jù)。

　　(2)合成一種有機(jī)硅改性的聚氨酯填縫料,其各項(xiàng)性能均得到了提高,其中最突出的優(yōu)點(diǎn)就是其耐老化性比未改性的聚氨酯填縫料有了較大提高,老化后性能保持率達(dá)到了90%以上,對(duì)提高水泥混凝土路面的質(zhì)量和使用壽命提供了保障。

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