瓯江北口大桥改性聚氨酯混凝土低温性能优化研究

杨海忠

(温州瓯江口大桥有限公司 温州市 325000)

0 引言

钢结构桥梁的高速建设为我国经济社会发展提供了强大的助力，而钢桥面铺装是影响钢结构桥梁长期保持良好服役性能的关键因素[1]。目前典型钢桥面铺装材料主要有属于热塑性的SMA高弹改性沥青混凝土与GA浇筑式沥青混凝土，以及热固性的EA环氧沥青混凝土与改性聚氨酯混凝土。改性聚氨酯混凝土是一种环保型铺装材料，其结合料由环氧树脂改性聚氨酯(Polyurethane, PU)得到，该混凝土的密水性能出色、高温抗变形能力良好，已先后被应用于杭州湾跨海大桥、沈阳长青街跨浑河桥与明州大桥等铺装工程中，并表现出良好的服役性能[2-3]。

改性聚氨酯混凝土不含沥青，施工过程对环境影响小，是环保型材料[4-5]。聚氨酯混凝土的结构强度主要来源于聚氨酯(PU)固化反应所形成的三维交联网络[6-7]，然而由于聚氨酯材料中玻璃化温度低于室温的柔性链段含量较高，导致聚氨酯混凝土的低温抗裂性能往往相对较差。低温开裂是钢桥面铺装的常见病害，不仅会影响铺装结构的服役性能，还会使外界水侵蚀钢桥面板，进而影响桥梁的结构安全[8-9]。

环氧树脂同聚氨酯均属于热固性材料，但与聚氨酯相比，环氧树脂固化后交联网络的密度更大，且刚性链段含量更高。研究指出可采用环氧树脂对聚氨酯进行改性，通过聚氨酯与环氧树脂间的“强迫包容”效应形成互穿交联网络以实现对材料刚性与柔韧性的调和，获得路用性能出色的铺装材料。

依托瓯江北口大桥铺装工程，采用环氧树脂对聚氨酯进行改性，就改性聚氨酯混凝土的低温抗开裂性能展开研究。

1 工程概况及铺装方案

瓯江北口大桥横跨瓯江入海口，连接乐清与灵昆岛，是国内首座水泥混凝土中塔的大跨径悬索桥。大桥主跨采用800m+800m的三塔双层钢桁梁结构，下层为双向六车道的国道公路，钢桥面铺装采用改性聚氨酯混凝土作为磨耗层，设计铺装结构如图1所示。

图1 瓯江北口大桥下层铺装结构

2 原材料性能及试验设计

2.1 原材料

改性聚氨酯混凝土由聚氨酯、环氧树脂、固化剂、玄武岩粗集料、玄武岩细集料及石灰岩矿粉依一定比例混合而成，其中环氧树脂来自于中石化巴陵石化厂，所用聚氨酯与环氧树脂的主要性能指标分别如表1与表2所示。

表1 聚氨酯性能检测结果

表2 环氧树脂性能检测结果

依照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)对集料性能进行检测，所采用玄武岩粗、细集料的性能检测结果分别如表3、表4所示。

表3 玄武岩粗集料性能检测结果

表4 玄武岩细集料性能检测结果

2.2 试验设计

采用环氧树脂对聚氨酯进行改性，以制备改性聚氨酯混凝土，设计0%、20%、40%、60%与80%五种环氧树脂掺量。

改性聚氨酯混凝土属于自流平式混凝土，为使其具有充足的流淌性，采用表5所示级配。

表5 改性聚氨酯混凝土集料级配

依照《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》(JTG/T 3364-02—2019)附录H中的相关方法，采用如下方法确定混凝土的胶石比：

(1)先通过贯入度与刘埃尔值确定改性聚氨酯混凝土的初始胶石比。

(2)再以±0.3%为变量设置5个胶石比。

(3)最后采用混凝土抗压强度作为最佳胶石比的选择依据。

确定0%环氧树脂掺量下，改性聚氨酯混凝土的最佳胶石比为12.7%，其他试验组的最佳胶石比均依上述方法进行，结果如表6所示。

表6 各试验组最佳胶石比

3 改性聚氨酯混凝土高温抗变形与抗水损害性能研究

钢桥面铺装所承受的荷载作用频次远高于普通沥青道面，且其常处于高温潮湿的服役环境中，因此铺装材料应具有良好的高温性能与抗水损坏性能。采用70℃高温车辙试验与冻融劈裂试验作为评价方法，分别对改性聚氨酯混凝土的高温抗变形、抗水损害性能展开分析，试验结果如图2所示。

