桥面铺装用聚氨酯混凝土性能试验研究

李田心 王 滨 宋肇磊 吴作人 李佳俊

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 聚氨酯混凝土配合比设计

本部分主要探究聚氨酯混凝土配合比对聚氨酯混凝土抗压强度的影响。此次实验将参照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程及JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程进行设计。正交试验前做一组聚氨酯比例与碎石级配一致的标准马歇尔试件与100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，试件制作与测试参照水泥规范。正交试验完成后将得到在实验设计范围内抗压表现最好的一种影响因子组合，并将这种组合应用到后续的聚氨酯混凝土性能研究中。

1.1 对照实验设计及确定正交试验变量

在设计正交试验之前，为确定相关影响因子及其水平范围需要先做一组对照实验，用以排除无关变量并将复杂变量固定在一个较好水平。

1)聚氨酯原料。

本实验中配制聚氨酯树脂A组分为多亚甲基多苯基异氰酸酯，B组分为组合聚醚，经调整常温下已选定重量比1∶1配制。

2)聚氨酯掺入比例。

在对照实验中选取聚氨酯掺入比例为13%与15%，并将该结果作为正交试验的上下限来深入探究。

3)石料的种类。

聚氨酯混凝土为聚氨酯与石料的混合物，而石料的种类、级配与加入比例都会影响聚氨酯混凝土的抗压强度。对比石料有米石与碎石两种。

4)石料的级配。

石料的级配属于复杂变量，故用对照实验来选取一组表现良好的级配当做正交试验的常量。

5)催化剂的使用。

催化剂会加速聚氨酯固化，但叔胺类催化剂会使聚氨酯发泡。对照实验将探究同等条件下，加催化剂的聚氨酯混凝土其强度增长与对照组是否存在差异，以此判断有无将催化剂剂量作为正交试验研究对象的必要。

1.2 设计对照实验并制作试件

具体实验方案设计如表1，表2所示。

表1 对照实验确定试验范围

表1是对石料种类、石料级配催化剂进行变量处理的6个对照试验。实验1、实验2是对石料种类做出变量控制的对照试验，探究米石与碎石的性能；实验1、实验3是对聚氨酯做出变量控制的对照试验，探究最佳的聚氨酯掺入比例；实验1,实验4、实验5是对石料级配做出变量控制的对照试验，探究最佳级配；实验1、实验6是对催化剂做出变量控制的对照试验，探究催化剂的性能。

表2 对照试验中级配种类的通过率 %

表2是对三种级配①，②，③的通过率。

模具尺寸为70 mm×70 mm×70 mm。养护时间为击实完成后12 h。

1.3 测试试件分析数据

压力机对试件进行抗压强度测试。依次对每个试块进行测试，破坏荷载与抗压强度计算测试见表3。

表3 对照组试块抗压值

表3是对6个对照试验的具体性能测试，6个对照试验的大小控制不变(在正常范围内)，对抗压性能进行测试。从表3可以看出，实验1，2对照，碎石性能优于米石；实验1，3对照，15%聚氨酯效果优于13%；实验1，4，5对照，级配③的抗压性能最佳；实验1，6对照，适当催化剂可提升抗压能力。

1.4 正交试验设计与最佳组合选择

结合上述对照实验的分析结果，选定正交试验的影响因子：

1)聚氨酯掺入比例。

以13%为中间值，选定聚氨酯比例为10%～15%。

2)聚氨酯配制后加入石料的等待时间作为第二个影响因子。

等待时间设计为0 min～60 min。

3)聚氨酯与石料拌和后等待时间作为第三个影响因子。

等待时间设计为30 min～90 min。

4)养护时间将作为第四个影响因子。

聚氨酯混凝土的养护时间设置为12 h～48 h，用以探究聚氨酯混凝土的强度随养护时间的增长关系。

设计一个四因素三水平的正交试验，以单轴抗压强度作为比较结果，正交试验表如表4所示。

表4 正交试验主要影响因子和水平分类

表4是聚氨酯掺入比例、加入石料的等待时间、拌和后等待时间、养护时间四个具体因素，每组因子分别进行三个水平的正交试验。

1.5 击实与养生及结果分析

采用L9(34)正交表，实验共计9组，依据T 0553—2005每组试件需要3组试块，共需制作27个试件，采用100 mm×100 mm×100 mm的水泥试模制作。试件的制作同对照实验中的方法，配制聚氨酯后按照实验设计的等待时间进行拌合、击实和养生。养生结束后使用气枪脱模，得到抗压强度值便能进行直观分析，分析结果如表5所示。

表5 聚氨酯配比组合对其强度影响直观分析表

表5是聚氨酯掺入比例、加入石料的等待时间、拌和后等待时间、养护时间四个具体因素，每组因子分别进行三个平行实验的正交试验。通过每一列对应的均值，求出相应的极差，便能得到四个影响因素的影响大小。

