ECO 改性聚氨酯混凝土应用研究

杨洋

（浦东新区公路管理署）

0 引言

聚合物混凝土又称为树脂混凝土或塑料混凝土，是以聚合物为唯一胶结材料的混凝土[1]，在机场跑道快速修补、公路面层的局部修补、抢修工程等方面被广泛使用[2,3]。聚合物混凝土具有耐磨性优良、施工后硬化快和抗冲击性好的优点，并且可在常温或低温下固化，同时它的抗折、抗压强度高，抗冻性、抗渗性优良。聚合物对水泥混凝土具有很好的黏附性，因此聚合物也常作为一种优秀的快速修补材料[4,5]。

以热固性液体树脂做为聚合物混凝土中的粘结剂，掺入固化剂、骨料和填料制成聚合物混凝土。聚氨基甲酸酯简称聚氨酯（Polyurethane，PU），结构式[-OCNHRNHCOORO-]n，是一种热固性树脂。1937 年，德国的Bayer教授第一次合成出PU，采用逐步聚合的方式用异氯酸酯和活泼氢化合物进行反应生成具有软硬段共存的结构，合成的材料有着强度高、硬度大、回弹性好、耐化学试剂等优点[4,6]。然而单一的PU 乳液有一定的缺陷，如不耐溶剂、耐水性差、硬度偏低，粘结强度不高等。环氧改性PU 的产品在耐水性、抗张强度、耐溶剂性、柔韧性方面得到提升。今天面对环境的严重污染，石油危机的重压，利用可再生物质来研究PU 将会受到高度重视[7]。本研究选取价格低且不可食用的蓖麻油（CO）作为原料参与到PU 的改性中[8]。蓖麻油中主要的活性官能团为双键、羟基和酯基，其中羟基可用作交联剂，分子中的非极性长链可增加其柔顺性。对蓖麻油进行环氧化处理即得环氧化蓖麻油（ECO），用ECO 改性PU 可达到环氧改性的效果[9]。

本文对ECO 改性聚氨酯混凝土性能及配比进行了初步探索，测试了ECO 改性聚氨酯混凝土抗压强度、抗冲击性能以及粘结性能。并且用实际工程案例介绍ECO改性聚氨酯混凝土在铺设路面中的应用。

1 主要原材料和实验方法

1.1 原材料

蓖麻油，天力化工有限公司生产；聚乙烯醇600，天津市科密欧有限公司生产；二苯基甲烷二异氰酸酯，日本聚氨酯工业株式会社生产；三乙胺，天津富宇有限责任公司生产；1,4-丁二醇（BDO），国药集团试剂有限公司；双氧水（30%）、二月桂酸二丁基锡(dbtl)，天津天力化工有限公司生产；普通硅酸盐水泥（32.5R 级），湖北黄石华新水泥公司；砂的堆积密度1355g/L；碎石，粒径10mm～20mm，堆积密度1410g／L。

参考其他研究工作，试验中采用固定的灰砂比0.33[10]，砂率采用0.38，骨胶比为0.15。粘结性能测试中，测试了4 种不同胶骨比对粘结性能的影响。

1.2 实验方法

在酸性催化剂存在下，酸类作为携氧剂，以双氧水作为氧源，蓖麻油反应生成环氧蓖麻油，再将制备的环氧蓖麻油加入到聚氨酯预聚体合成中ECO 改性聚氨酯预聚体，加入固化剂后，最终得到ECO 改性聚氨酯。

根据设计配合比制得，再依据相应测试标准中要求制成不同尺寸的试件, 标准养护至测试龄期。参考GB/T 50081－2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[11]，ECO 改性聚氨酯混凝土试样尺寸为100mm×100mm×100mm。按式⑴计算混凝土抗压强度。

式中,

P——抗压强度，MPa；

F——最大荷载，KN；

A——试件抗压面积，mm2。

ECO 改性聚氨酯混凝土抗冲击性能试验参考ASTM D5628，试样成型后切割成指定大小试块，对其进行养护40h，然后在-30℃、0℃及60℃保温4h，用冲击试验机对ECO 改性聚氨酯混凝土试块进行冲击试验。首先将试件固定在试验台上，然后砝码从指定高度自由下落，对锤头形成冲击，锤头对试件产生冲击力作用于试件表面，观察试件表面裂缝产生情况。