图2 不同树脂掺量下混凝土高温抗车辙性能

由图2可知，改性聚氨酯混凝土具有出色的高温抗变形与抗水损害性能，混凝土动稳定度随环氧树脂掺量的提升而增加，同时TSR则稳定在90%以上。对于高温抗车辙性能，环氧树脂掺量在0%～40%范围内时，混凝土的动稳定度增长显著，而当环氧树脂掺量超过40%，混凝土动稳定度的增长速度明显放缓，这主要是因为聚氨酯与环氧树脂间的“强迫包容”效应提高了结合料的刚性，但该有益效果存在一定上限。考虑钢桥面防水要求的特殊性，铺装结构往往采用密级配，这使外界水对混凝土内部的侵蚀相对较弱；同时，由于聚氨酯与环氧树脂均不属于亲水性材料，因此改性聚氨酯混凝土具有良好的抗水损害性能。

4 改性聚氨酯混凝土低温性能研究

瓯江北口大桥桥址区气温变化范围大，为保证下层钢桥面铺装的服役性能，本节重点研究改性聚氨酯混凝土的低温抗开裂性能。

4.1 小梁弯曲试验

小梁弯曲试验是评价钢桥面铺装材料抗开裂性能的重要方法，通过设置较低的试验温度可实现对不利温度条件的有效模拟。试验方法依照现行规范JTG E20—2011中的规程T 0715—2011进行，试件尺寸为250mm×30mm×35mm，加载跨径为200mm，荷载加载速度为50mm/min。为更全面地分析改性聚氨酯混凝土的低温抗开裂性能，设置5种试验温度，依次为-10℃，-5℃，0℃，5℃与10℃。为降低试验误差对结果的影响，每组试件成型4个，试验结果取平均值，混凝土破坏弯拉强度、弯拉应变与劲度模量分别如图3、图4、图5所示。

图3 不同试验温度下混凝土弯拉强度

图4 不同试验温度下混凝土最大弯拉应变

图5 不同试验温度下混凝土弯曲劲度模量

由图3所示，不同试验温度下，各组混凝土试件破坏时的弯拉强度均表现出随环氧树脂掺量的提高而逐渐增加。试验温度为-10℃、-5℃与0℃时，20%树脂掺量试件弯拉强度的增幅相对较小，这主要是因为聚氨酯与环氧树脂的互穿交联网络在该掺量范围内初步形成，其对弯拉强度的增益效果有限；树脂掺量大于20%时，各试验温度下混凝土的弯拉强度均表现出明显的增长趋势，此时环氧树脂刚性链段占比较高，树脂的掺入对混凝土刚度的提升较大，因此表现为弯拉强度快速增加。

如图4所示，环氧树脂的掺入势必提升混凝土的整体刚度，混凝土的最大弯拉应变均随树脂掺量的增加而下降。试验温度高于-5℃时，混凝土弯拉应变在40%～60%树脂掺量范围内显著降低；而试验温度为-10℃时，混凝土弯拉应变在20%～60%树脂掺量范围内就开始加速下降，当树脂掺量为60%时，混凝土弯拉应变较-5℃下降了24.49%，降幅最大，说明环氧树脂掺量不宜超过60%。

弯曲劲度模量是混凝土弯拉强度与弯拉应变的比值，常被用于表征沥青混凝土的粘弹特性，模量越高说明混凝土的刚度越大。如图5所示，混凝土的弯曲劲度模量随环氧树脂掺量的提高而增加。试验温度为-10℃条件下，混凝土的弯曲劲度模量均明显大于相同树脂掺量的试验组，且环氧树脂掺量超过40%后，混凝土的劲度模量显著增加；与0%掺量聚氨酯混凝土相比，树脂掺量80%混凝土的劲度模量提高了近1倍，说明此时混凝土的脆性相对最大。

4.2 脆化点温度分析

钢桥面铺装材料需兼具柔韧性与刚性，脆化点温度是用以分析混凝土开裂破坏类型的指标，脆化点温度越高说明试验材料的柔韧性越差，即更易发生脆性开裂。改性聚氨酯混凝土属于热固性铺装材料，破坏开裂过程的应力应变曲线接近于线性。按参考文献[8]所述方法，计算各树脂掺量下混凝土的脆化点温度如图6所示。