由此可知，聚氨酯的掺入比例对聚氨酯混凝土的影响程度最大，掺入石料间隔时间次之，击实等待时间相较于其余三种因素影响最小。

2 聚氨酯混凝土路用性能分析

2.1 聚氨酯混凝土高温稳定性试验

聚氨酯混凝土高温稳定性指在高温条件下，外力不断作用导致混合料产生的永久变形。对于高速公路与一级公路，高温稳定性选用JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程T 0719—2011车辙试验进行。

2.1.1试件的制作与测试

制件采用正交试验所得配合比，集料用量与聚氨酯用量通过与立方体试件体积换算得到，车辙试验模具尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，制作三个试件为平行实验。

试件成型后标注轮碾方向，密封养生24 h。

图1～图3是试件实验室制作与测试中的部分流程，其中图1为试件轮碾法成型的图示，图2为试件养生阶段的图示，图3为车辙实验测试的图示。

2.1.2动稳定度计算

动稳定度(DS)是反映混合料高温性能的指标，其计算需在变形量—时间曲线上读取t1=45 min与t2=60 min对应的变形量d1与d2，数据精确至0.01 mm，计算公式见式(1)：

(1)

其中，N为橡胶轮往返速度，N=42次/min；C1为试验机类型系数，曲柄连杆驱动加载往返运行取C1=1.0；C2为试件系数，在实验室制备的宽300 mm车辙板取C2=1.0。

实验数据与计算结果如表6所示。

表6 聚氨酯混凝土动稳定度计算表

表6是对三个平行试件变形量d1，d2的测量以及动稳定度的计算。

2.1.3高温稳定性分析

聚氨酯动稳定度取三组动稳定度的平均值，并按规范要求算出变异系数，计算结果见表7。

表7 车辙试验结果表

表7是对三个平行试件平均动稳定度的计算。

同时将聚氨酯混凝土的动稳定度与高温性能较优异的改性沥青[18]做横向对比，如图4所示。

2.2 聚氨酯混凝土低温抗裂性试验

绝大多数材料在低温时变脆，而聚氨酯混凝土在常温下已表现为脆性破坏，测试其低温抗裂性以探究在低温状况下聚氨酯混凝土的变形能力。参照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程。

2.2.1试件的制作与测试

低温弯曲试验的棱柱体试件由经过车辙试验的车辙板(300 mm×300 mm×50 mm)切割得到，试件如图5所示。

图5，图6是试件实验室制作与测试中的部分流程，其中图5为试件切割后的图示，图6为试件弯曲试验测试的图示。

试件测试仪器选用量程为100 kN的数控万能试验机，测试完成将自动生成荷载—跨中挠度曲线，如图7所示。

2.2.2劲度模量计算

将荷载—跨中挠度曲线中直线段延长与x轴相交，并将此点作为该曲线的原点，试件破坏时的抗弯拉强度RB见式(2)，梁底最大弯拉应变εB见式(3)及弯曲劲度模量SB见式(4)。

(2)

(3)

(4)

测试数据与劲度模量计算结果见表8。

表8 聚氨酯混凝土劲度模量计算表

表8是对三个平行试件变形量挠度、最大力的测量，从而计算抗弯强度、抗弯应变和劲度模量。

2.2.3低温抗裂性分析

将三组所有指标都取平均值并计算标准差，计算结果见表9。

表9 小梁弯曲实验结果

表9是对三个平行试件变形量相关计算量抗弯强度、抗弯应变和劲度模量的计算处理。

选取掺加添加剂后PR.M高模量沥青混合料(60 ℃,0.7 MPa动稳定高于5 000次/mm)的低温抗裂性指标与聚氨酯混凝土作对比，见图8。

如果单以劲度模量指标来评价低温抗裂性的好坏，则聚氨酯混凝土明显差于PR.M高模量沥青混合料，但聚氨酯混凝土的抗弯拉强度与抗弯应变甚至高于低温抗裂性最好的掺玄武岩纤维的PR.M高模量沥青混合料。而在低温状况下，材料的变形能力决定了材料抗裂性好坏，则聚氨酯混凝土的低温抗裂性不差于高模量沥青混合料。

3 结语

本文主要通过分析聚氨酯混凝土强度形成原理来得到对照实验与正交试验的影响因子，先设计对照实验将简单与复杂因子选定合理参数，可直接用于正交试验当做常量。选定四个影响因子，采用L9(34)正交表设计正交试验，以抗压强度为指标选出四个影响因子的最佳水平组合。接着从数据分析聚氨酯混凝土在高温稳定性与低温抗裂性的优势，同时与现有的沥青混合料性能作对比，直观显示出聚氨酯混凝土的优势。

注：指导老师：张国伟。