对试件的粘结性能进行检测，试验方法参照DL/T 5150－2001《水工混凝土试验规程》[12]。根据以往研究中发现试验方法对粘结性能影响较大，因此为了使结果更有说服力，本研究采用两种试验方法，具体如下：

⑴“8”字形粘结试验方法

采用“8”字形试件，普通混凝土试件拉断成为近似的两半，然后另一半分别制备ECO 改性聚氨酯混凝土和普通混凝土，标准条件养护28d。抗折试验机拉断，粘结强度按式⑵计算：

式⑵中，

P——断裂荷载，N；

A——受拉面积，取500mm2。

⑵棱柱体粘结试验方法

棱柱体试件40mm×40mm×160mm，普通混凝土试件拉断成两半，然后另一半分别制备ECO 改性聚氨酯混凝土和普通混凝土，标准条件下养护至龄期为28d，抗折试验机折断得到抗折破坏荷载。粘结强度按式⑶计算：

式⑶中,Rf——抗折强度（MPa）；Pf——抗折破坏荷载（N）。

2 结果与讨论

2.1 ECO 改性聚氨酯混凝土抗压性能

常温条件下养护，根据混凝土强度发展特点，设定养护时间6h、1d、3d、5d、7d。不同龄期试件的抗压强度结果如表1。

表1 ECO 改性聚氨酯混凝土抗压强度

由表1 可知ECO 改性聚氨混凝土抗压强度6h 为6.8MPa。ECO 改性聚氨混凝土硬化速度快，总施工时间短，6h 的强度可满足通车要求，《公路水泥混凝土路面养护技术规范》[13](JTJ 073.1－2001) 中规定对道路允许通车的混凝土抗压强度要求6.0MPa，ECO 改性聚氨酯混凝土龄期为1 天时就能形成较大强度，适用于快速修补的情况。ECO 改性聚氨酯混凝土7d 抗压强度达到25.8MPa。

2.2 ECO 改性聚氨酯混凝土抗冲击性能

成型ECO 改性聚氨酯混凝土，自然条件下养护40h，在-30℃、0℃及60℃下保温4h，切割成指定大小试块，用冲击试验机对ECO 改性聚氨酯混凝土试块进行冲击试验。其试验结果如表2 所示。

摇摆于诙谐与荒谬之间，斯各格兰德的作品难以安放。评论家们曾试图将其作品置于梦境与噩梦之间的某个位置，或是杜尚(Duchamp)与玛格丽特(Magritte)的艺术史传统中，又或是达达与超现实主义类别之下。但严格地说，斯各格兰德作品中的灵感所带来的影响绝非微不足道。

表2 ECO 改性聚氨酯混凝土抗冲击性能

由表2 可知，试验设置的三个温度下的冲击试验，试验中ECO 改性聚氨酯混凝土的表面由于受到冲击产生破损，但是破损处没有产生裂缝。说明在各温度下ECO 改性聚氨酯混凝土力学性能稳定，ECO 改性聚氨酯混凝土在各温度下遭受冲击时保持形状能力强，不容易产生裂纹，抗冲击性能优良。

2.3 ECO 改性聚氨酯混凝土粘结性能

与普通混凝土相比，聚合物混凝土的粘结性能更优异，因此聚合物混凝土可以作为混凝土修补加固材料。试验中采用两种聚合物混凝土粘结性能测试方法研究ECO 改性聚氨酯混凝土粘结性能，两种方法测试结果如下：