图6 不同树脂掺量下混凝土脆化点温度

由图6可知，混凝土的脆化点温度随环氧树脂掺量的增加而逐渐变大，说明混凝土发生脆性开裂的温度越来越高。所用聚氨酯主链中的柔性链段由聚酯多元醇组成，环氧树脂掺入后可增大复合体系的整体刚度。树脂掺量在20%～60%内时，混凝土的脆化点温度相近，说明聚氨酯-环氧树脂互穿交联网络已初步形成；当树脂掺量超过60%时，脆化点温度出现明显增加并在80%掺量时达到最高，此时环氧树脂已成为交联网络的主体，即混凝土相对更易开裂。同时，脆化点温度的上下限也随树脂掺量增加而表现出增长趋势，结合试验过程中较高的搅拌难度可知，聚氨酯与环氧树脂的混融不易，施工中应当采取合理措施保证二者充分混合。

4.3 应变能分析

弯拉应变难以充分反映铺装材料的抗开裂性能，而脆化点温度只能大致判断环氧树脂掺量对混凝土抗裂性能的影响趋势，为确定环氧树脂的最优改性掺量，采用应变能分析铺装材料的低温抗裂性能，应变能的计算公式如式(1)所示，汇总试验结果如图7所示。

式中，Qp为应变能密度；a为混凝土弯曲破坏时的应变；σ(ε)为应变ε对应的应力。

图7 不同温度下混凝土断裂应变能

由图7可知，不同试验温度下，混凝土的断裂应变能均表现出随树脂掺量的提高而先增加后降低的趋势；0%～40%树脂掺量范围内，混凝土的断裂应变能表现出增长趋势，这是因为刚性较大的环氧树脂网络有效分担了荷载作用，同时聚氨酯的柔性链段提高了开裂所需的能量阈值，最终表现出对混凝土抗裂性能的有益效果；当树脂掺量超过40%，可发现混凝土断裂能转变为下降趋势，此时聚氨酯-环氧树脂互穿网络中柔性链段的含量较低，混凝土主要以刚性大的环氧树脂网络为主，导致其应变能相对下降；此外，树脂掺量超过60%时，与-10℃试验温度相比，-10℃时混凝土的断裂应变能下降超过37%。-10℃条件下，当环氧树脂掺量为40%，改性聚氨酯混凝土开裂所需的应变能相对最高，为35.9kJ/m3，说明环氧树脂掺量宜取40%左右，以获取最佳的抗裂性能。

5 结论

依托瓯江北口大桥钢桥面铺装项目，重点就聚氨酯混凝土新型铺装材料的低温性能展开研究，主要得到以下结论：

(1)采用环氧树脂改性获得的改性聚氨酯混凝土具有出色的高温抗变形性能，环氧树脂掺量在0%～40%范围内时，混凝土的动稳定度可获得明显增长；当树脂掺量超过40%时，环氧树脂掺量的增加对混凝土高温抗变形性能的提升效果相对有限。

(2)聚氨酯与环氧树脂间的“强迫包容”效应可形成互穿交联网络，进而提升改性聚氨酯混凝土的低温弯拉应变。试验温度为-10℃时，混凝土的弯拉应变在环氧树脂掺量20%～60%范围内快速下降；环氧树脂掺量为60%时，与-5℃试验温度相比，-10℃时混凝土的弯拉应变降幅最大，达到24.49%，即环氧树脂掺量不宜超过60%。

(3)混凝土的脆化点温度随环氧树脂掺量的提高而增大，且当树脂掺量在20%～60%范围内时，聚氨酯与环氧树脂已形成互穿交联网络；同时，脆化点温度上下限也随树脂掺量的增加而增长，结合试验过程可知，高掺量下，聚氨酯与环氧树脂的混融难度相对更大。

(4)0%～40%树脂掺量范围内，混凝土的断裂应变能表现出增长趋势，说明此掺量范围内环氧树脂的改性效果相对最好，其与聚氨酯所组成的互穿交联网络具有相对最好的抗裂性能。试验温度为-10℃、环氧树脂掺量40%时，改性聚氨酯混凝土开裂所需的应变能最大，为35.9kJ/m3。综合考虑工程经济性，建议取环氧树脂掺量为40%，以获取抗裂性能优良的改性聚氨酯混凝土。