桥梁无缝伸缩缝高性能聚氨酯弹性混凝土性能评价

刘 攀

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司 重庆 401336)

引言

桥梁伸缩缝是桥梁的重要附属构件，主要作用是为了满足桥面变形，并保证桥面平顺、行车舒适[1]。然而，伸缩缝是桥梁结构中最易遭到破坏而又难以修补的部位，降低了整个桥梁的使用寿命。并且由于其数量大、破坏周期短、不容易更换、更换时需要中断交通等特点，已成为高速公路管理部门最为头痛的桥梁养护工作内容[2-4]。

针对小位移量桥梁，无缝伸缩缝是一种常用的类型，主要采用弹塑体改性沥青混凝土[3]。然而，这种伸缩缝耐久性差，使用寿命短，在使用过程中容易出现车辙、开裂、剥离等病害，为了进一步提高无缝伸缩缝的使用性能和服役寿命，市面上出现了聚氨酯弹性混凝土，不同于普通的弹性混凝土，它是由双组份反应性聚氨酯弹性体配以适量的集料在常温下搅拌而成[5-6]。完全固化前具有良好的流动性，能自流平成型，无需碾压即能达到规定的密实度和平整度。聚氨酯弹性混凝土空隙率接近零，且内部空隙不连通，具有良好的防水、耐化学腐蚀性，变形能力强，耐久性、抗低温开裂能力好[7-9]。由于其优异的性能，在我国桥涵建设迅速发展的背景下，对聚氨酯弹性混凝土的研究迫在眉睫。在此，本文针对新型高性能聚氨酯弹性混凝土，系统评价其使用性能。

1 实验部分

1.1 试验原材料

聚氨酯弹性混凝土的性能主要由聚氨酯胶结料(性能指标见表1)决定，可以看出，高性能聚氨酯胶结料具有优异的拉伸性能、弹性恢复能力及抗老化性能。从图1可以看出，常温下高性能聚氨酯胶结料的凝胶时间可达30min以上，随着温度升高，其凝胶时间逐渐变短。从图2可以看出，随着养护时间的延长，高性能聚氨酯胶结料的拉伸强度及断裂延伸率先快速上升，而后上升趋势变缓直至平缓；常温养护6h后，其拉伸强度即可达到1.7MPa，有利于及时开放交通；常温养护7d后，即可形成最终强度5.7MPa。

表1 高性能聚氨酯胶结料的性能指标

图1 高性能聚氨酯胶结料凝胶时间测试结果

图2 高性能聚氨酯胶结料拉伸强度测试结果

采用0～3mm玄武岩集料(技术指标见表2)和磨细石灰岩矿粉(技术指标见表3)。

表2 0～3mm玄武岩集料的基本技术指标

表3 矿粉的基本技术指标

1.2 试验方法

由于高性能聚氨酯弹性混凝土的材料特性，常温拌和，采用自流平方式成型试件，无需碾压，试件常温养护7d即可形成最终强度。参照ASTM和JTG E20-2011规范要求，对高性能聚氨酯弹性混凝土进行马歇尔试验、抗冲击试验、高温车辙试验、低温三点弯曲试验、弹性恢复试验及拉拔试验等，系统评价其综合性能。

2 结果与讨论

2.1 弹性恢复能力

测试高性能聚氨酯弹性混凝土的拉伸弹性恢复率和压缩弹性恢复率，试验温度为23℃，测试结果见表4。

表4 高性能聚氨酯弹性混凝土弹性恢复试验结果

从表4可以看出，高性能聚氨酯弹性混凝土的拉伸弹性恢复率和压缩弹性恢复率高达98%以上，表现出良好的弹性恢复能力，在使用过程中能够在发生应变(受压或受拉)后快速恢复原形，可满足桥面变形。