⑴“8”字形粘结试验结果

胶骨比增加，混凝土的粘结强度变化幅度很小，粘结强度略有增加，胶骨比为0.25 时，混凝土粘结强度为2.40MPa，试验结果如表3 所示。

表3 混凝土“8”字形试件粘结强度试验结果

⑵棱柱体粘结试验结果

试验结果见表4。

表4 混凝土棱柱体试件粘结强度试验结果

从“8”字形试验中结果中可以看出，胶骨比增加，ECO 改性聚氨酯混凝土的粘结强度有略微提高，当胶骨比为0.25 时，混凝土28d 粘结强度与胶骨比为0.10 时相比，提高10%。在0.10～0.25 的胶骨比范围内，ECO 改性聚氨酯混凝土的粘结强度与ECO 改性聚氨酯掺量有一定关系。棱柱体试件粘结强度试验中，胶骨比为0.10时，28d 粘结强度最高，为2.11MPa，在0.15～0.25 范围内，随着胶骨比增加，粘结强度略微提高。

两种试验的试验结果存在较大差异，不具有可比性，但能得出结论ECO 改性聚氨酯混凝土对粘结基体粘结效果好，可以提高界面的粘结力，因而混凝土的粘结性可以得到一定改善。

3 ECO 改性聚氨酯混凝土路面铺设施工性能

3.1 ECO 改性聚氨酯混凝土的原材料准备

ECO 改性聚氨酯混合料分为I、II、III 三个组分，I组分为ECO 改性聚氨酯预聚体，II 组分固化剂，III 组为砂、石以及填料。III 组分提前用烘箱进行干燥处理，通过真空包装系统包装在密闭铁桶中。根据预先设定好的比例将I、II、III 三组分分别装封装。

3.2 ECO 改性聚氨酯混凝土路面铺设施工工艺

⑴ECO 改性聚氨酯混凝土施工

拌和混凝土，首先将ECO 改性聚氨酯I、II 两组分倒入容器中，用电动搅拌器将两组分搅拌至均匀混合。将III 组分中的砂、石以及填料在桶中拌匀，可使用电动搅拌钻搅拌至III 中全部集料彻底拌匀。然后在III中倒入以及混匀的I、II 组分，用电动搅拌至所有组分均混匀。

路面铺设时，用喷涂装置将ECO 改性聚氨酯混凝土喷涂于施工段路面，使混凝土均匀摊铺，铺设区段聚氨酯混凝土摊铺后进行人工初步找平，然后用边角抹刀将摊铺的ECO 改性聚氨酯混凝土路面抹平，完成聚氨酯混凝土表面的初步处理后采用整平机来回往返整平，将路面刮平压实。

图1 人工找平和混凝土表面处理

图2 整平机刮平压实

ECO 改性聚氨酯混凝土在用于路面铺设具有优良施工性，相比于其他聚氨酯混凝土，使用ECO 改性聚氨酯混凝土可以节省人工成本、提高铺设效率，并且具有更加优良的平整度，混凝土整体性良好。并且使用ECO改性聚氨酯混凝土能有效解决地面不平整、起壳、开裂或空鼓等问题，便于后期维护、降低维护成本。

⑵养护及开放交通

完成路面铺设后，对ECO 改性聚氨酯混凝土铺设的路面进行养护。养护完成后才能够开放铺设区段交通，进行使用。由于ECO 改性聚氨酯胶凝时间受到温度的影响较大，温度越高凝胶越迅速，因此ECO 改性聚氨酯混凝土养护时间取决于施工时温度。建议的不同环境温度下的养护时间如表5。

4 结论

在本研究试验范围内，得到以下结论。

⑴ECO 改性聚氨酯混凝土粘结性能好，胶骨比为0.15 时，“8”字形粘结试验测试得到粘结强度为2.34MPa。

⑵ECO 改性聚氨混凝土养护6h 抗压强度达6.8 MPa，表明ECO 改性聚氨混凝土施工后硬化快，6h 后强度满足道路通车要求。

图3 ECO 改性聚氨酯混凝土道路养护

表5 ECO 改性聚氨酯混凝土在不同温度下的养护时间

⑶ECO 改性聚氨酯混凝土具有优秀的力学性能以及抗冲击性能。

⑷ECO 改性聚氨酯混凝土的施工前应做好材料准备工作以及路面清理工作，施工过程中应遵守施工规范。养护条件对ECO 改性聚氨酯混凝土质量影响较大，为了保证工程质量，应避免在雨天施工，并且根据建议养护时间进行养护。