2.2 力学性能

测试高性能聚氨酯弹性混凝土的马歇尔稳定度，试验温度为60℃，试验结果见表5。

表5 高性能聚氨酯弹性混凝土马歇尔试验结果

从表5可以看出，高性能聚氨酯弹性混凝土的马歇尔稳定度可达30kN以上，远高于沥青混合料(8～10kN)，聚氨酯的热固特性赋予弹性混凝土十分优异的力学性能。还可以看出，其流值超过10mm，远大于沥青混合料(3～5mm)，这是因为高性能聚氨酯弹性混凝土具有优异的变形能力，在马歇尔试件受压达到破坏点时，其变形较大。

2.3 高低温性能

考察高性能聚氨酯弹性混凝土的抗车辙性能，试验温度为60℃，试验结果见表6。

表6 高性能聚氨酯弹性混凝土车辙试验结果

从表6可以看出，高性能聚氨酯弹性混凝土的车辙动稳定度超过60000次/mm，车轮迹不明显且车辙深度几乎为零，表现出极为优异的抗高温车辙变形能力，能承受高温及重载通车条件。高性能聚氨酯弹性混凝土属于热固性材料，在高温条件下不会软化变形，因此具有十分优异的高温稳定性，这也是该类材料非常突出的优势所在。

考察高性能聚氨酯弹性混凝土的低温小梁弯曲性能，试验温度为-10℃，试验结果见表7。

表7 高性能聚氨酯弹性混凝土低温三点弯曲试验结果

从表7可以看出，高性能聚氨酯弹性混凝土的变形量特别大，但破坏力相对较小，其抗弯应变特别高，超过80000με，抗弯强度较小，劲度模量很小，表现非常优异的低温抗裂性能，能承受极端低温的服役条件。

2.4 抗冲击性能

考察高性能聚氨酯弹性混凝土的抗冲击性能，观察试件是否出现裂缝，试验温度为-29℃、0℃和70℃，试验结果见表8。

表8 高性能高性能聚氨酯弹性混凝土抗冲击试验结果

从表8可以看出，在三个试验温度下，高性能聚氨酯弹性混凝土均未出现裂缝，表现出优异的抗冲击性能，能有效抵抗外界的冲击负荷。

2.5 与混凝土粘结性能

采用高性能聚氨酯胶结料作为粘结剂，考察聚氨酯弹性混凝土与水泥混凝土及沥青混凝土的粘结性能，试验温度为25℃和60℃，试验结果见表9。

表9 高性能聚氨酯弹性混凝土与混凝土拉拔试验结果

从表9可以看出，高性能聚氨酯弹性混凝土与水泥混凝土的常温拉拔强度高达2.0MPa以上，与沥青混凝土的常温拉拔强度也超过1.5MPa。温度会显著影响体系的粘结性能，随着温度升高，粘结强度随之衰减。60℃下，高性能聚氨酯弹性混凝土与水泥混凝土的拉拔强度依然可达1.0MPa以上，拉拔破坏面集中在层间及拉拔头脱落。高温对聚氨酯弹性混凝土与沥青混凝土拉拔强度的影响更为显著，这是因为沥青混凝土自身强度较低且温感性较强，高温下破坏薄弱面主要出现在混合料内部。整体而言，高性能聚氨酯弹性混凝土与混凝土具有良好的粘结性能。

3 结论

高性能聚氨酯弹性混凝土的弹性恢复率高达98%以上，具有良好的弹性恢复能力；马歇尔稳定度可达30kN以上，表现出优异的力学性能；60℃车辙动稳定度超过60000次/mm，-10℃低温抗弯应变达到80000με以上，表现出与路用混凝土优异的高低温性能；与水泥混凝土的常温拉拔强度高达2.0MPa以上，与沥青混凝土的常温拉拔强度超过1.5MPa，表现出良好的粘结性能。高性能聚氨酯弹性混凝土具有良好的综合性能，可胜任桥梁无缝伸缩缝的使用要求，不但提高了行车舒适性，而且使得桥梁连续美观，同时延长了桥梁无缝伸缩缝的使用寿命，具有良好的应用前景。